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热压工艺对竹重组板材性能的影响

2024-08-15 来源:好走旅游网
第40卷第5期 林业机械与木工设备 FORESTRY MACHINERY&WOODWORKING EQUIPMENT v。1 40 N。.5 May 2012 2012年5月 热压工艺对竹重组板材性能的影响 戴恁 (福建省永安市林业科学技术推广服务中心,福建永安366000) 摘要:探讨了以竹材为主要原料的竹重组板材热压工艺的优化,研究了热压工艺对竹重组板材力学性能的 影响,讨论分析了热压压力、热压时间、热压温度对竹重组板材吸水厚度膨胀率、耐沸水性、静曲强度、弹性模量、耐 磨性、耐化学腐蚀性、浸渍剥离率和甲醛释放量等性能的影响。通过正交试验,得出的优化热压工艺为:①热压压力 2.0MPa、热压温度145oC、热压时间1.7min/mm,热压压力对竹重组板材耐酸性、静曲强度和弹性模量等影响显著,对 耐沸水性、耐碱性、耐盐性、耐磨性和浸渍剥离率等影响不显著。②热压时间对竹重组板材静曲强度有显著影响,对 其他试验指标影响不显著。③热压温度对竹重组板材各试验检测指标均有一定的影响,但不显著。 关键词:毛竹;竹重组板材;热压工艺参数;物理力学性能 中图分类号:TS652 文献标识码:A 文章编号:2095—2953(2012)05—0032—05 Effect of Hot-pressing Process on the Properties of Recombined Bamboo Boards DAI Nin (Fujian Yong’an Forestry Science and Technology Extension Service Center,Yong’an Fujian 366000,China) Abstract:The optimization of the hot-pressing process of recombined bamboo boards with bamboo as the main raw materials is discussed,the effect of hot-pressing process on the mechanical properties of recombined bamboo boards are studied and the effect of hot-pressing pressure,hot-pressing time and hot-pressing temperature on the thickness expansion rate after water absorption,boilding water resistance,static bending strength,elastic modulus,abrasion resistance,chemical corrosion resistance,dip peel rate and formaldehyde release volume of recombined bamboo boards are discussed and analyzed.Through orthogonal tests,the optimal hot-pressing parameters are obtained:hot-pressing pressure is 2.0MPa,hot-pressing temperature is 145 ̄C,hot—pressing time is 1.7min/mm,the effect of hot-pressing pressure on the acid resistance,static bending strength and elastic modulus is noticeable and the effect of hot-pressing pressure on the boiling water resistance,salt resistance,alkali resistance,abrasion resistance and dip peel rate of recombined bamboo boards is not significant; hot-pressing time has a signifant effect on the static bending strength of recombined bamboo boards and an insignificant effect on other experimental indexes;hot pressing temperature has a certain but insinigifcant effect on all experimentl detectiaon indexes. Key words:bamboo;recombined bamboo board;hot pressing parameters;physical and mechanical properties 竹重组板材是一种以毛竹和胶黏剂为主要原料加 工而成的新型结构板材,由于竹重组板材具有良好的 供不应求问题的一条有效途径,因此近几年来竹重组 板材得到了迅速发展。本文探讨了竹重组板材热压工 艺的优化,研究了热压工艺对竹重组板材各项性能指 弹性模量、静曲强度和强耐候性,用途广、绿色环保以 及竹子生长快、能永续利用等特点,同时由于我国森林 资源缺乏,木材原料供需矛盾日益加剧,“以竹代木”已 成为缓解木材加工行业原料紧缺压力,解决木材原料 收稿日期:2012-02-08 标的影响,为竹重组材的连续化、规模化生产及其应用 提供试验依据与参考。 1试验材料与方法 1 2 3 4 5 第5期 1.1试验材料 戴恁:热压工艺对竹重组板材性能的影响 2 5 5 5 O 0 33 2 2 2 2 本研究所用毛竹采自福建永安市上坪乡,竹龄为 6~7年,胸径70~100mm,竹壁厚度5.0~9.0mm。胶黏剂 为酚醛树脂胶,由福建省永林竹业有限公司研制生产, 固体含量50%,pH值9.0,使用时需用水将其稀释成固 体含量25%。 2试验方案设计 2.1试验方法 ∞ ∞如 试验采用 (3 )正交试验方法进行,根据试验结果 讨论各因素对竹重组板材性能指标的影响程度,并由 5 7 9 7 9 此确定最佳技术路线和工艺技术参数,为批量生产提 l 2 3 3 1 供科学依据和技术保证。 9 8 7 7 8 2 4 8 2 6 7 4 l 8 1.2主要试验设备 本试验是在试验压机和福建永林竹业有限公司原 2.2试验因素和水平的选取 有的竹重组板材生产线上进行的,主要设备有: 影响竹重组板材性能的因素很多,如竹条疏解程 (1)电加热试验压机:型号QD一100t,幅面500mmx 度、浸胶浓度、热压压力、热压温度和热压时问等,这里 500mm。 主要选取对竹重组板材的静曲强度(MOR)、弹性模量 2¨吣 m (2)竹材碾压机:该机可将竹条分解成横向松散纵 (MOE)、吸水厚度膨胀率(rI1S)、胶合性能等影响较大的 向相连的网状竹束,产量0.5t/h,由福建省永林竹业有 因素。本试验选取热压压力、热压温度和热压时间这3 限公司自行研制。 个因子作为主要考察对象。试验因子与水平及试验方 (3)热压机:主压力24000kN,15层,青岛国森机械 案见表1和表2。 有限公司生产。 (4)高温炭化窑:空间尺寸3000mm(长) ̄3000mm 表1试验因子与水平 (宽)x6000mm(高),采用蒸汽散热片加热。 (5)干燥设备:干燥能力lda,温度55 ̄85℃,连续进料。 (6)万能力学试验机:由济南硕通电子有限公司生 产,型号LLF,量程10kN,可测量产品弹性模量、静曲强 度、内结合强度、抗弯强度等物理力学性能指标。 表2热压工艺正交试验方案及产品-眭能指标检测 测试方案 产品性能检测结果 序号热压压力热压温度热压时间空白 含水率 密度 静曲强度弹性模量耐沸水性耐酸性耐碱性耐盐性磨耗量浸渍剥2h吸水厚度 /MPa /℃ /min/mm 列 /% 幢・em-3 /MPa /MPa /% /% /% /% &h/r离率 膨胀率/% 1 1070.58 4.37 29.27 32.26 12.24 1.242 21.09 0.73 12773.87 3.88 27.72 34.03 10.19 1.084 15.2O 0.58 12491.80 4.65 30.04 36.42 l1-21 1.130 22.56 0.17 11974.29 3.96 27.11 30.63 l1.64 1.145 14.33 0.59 12574.18 4.85 28.95 29.66 10.37 1.209 14.75 0.6l 1 1640.83 4I26 29.O8 30.叭 12.27 1.090 18.91 0.42 10646.85 6.83 30.85 36.25 11.05 1-2o0 l3.83 O.16 9227.44 5.05 30.92 35.67 12.38 1.071 23.28 1.15 10536.13 3.98 3O.75 35.O2 11.8O 1.242 16.02 0.54 2.3工艺流程设计 (2)竹材疏解:竹材疏解是将竹条分解成横向松散 生产工艺流程为:竹材一剖分一去除竹青竹黄一 纵向相连的过程,目的是提高浸胶量和均匀度,方法是 疏解一蒸煮/炭化一干燥一浸胶一干燥一组坯一热压成 采用2.0~2.5mm厚的碾压片滚压而成。 板一冷却一后期处理。 (3)竹材炭化:竹材的炭化是将本色的竹材采用高 (1)竹材剖分:剖分是将竹子分解成一定规格竹片 压蒸汽加热的方式使其脱糖,改变其颜色,达到防霉防 的过程。根据竹子的不同部位和不同口径需使用不同 蛀效果的过程。根据不同色度要求采用的蒸汽压力在 的剖分刀将其切成竹片,通常的宽度为20mm和25mm 0.2~0.5MPa之间,炭化周期为2-5h/次。 两种,然后用剖分刀将竹青和竹黄去除,厚度分2~ (4)竹材蒸煮:竹材的蒸煮是将本色竹材放人热水 4mm、5-7mm、8~10ram三种。 中进行脱糖和杀菌的过程,起到防蛀、防霉的目的。竹 m瑚Ⅻ 34 林业机械与木工设备 第40卷 材中通常含有丰富的淀粉、糖类及蛋白质等有机物质, 作为家具和地板用材,竹重组板材如处理不当,容易引 起腐蚀、虫蛀和霉变。通过试验和检测可知,竹材经过 100 ̄(2的水煮4h后能抽提出毛竹绝干重10%的上述有 机物质,可达到防蛀、防霉的目的。 (5)竹材干燥:竹材干燥通常采用窑干法,可以实 现高温(80 ̄C)快速干燥,采用连续升温、分段加大热风 风量的干燥基准,终含水率达到8%时,干燥周期为 14h。干燥温度通常选择80~90 ̄C较为合理,如果干燥温 度高于IO0 ̄C,干燥速度虽然可以加快,但竹材的脆性 会加大,能耗也会增加。 (6)竹重组板材热压:竹重组板材的热压工艺是竹 重组板材生产技术的核心,热压生产工艺是将浸胶干 燥后的竹材组坯送人热压机通过一定的温度和压力进 行热压成型。 3试验结果及分析 3.1检测结果 按照每个因素选取三个水平进行正交试验,经反 复多次在试验压机上试验以及在永林竹业有限公司竹 重组板材生产线上生产约50m 的竹重组板材产品(产 品的尺寸规格为500mmx500mmx20mm),随机取样对 竹重组板材产品的密度、断面密度、含水率、尺寸稳定 性,2h吸水厚度膨胀率、耐磨性(主要以磨耗量来表 征)、耐沸水性,浸渍剥离强度、静曲强度以及弹性模 量、耐化学腐蚀性、甲醛释放量和天然耐腐性等进行测 试,测试按GB17657—1999、GB/T1970—1996、GB18580— 2001和GB/T13942.1—1992国家标准进行,测试结果及 各项因子对竹重组板材性能的影响见表2。 3.2热压工艺参数对产品性能影响分析 3.2.1热压压力 热压压力与各试验指标的关系如图1所示。 由图1可见,热压压力对竹重组板材静曲强度、弹 性模量、耐酸性、耐碱性和浸渍剥离率影响较大,对吸 水厚度膨胀率、耐磨性(磨耗量)、耐沸水性和耐盐性影 响较小。在试验范围内,当压力小于2.0MPa时,竹重组 板材的耐酸性、耐碱性、浸渍剥离率和弹性模量等性能 指标均随压力的增大而增强,但当压力大于2.0MPa 后,这些性能指标会随着压力的继续增大反而减弱;同 样,随着压力的增大,吸水厚度膨胀率、耐沸水性、耐盐 性、耐磨性和静曲强度等性能指标均逐渐增强,但当压 力大于2.0MPa时,这些性能指标虽然随着压力的增加 继续增大但增大趋势变缓。 +吸水厚度膨胀率 +耐沸水性 司 6 犍 4越 。 窿 压力/MPa (a) +耐盐性 一耐酸性 誉 、 一耐碱性—*一浸渍剥离率 碍 褪 窿 锤 留 徨 压力/MPa (b) 压力/MPa (c) 图1热压压力与各试验指标的关系 当热压压力小于2.OMPa时,随着压力的逐渐增大, 竹重组板材逐渐被压缩,竹纤维束胶结紧密,内部空隙 变小,密度逐渐增大,提高了竹重组板材的物理力学强 度值,故耐酸性、耐碱性、浸渍剥离率、静曲强度、弹性模 量、吸水厚度膨胀率、耐沸水性、耐盐性和耐磨性等各项 指标逐渐变大,竹纤维束的可压缩率达到最大值;当压 力大于2.0MPa后,因竹纤维束压缩率已达到最大值,竹 重组板材不会随压力的增大而无限制地被压缩,故耐酸 性、耐碱性、耐磨性、浸渍剥离率、静曲强度和弹性模量 性能指标将逐渐减弱或变化呈平缓趋势。 3.2.2热压温度 热压温度与各试验指标的关系如图2所示。 由图2可见,热压温度对竹重组板材静曲强度、弹 性模量、耐沸水性、耐磨性(磨耗量)和吸水厚度膨胀率 的影响均较大,但对浸渍剥离率、耐酸性、耐碱性和耐 盐性的影响则较小。在试验范围内,随着热压温度的升 高,竹重组板材静曲强度、弹性模量、耐沸水性和耐磨 第5期 戴恁:热压工艺对竹重组板材性能的影响 35 一吸水厚度膨胀率 士 +耐沸水性 . 司 咖 \ 犍 褂 遴 \ * * 燕 窿 温度/℃ (a) +耐盐性——一耐酸性 、 +耐碱性 十浸渍剥离率 褂 褪 丽 冰 \ ^ 、 窿 髻 甾 萑 温度,℃ (b) MOR/MPa _.-静曲强度+弹性模量MOE/MPa 温度/℃ (c) 图2热压温度与各试验指标的关系 性性能指标逐渐增大,但当温度高于145 ̄C时,竹重组 板材这些性能指标的变化则逐渐呈平缓趋势。 当热压温度低于145%时,随着热压温度的升高, 竹纤维束逐渐被软化,提高了竹纤维束内部化学组分 的降解,从而提高了竹纤维束的活性,有利于竹纤维 束之间的结合。此外,竹重组板材逐渐被压缩,其表层 与心层温度梯度逐渐加大,热传导加快,板中心部位 温度逐渐上升并开始发挥作用,酚醛树脂胶能较好地 流动且均匀分布于竹纤维束之间,从而使酚醛树脂胶 充分固化,提高了竹重组板材的物理力学强度值,故 竹重组板材静曲强度、弹性模量、耐沸水性、耐磨性、 耐盐性等性能指标逐渐增大;但当热压温度高于 145 ̄C后,随着温度的继续提高,竹纤维束本身被热解, 竹纤维束强度受到破坏,竹重组板材基体强度有所下 降。如果温度继续提高还会造成酚醛树脂胶的过分固 化,降解或老化、脆化,故竹重组板材静曲强度、弹性 模量、耐沸水性、耐磨性等物理力学强度增强趋势变 缓,耐盐性等逐渐减弱。 3-2.3热压时间 热压时间与各试验指标的关系如图3所示。 +吸水厚度膨胀率+耐沸水性主 +磨耗量 时间/arin・mm (a) 耐盐性 +耐酸性 耐碱性 十浸渍剥离率 褂 髓 \ 窿 髻 甾 窿 时间/min・mm (b) M0 MPa +静曲强度+弹性模量 M0E/MPa 15O 1200o 140 115oo 11000 130 10500 120 10ooO 1.5 1. 7 1.9 时间/rain・mm- (C) 图3热压时间与各试验指标的关系 由图3可见,热压时间对竹重组板材静曲强度、弹 性模量、耐沸水性、耐盐性、吸水厚度膨胀率和浸渍剥 离率的影响均较大,但对耐磨性(磨耗量Ah/r)、耐酸性 和耐碱性的影响则较小。在试验范围内,当热压时间小 于1.7min/mm时,竹重组板材静曲强度、弹性模量、耐沸 水性、耐盐性、耐酸性和浸渍剥离率等性能指标随热压 时间的延长均有所增大,但当热压时间超过1.7min/mm 时,随着热压时间的延长,竹重组材弹性模量、耐沸水 性、耐酸性和浸渍剥离率等性能指标则逐渐减小,而静 曲强度、耐盐性、吸水厚度膨胀率和浸渍剥离率等性能 指标的变化呈变缓趋势。 热压时间的大小直接影响竹纤维束的软化程度及 酚醛树脂胶的固化程度,随着热压时间的延长,压力的 传递和热量的传导逐渐到位,竹纤维束逐渐被软化,酚 36 林业机械与木工设备 第40卷 醛树脂胶也逐渐固化,竹重组板材的静曲强度、弹性模 量、耐沸水性、耐盐性、耐酸性和浸渍剥离率等性能指标 均逐渐增大;而当热压时间大于1.7min/mm后,随着热 压时间的延长,酚醛树脂胶固化速度加快,竹重组板材 表面易形成硬壳,不利于压力的传导,而且酚醛树脂胶 的过分固化还会导致竹重组板材变脆,从而降低竹重组 板材弹性模量、耐沸水性、耐酸性和浸渍剥离率等性能 指标。同时,竹重组板材的静曲强度、耐盐性、吸水厚度 膨胀率和浸渍剥离率等性能指标的变化呈变缓趋势。 综上所述,热压工艺三要素对竹重组板材的耐沸 水性、吸水厚度膨胀率、浸渍剥离率、耐化学性质以及 弹性模量和静曲强度等物理、力学和化学性能指标都 有不同程度的影响。热压压力对竹重组板材的弹性模 量和静曲强度影响显著;热压时间对竹重组板材的静 曲强度影响显著。竹重组板材弹性模量和静曲强度随 热压三要素的增加而增强,在压力为2.OMPa、温度为 145cC、时间为1.7min/mm的水平时,竹重组板材的弹性 模量试验数据相对较好,以竹重组板材弹性模量和静 曲强度为平衡指标,比较优化的热压工艺参数为:压力 2.0MPa、温度145oC、时间1.7min/mm。热压压力对竹重 组板材耐酸性影响显著,竹重组板材耐酸性随温度的 升高而减弱,在压力为2.0MPa、温度130 ̄C、时间为 1.7min/mm的水平时,竹重组板材的耐酸性试验数据相 对较好,以竹重组板材耐酸I生为平衡指标,比较优化的热 压工艺参数为:压力2.0MPa、温度130 ̄C、时间1.7min/mm。 热压工艺三要素对竹重组板材其他性能影响均不显 著,故从竹重组板材强度和耐酸性等方面考虑,竹重组 板材较优的热压工艺参数为:压力2.OMPa、温度145 ̄C、时 间1.7min/mm 3.3结论 (1)热压压力对竹重组板材静曲强度、弹性模量、 耐酸性、耐碱性和浸渍剥离率影响较大,对吸水厚度膨 胀率、耐磨性、耐沸水性和耐盐性影响较小。在试验范 围内,当压力小于2.0MPa时,竹重组板材的耐酸性、耐 碱性、浸渍剥离率和弹性模量等性能指标随压力的增 大而增大,当压力大于2.0MPa后,这些性能指标随压 力的继续增大而减小;随着压力的增大,吸水厚度膨胀 率、耐沸水性、耐盐性、耐磨性和静曲强度等性能指标 逐渐增大,但当压力大于2.0MPa并继续增大时,这些 性能指标增大的趋势变缓。 (2)热压温度对竹重组板材静曲强度、弹性模量、 耐沸水性、耐磨性和吸水厚度膨胀率影响较大,对浸渍 剥离率、耐酸性、耐碱性和耐盐性影响较小。在试验范 围内,随着温度的升高,竹重组板材的静曲强度、弹性 模量、耐沸水性和耐磨性等性能指标逐渐增大,但当温 度高于145℃时,竹重组板材这些性能指标的变化逐渐 呈平缓趋势。 (3)热压时间对竹重组板材静曲强度、弹性模量、 耐沸水性、耐盐性、吸水厚度膨胀率和浸渍剥离率影响 较大,对耐磨性、耐酸性和耐碱性影响较小。在试验范 围内,当热压时间小于1.7min/mm时,竹重组板材静曲 强度、弹性模量、耐沸水性、耐盐性、耐酸性和浸渍剥离 率等性能指标随热压时间的延长而增大,但当热压时 间超过1.7min/mm时,随着时间的延长,竹重组板材弹 性模量、耐沸水性、耐酸性和浸渍剥离率等性能指标逐 渐减小,而静曲强度、耐盐性、吸水厚度膨胀率和浸渍 剥离率等性能指标的变化呈变缓趋势。 通过正交试验的极差分析和方差分析,综合考虑 热压三要素对竹重组板材各性能的影响,从竹重组板 材强度和耐酸性等方面考虑,得出竹质特种竹重组板 材较优的热压工艺参数为:压力2.OMPa、温度145clC、时 间1.7min/mm。采用这一生产工艺使压制时间从原来的 10~15h/次降低为30~40min/次,大大提高了生产效率, 降低了生产成本。 参考文献: [1]王恺,肖亦华.重组木国内外概况及发展趋势[J].木材工业, 1989,3(1):40—43. 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