杨树树皮刨花板工艺与性能研究

杨志慧，程利娟，孙照斌，徐凤娟

(1.河北隆化国有林场管理处茅荆坝林场，河北 隆化 068150；2.河北农业大学，河北 保定 071000)



研究与设计

杨树树皮刨花板工艺与性能研究

杨志慧1，程利娟1，孙照斌2，徐凤娟2

(1.河北隆化国有林场管理处茅荆坝林场，河北 隆化 068150；2.河北农业大学，河北 保定 071000)

研究了以脲醛树脂胶为胶黏剂的杨树树皮刨花板的加工工艺和性能。结果表明：树皮与杨木刨花配比为6∶4、密度为0.8 g/cm3，施胶量为12%、热压时间为8 min时，树皮刨花板的各项物理性能最优并达到了GB/T 4897.3-2003普通刨花板国家标准的要求。

杨树树皮；脲醛树脂胶；刨花板；工艺参数；板材性能

在森林采伐、贮木场作业、木材加工等过程中，往往有大量的树皮被丢掉。除了一些特殊的树皮用于特殊用途外，其余树皮往往被看成是废料，而且处理这些废料费时费力。过去有些国家用树皮做燃料或堆肥，利用率最高的也只达到50%。20世纪60年代以来，前苏联、德国、加拿大、美国和我国的一些学者都相继对树皮的利用进行了深入研究，为树皮的综合利用提供了多种途径[1-10]。杨树树皮约占木材材积的12%～15%，若能将其充分利用，则能大大提高林业生产的经济效益。目前针对杨树树皮开发利用的研究报道相对较少，本研究以杨树树皮为主要原料制备树皮刨花板，旨在为杨树树皮的综合利用提供参考[11-12]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1)杨树树皮：采自河北保定涿州地区的741转抗虫基因和741非转抗虫基因两种杨树，树皮风干后打碎；形态为长2～10 mm、宽1～2.5 mm、厚0.6～0.8 mm，含水率为6%。

(2)杨木刨花：新鲜杨木单板用粉碎机粉碎成刨花后，进行筛选、干燥，备用。刨花形态为长2～15 mm、宽1～3 mm、厚0.5～0.8 mm，含水率为5.5%；

(3)胶黏剂：外购脲醛胶(UF树脂胶)，固含量48.6%，pH 7.5，黏度：涂4杯，52s；

(4)固化剂：氯化铵(分析纯)；

(5)填料：面粉。

1.2 仪器设备

①平板硫化机(XLB-500×500)、②电子式人造板万能试验机(MND-10B)、③鼓风式干燥箱、④高速混合机(SHR-10DY)、⑤电子天平、⑥粉碎机。

1.3 试验方法

工艺流程如下：杨树刨花与杨树树皮混合→施胶→搅拌→铺装→陈化→预压→热压→冷却→后期处理。

实验采用L9(34)正交试验法，研究材料密度、配比、施胶量、热压时间对树皮刨花板性能的影响。

刨花板的主要工艺参数为：尺寸300 mm×300 mm×10mm；单层结构；热压温度120 ℃；单位压力3 MPa；固化剂氯化铵用量为树脂胶用量的1%。

1.4 板材性能测试

根据GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》[13]和GB/T 4897.2-2003《干燥状态下使用的普通刨花板》[14]，检测板材的密度(ρ)、含水率(M.C)、静曲强度(MOR)、静曲弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)、吸水厚度膨胀率(TS)等指标。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

L9(34)正交试验安排及试验结果见表1，方差分析汇总见表2。

表1 L9(34)正交试验安排及试验结果

表2 方差分析汇总

注：***表示影响高度显著，**影响显著，*有影响但不显著。

根据极差R和水平K分析，可得直观分析图如图1所示。

通过直观分析图和方差分析可以看出：

(1)影响板材性能的主要因素从主到次顺序为：A→B→D→C，即密度→配比→施胶量→热压时间。

(2)在实验参数范围内，方差分析显示密度对静曲强度和静曲弹性模量影响高度显著，木塑配比对静曲强度、静曲弹性模量、内结合强度的影响显著，施胶量对吸水厚度膨胀率的影响高度显著，热压时间对各项性能有影响但不显著。

(3)综合分析，较佳的工艺参数为：A3B1C2D3，即板材的预设密度为0.8 g/cm3，树皮与杨木刨花的配比为3∶2，热压时间为8 min，施胶量为14%。但在表1中4号板材和7号板材的各项性能基本可以达到或接近干燥状态下使用的普通刨花板GB/T 4897.2-2003性能指标中所列的标准要求。

(a)正交试验MOR直观分析

(b)正交试验MOE直观分析

(c)正交试验M.C直观分析

(d)正交试验TS直观分析

2.2 结果分析

2.2.1 密度对板材各项性能的影响

从表1、表2和图1可知，在试验区间内，随着板材密度的增大，其静曲强度和静曲弹性模量均呈增大趋势，而24 h吸水厚度膨胀率变化不大。方差分析显示，密度对其静曲强度和静曲弹性模量影响高度显著，对24 h吸水厚度膨胀率影响不显著。这是因为密度增加，板材中的木刨花和碎树皮的整体压缩率提高，使木刨花之间、碎树皮之间，以及木刨花和碎树皮之间在胶黏剂的作用下能够更好地结合，从而使板材抵御正应力和剪应力的能力增强。此外，随着密度的增加，板材的吸水厚度膨胀率呈下降趋势。这主要是木刨花和碎树皮的整体压缩率提高以后会使板材中的吸水基团和吸水通道减少，板材的耐水性能提高。从整体看，在试验区间内，密度越高越好，但考虑到成本，密度取0.7 g /cm3左右即可，此时板材性能可达到刨花板的国标要求。

2.2.2 木刨花/树皮配比对板材性能的影响

木刨花与碎树皮的比值是指在一定板坯重量的前提下，两种原料的绝干物质质量比。由于木刨花和碎树皮自身密度及堆积密度的差别，以及在板坯中所处的位置不同，获得的热量有差异，在同样压力下，比值不同，对刨花板的性能影响也不同。

从表1、表2和图1还可以看出，材料配比(树皮：刨花)中随着杨木刨花用量的增大，其静曲强度和静曲弹性模量呈增大趋势，24 h吸水厚度膨胀率也呈增大趋势。方差分析显示，材料配比(树皮：刨花)对其静曲强度、静曲弹性模量和24 h吸水厚度膨胀率影响显著。木刨花/树皮配比为6∶4的1号、4号和7号板材的静曲强度、静曲弹性模量比木刨花/树皮配比为7∶3和8∶2的板材要高。

单一变量材料配比在刨花板性能影响的试验中也显示了相似的结果。单因素试验设置密度为0.7 g/cm3、施胶量12%、热压时间8 min，热压温度120 ℃，树皮/刨花配比分别为0∶1、1∶1、3∶1、1∶0。材料配比对刨花板各项性能的影响见表3。

表3 材料配比对刨花板各项性能的影响

由表3可知，材料配比(树皮：刨花)为1∶0时，刨花板的性能与国家标准要求相差较大，材料配比为3∶1时，刨花板的各项性能指标均达到或接近国家标准，完全用树皮为原料制备的刨花板性能指标偏低，达不到国家刨花板标准要求。由于树皮本身的强度低于木材，因此杨木刨花含量越高刨花板的性能越好。

2.2.3 热压时间对板材各项性能的影响

从表1、表2和图1中可知，在本试验参数范围内，随着热压时间的增大，其静曲强度、静曲弹性模量、24 h吸水厚度膨胀率变化不明显。方差分析显示，热压时间对其静曲强度、静曲弹性模量和24 h吸水厚度膨胀率的影响也不显著。

热压时间的确定必须保证芯层刨花上的胶黏剂达到必要的固化程度，同时还要保证表层上的胶黏剂不能脆化。热压时间过短，芯层部位的胶黏剂未能很好地固化，致使该部位的刨花间不能产生良好的结合，从而降低了抵御剪应力的能力。而热压时间过长，则表层胶黏剂脆化，使刨花间的胶合强度降低，致使抵御正应力的能力下降。对本次试验的树皮刨花板来说，热压时间为8 min左右比较合适。

2.2.4 施胶量对板材各项性能影响

从表1、表2和图1可知，随着施胶量的增大，其静曲强度和静曲弹性模量变化不明显，24 h吸水厚度膨胀率呈降低趋势。方差分析显示，施胶量对其静曲强度、静曲弹性模量影响不显著，而对24 h吸水厚度膨胀率影响高度显著。

从表2和图1可知，在本试验范围内，施胶量对板材24 h吸水厚度膨胀率影响显著，随着施胶量的增大，其24 h吸水厚度膨胀率逐步降低，但其静曲强度、静曲弹性模量变化不大。

采用单一变量法进行施胶量对板性能影响的补充试验。设置密度为0.7 g/cm3、配比为3∶1、热压时间8 min，热压温度为120 ℃，施胶量分别为10%、12%、14%，考查施胶量对刨花板各项性能的影响，结果见表4。

表4 施胶量对刨花板性能的影响

由表4可知，施胶量为10%时，刨花板的性能未达到国家标准要求，施胶量为12%时，刨花板的各项性能指标均达到或接近于国家标准。随着施胶量增大，其静曲强度、静曲弹性模量、内结合强度逐步增大，吸水厚度膨胀率逐步减小。

原料用量一定时，施胶量小会造成部分原料施胶不均匀，在热压过程中部分刨花结合松散；而施胶量大，在搅拌过程中又会使刨花结团或铺装不匀，在热压过程中会有胶液溢出，造成胶的浪费，同时施胶量过大甲醛含量也会增加。在本试验中，比较合适的施胶量为12%。

2.3 工艺参数优化及验证

根据正交实验和单因素试验结果，设置板材的预设密度为0.7 g/cm3、树皮与木刨花配比为6∶4、热压时间为8 min、施胶量为12%进行优化试验，结果见表5。从表5可知，按该优化工艺条件制备的刨花板性能可达到干燥状态下使用的普通刨花板GB/T 4897.2-2003的性能指标要求。

表5 工艺参数优化试验结果

3 结论

(1)完全用杨树树皮制备刨花板，其性能指标达不到普通刨花板国家标准的要求，添加一定比例的木质刨花后可以明显地改善树皮刨花板的性能。

(2)本试验范围内，密度对刨花板的静曲强度、静曲强度模量影响显著，木刨花/树皮配比对刨花板的静曲强度、静曲强度模量、吸水厚度膨胀率影响显著，施胶量对刨花板吸水厚度膨胀率影响显著，而热压时间对各性能影响均不显著。

(3)各因素对刨花板性能影响的主次关系为：密度→施胶量→配比→热压时间。最优工艺参数为：密度0.7 g/cm3，树皮与木刨花配比为6：4，热压时间为8 min，施胶量为12%，该工艺条件下所制备的刨花板性能指标可满足GB/T 4897.2-2003干燥状态下使用的普通刨花板性能指标的要求。

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[14] 国家质量技术监督局.GB/T 4897.2-2003 干燥状态下使用的普通刨花板[S].北京：中国标准出版社，2003.

(责任编辑 张雅芳)

Study on Poplar Bark-based Particleboard Technology and Properties

YANG Zhi-hui1，CHENG Li-juan1，SUN Zhao-bin2，XU Feng-juan2

(1.Maojingba Forest Farm，Hebei Longhua State-owned Forest Farm Management Office，Longhua Hebei 068150，China；2.Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China)

The processing technology and properties of poplar bark-based particleboard with urea formaldehyde(UF)resin as adhesive are studied，with the result showing the ratio of bark to poplar particle of 4∶1，density of 0.8 g/cm3，glue consumption of 12%，and hot press time of 8 min，with all physical properties of the bark-based particleboard realizing the optimum level and meeting the requirements in the natonal standard GB/T 4897.3-2003 for ordinary particleboard.

poplar tree bark；UF-resin；particleboard；technical parameters；board properties

2017-03-10

林业行业标准项目“废弃木材保管规范”(2014-LY-068)

杨志慧(1981-)，男，工程师，本科，主要从事森林经营与管理、森林培育经营技术的研究，E-mail：yangzhihui1982@126.com。