枝椏材制備木質刨花板成板工藝及性能研究*

周志芳　黃海兵　趙思淼　李晨琦　何金存　王宏棣**（.黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱　5008；2.黑龍江省木材科學研究所國家林業(yè)局制材研究實驗室，哈爾濱　5008；3.黑龍江省木材科學研究所省木材綜合利用重點實驗室，哈爾濱　5008；4.黑龍江省人造板及原木鋸材產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗站，哈爾濱　5008）

枝椏材制備木質刨花板成板工藝及性能研究*

周志芳1，2黃海兵1，4趙思淼1，3李晨琦1何金存1，3王宏棣1，3**
（1.黑龍江省木材科學研究所，哈爾濱150081；2.黑龍江省木材科學研究所國家林業(yè)局制材研究實驗室，哈爾濱150081；3.黑龍江省木材科學研究所省木材綜合利用重點實驗室，哈爾濱150081；4.黑龍江省人造板及原木鋸材產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗站，哈爾濱150081）

采用柳樹枝椏材制得的片狀刨花制備木質刨花板；通過正交試驗設計，研究施膠量、預設密度以及石蠟添加量對板材物理力學性能的影響。結果表明，預設密度對靜曲強度和靜曲彈性模量均有顯著的正相關線性影響，對內結合強度有顯著影響；施膠量對靜曲彈性模量和內結合強度有一定的正相關影響；所有試驗因素對2 h吸水厚度膨脹率均有一定影響。從板材性能和成本角度考慮，確定柳樹枝椏材制備木質刨花板的最佳工藝為：施膠量7%，預設密度0.7 g/cm3，石蠟添加量4%。

枝椏材；木質刨花板；制備工藝

枝椏材主要來自于森林撫育間伐，是林區(qū)木質剩余物的一種。國內外均已開始研究如何高效利用枝椏材。當前國內外最常見的枝椏材利用方式是制漿造紙，但枝椏材并不是適合制漿造紙的優(yōu)良原料，因此學者們開始研究利用枝椏材制備刨花板的可行性。Rios P.D.等人［2］用整體南美杉枝椏材與巨桉木粉按照不同比例混合制備刨花板，結果表明，完全用枝椏材制備的刨花板也能達到普通商用刨花板的性能。Duarte dasilva等人［3］用兩種不同樹種的撫育剩余物經(jīng)過粉碎后制備刨花板并檢測相關性能，證明其中有一種原料制備的板材性能更為優(yōu)越。John A.Barboutis等人［4］用五種地中海常綠闊葉樹種的木材、枝椏和葉子等生物質原料通過粉碎后制備刨花板，結果表明制備的板材物理力學性能明顯差于常規(guī)刨花板，但尺寸穩(wěn)定性較優(yōu)。國內學者李凱夫、董葛平等人［5-6］均提出了用枝椏材制備刨花板，并完成了多指標的性能檢測。張厚友等人［7］研究了毛枝椏的生產(chǎn)過程，揭示了當前林區(qū)進行枝椏材收集和交易的現(xiàn)狀。前人的研究結果表明，用枝椏材制備木質刨花板是可行的，但其物理力學強度不太理想［8］。本研究以柳樹枝椏材為原料，采用正交試驗設計法研究了成板工藝參數(shù)與成板性能之間的關系，進而確定較優(yōu)的柳樹枝椏材制備刨花板成板工藝。

1　材料與方法

1.1試驗材料及設備

帶皮柳樹枝椏，采自黑龍江省綏棱林業(yè)局，3年樹齡，株高約2.5m，直徑約2cm，經(jīng)過長期自然放置后與大氣平衡含水率一致；異氰酸酯膠黏劑，黑龍江佰嘉生物質材料有限公司提供；液體石蠟，分析純，天津化學試劑廠。

試驗設備有：自制實驗型灌木枝椏材刨片機；KUHPD-1515型單層試驗用熱壓機，產(chǎn)地日本；MW-4型木材萬能力學試驗機，產(chǎn)地日本；IA-61型恒溫恒濕箱；CS871型熱風循環(huán)干燥箱，產(chǎn)地中國吳江；游標卡尺。

1.2試驗方法

1.2.1刨花的制備

將氣干后的柳樹枝椏鋸成長約90cm的短料，放入自制刨片機制成一定規(guī)格尺寸的刨花，人工過8目篩子；將自制刨花放進熱風循環(huán)干燥箱中，在102℃烘干4 h后裝入塑料袋中密封備用。用烘干法測定刨花的終含水率為3.5%±0.3%。

1.2.2正交試驗設計

選用正交表L9（34）安排試驗，試驗因素為施膠量、預設密度、石蠟添加量，每個因素考察3個水平，具體試驗方案見表1。熱壓工藝參數(shù)設定為：熱壓溫度150℃，預壓壓力1mPa，預壓時間30s；熱壓壓力4mPa，熱壓時間8min。

表1　試驗方案設計

1.2.3板材的壓制

首先，根據(jù)正交試驗設計確定的配方，計算每組所需的原料量。將計量后的刨花放入拌膠機中，啟動拌膠機，噴施異氰酸酯膠黏劑，混合10min左右后加入液體石蠟，繼續(xù)混合10min后將刨花移出進行手工鋪裝，經(jīng)預壓、熱壓工藝制備尺寸為400mm×400mm×12mm的刨花板。

1.2.4板材物理力學性能測試

按照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測試，包括靜曲強度（MOR）、靜曲彈性模量（MOE）、內結合強度（IB）、2 h吸水厚度膨脹率（TS）、密度（D）和含水率（WC）。

2　結果與分析

2.1物理力學性能測定結果

測定結果（表2）顯示，試樣的最終密度與預設密度之間出現(xiàn)了小幅度偏差，這是由于試樣制備過程中的計量和鋪裝環(huán)節(jié)由人工完成。表2表明，試樣的含水率與試驗因子的相關性不大，含水率最大值和最小值的差距為2%，平均含水率為4.67%，即不同試驗號制得的試樣其含水率差距并不大。板材含水率直接取決于原材料的干燥程度以及膠黏劑用量，原料的干燥程度是相似的，刨花的初始含水率是3.5%±0.3%，膠黏劑是異氰酸酯且添加量也遠遠低于刨花板常用的脲醛樹脂。由此得出，膠黏劑對板材含水率的影響不大。

表2　試樣各項物理力學性能測定結果

2.2試驗因素對靜曲強度的影響

由表3前三行可以看出，3個因素的F值均未達到F0.05的臨界值，這說明3個因素對靜曲強度均無顯著影響，導致這種結果的原因主要是誤差的自由度較小進而使F值較小，無法達到臨界值，這就降低了方差分析的靈敏度。此時需進一步觀察3個因素的F值，其中，因素B即預設密度的F值遠遠大于其他因素，因此把其他因素放入誤差中單獨計算因素B對靜曲強度影響的顯著性（表3后兩行），此時因素B的F值明顯大于臨界值，可見因素B對試樣的靜曲強度是有顯著影響的，顯著性水平為0.05。預設密度是保證足夠數(shù)量的刨花能在壓力作用下形成內部結合的主要保障，因此也是決定試樣靜曲強度的主要因素。

表3　靜曲強度方差分析

從圖1中可以看出，隨著試樣密度增加，MOR也明顯升高，且兩者之間呈近似線性的正相關關系。進一步進行線性擬合得到的線性模型為y=84.38x-36.76，相關系數(shù)R2為0.97，線性模型的擬合顯著性檢驗結果為顯著，即模型能在該密度區(qū)間內擬合得較好，該模型可用于預測該密度區(qū)間內試樣的MOR值。當試樣密度大于0.6 g/cm3時其MOR值就能達到GB/T 4897-2015中干燥狀態(tài)下使用的家具型刨花板的相關要求，試樣密度為0.7 g/cm3時的MOR值可達到干燥狀態(tài)下重承載型刨花板的要求；而若密度進一步增加，相應的制造成本也會明顯增加。當試樣密度為0.5 g/cm3時，MOR值不合格。可見，密度是決定板材靜曲強度的關鍵因素，且預設密度越高則靜曲強度越大。

2.3試驗因素對靜曲彈性模量的影響

從表4可以看出，因素B的F值大于F0.05，另外2個因素的F值均小于F0.05，可見預設密度顯然對靜曲彈性模量有明顯影響；因素C的F值小于因素A，因此將因素C歸入誤差項進一步做二次方差分析。結果表明，因素B仍對靜曲彈性模量有極顯著的影響，而因素A對靜曲彈性模量有一定影響，因為因素A的F值在F0.1到F0.2之間，此時誤差的自由度小于5，而誤差自由度過小會嚴重影響方差分析的準確度，所以此時應放寬判定值，即鑒于F0.1到F0.2之間可認為因素對指標有一定影響。施膠量的大小將會直接影響刨花之間的膠合面積以及膠合強度，而預設密度的作用仍是保證刨花之間能在物理距離上緊密接觸，這2個因素共同影響試樣的靜曲彈性模量。

圖1　密度與MOR的關系

圖2　密度、施膠量與MOE的關系

表4　 靜曲彈性模量方差分析

從圖2（a）中可看出，隨著試樣密度增加，MOE呈線性上升。同樣，進行線性模型擬合得到模型y=10.39x-4.42，相關系數(shù)R2為0.99，線性模型的擬合顯著性檢驗結果為顯著，即模型能在該密度區(qū)間內擬合較好，該模型可用于預測該密度區(qū)間內試樣的MOE值。施膠量與MOE之間存在一定的正相關性圖，圖2（b）顯示，在本試驗設計的施膠量范圍內，MOE隨著施膠量的增加而提高，因為膠黏劑是刨花之間形成結合力的媒介，在一定范圍內施膠量越多則板材的物理力學性能越好。此外，隨著施膠量增加，MOE測定的偏差變大，說明施膠量為10%時試樣的強度均勻性變差，這可能是由于施膠量較大導致板材內部出現(xiàn)過度吸膠的膠塊，進而導致試樣在受力時出現(xiàn)應力集中點，宏觀上表現(xiàn)為MOE的測定偏差較大，因此施膠量的確定原則是既保證板材強度且添加量最低。

2.4試驗因素對內結合強度的影響

從表5可以看出，3個因素的F值均未達到F0.05的臨界值，這同樣是因為誤差的自由度較小進而降低了方差分析的靈敏度，因此將均方和最小的因素C歸入誤差中再次進行方差分析，相關結果見表5。此時因素B即預設密度的F值達到了F0.05，這說明預設密度對內結合強度有顯著影響；因素A即施膠量的F值在F0.1到F0.2之間，即施膠量對內結合強度有一定的影響。

表5　內結合強度方差分析

由圖3（a）可看出，隨著密度增加，試樣的IB顯著升高，當試樣密度大于0.6時IB值出現(xiàn)了質的提高。這說明試樣密度是保證刨花碎料充分接觸并在膠黏劑作用下形成內部結合的關鍵因素。從圖3（a）還可看出，在本試驗考察的密度范圍內內結合強度與密度之間顯然不是線性增長關系，試樣密度從0.6 g/cm3增加到0.7 g/cm3的過程中，內結合強度出現(xiàn)了倍數(shù)級的增加，可見板材的預設密度在0.6～0.7 g/cm3之間是合理的。由圖3（b）可看出，隨著施膠量增加，IB呈線性增加，線性擬合模型y=0.02x-0.03，相關系數(shù)R2為0.98，線性模型的擬合顯著性檢驗結果為顯著，即模型能在該施膠量區(qū)間內擬合較好，該模型可用于預測該施膠量區(qū)間內試樣的IB值。

2.5試驗因素對2 h吸水厚度膨脹率的影響

表6顯示，3個因素的F值比較接近，但是均未達到F0.05的臨界值，這也是因為誤差的自由度過小而大大降低了方差分析的靈敏度。此時仍采取放寬臨界值的方法，3個因素的F值均在F0.1到F0.2范圍內，這說明3個試驗因素對2 h吸水厚度膨脹率均有一定影響。

圖3　密度、施膠量與IB的關系

表6　2 h吸水厚度膨脹率方差分析

圖4　施膠量、密度、石蠟添加量與2hTS的關系

圖4（a）表明，當施膠量為4%時試樣的2hTS值最大，施膠量為7%時試樣的2hTS值最小，而施膠量為10%時的2hTS值略高于施膠量為7%時的試樣。可見，2hTS隨著施膠量的增加而呈下降趨勢，施膠量越大，板材內部的結合強度越高，在短期吸水過程中仍能較好保持外觀尺寸；而施膠量足夠多時，即使繼續(xù)增加施膠量，試樣的2hTS值也不會繼續(xù)降低，這是因為木質材料自身就具有吸水性。由此，確定施膠量為7%較為合理。

由圖4（b）可看出，隨著試樣密度的增加，2hTS出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。理論上講，2hTS應該隨著試樣密度增加而持續(xù)降低，因為試樣密度越大則試樣內部存在的微觀孔隙數(shù)量會明顯下降，這些微觀孔隙將為水分進入試樣內部提供毛細管類通道，微觀孔隙越少則試樣在同樣時間內的吸水率自然就下降了。但實際結果表明，試樣密度為0.6 g/cm3時的2hTS值高于密度為0.5 g/cm3的試樣，這從側面說明密度從0.5 g/cm3增加到0.6 g/cm3的過程中，試樣內部的密室并未出現(xiàn)質的改變，即2種試樣內部存在的微觀孔隙數(shù)量差異不大；而當試樣密度繼續(xù)升高到0.7 g/cm3時，試樣2hTS值則明顯下降，此時試樣內部緊實度達到最高，刨花之間實現(xiàn)了物理上的緊密接觸，這就大大減少了試樣內部微觀孔隙形成的可能性。

從圖4（c）可看出，隨著石蠟添加量逐漸增加，試樣的2hTS值也出現(xiàn)了先增加后降低的現(xiàn)象。添加石蠟的作用主要是使其附著在刨花表面并提供一定的拒水特性，即石蠟的添加量應該與刨花的比表面積之間互相匹配。相對于刨花巨大的比表面積，讓石蠟完全覆蓋所有刨花的表面是不現(xiàn)實的。圖4（c）中，石蠟添加量為2.5%時試樣2hTS值最大，石蠟添加量為4%時試樣2hTS值最小，同樣這也是因為石蠟添加量為1%和2.5%時的差異并不大，所以2種條件下試樣的2hTS差異較小，甚至出現(xiàn)石蠟添加量為2.5%的試樣2hTS更大的現(xiàn)象。當石蠟添加量達到4%時，試樣的拒水性能出現(xiàn)顯著提高，即2 h吸水厚度膨脹率明顯下降。

3　結　論

3.1試樣的最終密度基本與預設密度相當，且終含水率也基本一致。預設密度對試樣MOR有顯著影響，兩者為線性相關關系；預設密度對靜曲彈性模量也有顯著影響，即MOE隨著試樣密度增加而呈線性增加；此外，施膠量對MOE有一定影響，MOE隨著施膠量增加而呈線性增加。

3.2預設密度對試樣IB也有顯著影響，隨著試樣密度增加IB出現(xiàn)倍數(shù)級的增長，兩者并不是線性正相關關系；施膠量對IB有一定影響，兩者存在線性正相關趨勢。

3.3施膠量、預設密度以及石蠟添加量均對2hTS有一定影響，其中2hTS隨著施膠量增加而明顯降低并趨于穩(wěn)定、隨著試樣密度的增加而波動性下降、隨著石蠟添加量增加而波動性下降。

3.4從板材性能和成本角度可確定，最佳的制備工藝是施膠量為7%，預設密度為0.7 g/cm3，石蠟添加量為4%。

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第1作者簡介：周志芳（1981-），女，助理研究員，主要從事生物質復合材料的研究。

（責任編輯：潘啟英）

The Preparation and Properties of Wooden Particleboard Fabricated by Wood Branches

ZHOU Zhifang
（Heilongjiang Institute of Woodscience，Harbin150081）

Willow wood branches arechipped as flakeshavings used to fabricate wooden particleboard. Orthogonal testmethod was designed to research the influence of experimental factors（adhesive addition，designed density，wax addition）onmechanical properties.The resultsshowed that the predesigned density hadsignificant influences onmOR andmOE both behaving positive linecorrelation.The predesigned density hadsignificant influences on IB.Adhesive addition hassome positive effects tomOE and IB.All experimental factors have influences on TS at acertain degree.Aftercomprehensivelyconsidering themechanical properties andcost，the optimum preparation technology parameters of particleboard produced by wood branches are adhesive addition7%，predesigned density0.7 g/cm3 and wax addition 4%.

Wooden branches；Wooden particleboard；Preparation

S784，TS653.5

A

1001-9499（2016）05-0020-05

王宏棣（1961-），男，研究員，主要從事木質重組材料的研究。

2016-07-04

* 黑龍江省森林工業(yè)總局科技計劃項目（sgzjY2013011）；黑龍江省林業(yè)科學院面上青年基金項目（2015Q02）