高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究

娄衡 潘大卫 张扬 于志明

娄衡, 潘大卫, 张扬, 于志明. MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
引用本文: 娄衡, 潘大卫, 张扬, 于志明. MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
Lou Heng, Pan Dawei, Zhang Yang, Yu Zhiming. Preparation process and properties of MDI low density fiberboard[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
Citation: Lou Heng, Pan Dawei, Zhang Yang, Yu Zhiming. Preparation process and properties of MDI low density fiberboard[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297

MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
基金项目: 

引进国际先进林业科学技术项目 2015-4-50

详细信息
    作者简介:

    娄衡。主要研究方向:轻质人造板。Email: 1554952533@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料学院

    通讯作者:

    于志明,教授,博士生导师。主要研究方向:木质复合材料与胶黏剂。Email: yuzhiming@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S792.39

Preparation process and properties of MDI low density fiberboard

  • 摘要: 目的低密度纤维板具有质量轻、吸音降噪等优点,可广泛应用于非结构用途的家具制造、建筑装饰、包装、电器设备等领域。与中密度纤维板相比,低密度纤维板具有力学性能低的缺点,使用“三醛胶”制备的低密度纤维板,力学性能难以达到要求,且甲醛释放量较大。因此,本研究选用胶合强度高、无甲醛释放的异氰酸酯(MDI)为胶黏剂,制备性能较优的MDI低密度纤维板。方法以纤维含水率、细纤维质量分数和热压曲线为工艺参数,通过分析各参数对板材物理力学性能的影响,得出MDI低密度纤维板较优的制备工艺。结果提高纤维含水率,适当延长低压作用时间,可增加表芯层密度比,从而提高静曲强度和弹性模量,但内结合强度略有下降;增加粗纤维的质量分数可有效提高静曲强度和弹性模量,内结合强度降低,吸水厚度膨胀率略有增加。本研究得出的MDI低密度纤维板较优的制备工艺为:纤维含水率16%,热压曲线C,细纤维质量分数60%。通过保温系数和甲醛释放量测定,发现MDI低密度纤维板与同等密度的保温材料相比具有较好的保温性能,甲醛释放量较低。结论本研究中制备的MDI低密度纤维板各项性能均可以满足LY/T 1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求,在家具制造、保温建筑材料等领域具有广泛的应用空间。
  • 图  1  热压曲线

    Figure  1.  Hot-press curves

    图  2  不同纤维含水率MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线

    Figure  2.  Vertical density profile of MDI LDFs of different fiber moisture contents

    图  3  不同热压曲线MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线

    Figure  3.  Vertical density profile of MDI LDFs of different hot-press curves

    图  4  细纤维质量分数对板材MOR、MOE的影响

    Figure  4.  Effects of fine fiber mass fraction on MOR and MOE

    图  5  细纤维质量分数对板材IB、吸水厚度膨胀率的影响

    Figure  5.  Effects of fine fiber mass fraction on IB and TS

    表  1  细纤维形态和分布

    Table  1.   Fine fiber shape and composition

    目数Mesh number <40 40~60 60~80 80~100 >100
    质量分数Mass fraction 18.4% 23.4% 17.9% 9.7% 30.6%
    下载: 导出CSV

    表  2  粗纤维形态和分布

    Table  2.   Crude fiber shape and composition

    目数Mesh number <20 20~40 >40
    质量分数Mass fraction 40.3% 30.6% 29.1%
    下载: 导出CSV

    表  3  不同纤维含水率对板材性能的影响

    Table  3.   Effects of different fiber moisture contents on properties of LDF

    纤维含水率
    Fiber moisture content/%
    MOR/
    MPa
    MOE/
    MPa
    IB/
    MPa
    TS/%
    8 15.34 1 648 0.62 12.30
    12 17.74 1 848 0.51 12.00
    16 20.66 2 188 0.47 9.90
    标准值Standard value 20 1 700 0.45 16
    注:MOR代表静曲强度,MOE代表弹性模量,IB代表内结合强度,TS代表吸水厚度膨胀率。Notes: MOR means modulus of rupture, MOE means modulus of elastic, IB means internal bond strength,and TS means thickness swelling.
    下载: 导出CSV

    表  4  不同热压曲线对板材性能的影响

    Table  4.   Effects of different hot-press curves on properties of LDFs

    热压曲线
    Hot-press curve
    MOR/
    MPa
    MOE/
    MPa
    IB/
    MPa
    TS/%
    A 17.43 1 684 0.41 14.50
    B 19.30 1 760 0.46 12.60
    C 21.86 2 082 0.42 12.10
    标准值Standard value 20 1 700 0.45 16
    下载: 导出CSV

    表  5  MDF、松木和4种保温材料与LDF的导热系数对比

    Table  5.   Comparison of thermal conductivity between MDF, pine and four insulation materials and LDF

    材料
    Material
    导热系数
    Thermal conductivity/
    (W·m-1·K-1)
    密度
    Density/
    (kg·m-3)
    LDF 0.087 564
    MDF 0.110 687
    石膏保温砂浆[15]Gypsum insulation mortar 0.085 500
    石棉水泥板[15]Asbestos cement board 0.128 500
    泡沫混凝土[15] Foam concrete 0.110 525
    加气混凝土[15] Aerated concrete 0.174 566
    松木(垂直纹理方向)[15] Pine wood (vertical texture direction) 0.174 550
    下载: 导出CSV
  • [1] 国家林业局.低密度和超低密度纤维板: LY/T 1718—2017[S].北京: 中国标准出版社, 2017.

    State Forestry Administration. Low density fiberboard and ultra-low density fiberboard: LY/T 1718—2017[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017.
    [2] 阴晓璐, 张扬.轻质纤维板的研究现状和发展趋势[J].山东林业科技, 2015, 45(5): 96-99. doi:  10.3969/j.issn.1002-2724.2015.05.028

    Yin X L, Zhang Y. The research status and development trend of the low-density fiberboard[J]. Journal of Shandong Forestry Science and Technology, 2015, 45(5): 96-99. doi:  10.3969/j.issn.1002-2724.2015.05.028
    [3] 王永闽, 陈建新, 吴祖顺, 等.连续平压法生产低密度纤维板的工艺研究[J].福建林业科技, 2014, 41(1): 9-13, 24. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fjlykj201401003

    Wang Y M, Chen J X, Wu Z S, et al. Study on manufacturing processing of low density of fibreboard by continuous hot-press method[J]. Journal of Fujian Forestry Science and Technology, 2014, 41(1): 9-13, 24. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fjlykj201401003
    [4] 杨越飞, 叶新强, 陈祖贵.高性能低密度纤维板热压工艺研究[J].中国人造板, 2014, 21(6): 8-10. doi:  10.3969/j.issn.1673-5064.2014.06.003

    Yang Y F, Ye X Q, Chen Z G. Hot pressing process of high-performance low density fiberboard[J]. China Wood-Based Panels, 2014, 21(6): 8-10. doi:  10.3969/j.issn.1673-5064.2014.06.003
    [5] 王梦琦, 于志明, 张扬, 等. NaOH活化工艺对MDI轻质纤维板性能影响的研究[J].林业实用技术, 2014(5): 51-54. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lysyjs201405020

    Wang M Q, Yu Z M, Zhang Y, et al. Study on effect of NaOH activation process on the performance of MDI low density fiberboard[J]. Practical Forestry Technology, 2014(5): 51-54. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lysyjs201405020
    [6] 阿伦, 马岩.微米长薄片状木纤维低密度人造板的开发及应用前景[J].木材加工机械, 2006, 17(5): 36-37. doi:  10.3969/j.issn.1001-036X.2006.05.010

    A L, Ma Y. Development of MLFB made from micro-wood fiber[J]. Wood Processing Machinery, 2006, 17(5): 36-37. doi:  10.3969/j.issn.1001-036X.2006.05.010
    [7] Lux J. Automatic segmentation and structural characterization of low density fibreboards[J]. Image Analysis & Stereology, 2013, 32(1): 13-25. http://d.old.wanfangdata.com.cn/OAPaper/oai_doaj-articles_3da04294af700b17e36982348405ae79
    [8] Xie Y Q, Tong Q J, Chen Y, et al. Manufacture and properties of ultra-low density fibreboard from wood fibre[J]. Bioresources, 2011, 6(4): 4055-4066. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=Open J-Gate000003884739
    [9] 张彦华, 顾继友, 邸明伟, 等.异氰酸酯改性脲醛树脂胶粘剂的研究进展[J].粘接, 2008, 29(4): 32-35. doi:  10.3969/j.issn.1001-5922.2008.04.010

    Zhang Y H, Gu J Y, Di M W, et al. Research progress on isocyanate-modified UF resin adhesive[J]. Adhesion in China, 2008, 29(4): 32-35. doi:  10.3969/j.issn.1001-5922.2008.04.010
    [10] 刘厚钧.聚氨酯弹性体手册[M]. 2版.北京:化学工业出版社, 2012.

    Liu H J. Polyurethane elastomers manual[M]. 2nd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2012.
    [11] 黄元波, 顾继友, 郑志锋, 等. DSC法研究异氰酸酯胶黏剂与高含水率木材的固化反应[J].化学与黏合, 2007, 29(3): 154-156, 160. doi:  10.3969/j.issn.1001-0017.2007.03.002

    Huang Y B, Gu J Y, Zheng Z F, et al. Study on the curing reaction between isocyanate adhesive and high-moisture content wood by DSC[J]. Chemistry and Adhesion, 2007, 29(3): 154-156, 160. doi:  10.3969/j.issn.1001-0017.2007.03.002
    [12] 张扬, 于志明.工艺参数对中密度纤维板断面密度分布的影响[J].北京林业大学学报, 2009, 31(4): 118-122. doi:  10.3321/j.issn:1000-1522.2009.04.021

    Zhang Y, Yu Z M. Effects of hot-pressing parameters on vertical density profile of MDF[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2009, 31(4): 118-122. doi:  10.3321/j.issn:1000-1522.2009.04.021
    [13] 于赫.纤维板断面密度分布的形成机理及与力学性能关系的研究[D].北京: 北京林业大学, 2008. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10022-2008084821.htm

    Yu H. Study on the mechanism of vertical density profile of fiberboard and the relationship with mechanical properties[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2008. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10022-2008084821.htm
    [14] 张扬.纤维板断面密度分布优化控制技术及力学性能预测模型[D].北京: 北京林业大学, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10022-1011132774.htm

    Zhang Y. The optimizing cybernetic technology of vertical density profile distribution of fiberboard and its prediction model of mechanical performance[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2011. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10022-1011132774.htm
    [15] 周辉, 钱美丽, 冯金秋, 等.建筑材料热物理性能与数据手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

    Zhou H, Qian M L, Feng J Q, et al. Thermal physical properties and data sheet for building materials[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2010.
    [16] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.民用建筑热工设计规范[M].北京:中国计划出版社, 2017.

    Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People's Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. Code for thermal design of civil building[M]. Beijing: China Planning Press, 2017.
  • [1] 马苏, 甄晋, 汪珈羽, 张德荣, 于志明, 唐睿琳, 张扬.  苯丙乳液掺杂对地质聚合物木材胶黏剂性能的影响 . 北京林业大学学报, 2020, 42(7): 131-139. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200019
    [2] 林斌, 翟学勇, 李瑞, 孙立鹏, 张元婷, 尹玉雪, 刘镇波.  桦木单板/玻璃纤维复合材料的制备工艺优化 . 北京林业大学学报, 2019, 41(4): 127-135. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190049
    [3] 张健, 罗斌, 刘红光, 李黎.  中密度纤维板和红松磨削过程材料去除机理的研究 . 北京林业大学学报, 2018, 40(11): 123-130. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180265
    [4] 薛凤莲, 林剑, 赵广杰, 张扬, 来雅婷.  碱木质素改性及其纤维制备研究 . 北京林业大学学报, 2016, 38(5): 120-125. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150320
    [5] 赵洪刚, 乐磊, 刘明利, 吴俊华, 刘彦龙.  拼花实木复合地板激光切割制备工艺研究 . 北京林业大学学报, 2016, 38(6): 110-115. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150380
    [6] 路祺, 孟永斌, 徐蕾, 张子东, 刘英, 张莹, 祖元刚.  塔拉纤维剩余物酶解液发酵制备乙醇工艺研究 . 北京林业大学学报, 2015, 37(12): 122-127. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150160
    [7] 兴丰, 鹿振友, 王翠翠, 张双保.  低甲醛释放量中密度纤维板设计和生产应用 . 北京林业大学学报, 2014, 36(4): 152-158. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.04.004
    [8] 周杏子, 王子娜, 曾红胜, 夏尔东, 陈林, 任迪峰, 鲁军.  核桃发酵乳的制备工艺及抗氧化活性研究 . 北京林业大学学报, 2013, 35(5): 139-143.
    [9] 陈世华, 李思锦, 母军.  脲醛树脂胶黏剂在纤维板热解固体产物中的转化特性 . 北京林业大学学报, 2013, 35(4): 123-127.
    [10] 谢拥群, 刘景宏, 林铭, 刘小政, 童雀菊.  酸钠增强植物纤维基超低密度材料的研究 . 北京林业大学学报, 2012, 34(1): 115-118.
    [11] 冯永顺, 黄志义, 母军.  含脲醛树脂胶黏剂的杨木刨花板的热解特性 . 北京林业大学学报, 2012, 34(1): 119-122.
    [12] 杜官本, 王思群, 雷洪.  薄型中密度纤维板过压缩工艺研究 . 北京林业大学学报, 2010, 32(1): 114-117.
    [13] 张扬, 于志明, 于赫.  纤维板断面密度分布热压形成过程的研究 . 北京林业大学学报, 2009, 31(3): 129-134.
    [14] 张扬, 于志明.  工艺参数对中密度纤维板断面密度分布的影响 . 北京林业大学学报, 2009, 31(4): 118-122.
    [15] 杨剑芳, 黄明勇, 路福平, 高文远, .  山茱萸发酵酒制备工艺条件优化研究 . 北京林业大学学报, 2009, 31(5): 131-136.
    [16] 张德荣, 母军, 王洪滨, 范东斌, 李建章.  杂交狼尾草制造刨花板工艺研究 . 北京林业大学学报, 2008, 30(3): 136-139.
    [17] 谢拥群, 杨文斌, 李求根, 林小平.  干燥过程中超低密度植物纤维材料的尺寸稳定性 . 北京林业大学学报, 2008, 30(6): 124-127.
    [18] 孙仁山, 王继强, 高莉萍, 李利平, 周存宇, 包仁艳, 赵东, 谢力生, 李红, 吕建雄, 程广有, 王跃思, 贺康宁, 高林, 向仕龙, 邢韶华, 李文彬, 包满珠, 周国逸, 姜春宁, 孙扬, 李世荣, 李吉跃, 于志明, 高峰, 殷亚方, 葛春华, 赵有科, 王迎红, 曹全军, 郑彩霞, 孙磊, 田勇臣, 赵勃, 刘娟娟, 史常青, 周心澄, 高亦珂, 华丽, 王清春, 姜笑梅, 张德强, 孙艳玲, 唐晓杰, 丁坤善, 刘世忠, 张启翔, 崔国发, .  无胶农作物秸秆模压工艺性能的自动检测 . 北京林业大学学报, 2005, 27(4): 82-85.
    [19] 熊瑾, 李景文, 饶良懿, 侯亚南, 殷亚方, 詹亚光, 李全发, 马文辉, 杨海龙, 张秋英, 杜华强, 李景文, 杨晓晖, 龙玲, 李慧, 黄国胜, 刘震, 符韵林, 
    王保平, 王明枝, 李梅, 宋小双, 张一平, 耿晓东, 范文义, 吕建雄, 窦军霞, 尹立辉, 朱金兆, 陈晓阳, 李发东, 张克斌, 王洁瑛, 王雪军, 徐峰, 李俊清, 李妮亚, 李吉跃, 赵敏, 梁机, 朱金兆, 陆熙娴, 韩海荣, 刘文耀, 秦瑶, 李俊清, 慈龙骏, 唐黎明, 赵宪文, 李云, 于贵瑞, 乔杰, 倪春, 孙玉军, 齐实, 陈素文, 沈有信, 毕华兴, 李凤兰, 李黎, 康峰峰, 刘桂丰, 陈晓阳, 刘雪梅, 秦素玲, 欧国强, 王玉成, 李伟, 黎昌琼, 魏建祥, 朱国平, 王雪, 马钦彦, 赵双菊, 宋献方, 文瑞钧, 蒋建平, 韦广绥, 刘伦辉, 张桂芹, 李伟, 任海青, 丁霞, 杨谦, , 张万军, 孙涛, 周海江, 李慧, 宋清海, 孙晓敏, 孙志强, 刘莹, 李宗然, 
    , .  木材纤维复合材料的工艺及性能 . 北京林业大学学报, 2005, 27(1): 1-5.
    [20] 贺康宁, 程广有, 李利平, 孙仁山, 吕建雄, 赵东, 王继强, 周存宇, 包仁艳, 谢力生, 李红, 王跃思, 高莉萍, 向仕龙, 李文彬, 高峰, 李世荣, 殷亚方, 周国逸, 包满珠, 高林, 李吉跃, 邢韶华, 孙扬, 于志明, 姜春宁, 王迎红, 郑彩霞, 孙磊, 曹全军, 史常青, 刘娟娟, 葛春华, 田勇臣, 赵有科, 赵勃, 周心澄, 孙艳玲, 唐晓杰, 华丽, 丁坤善, 姜笑梅, 王清春, 张德强, 高亦珂, 张启翔, 崔国发, 刘世忠, .  板坯表面喷水对干法纤维板热压传热的影响 . 北京林业大学学报, 2005, 27(4): 73-77.
  • 加载中
图(5) / 表 (5)
计量
  • 文章访问数:  560
  • HTML全文浏览量:  223
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-20
  • 修回日期:  2018-10-23
  • 刊出日期:  2019-02-01

MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
    基金项目:

    引进国际先进林业科学技术项目 2015-4-50

    作者简介:

    娄衡。主要研究方向:轻质人造板。Email: 1554952533@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料学院

    通讯作者: 于志明,教授,博士生导师。主要研究方向:木质复合材料与胶黏剂。Email: yuzhiming@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S792.39

摘要: 目的低密度纤维板具有质量轻、吸音降噪等优点,可广泛应用于非结构用途的家具制造、建筑装饰、包装、电器设备等领域。与中密度纤维板相比,低密度纤维板具有力学性能低的缺点,使用“三醛胶”制备的低密度纤维板,力学性能难以达到要求,且甲醛释放量较大。因此,本研究选用胶合强度高、无甲醛释放的异氰酸酯(MDI)为胶黏剂,制备性能较优的MDI低密度纤维板。方法以纤维含水率、细纤维质量分数和热压曲线为工艺参数,通过分析各参数对板材物理力学性能的影响,得出MDI低密度纤维板较优的制备工艺。结果提高纤维含水率,适当延长低压作用时间,可增加表芯层密度比,从而提高静曲强度和弹性模量,但内结合强度略有下降;增加粗纤维的质量分数可有效提高静曲强度和弹性模量,内结合强度降低,吸水厚度膨胀率略有增加。本研究得出的MDI低密度纤维板较优的制备工艺为:纤维含水率16%,热压曲线C,细纤维质量分数60%。通过保温系数和甲醛释放量测定,发现MDI低密度纤维板与同等密度的保温材料相比具有较好的保温性能,甲醛释放量较低。结论本研究中制备的MDI低密度纤维板各项性能均可以满足LY/T 1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求,在家具制造、保温建筑材料等领域具有广泛的应用空间。

English Abstract

娄衡, 潘大卫, 张扬, 于志明. MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
引用本文: 娄衡, 潘大卫, 张扬, 于志明. MDI低密度纤维板制备工艺和性能研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
Lou Heng, Pan Dawei, Zhang Yang, Yu Zhiming. Preparation process and properties of MDI low density fiberboard[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
Citation: Lou Heng, Pan Dawei, Zhang Yang, Yu Zhiming. Preparation process and properties of MDI low density fiberboard[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(2): 134-139. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180297
  • 低密度纤维板(Low density fiberboard, LDF)指密度在550~650 kg/m3之间的干法纤维板[1]。在日本和一些欧美国家,低密度纤维板已广泛应用于室内装修装饰、家具、高保真音响外壁等领域[2]。我国纤维板产品多以密度在650 kg/m3以上的中、高密度纤维板为主,密度在550~650 kg/m3范围的低密度纤维板却鲜有企业生产[3]。近年来,有关低密度纤维板的研究逐渐受到关注,低密度纤维板因其质量轻、吸音降噪等优点,且具有一定物理力学性能,因此在承担非结构用途的建筑装饰、家具制造和吸声等领域具有广阔的应用前景。

    但是相比中密度纤维板,低密度纤维板具有物理力学性能低的缺点。国内外一些学者对低密度纤维板的制备工艺进行了研究。杨越飞等[4]以密度为580 kg/m3的低密度纤维板为研究对象,采用正交试验法对热压工艺3要素进行优化。王梦琦等[5]采用NaOH对木纤维进行活化处理,增加纤维表面的—OH数量,利用活化后的纤维制备低密度纤维板。阿伦等[6]从微观角度,利用微米木纤维机械切削加工技术,使木材纤维胞管内胶质等杂质流出,且微米级的木纤维呈絮状自然堆积,从而既降低了板材密度,又达到了优异的力学性能。Lux[7]将一种新型的算法结构运用到纤维分割技术上,在算法作用下机械可自动分割大麻类植物的纤维,并控制纤维的弯曲量、长度、直径、方向分布,从而优化低密度纤维板的机械加工、隔热保温等性能。Xie等[8]采用聚氨酯发泡的方法来制作超低密度纤维板(Ultra-low density fiberboard, ULDF),当密度为563 kg/m3时,该板材的热传导系数为0.035 W/(m·K),吸声系数为0.67,具有优良的保温隔热和吸声性能,但力学性能较差。

    上述低密度纤维板的研究基本采用脲醛树脂为胶黏剂。采用脲醛树脂胶黏剂制备的纤维板,不仅施胶量较大,甲醛释放量难以达到E1级标准,且脲醛树脂胶黏剂为水溶性,因此防水性能较差,板材的吸水厚度膨胀率较大。与脲醛树脂胶黏剂相比,异氰酸酯(MDI)胶黏剂的制备与使用过程均无甲醛释放,且施胶量较低。因此,与脲醛树脂胶黏剂制备的低密度纤维板相比,甲醛释放量大大降低[9]。异氰酸酯胶黏剂中的异氰酸酯基(—NCO)是一种高度不饱和基团[10],具有很高的反应活性,能与木材中含有活泼氢的基团(—OH、—NH2、—COOH等)反应形成化学胶接[11],胶合强度高,耐水性较好。本研究采用异氰酸酯为胶黏剂,采用平压法制备MDI低密度纤维板,以纤维含水率、细纤维质量分数、热压工艺曲线为影响因素,探究各因素对低密度纤维板物理力学性能的影响,并选取较优的制备工艺。

    • 松木纤维,宁国市东南木业有限公司;异氰酸酯胶黏剂,型号CW-20,工业品,万华化学集团股份有限公司;丙酮,分析纯,北京化工厂。

    • 所购2种木纤维在恒温鼓风干燥箱(TH-881Y-5型,苏州壹华烘箱设备有限公司)中干燥至一定含水率后,将纤维经过电动振筛机(8411型,浙江上虞市道墟星峰仪器厂)筛选,筛选后细纤维的形态和分布见表 1,粗纤维的形态和分布见表 2

      表 1  细纤维形态和分布

      Table 1.  Fine fiber shape and composition

      目数Mesh number <40 40~60 60~80 80~100 >100
      质量分数Mass fraction 18.4% 23.4% 17.9% 9.7% 30.6%

      表 2  粗纤维形态和分布

      Table 2.  Crude fiber shape and composition

      目数Mesh number <20 20~40 >40
      质量分数Mass fraction 40.3% 30.6% 29.1%

      将细纤维和粗纤维按一定比例混合后放入滚筒拌胶机(DRAIS FTR250型拌胶机,德国DRAIS公司)中,采用喷枪(W-71-21G,阿耐思特岩田产业机械有限公司)进行施胶,MDI施胶量为4%,纤维施胶后在模具中进行手工铺装,放入热压机(新协力100T热压机,江苏新协力集团)中。纤维板的厚度控制在(11.5±0.2) mm,密度为(560±5) kg/m3,幅面为300 mm×300 mm,热压温度为195 ℃。

    • 在细纤维质量分数50%,采用热压曲线C(图 1c)的条件下,选取纤维含水率分别为8%、12%、16%,进行纤维含水率对板材物理力学性能影响的试验。选择较优水平进行热压曲线的单因素试验,根据不同的高压与低压作用时间,设计3种热压曲线(图 1)。其中曲线B为传统的3段式热压曲线,曲线A、C均为“高压—低压—中高压”3段式热压曲线,其中曲线A的高压作用时间较长。在细纤维质量分数50%,纤维含水率16%的条件下,选取热压曲线A、B、C进行热压曲线对板材物理力学性能影响试验。选择较优的热压曲线进行细纤维占比的单因素试验。在纤维含水率16%,热压曲线C的条件下,选取细纤维质量分数为0、50%、75%、100%,进行细纤维质量分数对板材物理力学性能影响的试验,选择较优的细纤维质量分数。最后确定最优的热压工艺,并进行验证试验。

      图  1  热压曲线

      Figure 1.  Hot-press curves

    • 压制出的纤维板在室温下放置48 h后进行检测,按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的规定将板材裁成相应规格,并按国标中的试验方法测定断面密度、吸水厚度膨胀率(TS)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)。

    • 板材表面进行砂光处理后(木工砂光机R-R1300,青岛鲁森木工机械有限公司),裁成50 mm×50 mm的试件(精密推台锯,欧登多机械制造有限公司),使用DA-X密度分布测试仪(DA-X/DA-1,德国GreCon公司)测试其断面密度分布。

    • 导热系数的测定采用护热平板法(DRH-300,湘潭仪器仪表有限公司),基于单向稳态导热原理,在试样上、下两面处于不同的稳定温度下,测量通过试样有效传热面积的热流及试样两表面间温度梯度和厚度,计算其导热系数λ。试验对所制备的MDI低密度纤维板(密度564 kg/m3)和所购中密度纤维板(河北省某人造板厂,密度687 kg/m3)的导热系数进行测定。

      $$ \lambda = \frac{{Qd}}{{S\Delta t\Delta T}} $$ (1)

      式中:Q为热量,J;S为有效传热面积,m2d为板材厚度,m;Δt为测试时间,h;ΔT为冷热极板的平均温差,K。

    • 试样选用最优工艺下制备的板材,测定方法按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中甲醛含量测定—穿孔法(穿孔萃取仪,安徽省天长市东宏玻璃仪器厂)的要求进行。试样一式2份,进行2次试验,两次试验值差值不超过0.5 mg/100 g。

    • 表 3为3种纤维含水率下的板材性能的测试结果,并与LY/T1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求进行对比。纤维含水率在8%时,MOR和MOE均未达到标准要求,同时纤维含水率较低增强了板材的吸水性,因此吸水厚度膨胀率较高;纤维含水率在12%和16%时,板材性能均能达到行业标准。热压过程中,含水率较低不利于异氰酸酯胶黏剂的反应,板材的力学性能较差。以下从板材断面密度的角度分析纤维含水率对板材性能的影响。

      表 3  不同纤维含水率对板材性能的影响

      Table 3.  Effects of different fiber moisture contents on properties of LDF

      纤维含水率
      Fiber moisture content/%
      MOR/
      MPa
      MOE/
      MPa
      IB/
      MPa
      TS/%
      8 15.34 1 648 0.62 12.30
      12 17.74 1 848 0.51 12.00
      16 20.66 2 188 0.47 9.90
      标准值Standard value 20 1 700 0.45 16
      注:MOR代表静曲强度,MOE代表弹性模量,IB代表内结合强度,TS代表吸水厚度膨胀率。Notes: MOR means modulus of rupture, MOE means modulus of elastic, IB means internal bond strength,and TS means thickness swelling.

      从材料力学角度看,表芯层密度比值较大可提高板材的静曲强度;在施胶量相同的情况下,断面上的最低密度是决定低密度纤维板内结合强度的主要因素[12]图 2为在纤维含水率8%、12%、16%时板材的断面密度分布图。由图 2可知:在板材平均密度相同时,提高纤维含水率可提高表层密度,降低芯层密度。因此,随着纤维含水率的增加,板材的表层密度提高,MOR和MOE随之提高。对于断面密度分布不均匀的纤维板,在拉伸时破坏的部位往往是密度最低的区域[13-14]。因此随着纤维含水率的提高,板材的芯层密度减小,内结合强度越低;随着纤维含水率提高,板材的表层密度提高,水分渗透通过板材表面的阻力增加,吸水厚度膨胀率降低。

      图  2  不同纤维含水率MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线

      Figure 2.  Vertical density profile of MDI LDFs of different fiber moisture contents

    • 表 4为在3种不同热压曲线下制备的低密度纤维板性能。由表 4可知:随着低压作用时间的增长,板材的MOR和MOE明显增大,内结合强度有所增加,吸水厚度膨胀率逐渐下降。图 3为在3种热压曲线下的板材断面密度分布曲线。热压曲线B、C的高压和中高压作用时间要小于热压曲线A,降压过程中,板材内部应力集中作用在上下表面,因此形成较高的表层密度,断面密度分布曲线呈“U”型;而在热压曲线A的作用下断面密度分布平缓。由于曲线C的降压时间较早,低压作用时间较长,有助于板坯内蒸汽的逸出,避免出现分层以及过多消耗纤维表面的异氰酸酯,因此热压曲线C作用下的板材性能优于热压曲线A或B。综上,在热压曲线单因素试验中,选择热压曲线C为最佳水平。

      表 4  不同热压曲线对板材性能的影响

      Table 4.  Effects of different hot-press curves on properties of LDFs

      热压曲线
      Hot-press curve
      MOR/
      MPa
      MOE/
      MPa
      IB/
      MPa
      TS/%
      A 17.43 1 684 0.41 14.50
      B 19.30 1 760 0.46 12.60
      C 21.86 2 082 0.42 12.10
      标准值Standard value 20 1 700 0.45 16

      图  3  不同热压曲线MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线

      Figure 3.  Vertical density profile of MDI LDFs of different hot-press curves

    • 图 45中可以看出:随着细纤维质量分数的增加,板材的静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率均降低,而内结合强度增强。粗纤维增多,有利于在平面方向形成交联网络结构,因此抗弯性能增强;细纤维增多,板材铺装更为均匀,且细纤维具有填充板内空隙的作用,有利于在垂面方向形成胶接,因此随着细纤维质量分数的增大,板材的内结合强度增加,吸水厚度膨胀率减小。细纤维质量分数为50%时,板材的静曲强度与弹性模量较高,但其内结合强度较低;细纤维质量分数为75%时,内结合强度明显高于行业标准,但静曲强度略低。根据图中的变化趋势,细纤维质量分数为60%时,板材性能可以满足行业标准。综上,选择细纤维质量分数为60%作为最优水平。

      图  4  细纤维质量分数对板材MOR、MOE的影响

      Figure 4.  Effects of fine fiber mass fraction on MOR and MOE

      图  5  细纤维质量分数对板材IB、吸水厚度膨胀率的影响

      Figure 5.  Effects of fine fiber mass fraction on IB and TS

    • 通过以上试验和分析,最终确定MDI低密度纤维板的较优热压工艺为:纤维含水率16%,热压曲线C,细纤维质量分数为60%。根据最终优化条件制备的板材性能为:静曲强度21.99 MPa,弹性模量2 363 MPa,内结合强度0.49 MPa,吸水厚度膨胀率9.5%。各项物理力学性能均能达到LY/T1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求。

    • 试验测定了LDF与MDF的导热系数外,还查阅了4种密度与LDF相近的保温材料(石膏保温砂浆、石棉水泥板、泡沫混凝土和加气混凝土),以及垂直纹理方向的松木[15-16],7种材料的导热系数见表 5。除石膏保温砂浆的导热系数与LDF相近外,其他5种材料的导热系数明显高于LDF。由此可见,LDF的保温性能优于MDF,接近或优于常用保温材料。

      表 5  MDF、松木和4种保温材料与LDF的导热系数对比

      Table 5.  Comparison of thermal conductivity between MDF, pine and four insulation materials and LDF

      材料
      Material
      导热系数
      Thermal conductivity/
      (W·m-1·K-1)
      密度
      Density/
      (kg·m-3)
      LDF 0.087 564
      MDF 0.110 687
      石膏保温砂浆[15]Gypsum insulation mortar 0.085 500
      石棉水泥板[15]Asbestos cement board 0.128 500
      泡沫混凝土[15] Foam concrete 0.110 525
      加气混凝土[15] Aerated concrete 0.174 566
      松木(垂直纹理方向)[15] Pine wood (vertical texture direction) 0.174 550
    • 穿孔萃取法测得MDI低密度纤维板的甲醛释放量为2.2 mg/100 g,相比一般脲醛树脂胶黏剂制备的纤维板,其甲醛释放量大大降低。

    • (1) 在平压法制备MDI低密度纤维板的过程中,提高纤维含水率可增加表芯层密度比,增大静曲强度和弹性模量,降低吸水厚度膨胀率,但同时也降低板材的内结合强度;提高板材中粗纤维质量分数可有效增强板材的静曲强度和弹性模量,但降低了内结合强度,增大吸水厚度膨胀率;在热压曲线C的作用下,板材的表芯层密度比较高,板材的静曲强度和弹性模量较大,吸水厚度膨胀率较小,但内结合强度略有下降。

      (2) 在较优的工艺条件(密度564 kg/m3,纤维含水率16%,细纤维质量分数60%,热压曲线C)下制得的板材性能为:静曲强度21.99 MPa,弹性模量2 363 MPa,内结合强度0.49 MPa,吸水厚度膨胀率9.5%,甲醛释放量2.2 mg/100 g。以上各项性能均可以满足LY/T 1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求。

      (3) 试验制备的MDI低密度纤维板与其他保温材料相比,具较好的保温性能。MDI低密度纤维板在家具制造、保温建筑材料等领域具有广泛的应用空间。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回