玉米秸稈皮碎料/木材纖維復合板工藝研究

張召召，張顯權，呂海翔

（東北林業大學材料科學與工程學院，哈爾濱 150040）

我國是一個木材資源十分短缺的國家，目前許多人造板廠因為原料供應缺乏或是原材料成本過高已處于停產或半停產狀態。秸稈類植物這一巨大的生物質資源，可以為解決人造板原料供應緊張的問題另辟新徑［1］。我國的玉米秸稈資源豐富，分布廣泛且集中，擁有發展秸稈人造板的良好條件，用玉米秸稈制造人造板可以避免其焚燒產生污染并提高其附加值［2］。本實驗利用玉米秸稈皮碎料和木纖維混合，用價格低廉的改性脲醛樹脂膠，這樣既兼顧了玉米秸稈皮的特性，對農作物剩余物進行合理利用，而且外觀還近似木質纖維板一樣美觀［3］。在政府對農作物剩余物利用的扶持政策下，既滿足市場需要，同時也提高了農民收入、促進了新農村建設。

1 實驗原材料制備分析及實驗設計

1.1 實驗原材料制備分析

本實驗所使用的玉米秸稈來自黑龍江省賓縣，先使用玉米秸稈皮瓤分離機將玉米秸稈進行了初級分離，并放置一段時間進行自然風干，然后用粉碎機將風干后的玉米秸稈皮碎料粉碎，最后采用逐級篩分風選法對玉米秸稈皮碎料進行進一步的皮穰分離［4］。

實驗表明:篩分之前由于粉碎的外皮部分與穰部分尺寸大小、質量范圍都分布廣泛，所以先按照尺寸大小采用不同目數的篩網對其進行機械篩分，篩分之后各組分的外皮碎料部分和穰顆粒部分形態體積大致相同，由于穰的密度小于外皮密度，因此再根據原料中皮、穰密度的不同采用風選工藝將混合原料中的穰基本除去，獲得比較純凈的玉米秸稈皮碎料。

木材纖維采用實驗室備用的楊木纖維，壓板之前分別將玉米秸稈皮碎料和木材纖維干燥至含水率為3%左右。

膠黏劑采用實驗室制備的改性脲醛樹脂膠黏劑，改性脲醛樹脂固含量約為69%，液體石蠟防水劑為板材總質量的1%，由于本次實驗的主要目的是研究玉米秸稈皮碎料部分替代木纖維壓制類似中密度板的板材，故根據市場上常用中密度板的密度指標，將板材的目標密度定為0.7 g/cm3，不將密度作為正交實驗的影響因素。

1.2 實驗工藝流程設計

實驗工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flowchart

1.3 正交試驗設計

根據木材和其它類型纖維板加工工藝的經驗，設定變化因子水平見表1。固定因子及水平有:試驗板尺寸320 mm×340 mm×10 mm，根據變化因子水平表選擇L9（34）安排試驗，每種實驗條件重復壓制兩塊板材。

表1 變化因子水平表Tab.1 Factor levels

2 復合板性能檢測及結果分析

2.1 檢驗標準及數據可靠性分析

表2 實驗結果及統計分析Tab.2 Experimental results and statistical analysis

按中華人民共和國木材工業標準《GB/T 11718－1999中密度纖維板》室內型板的物理力學性能指標對復合板材進行檢測，該標準中對公稱厚度為9～12 mm的板材的物理力學性能檢測標準為:內結合強度≥0.60 MPa，靜曲強度≥22 MPa，彈性模量≥2 500 MPa，2 h吸水厚度膨脹率≤12%。

從表2可以了看出，9組不同條件實驗的成板平均密度比較均勻，其他數據波動性也較小，這表明本次正交試驗的數據的穩定性和可靠性。

2.2 試驗結果方差分析

從表3中也可看出，混合比和施膠量是影響復合板物理力學性能的兩個主要因子，它們對24hTS、彈性模量都有顯著影響，所以在后面的單因素實驗設計中應重點考慮混合比和施膠量這兩個影響因素。

表3 結果方差分析表Tab.3 Variance analysis

2.3 正交實驗結果討論

2.3.1 混合比對復合板材性能的影響

由表4可知，隨著玉米秸稈皮碎料含量增加，復合板的彈性模量成下降趨勢，當混合比從3∶7變化為7∶3時，復合板材的彈性模量降低了10%;其內結合強度增加了21%，增加幅度較為明顯;靜曲強度有所增加;2hTS無顯著的規律。原因可能是纖維本身的長徑比較大，木纖維有很強的纏繞性，當玉米秸稈皮含量增加時，木纖維與秸稈碎料之間在膠黏劑的作用下形成較為穩固的機械結合和化學鍵結合，從而增加了玉米秸稈皮碎料和木纖維的界面結合強度，故隨著玉米秸稈皮碎料含量的增加復合板材的內結合強度和靜曲強度有所增加。彈性模量減小可能是由于玉米秸稈皮碎料的增加導致復合板材的柔韌性降低，剛度增加。因為玉米秸稈皮碎料的柔韌性低于木纖維，宏觀即表現為復合板彈性模量的降低。

表4 混合比對復合板性能的影響Tab.4 Effect of mix ratio on performance

2.3.2 施膠量對復合板材性能的影響

由表5可知，隨著施膠量的增加，復合板材的2hTS明顯降低，施膠量從10%增加到12%時，升幅為23%;從12%增加到14%時，升幅為8.2%。24hTS降低原因可能是改性脲醛膠固化后使外界的水不宜滲透到板材內部，故而施膠量越大板材的2hTS越小。其他物理性能都呈現上升趨勢，當施膠量從10%增加到14%時，彈性模量提高14%，內結合強度提高37%。原因可能是隨著施膠量的增加，復合板材中木纖維和玉米秸稈皮碎料之間的膠接點增加，界面形成更大數量的化學鍵，板材膠接性能更加優化，從而導致復合板材的內結合強度和彈性模量等的增加。

表5 施膠量對復合板性能的影響Tab.5 Effect of glue content on performance

2.3.3 熱壓時間對復合板材性能的影響

熱壓時間不僅能影響板材的物理力學性能，而且對生產效率會產生影響。見表6，隨著熱壓時間不斷地增加，板材的彈性模量和靜曲強度呈下降的趨勢，靜曲強度在熱壓時間從4.5 min提高到6 min時，下降10%，彈性模量總體下降的趨勢并不是太明顯。內結合強度呈現先增加后降低的趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈增加趨勢。在一定范圍內，熱壓時間的增加有助于膠黏劑的良好的固化，也有利于板坯中水分的蒸發，這都會對成板的力學強度性能產生提高作用，但熱壓時間超出這一范圍，結果就會不太理想，表5中當熱壓時間超過3 min時，可能導致玉米秸稈皮碎料的含糖等化合物的熱降解，破壞玉米秸稈皮碎料和木纖維之間形成的化學鍵，熱壓時間的增加也可能破壞膠層，從而導致板材24 h吸水厚度膨脹率的增加。當熱壓時間為3 min時，彈性模量等性能復合《GB/T 11718－1999中密度纖維板》室內型板的物理力學性能指標，從經濟性角度考慮，熱壓時間可定為3 min。

表6 熱壓時間對復合板性能的影響Tab.6 Effect of hot-pressing time on performance

2.3.4 熱壓溫度對復合板材性能的影響

由表7可知，當熱壓溫度從130℃升高到150℃時，彈性模量增加1%，增加幅度很小;靜曲強度增加4%，內結合強度幾乎不變，2 h吸水厚度膨脹率增加6%，當熱壓溫度從150℃升高到170℃時，彈性模量下降5%，其他的性能都有所降低。從這些數據可以看出，將熱壓溫度設置為150℃時，各項性能指標最好。但從經濟性看，當熱壓溫度從130℃提高到150℃，各項性能增加不明顯，且當熱壓溫度設置為130℃時，各項性能指標符合《GB/T 11718－1999中密度纖維板》室內型板的物理力學性能指標，故可將板材的熱壓溫度設置為130℃。造成以上結果的原因可能是隨著熱壓溫度的上升，膠黏劑固化速度加快，玉米秸稈皮碎料和木纖維能形成較好的膠合作用，但當溫度進一步上升時，可能使玉米秸稈碎料的含糖化合物的分解，破壞部分氫鍵，使板材的力學性能降低。

表7 熱壓溫度對復合板性能的影響Tab.7 Effect of hot-pressing temperature on performance

2.4 復合板外觀質量評價

2.4.1 熱壓溫度和熱壓時間對復合板材外觀質量的的影響

玉米秸稈的主要成分是纖維素、半纖維素、木質素、粗蛋白、脂肪和水等，其中戊糖為17%～26%，纖維素為20%～30%，木質素為19%～23%。在分離后，其表皮仍會殘留一些糖分，在熱壓過程中，由于糖的焦化，會對板的外觀質量產生一定的影響。如圖2所示，在混合比例相同的情況下，由上至下分別是熱壓溫度為130℃、150℃和170℃，可見板的顏色逐漸加深，即為糖炭化造成的結果。在混合比例相同的情況下，由左到右分別是熱壓時間為3 min、4.5 min和6 min，同樣板的顏色逐漸加深，也是由于糖炭化所造成的。因此綜上所述，此板的外觀質量會隨著熱壓溫度的升高、熱壓時間的增加而略有降低。

圖2 復合板材外觀質量圖 （1）Fig.2 Appearance quality of composite（1）

圖3 復合板材外觀質量圖 （2）Fig.3 Appearance quality of composite（2）

2.4.2 混合比對復合板材外觀質量的的影響

玉米秸稈皮碎料與木材纖維的外觀有很大的差異，本次實驗所使用的玉米秸稈皮碎料多為10～30目，而木材纖維多為60目以上的，所以二者物料的混合比例不同，對于復合板的外觀質量有相當的影響，如圖3所示，由上到下為木纖維的比例逐漸減少玉米秸稈皮碎料的比例逐漸增加，復合板的外觀顏色逐漸加深，可見與正常市場銷售的中密度纖維板的外觀還是有明顯的差別的，因此要探討在保證復合板材優良性能的同時怎么改善其外觀質量，使其和市售的密度板有類似的外觀質量，這樣更便于消費者接受。

3 單因素實驗設計與結果討論

3.1 單因素實驗設計

通過以上的正交試驗及結果的研究表明，在本次玉米秸稈皮碎料與木纖維混合制板的實驗中，之前預測的多種因素包括混合比、施膠量、熱壓溫度和熱壓時間都對板的物理性能有影響。雖然熱壓溫度和時間對板材的物理性能影響較為明顯，通過以上正交實驗結果與國家標準相比較，復合板材的熱壓溫度和熱壓時間分別為130℃和3 min時，其物理性能可達到國家標準《GB/T 11718－1999中密度纖維板》室內型板材的標準，故出于節能、降低成本的考慮，將生產工藝參數定為:熱壓溫度為130℃，熱壓時間為3 min

（1）施膠量確定為10%時，混合比 （秸∶木）分別為 2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4。

（2）混合比確定為4∶6時，施膠量分別為7%、8%、9%、10%和11%。

通過對施膠量和混合比更小的區間劃分，探索研究既滿足產品質量需求，又符合企業生產效益的合理的工藝參數，本次進行10組不同條件的試驗，每組實驗重復壓制兩塊板材。

3.2 實驗結果與討論

3.2.1 實驗數據及統計分析

通過表8數據的統計分析，各性能的標準偏差都在一定的范圍內，實驗數據的波動較小，各性能指標基本能達到國家標準。

表8 實驗數據及統計分析Tab.8 Experimental data and statistical analysis

3.2.2 混合比對復合板材性能的影響

表9 混合比對復合板性能的影響Tab.9 Effect of mix ratio on composite performance

由表9可知，玉米秸稈皮碎料與木纖維的混合比對MOR、MOE、IB有明顯的影響，隨著混合比中玉米秸稈皮碎料的增加，復合板材的彈性模量、靜曲強度和內結合強度都呈現增加趨勢，2 h吸水厚度膨脹率呈減小趨勢。因此綜合以上的分析，建議將玉米秸稈皮碎料與纖維之比定為5∶5或6∶4。這樣不僅能在力學強度上能滿足規定標準，而且在外觀上也比較接近纖維板，可以滿足市場的需要。

3.2.3 施膠量對復合板材性能的影響

表10 施膠量對復合板性能的影響Tab.10 Effect of glue content on Composite performance

由表10可知，隨著施膠量的增加，2hTS逐漸降低，IB、MOR、MOE逐步升高，但是結合實際生產，當施膠量增加時，復合板材的性能更加優化，2 h吸水厚度膨脹率降低，其他力學性能等都增加。故可將板材的施膠量設置為11%。

4 最佳工藝驗證試驗及甲醛釋放量檢測

4.1 驗證實驗

通過正交試驗和單因素試驗［5］，得到最佳工藝條件為:施膠量為11%、熱壓溫度為130℃、熱壓時間為3 min，玉米秸稈皮碎料與木纖維混合比為5∶5或6∶4。為驗證實驗最佳工藝條件的準確性和可靠性［6］，按照以上條件壓制密度約為0.7g/cm3五塊板材。其物理力學性能見表11。

表11 驗證試驗中板材的物理力學性能Tab.11 Physical performance of composite at verification test

由表11可知，板材的物理性能可滿足《GB/T 11718－1999中密度纖維板》室內型板的物理力學性能指標，各性能指標的波動在一定范圍內，板材的性能穩定性較好。

4.2 最佳工藝壓制板材甲醛釋放量的檢測

用穿孔萃取法［7－8］對驗證試驗中的5塊板材取樣進行檢測，其結果見表12。

表12 甲醛釋放量指標Tab.12 Formaldehyde release indicators

由表12可知，最佳工藝驗證試驗中所壓板材的甲醛釋放量可滿足《GB18580－2001室內裝飾裝修材料人造板及其制品中甲醛釋放限量》的要求，板材可達到E1級的要求。

5 結論

本實驗采用了纖維板的工藝，對正交試驗結果進行分析與討論，通過對復合板的外觀質量影響因素做出評定外，還對復合板的物理力學性能進行測試，得出在一定范圍內的增加施膠量、提高熱壓溫度、增加熱壓時間都會提高復合板的物理力學性能，這對于提高產品質量和產量都有一定的指導作用。在分析正交實驗的基礎上進一步做了單因素實驗。分析討論可得出本次試驗既經濟又滿足國標的工藝條件為施膠量11%、熱壓溫度為130℃、熱壓時間為3 min，玉米秸稈皮碎料與木纖維混合比為5∶5 或 6∶4。

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