竹屑/粉煤灰复合板制造工艺研究

陈 涵，刘晓辉，宋孝金

(福建省林业科学研究院，福建 福州 350012)

竹屑/粉煤灰复合板制造工艺研究

陈 涵，刘晓辉，宋孝金

(福建省林业科学研究院，福建 福州 350012)

以竹材加工剩余物(竹屑)和火力发电厂排出的固体废弃物(粉煤灰)为原料，研制竹屑/粉煤灰复合板。参照刨花板生产工艺，在热压温度140 ℃，最高压力2.5 MPa条件下，探讨灰/竹质量比，施胶量以及设定的产品密度等3个因素对竹屑/粉煤灰复合板静曲强度(MOR)的影响，得出制备竹屑/粉煤灰复合板的较佳工艺参数为灰/竹质量比4/6，施胶量21%，产品密度1.0 g·cm-3。生产的竹屑/粉煤灰复合板的力学性能(静曲强度)达到结构刨花板的要求。

粉煤灰；竹屑；复合板；静曲强度

粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废弃物，也是我国工业领域中排放量最大的固体工业废弃物，我国是世界上最大的产煤国，每年产煤量达20亿t，其中大部分用于发电，电厂年排出粉煤灰3～4亿t。粉煤灰的排放不仅侵占大量土地，而且严重污染环境，对生态和环境构成双重破坏，因此，开展粉煤灰的综合利用具有重要的战略意义[1]。粉煤灰是结晶体、玻璃体以及少量未燃烧碳组成的结构复杂的复合体，在干燥状态时呈灰色或灰白色，含水量大时呈灰黑色。我国火电厂粉煤灰的化学组成为：SiO238%～54%、Al2O323%～38%、Fe2O34%～6%、CaO 3%～10%、MgO 0.5%～4%、SO30.1%～1.2%。

目前粉煤灰已在建筑工业、建材工业、农业、化学工业等方面得到开发利用。本文拟研究利用粉煤灰与竹材加工剩余物(竹屑)混合，通过施加一定量的胶粘剂压制竹屑/粉煤灰复合板。利用现行的人造板试验设备，参照刨花板生产工艺，通过探索性试验初步拟定热压温度为140 ℃、热压压力为3 MPa，试样名义厚度10 mm，幅面40 cm×40 cm。探讨灰/竹质量比，拌胶量以及压制的产品密度等3个因子对竹屑/粉煤灰复合板主要力学性能静曲强度(MOR)的影响，探索竹屑/粉煤灰复合板生产的最佳工艺。产品力学性能与竹木质刨花板相当，更具有隔音、防潮、不燃等优异性能，在建筑工程领域有较好的应用前景，另外粉煤灰的多孔结构和较大的比表面积以及粉煤中大量Al、Si等活性位能，使之有强大的吸附能力，利用此特性，本项目拟进一步扩展使用范围，以该复合板为原料制备炭质复合吸附板，应用于废水处理领域[3]。可为粉煤灰在复合材料方面开发利用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

竹屑：为建瓯市竹材加工企业生产过程的剩余物，经干燥并拣去过长的竹丝，干燥后竹屑含水率为8%～10%。竹屑颗粒大小及质量分数为：长度>5 mm占8.6%；长度3～5 mm占47.1%；长度2～3 mm占18.3%；1～2 mm占13.4%；长度<1 mm占12.6%。

粉煤灰：由福建省龙能粉煤灰综合利用有限公司提供，为龙岩火力发电厂排出的固体废弃物。筛分值为325目通过率80%，其中0～1 μm占4%；1～5 μm占11%；5～10 μm占27%；10～20 μm占33%；20～46 μm占20%；46 μm以上占5%。胶粘剂：为建瓯市三森竹木有限公司提供的水溶性酚醛树脂，树脂固含量50%，粘度860 mPa·s，pH值7.0。

1.2 试验仪器设备

KSH-100T热压试验机、DHG-9070A电热恒温鼓风干燥机、AGS-X 10KN材料试验机、分样筛等。

1.3 试验方法

1.3.1 正交试验 考察灰/竹质量比(A)、施胶量(B)、拟压制的复合板名义密度(C)对竹屑/粉煤灰复合板力学性能(MOR)的影响，每个因素取3种水平(表1)，压制的样板幅面为400 mm×400 mm，名义厚度10 mm，正交试验方案见表2。

表1 因素水平表

1.3.2 单因素试验 上述正交试验确定对竹屑/粉煤灰复合板静曲强度影响最大的因素以及最佳工艺，进一步通过单因素试验评价各个因素对竹屑/粉煤灰复合板静曲强度的影响。

1.3.3 试验工艺及参数 探讨主要实验工艺参数(粉煤灰/竹屑质量比、施胶量、复合板密度)对竹屑/粉煤灰复合板静曲强度的影响。其热压工艺与竹材碎料板的生产工艺类似，采用压力递减的三段式加压法。设计幅面400 mm×400 mm，厚度10 mm，热压温度140 ℃，三段热压单位压力分别为2.5 MPa、1.5 MPa、0.6 MPa；热压时间25 min。

1.4 测定方法

竹屑/粉煤灰复合板静曲强度的检测方法，参照GB/T 17657—2013人造板及饰面人造板理化性能试验方法[4]中4.8的规定进行检测。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

正交试验结果(表3)表明，三因素对复合板的力学性能(MOR)影响大小依次为B>A>C。最优工艺参数为A1B3C2，即灰/竹比3/7，施胶量21%，密度1.2 g·cm-3。方差分析结果(表4)表明，粉煤灰/竹屑质量比对复合板的力学性能(MOR)影响高度显著，施胶量对复合板MOR影响显著，而板材密度对复合板MOR影响甚微。粉煤灰/竹屑质量比越小(即竹/灰质量比越大)、施胶量越大，板材的力学性能(MOR)越大。在后续的单因素试验中，为了提高粉煤灰的用量在保证力学性能(MOR)满足要求的前提下，适当提高灰/竹质量比，确定灰/竹质量比为4/6，密度定位1.2 g·cm-3，这样不仅可以减少产品的原料消耗，还能减轻产品的重量，有利于板材的使用。

表2 L9(34)正交试验方案

表3 正交试验结果分析

表4 试验结果方差分析(MOR)

*：F0.01(2，4)=18.0高度显著；**为F0.05(2，4)=6.94显著；*为F0.10(2，4)=4.32有一定影响。

2.2 单因素试验结果分析

图1 灰/竹质量比对复合板MOR的影响

2.2.1 灰/竹质量比对复合板材静曲强度的影响 施胶量21%，密度1.2 g·cm-3条件下，灰/竹质量比对复合板材静曲强度(MOR)的影响见图1。由图1可以看出，复合板的静曲强度随着灰/竹比例的增大而降低，灰/竹比4/6时，板材静曲强度达到24 MPa，远大于结构使用刨花板的静曲强度的规定指标，因此为了提高粉煤灰用量，较佳的灰/竹质量比宜确定为4/6。试验结果表明，竹屑在复合板结构中起着加强筋的作用，所以增加竹屑用量，有利于板材力学性能的提高。

图2 施胶量对复合板(MOR)的影响

2.2.2 施胶量对复合板静曲强度的影响 在灰/竹质量比(A)为4/6，密度(C)1.2 g·cm-3条件下，施胶量(B)对复合板材静曲强度(MOR)的影响见图2。由图2可以看出，随着用胶量增加，板材的静曲强度明显提高，但施胶量达到21%时，板材的静曲强度稍有下降。施胶量15%时，板材静曲强度最低。施胶量过小，两者之间缺少黏性，无法使粉煤灰充分包裹住竹屑，形不成紧密结合，板材强度降低；施胶量过大出现过厚的胶层，由于胶层本身强度不高，最终影响了复合板材的静曲强度。考虑产品成本，在保证板材力学性能的前提下，施胶量确定为21%。

图3 设定密度对复合板材MOR的影响

2.2.3 产品密度大小对复合板的静曲强度的影响 在灰/竹比(A)为4/6，施胶量(B)21%条件下，密度(C)大小对复合板材静曲强度的影响见图3。由图3可以看出，产品设定的密度对复合板材的静曲强度影响甚小，但密度设定1.0 g·cm-3、1.2 g·cm-3时，板材的静曲强度分别为26.1 MPa、26.5 MPa几乎无差别，而设定密度为1.4 g·cm-3时，板材静曲强度反而降低到22.5 MPa，但也降低不大。设定的密度对板材静曲强度影响甚小的原因，主要是粉煤灰的密度较小，试验中按设定的产品密度配料，名义密度大的(如1.4 g·cm-3)就比名义密度小的(如1.0 g·cm-3)多了640 g干物质(其中粉煤灰多了256 g，竹屑多了384 g)，在同样压力、温度条件下，板子热压成型后的厚度均超过原来设定的厚度(10 mm)，造成所压板子实际密度低于1.0 g·cm-3的情况，所以出现名义密度1.4 g·cm-3的板材静曲强度却比名义密度1.0 g·cm-3的板材低的试验结果。根据试验结果以及节省原料角度考虑，复合板材的密度确定1.0 g·cm-3比较适宜。

3 结论

竹屑/粉煤灰复合板材中，灰/竹质量比对复合板材的静曲强度(MOR)影响高度显著。竹屑/粉煤灰复合板材中，竹屑所占的比例越高，MOR就越高，反之，粉煤灰所占比例越高，MOR越低。竹屑/粉煤灰复合板的静曲强度随着施胶量增加而提高，本试验施胶量21%时，板材的MOR达到最高值，而后增加施胶量，MOR没有提高，从试验结果来看施胶量也不宜低于18%。粉煤灰密度相对较小，基本属于轻质材料，试验过程中，不易压制出较高密度的复合板材。本试验较为合适的复合板材密度确定为1.0 g·cm-3。

在本试验热压条件下生产的竹屑/粉煤灰复合板，其力学性能(静曲强度)达到结构刨花板的要求，较佳工艺参数：灰/竹质量比(A)为4/6，施胶量(B)21%，产品密度(C)为1.0 g·cm-3。

[1]刘厚贵.电厂灰渣库粉煤灰综合利用探讨[J].制冷与空调，2014，28(4)：487-490.

[2]曹德生，魏荣杰.粉煤灰综合利用概述[J].河南建材，2014(2)：100-105.

[3]李乃霞，韩飞.粉煤灰的应用研究进展[J].广东化工，2014，41(5)：101-102.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 17677—2013.人造板及饰面人造板理化性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2014.

Study on Manufacturing Technology of Bamboo Sawdust /Fly Ash Composite Board

CHEN Han，LIU Xiao-hui，SONG Xiao-jing

(FujianAcademyofForestry，Fuzhou350012，Fujian，China)

This paper investigated the bamboo sawdust/fly ash composite board prepared by bamboo processing residue and fly ash as a raw material.According to particleboard production technology with the hot-pressing temperature 140 ℃ and the highest pressure 2.5 MPa，the effect of the fly ash mass ratio of bamboo sawdust， resin content and density on bending strength (MOR) of the bamboo sawdust /fly ash composite board were discussed to get better process parameters.when tthe fly ash mass ratio of bamboo sawdust was 4/6，resin content was 21%，density was 1.0 g·cm-3，MOR of the composite board meet the load-bearing particleboard standard requirement.

fly ash；bamboo sawdust；composite board；bending strength

2015-03-05；

2015-05-18

福建省属公益类科研院所基本科研专项项目(闽林研〔2012〕25号)；福建省森林培育与林产品加工利用重点实验室资助

陈涵(1969—)，男，福建永泰人，福建省林业科学研究院教授级高级工程师，从事竹木复合材料研究。E-mail：31836938@qq.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.016

TS653

A

1002-7351(2015)04-0076-04