基于篩分配比的超薄纖維板物理力學性能研究

楊春梅, 李昱成, 田心池, 吳方鏡, 魏 明, 吳 哲*

(1.東北林業大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.寧豐集團股份有限公司,山東 濟寧 272000;3.新港木業發展有限公司,山東 臨沂 276000)

超薄纖維板是以木材或其他植物為原料,經過纖維制備工藝,加入合成的樹脂膠黏劑,在加熱加壓條件下,制成密度大于1.0 g/cm3的板材[1]。其近幾年被廣泛用于門窗材、包裝材等諸多場合,相對于紙板或其他薄板材具有原料來源廣、價格低廉、材質均勻、質量穩定等優勢[2]。

在超薄纖維板的生產制造中,纖維形態會對超薄纖維板的質量產生重要影響,其中篩分值是判斷纖維形態質量的重要指標[3]。纖維篩分值是指長短和粗細纖維重量所占的百分比。質量比較好的纖維,干燥后具有明顯的彈性和柔軟度,纖維中的樹皮含量、粉狀物等其他雜質相對較少。如果纖維分離過細,則粉狀物和細小纖維太多,會對膠粘劑的滲透效果及板材的力學性能造成不利的影響[4]。

目前國內關于纖維板的研究主要集中在中密度纖維板[5-8],而對超薄纖維板的研究鮮有報道。在本研究中,筆者通過篩分配比實驗探究了篩分值對超薄纖維板力學性能的影響,以期通過控制纖維原料的規格形態來提升超薄纖維板的性能,為超薄纖維板的高效生產提供理論依據與價值參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)楊木(poplar)纖維,由三聯木業有限公司提供,含水率10%。

(2)脲醛樹脂(urearesin,UR)膠黏劑:購自連云港灌云欣木業有限公司,黏度55 MPa·s,固含量52.9%,PH=10.31。

(3)固化劑:購自山東新材料有限公司,配制成質量分數為20%的水溶液。

1.2 儀器設備

電子天平:上海力辰儀器科技有限公司生產,型號為LC-FA1204。

熱壓機:上海秋林機械有限公司生產的單層壓機,型號為BY101X1/10,壓板幅面尺寸500 mm×500 mm,加熱方式為電加熱。

微機控制電子萬能試驗機:深圳市新三思計量技術有限公司生產,型號為CMT5504,最大力5 kN,精度等級為0.5級。

自動拌膠機:桂林華德木業機械有限公司生產,型號為BS150,轉速30 r/min。

干燥箱:上海尚儀信息科技有限公司生產,型號為101-2A。

篩分機:紹興齊盛儀器有限公司生產,型號為ZFJ-II。

1.3 試驗方法

纖維篩分值在實際生產中具有重要作用,較好的篩分配比可以改善纖維的形態從而提升超薄纖維板的性能質量,因此本研究選取篩分值作為主要制備工藝變量。

1.3.1 纖維篩分

根據國際木材解剖協會的纖維長度分類標準[9],使用篩分機以目數為20目、100目的篩網對纖維原料進行篩分,將其分為粗、中長、細3種尺寸規格。3種尺寸規格的纖維在形態上有較明顯的區別,其纖維形態如圖1所示,尺寸規格如表1所示。

表1 三種纖維尺寸規格

圖1 三種尺寸纖維形態

結合密實堆積經驗比例[10],將三種尺寸的纖維按7種質量配比混合進行超薄纖維板的制備,其篩分配比如表2所示。

表2 超薄纖維板用纖維配比

1.3.2 試驗設計

采用熱壓法制備了厚度為1 mm的超薄高密度纖維板,在制備過程中,施膠量設定為15%,密度設定為1 g/cm3,經實測得到的密度為1.04±0.05 g/cm3,具體的制備過程如下所述:

(1)施膠:取108 g楊木纖維置于拌膠機中,施膠量10%,將稱量后的膠液倒入,并加入固化劑,如圖2所示。

圖2 纖維施膠

(2)干燥:將拌膠后的纖維放入干燥箱中干燥(溫度60 ℃)至含水率為5%,如圖3所示。

圖3 纖維干燥

(3)鋪裝,預壓:板坯采用手工鋪裝,用稱重法控制板材密度,熱壓尺寸為300 mm×300 mm×1 mm。在板坯的下表面放置1 mm的不銹鋼墊板,如圖4所示。

圖4 纖維鋪裝、預壓

(4)熱壓成型:熱壓機的上下壓板升高到170 ℃,把板坯送入熱壓機,用厚度規控制熱壓厚度,加壓至完全閉合,熱壓壓力為9～10 MPa,保壓時間為90 s。超薄纖維板在自然環境中平衡一天后進行鋸切和測試。每種試驗編號的超薄纖維板制備6張,共計21張,如圖5所示。

圖5 板坯熱壓

(5)力學性能測試:將靜置平衡后的板材按照隨機方向,鋸切三塊進行力學性能測試。鋸切后板材尺寸為200 mm×50 mm×1 mm(長×寬×高)。參照GB/T 17657-2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中規定的測定超薄纖維板的靜曲強度(ModuliusofRupture,MOR)、彈性模量(ModuliusofElasticity,MOE),力學試驗機加載速度10 mm/min,跨距100 mm,如圖6所示。

圖6 力學性能測試圖

(6)耐水性能測試:鋸切三塊板材進行吸水性能測試,鋸切尺寸為50 mm×50 mm×1 mm(長×寬×高),同樣參照GB/T 17657-2022《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》的規定,測試設定水浴溫度為27 ℃,水域時間24 h條件下的吸水厚度膨脹率(ThicknessSwellingRate,TS)。

2 結果與討論

2.1 篩分值對超薄纖維板物理性能的影響

不同篩分值下超薄纖維板的24 h吸水膨脹率結果如圖7所示。

圖7 篩分值對超薄纖維板24 h吸水膨脹的影響

篩分值對超薄纖維板24 h吸水膨脹率影響的方差分析結果如表3所示。

表3 篩分值對超薄纖維板24 h吸水膨脹率的方差分析

由表3可知,F>F0.05,說明不同纖維尺寸及配比對于超薄纖維板吸水厚度膨脹率產生了顯著影響。

單一尺寸纖維制備的超薄纖維板中,細纖維制備的C組超薄纖維板的24 hTS最低,粗纖維制備的A組超薄纖維板的24hTS最高。3種尺寸纖維以不同配比制備的超薄纖維板,細纖維含量較高的G組超薄纖維板的24 hTS最低,粗纖維含量較高的E組超薄纖維板的24 hTS最高。分析可知,超薄纖維板24 hTS隨著粗纖維含量增加而升高。原因如下:

(1)楊木纖維一般由纖維素、半纖維素、木質素等化學成分組成。其中纖維素是主要組成部分,是由一種分子式為(C6H10O5)n的葡萄糖組成的聚合物。每個葡萄糖基具有3個游離的羥基對水分子有強烈的吸附性。長度越長(粗纖維含量越多)水分子沿楊木纖維內腔的流動性越好,儲存和運輸水的能力越強[11]。

(2)隨著粗纖維含量的增多,會使脲醛樹脂與楊木纖維之間的膠合界面變小,纖維之間的粘接點難以形成有效膠合,空間網狀的膠合結構使楊木纖維與脲醛樹脂之間的間隙增大,為水分子的進入和儲存提供了空間。

2.2 篩分值對超薄纖維板力學性能的影響

不同篩分值下超薄纖維板的抗彎性能測試結果如圖8所示。

圖8 篩分值對超薄纖維板的力學性能的影響

篩分值對超薄纖維板抗彎性能影響的方差分析結果如表4所示。

表4 篩分值對超薄纖維板力學性能的方差分析

由表4結果可知,F>F0.05,說明不同纖維尺寸及配比對超薄纖維板MOR影響顯著,對超薄纖維板MOE影響顯著。

由圖8可知,單一尺寸纖維制備的超薄纖維板中,細纖維制備的C組超薄纖維板靜曲強度和彈性模量最低,粗纖維制備的A組超薄纖維板靜曲強度和彈性模量最高。分析原因為(1)長度較長的纖維由于纖維之間交織的更多,使得纖維具有較好的結合性能,因此制得的板材性能更好。(2)粗纖維通常具有更高的強度和剛度,當超薄纖維板中含有更多的粗纖維時,整體的抗彎性能也會增加。

3種纖維以不同配比混合制備的超薄纖維板中,粗纖維含量最高的E組超薄纖維板靜曲強度和彈性模量最高,高于單一尺寸制備的A組超薄纖維板?？梢?在一定范圍內,超薄纖維板的力學性能隨著粗纖維含量的增多而提升,但是在粗纖維的含量超過一定范圍之后,超薄纖維板的力學性能會隨著粗纖維含量的增多而減少。Cheng Xing等研究了中密度纖維板(MDF)板材的性能受木纖維特性的影響[12],研究發現粗纖維比例的增加對中密度纖維板的力學性能產生了負面影響。對比中密度纖維板和超薄纖維板的研究結果可以發現,粗纖維對中密度纖維板的力學性能起到了負面影響,而對超薄纖維板的力學性能起到了正面影響。

3 結論與展望

(1)纖維尺寸及配比對超薄纖維板的物理力學性能均影響顯著。

(2)相同的熱壓工藝下,粗纖維的含量越高,超薄纖維板的吸水厚度膨脹率越高。

(3)單一尺寸纖維制備的超薄纖維板靜曲強度、彈性模量隨著纖維尺寸的增大而提高。不同尺寸混合纖維制備的超薄纖維板,當粗纖維、中長纖維和細纖維的比例為6:3:1時,靜曲強度和彈性模量達到最大。