轻质无胶蔗渣板的研究

廖 瑞，徐剑莹，唐忠荣，钟 柱，吴新凤，尤 悦

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

轻质无胶蔗渣板的研究

廖 瑞，徐剑莹，唐忠荣，钟 柱，吴新凤，尤 悦

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

以蔗渣为原料，不采用合成树脂，而是加入少量环保型添加剂（有机酸或糖）压制轻质无胶蔗渣板。探讨了板的密度，以及防水剂的有无对轻质无胶蔗渣板的物理力学性能及热学性能的影响。采用X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）初步分析了加入添加剂、防水剂对板的物理力学性能及胶合机理的影响，结果表明：随着密度增大，板的导热性能，MOR值和TS值上升；加入添加剂后，板的纤维素结晶度增大；加入少量防水剂（石蜡）后，板的纤维素结晶度没有明显变化，—OH吸收峰强度下降，TS下降明显；在研究范围内，板的导热系数达到国家林业行业标准LY/T 1718-2007所要求的保温材料的要求。本研究既扩大了人造板生产的原料来源，又解决了人造板产品的游离甲醛释放问题。

轻质无胶蔗渣人造板；胶合机理；热学性能；物理力学性能

随着人类环保意识的逐渐增强，成本低廉、性能优良，低毒甚至无毒的制品将是国内外研究的主流目标。在面对日趋激烈的市场竞争、日益严格的环保法规和消费者对产品越来越严格的质量要求，无游离醛的新型人造板作为一种环保型建材势必成为未来发展的新趋势。而无胶人造板因整个加工过程中不使用任何胶粘剂，无游离甲醛的释放，故所制得的产品是一种无污染的环境友好型的材料。

目前国内外许多学者致力于无胶人造板的研究，且无胶人造板以无胶纤维板较多见，无胶刨花板研究较少，无胶板一般密度较大，主要用于家具材料。而室内隔音、隔热材料一般采用轻质人造板，若能研制出轻质无胶刨花板代替普通产品，则不但能消除室内空气污染，而且可扩大无胶刨花板的应用范围[1-5]。

本研究以蔗渣为原料，研制轻质无胶碎料板，在制板过程中加入少量的添加剂和防水剂，初步探讨轻质无胶蔗渣板的制板工艺和成型机理。

1 材料与方法

1.1 材 料

（1）蔗渣Ferrum Juan Fu取自湖南常德，含水率为13%；蔗渣碎料规格：小于10目占24%，10～30目占42%，30～80目占28%，大于80目占6%。

（2）添加剂A和B，分别为有机酸和糖。按比例配制成水溶液。

（3）防水剂：石蜡乳液。

1.2 试验设备

四柱油压机，万能力学试验机，护热平板导热仪，日本岛津公司的IRAff i nity-1傅里叶红外光谱仪，北京普析通用仪器有限责任公司XD-2型自动多晶粉末X射线衍射仪等。

1.3 碎料板制备

制备无胶蔗渣板规格为210 mm×210 mm×6 mm，采用厚度规控制板的厚度，板的目标密度为 0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 g/cm3；热压时间为7 min，板面单位热压压力3.6 MPa，热压温度为180 ℃，添加剂含量为15%（A∶B=1∶1)，防水剂石蜡乳液的施加量分别为0与1.5%两组。制板时，根据板的密度将碎料称重，然后加入添加剂与石蜡乳液，借助成型框手工铺装成板坯。此外，压制密度为0.4 g/cm3，不加添加剂和防水剂的板作为对照。对所有板材进行MOR，TS检测；对加入添加剂条件下的板材进行导热系数检测；对密度为0.4 g/cm³条件下的板材进行XRD和FTIR检测。

1.4 性能检测

压制好的轻质无胶蔗渣板经调温调湿处理后，参照国家林业行业标准LY/T 1718-2007要求（见表1）进行静曲强度(MOR) 检测、吸水厚度膨胀率（TS）检测、导热系数（λ）检测以及XRD检测、FTIR检测。

（1）含水率

根据GB 1931-1991《木材含水率测定方法》进行测定。

表1 《轻质纤维板》标准中规定的理化性能Table 1 Physical and chemical properties formulated by National Standard of Ultra-low Density Fiberboard

（2）导热系数

仪器参考标准：GB/T3392-82《塑料导热系数试验方法，护热平板法》，GB 10294-88，ISO/DIS《绝热—测定稳态热阻和有关特性—防护热板装置》。

将所压制的轻质无胶蔗渣板，取均质部位加工成200 mm×200 mm的试样，取样后将试样表面平整处理，检测端面4个点，取平均值为厚度。测试导热系数时，将板子进行测试。

式（1）中，I为热极电流（A）；U为热极加热电压（V）；d为试样厚度（m）；S为试样有效受面积（m2）；ΔZ为测定时间间隔（h）；ΔT为冷热极板间（试样两平面）平均温差（K）。

（3）静曲强度

用力学性能试验机测试板材的静曲强度，

（4）吸水厚度膨胀率

依据下面公式2计算试件的吸水厚度膨胀率

式（2）中：D—吸水厚度膨胀率（%）；h1—试件吸水前厚度（mm）；h2—试件吸水后厚度(mm)。

（5）XRD试验

实验所用仪器是X射线衍射仪，使用XRD分析时，铜靶辐射(λ=0.154 06 nm)，电压36.0 kV，电流20.0 mA，扫描速度2 °/min，扫描角度5～50 °。蔗渣纤维素相对结晶度根据Segal法[6]计算：

式（3）中：Cr为相对结晶度，I002为(002)晶格衍射角的极大强度，即结晶区的衍射强度，Iam是2θ=18 °时非结晶背景衍射的散射强度。

（6） FTIR试验

采用粉末制样法，利用日本岛津公司的IRAff i nity-1傅里叶红外光谱仪对热压后的板材样品进行扫描，分析加入添加剂和防水剂热压成板后化学官能团的变化。测试采用溴化钾压片法，扫描范围：400～4 000 cm-1，分辨率：2 cm-1，扫描次数：32次，重复做3次。

2 结果与分析

2.1 密度对轻质无胶蔗渣板材各性能的影响

2.1.1 热学性能

导热系数表征物体以传导方式传递热量的能力，是极为重要的物理参数。图1为密度对无胶蔗渣板导热系数的影响图，从图中可看出随着密度的增大，导热系数逐渐增大。试验所研究密度范围内的板材导热系数均符合国家标准的保温材料，故低密度的无胶蔗渣板是较优的保温隔热材料。密度为0.35 g/cm3，板材导热系数为0.070 9 W/(m·k)，当密度为0.4 g/cm3时，板材导热系数为0.080 8 W/(m·k)，比0.35 g/cm3密度下的板材导热系数增大了14%，而密度为0.45 g/cm3下的导热系数比密度为0.35 g/cm3的导热系数增大了51%。板材的导热系数和密度有直接的关系，主要是因为蔗渣板是多孔性材料，热流要通过其实体物质（细胞壁物质）和空隙（细胞腔、细胞间隙等）两部分传递，但空隙中空气的导热系数（0.023 9 W/(m·k)）远小于板材实体物质，因而板材的导热系数随着密度的增大而增大[7]。

图1 密度对轻质无胶蔗渣板导热系数的影响Fig.1 Effects of density on thermal conductivity coeff i cient of ultra-low density bagasse binderless particleboard

2.1.2 物理力学性能

图2为添加剂含量为15%条件下板的密度对轻质无胶蔗渣板静曲强度的影响。从图2中可以看出，随着密度的增大，MOR呈上升趋势，当板的平均密度从0.3 g/cm3增大到0.5 g/cm3时，MOR从1.17 MPa增大到6.71 MPa，提高了473%。这是因为随着密度的增大，碎料板的压缩比增大，碎料相互接触面积增大，胶合面积也随之增大，碎料间空隙率低，压缩更为紧密，最终使得碎料间结合强度增大。当密度为0.4 g/cm3时，板的MOR为3.28 MPa，而未施添加剂的对照板的MOR仅为2.2 MPa，参照国家林业行业标准LY/T 1718～2007的要求， 对照板未达标而加入添加剂后的板能达到标准要求。主要是因为加入添加剂，添加剂起到胶黏的作用，使板的强度增大。当密度低于0.4 g/cm3时，添加剂条件下的无胶蔗渣板的静曲强度也未能达到标准要求。

图2 密度对轻质无胶蔗渣板静曲强度的影响Fig.2 Effects of density on modulus of rupture (MOR) of ultra-low density bagasse binderless particleboard

从图3可以看出，在试验研究范围内，随着密度增大，吸水厚度膨胀率（TS）呈增大趋势。密度从0.3 g/cm3增大到0.5 g/cm3，吸水厚度膨胀率从3.5%上升至7.3%增大了108%。究其原因，板材的吸水厚度膨胀率主要取决碎料本身胶合的强度和材料的回弹性能。一方面，随着密度增大，碎料间自身的胶合强度增大使得碎料结合紧密，水分难以进入，从而使吸水厚度膨胀率减小；而另一方面，随着密度增大，板材内部应力随之释放，板的回弹也增大，导致吸水厚度膨胀率增大。综合以上原因，材料回弹性能的影响比碎料自身胶合强度影响稍大致使TS值呈上升趋势。与国家林业行业标准LY/T 1718-2007比照，加入添加剂所制板的TS均能达到该标准的要求。未加添加剂的对照板TS为19.8%，未能达到标准要求。

图3 密度对轻质无胶蔗渣板吸水厚度膨胀率的影响Fig.3 Effects of density on thickness swelling rate of ultralow density bagasse binderless particleboard

2.2 防水剂对轻质无胶蔗渣板物理力学性能的影响

在人造板生产过程中，工厂一般都会用一定数量石蜡乳液与胶料一起掺入,使板材具有抗水性，同时也提高表面光洁度。

吸水厚度膨胀率（TS）反映了人造板产品的耐水性能和尺寸稳定性。人造板TS越大，表明其耐水性越差，耐水性差的板材在潮湿环境下容易吸湿，体积膨胀尺寸大，强度下降快。

由图 4中可看出：随着密度的增大，板的静曲强度呈增大趋势。加入防水剂石蜡后，板材的静曲强度下降范围为1%～10%，下降不明显。当密度为0.4 g/cm3及以上时，MOR均能达到国家林业行业标准LY/T 1718-2007的要求。从图5中可以明显的看出，加入防水剂后板的TS明显下降。当密度为0.3 g/cm3时，加入石蜡后比加入前TS值下降14.3%；当密度达到0.35 g/cm3及以上时，TS下降很明显，最大下降了46.6%。因此在无胶蔗渣板生产中若加入适量的防水剂，可以有效的降低板TS值，提高板的尺寸稳定性。

图4 石蜡对轻质无胶蔗渣板静曲强度的影响Fig.4 Effects of wax on MOR of ultra-low density bagasse binderless particleboard

2.3 XRD分析

从图6中可以看出，与对照板相比，加入添加剂热压的板和加入添加剂兼防水剂热压的板的衍射强度发生了变化，但是各衍射峰位置基本相同，同样分别在16 °，22 °，26 °附近出现了明显的衍射峰。说明加入添加剂或者加入防水剂对原有结晶区没有形成影响，即晶层的距离没有发生变化，没有使结晶区产生变化，从衍射强度来看，加入添加剂的板材的主峰强度与对照板相比发生了明显的变化，这说明加入添加剂对板材纤维素的非结晶区产生了较大的影响。素板的结晶度为35.89%，加入添加剂后提高了3.5%。产生这种变化的原因是，在添加剂（有机酸、糖）的作用下，促使纤维素的结晶无定形区域内纤维素分子链之间的羟基发生“架桥”反应，使无定形区内纤维素的排列向结晶区靠拢，从而使得板材纤维素的相对结晶度增加，纤维素相对结晶度的提高，有利于提高板材的弯曲性能和尺寸稳定性。加入防水剂后板的结晶度与仅加入添加剂的板结晶度无明显差异，衍射强度几乎没有变化。加入防水剂后，防水剂分子对结晶区和非结晶区无影响，但是防水剂分子在晶区外面形成一层憎水性质的保护层，不利于纤维素上基团和水反应，大大提高了板材的尺寸稳定性，表现为TS下降明显。

图5 石蜡对轻质无胶蔗渣板吸水厚度膨胀率的影响Fig.5 Effects of wax on thickness swelling rate of ultralow density bagasse binderless particleboard

图6 无胶蔗渣板X射线衍射图谱Fig.6 XRD analysis of bagasse binderless particleboard

表2 不同样品的纤维素结晶度变化Table 2 Crystallinity change of cellulose from different samples

2.4 FTIR分析

从图7中可以看出，经过不同处理的3种板的FTIR图谱的出峰位置基本一样，说明在不同处理条件下，板内官能团没有发生变化。波数在3 434 cm-1附近的吸收峰主要木素和综纤维素羟基（O-H）伸缩振动峰，2 927 cm-1左右吸收峰是木素和综纤维素的甲基、亚甲基和次甲基的（C-H）伸缩振动，1 742 cm-1附近是聚木糖的羰基（C=O）和羧基的伸缩振动峰，1 511 cm-1附近是木素芳香核的伸缩振动峰，1 240 cm-1是醇类和酚类物质中（C-O-C）伸缩振动的特征吸收峰，1 050 cm-1是半缩醛所形成 （C-O-C）伸缩振动的特征吸收峰[8-11]。由图7可见， a，b在3 434 cm-1附近具有较大的-OH的伸缩振动吸收峰，而c与a，b相比，-OH峰强有所下降。这是因为蔗渣板中本身含有一定量的蔗糖，而蔗糖分子上含有大量的羟基，且b板中加入了一定量的添加剂，添加剂的主要成分是有机酸和糖，而有机酸中含有羧基和羟基，糖中也含有一定量的羟基，游离-OH数目增多使得所以a，b中-OH吸收峰的峰强较大；c板中加入了少量的防水剂石蜡，石蜡是由几种高级烷烃组成，而烷烃属于憎水基团，在制板过程中使一部分羟基封闭，从而使得-OH吸收峰强度减弱，进而使得板的吸水性下降，有利于提高板的尺寸稳定性。此外，与a相比，b和c的峰形变宽，表明氢键缔合-OH 的数目增加。b的- CH2在2 927 cm-1左右的吸收峰变大，表明有更多的- CH2暴露在外。1 742 cm-1附近的羰基吸收峰，b比a的吸收强度大很多，是因在热压过程中，在有机酸添加剂作用下，纤维素和半纤维素降解可生成一系列含羰基的单糖，使得羰基含量增高，吸收强度增大，而石蜡加入后会使部分的基团被石蜡分子包裹起来从而降低羰基的数量，使得c的吸收强度减弱。b板在1 050 cm-1附近具有比a和c都强的吸收峰，说明添加酸类物质有助于半纤维素降解生成更多的的醛类水解产物。醛类水解产物可以进行缩聚反应生成更多的C-O-C键，使结合更牢固，板的胶合强度增强。

图7 无胶蔗渣板傅立叶红外光谱Fig.7 FTIR analysis of bagasse binderless particleboard

3 结 论

（1）加入添加剂后，无胶蔗渣板的MOR增大，TS减小。

（2）在试验研究范围内，随着密度的增大，板的MOR增大，TS增大，导热系数（λ）增大。加入防水剂石蜡，板的TS下降，有利于提高板的尺寸稳定性。

（3）板的导热系数达到国家林业行业标准LY/T 1718-2007所要求的保温材料的要求。

（4）加入添加剂后，板内纤维素相对结晶度提高，有利于提高板的尺寸稳定性和强度。

（5）由于添加剂的作用，无胶板中氢键缔合-OH 的数目增加；添加剂中的有机酸类有助于半纤维素降解生成更多的醛类水解产物，醛类水解产物可以进行缩聚反应生成更多的C-O-C键，使结合更牢固，板的胶合强度增强。

（6）加入防水剂石蜡使板内羟基数目减少，吸湿性能下降，表现为TS下降。

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Study on ultra-low density bagasse binderless particleboard

LIAO Rui, XU Jian-ying, TANG Zhong-rong, ZHONG Zhu, WU Xin-feng, YOU Yue
(School of Materials Science & Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking bagasse as the raw material, without using any synthetic resin, but adding a little environmental-friendly additives(organic acid or sugar), a kind of ultra-low density binderless bagasse particleboard was manufactured. The effects of board density,waterrepellent (wax) on physical and mechanical properties and thermal properties of binderless particleboard were studied. By adopting X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), the effects of mixing additives and water repellent on physical and mechanical properties and bonding mechanism of the bagasse boards were also investigated and analyzed. The results show that the thermal conductivity, TS value and MOR value increased with the increases of board density; The crystallinity of cellulose increased after added additives; By adding a small amount water repellent, though the cellulose crystallinity did not change signif i cantly, the intensity of-OH absorption peak decreased, and the TS value decreased signif i cantly; The thermal conductivity of binderless particleboard can meet the requirements of the National Standard LY/T 1718-2007. This study not only enlarged the raw materials sources of board production ,but also solved the problem of formaldehyde emission of wood-based panels.

ultra-low density binderless bagasse particleboard; bonding mechanism; thermal properties; physical and mechanical properties

S781.7

A

1673-923X(2015)02-0109-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-04-21

国家林业局948项目（2011-4-22）；浙江省木材科学与技术重中之重学科开放基金项目；中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助项目

廖 瑞， 硕士研究生 通讯作者：徐剑莹，博士，教授，博士生导师；E-mail：xjianying@hotmail.com

廖 瑞，徐剑莹，唐忠荣，等. 轻质无胶蔗渣板的研究[J].中南林业科技大学学报，2015,35(2):109-113,118.

[本文编校：文凤鸣]