油茶果壳碎料板制造工艺及其性能研究

胡孔飞，马晓伟，莫小勤

（1. 湖南林之神生物科技有限公司，湖南 长沙 410004； 2. 湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；3. 邵阳县林业局，湖南 邵阳 422100）

油茶果壳碎料板制造工艺及其性能研究

胡孔飞1，马晓伟2，莫小勤3

（1. 湖南林之神生物科技有限公司，湖南 长沙 410004； 2. 湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；3. 邵阳县林业局，湖南 邵阳 422100）

开展油茶果壳碎料板原材料资源化利用，既有益于促进我国油茶产业的可持续发展，又可提高经济效益。本研究采用全因子试验法探讨了胶粘剂种类、碎料形态及碱处理对油茶果壳碎料板物理力学性能的影响。实验结果表明：其产品抗弯弹性模量和静曲强度未达到国家普通刨花板的标准要求。为了充分利用油茶果壳作为复合材料原料，旨在缓解森林资源匮乏的现状，构建资源节约型、环境友好型社会，将来的研究可以进一步考虑利用油茶果壳质轻的特点制备力学强度要求不高的轻质刨花板。

油茶果壳；热压工艺；碎料板；物理力学性能

油茶（Camellia oleifera Abel.）作为我国特有木本食用油料的树种，已具有两千多年的种植历史，截止至 2016 年 12 月底，我国油茶林总面积达 433.33 万 hm2，蓄势增长的油茶资源为我国食用油安全提供了坚实的保障［1-2］。油茶果壳作为剥离茶籽后的副产品，约占茶果鲜重的 50% ～60%［3］，其处置给广大种植户带来了烦恼，当前的处理方式非常粗放，或是被丢弃，或是被焚烧，对环境造成了污染，又严重浪费了植物基资源，因此，在朝阳的油茶产业中带了不良影响［5］。根据近期全国森林资源清查结果显示，我国是一个森林资源贫乏的国家，森林资源总量不足，质量不高，要从根本上解决我国木材供需矛盾，满足国内木材需求，大力推行木材节约和代用是重要的解决方法之一。已有研究表明［5-6］，油茶果壳作为一种植物基原料，可以适度开发来替代木材资源而利用，这样，可以大大解决油茶产业发展中的瓶颈。

碎料板是以木材或者其他纤维植物为原料，经专门设备加工成碎料，施加胶粘剂（或不施加胶粘剂），经过铺装、热压而制成的板材［7］。碎料板是人造板的主要产品之一，是目前世界上年产量和消耗量最大的人造板产品［8-9］。气干后的油茶果壳表面呈弧形，碎片大小面积一般在 6-15 cm2，密度约为 0.3 g/cm3，纤维长约1 297.27 um，宽度约为 129.73 um，油茶果壳纤维属于中等纤维，而长宽比较小，属于长而粗的纤维［10-11］。近年来，根据国家油茶产业政策的规划和引导，油茶产业布局相对比较集中，油茶果壳收取方便，季节性的油茶果壳能成为碎料板加工企业理想的补充原料之一。

本研究选用植物基油茶果壳为原料，自制脲醛胶和酚醛胶，选用合适的热压工艺制备均质碎料板。利用全因子试验方法探讨胶粘剂种类、果壳碎料大小以及碱处理对油茶果壳碎料板力学性能的影响，参照相关国家标准来评估利用油茶果壳制备碎料板的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）油茶果壳来自湖南林之神生物科技有限公司湘潭县油茶基地，去除杂质，采用气干方法干燥后备用，一部分果壳整壳利用，一部分通过粉碎机打碎成 4 mm 左右的颗粒后过筛去除粉末。

（2）碎料版选用自制的三聚氰胺脲醛树脂胶黏胶（MUF）和酚醛树脂胶粘剂（PF），胶粘剂的原料甲醛、尿素、三聚氰胺、苯酚、甲酚、间苯二酚、氯化铵、氢氧化钠等均选购自上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

研究中的油茶果壳碎料板的制备工艺流程图如图 1 所示：

图1 油茶果壳碎料板制备工艺流程图Fig.1 The technological processes of Camellia shell particle board

碎料板的密度设定为 0.8 g/m3，幅面为 350 mm×350 mm，厚度为 12 mm。利用全因子试验方法，在施胶量（重量比：16%）和热压工艺（热压时间 12 min，热压压力 3～5 MPa，脲醛胶热压温度 130 ℃，酚醛胶热压温度 170 ℃）一定的条件下，探讨胶粘剂种类、碎料大小和碱处理对油茶果壳碎料板力学性能的影响（见表 1）。

表1 油茶果壳碎料板全因子试验设计Tab.1 The full factorial experiment design of Camellia shell particle board

参照国家标准 GB/T17657-1999 4.9、GB/T17657-199，分别测试油茶果壳碎料板的抗弯弹性模量、静曲强度、内结合强度、吸水厚度膨胀率与 24 小时吸水率等物理力学指标。

1.3 主要试验仪器与设备

热压机（Y33-50），500 KN 四轴油压机（萍乡九州精密压机有限公司）；碎料机（东莞市拓鑫机械有限公司）；恒温鼓风干燥箱（DHG-9240A）（杭州蓝天化验仪器厂）；万能力学试验机（MWD-W10）（济南试金集团有限公司）。

2 结果与分析

2.1 油茶果壳碎料板物理力学性能

在油茶果壳碎料板生产过程中，对油茶果壳在施胶、铺装、预压、热压工段的含水率都有严格要求。由于板材原料不同，并受季节、存放条件、存放时间等因素的影响，碎料碱处理后的湿油茶果壳含水率很高且差异较大，为了保证碎料板产品质量的稳定、提高生产率，需要对湿油茶果壳进行干燥并且达到规定的、均匀一致的含水率。如果含水率偏高，在正常的热压工艺参数下，板坯容易发生分层和鼓泡，严重的甚至可能会“放炮”［12］；若延长放气时间，不但会增加热压周期，降低生产效率，而且成品板表面质量不佳。如果含水率偏低，油茶果壳产生“吸胶”现象，使碎料板强度下降；同时，在板坯运输、装板入热压机的过程中，会增加板坯的破损率；若表层含水率偏低的话，会减慢热压机内表层到芯层的热传导，降低板材的内结合强度［13-15］。

采用国家标准对获得的油茶果壳碎料板进行相关的物理力学性能检测，实验数据见表 2。

表2 物理性能测试试验结果Tab.2 The results of the physical property testing

2.2 全因子对抗弯弹性模量的影响

抗弯弹性模量是物体 t 变难易程度的表征。从图 2 中可以看出，碱处理有利于提高碎料板的弹性模量，原因是碱处理后增加了油茶果壳与胶粘剂的胶合强度。遗憾的是：试验结果显示，试制的油茶果壳碎料板板材的抗弯弹性模量性能均未达到国家普通刨花板的标准要求（弹性模量≥1 500 MPa），影响碎料板力学性能的因素很多，综合油茶果壳本身硬度较大、吸湿性好、半纤维素含量高和纤维素含量少以及纤维长度短等特性，在很大程度上都制约了油茶果壳碎料板的弹性模量性能。

图2 全因子对抗弯弹性模量的影响 Fig.2 The effects of full factorial on the modulus of elasticity

图3 全因子对静曲强度的影响Fig.3 The effects of full factorial on the modulus of rupture

2.3 全因子对静曲强度的影响

静曲强度反映了人造板抗弯曲变形的能力，是人造板重要力学性能指标之一。图 3 显示了全因子对油茶果壳碎料板的静曲强度的影响，可以发现胶粘剂对静曲强度影响较明显，酚醛胶明显优于于脲醛胶制备的油茶果壳碎料板。同样遗憾的是：所有油茶果壳碎料板的静曲强度均未达到国家普通刨花板的标准要求（静曲强度≥12.5 Mpa）。

2.4 全因子对内结合强度的影响

内结合强度是反映基材内部纤维之间胶合质量好坏的关键，是人造板物理力学性能重要指标之一。油茶果壳半纤维素含量高，纤维很短，实验结果证实油茶果壳碎料板的内结合强度较差。从图 4 中看出，经造粒后制备的油茶果壳碎料板内结合强度略强于整壳制备的板材，原因是造粒打碎后的油茶果壳胶粘剂结接触面积大大增加，油茶果壳碎料单元更容易相互胶粘在一起，从而提高了油茶果壳碎料板的内结合强度。

图4 全因子对内结合强度的影响Fig.4The effects of full factorial on the internal bond strength

2.5 全因子对吸水厚度膨胀率与 24 小时吸水率的影响

吸水厚度膨胀率反映产品的耐水性能和尺寸稳定性，此值越小，则其耐水性和尺寸稳定性越佳。从图 5 和图 6 的数据可知，碱处理后的制备的油茶果壳碎料板厚度膨胀率和 24 h 吸水率均增大。

图5 全因子对吸水膨胀率的影响Fig.5 The effects of full factorial on the soaking swell rate

图6 全因子对24 h吸水率的影响Fig.6 The effects of full factorial on the 24-hour water absorption

分析原因，碱处理后增加了油茶果壳与胶粘剂的胶合强度，但碱处理也改善了油茶果壳的亲水性继而增大了板材的孔隙度；经造粒后制备的油茶果壳碎料板厚度膨胀率和 24 h 吸水率有一定程度增大，油茶果壳本身孔隙较大，造粒后与水的接触面积加大。

3 结论与讨论

本试验通过前期对原材料油茶果壳形态、胶粘剂种类、选择一定的热压参数，再利用全因子因素进行制备油茶果壳碎料板，得到了 8 种不同的油茶果壳碎料板，研究油茶果壳碎料板的力学性能。以酚醛胶为胶粘剂制备的油茶果壳碎料板性能普遍优于利用脲醛胶制备的板材；碱处理有利于提高碎料板的弹性模量，但厚度膨胀率和 24 h 吸水率均增大；经造粒后制备的油茶果壳碎料板力学性能略强于整壳制备的板材，厚度膨胀率和 24 h 吸水率也有一定程度增大；油茶果壳碎料板静曲强度和抗弯弹性模量未达到国家普通刨花板的标准要求。

分析该研究的结果可以看出：碱处理和碎料单元大小都能影响油茶果壳碎料板的性能；碱处理改善了油茶果壳的亲水性，也溶出了果壳空隙中的碱性物质，疏通了胶粘剂在果壳中渗透的通道；小粒径的油茶果壳增加了胶粘剂的结合面，更有利于板材的胶合；因此，经过预处理对油茶果壳碎料板性能有一定程度的改善；然而这两种改进油茶果壳碎料单元方法度致吸水厚度膨胀率和 24 h 吸水率有一定程度增大，这是由于这些原料预处理方式让碎料板与水的接触面积加大，加速了胶接面的破坏。

综观国内外研究，影响碎料板物理力学性能的因素很多［7-8］，油茶果壳资源化利用的研究正处于起步阶段，基于材料利用的角度要开发利用好油茶果壳任重而道远［4-6］。综合分析油茶果壳碎料板产品，由于油茶果壳原料自身的特性，如硬度较大、吸湿性好、半纤维素含量高和纤维素含量少以及纤维长度短等等，在一定程度上都制约了油茶果壳碎料板性能，然而，很多实际的应用场合中并不要求人造板具有高的力学强度反而要求板材质轻，未来仍可在制备油茶果壳碎料板方面进一步开展深入研究，可以考虑将其制备成轻质碎料板满足市场的多方面需求。

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（文字编校：杨 骏）

Study on process and performance of Camellia shell particle board

HU Kongfei1，MA Xiaowei2，MO Xiaoqin3

（1. Hunan Linzhishen Biotech Co.Ltd，Changsha 410004，China；2. Hunan Academy of Forestry，Changsha 410004，China；

3. Forestry Bureau of Shaoyang County，Shaoyang 422100，China）

To carry out the Camellia fruit shell particle board recycling use of raw material，is not only beneficial to promote the sustainable development of Camelliaamelliacamellia industry in China，but also improve the its economic benefit.amelliaAdopts full factorial experiment method，discusses the types of adhesive，broken material form and alkali treatment on the mechanical behavior of Camelliaamelliacamellia camellia fruit shell particle board.CamelliaamelliaCamellia shell particle board preparation test showed that the mechanical properties of product failed to meet national standards for the average particle board，but in the future can consider to use Camellia shell light of the characteristics of the preparation of the mechanical strength requirement is not high light particle board.

Camellia shell；hot-pressing process；particle board；physical and mechanical properties

TS 653.5

A

1003-5710（2017）04-0059 -05

10.3969 / j.issn. 1003-5710.2017.04.012

2017-05-29

国家油茶工程技术研究中心开放基金项目（2014CY02）

胡孔飞（1984-），男，安徽省枞阳县人，硕士，工程师，主要从事油茶栽培与生产加工的研究；E-mail：554276113@qq.com

马晓伟（1983-），女，山东省济南市人，硕士，工程师；E-mail：534179201@qq.com