CN101642924B - 一种重组木及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种重组木及其制造方法，所述的重组木是以树枝为原料，将树枝截断、去皮并碾压成束状长纤维，经去半纤维素和果胶、浸渍水溶性酚醛树脂胶粘剂、真空抽提含游离酚、游离醛的水分、温压成型材、固化及后固化制得，其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm3，硬度为60～120MPa，静曲强度为90～150MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。本发明的优点是：提供了一种不霉变、不开裂、横向不翘曲的重组木产品；其制造方法工艺合理、效率高、能耗低、无环境污染、且生产流程连续性强，衔接度高，可规模化生产；使充分利用树枝资源的前景更为光明。
Description
【技术领域】
本发明涉及木材或类似材料的加工技术领域，尤其涉及人造板的加工制造，具体地说，是一种重组木及其制造方法。
【背景技术】
1973年，澳大利亚联邦科学与工业学院(CSIRO)科学家JOHN DOUGLASCOLEMAN提出“重组木”(SCRIMBER OR VALWOOD)的技术设想，即是将小径木、制材剩余木材等原料碾压成一种纵向没有断裂、横向分离的木束，经过施胶粘合，热压成各种规格的人造板。1986年，澳大利亚南方木材公司根据这一技术建立工厂进行生产，但在实际生产中因存在诸多问题而导致工厂于1991年停产。产生的技术问题主要是：重组木产品的横向翘曲和密度分布不均等问题。
由于重组木是将利用价值低的小径木或制材剩余废料进行充分利用，它对缓解目前的木材资源紧张具有现实和重要的意义，因此，许多国家参与了重组木的研究，到目前，美国有两条生产线在积极筹建之中；日本探索利用定向刨花板技术在重组木表层铺盖一层普通刨花以解决重组木横向翘曲的研究已取得突破；此外，沙特阿拉伯、英国、加拿大等国也都参与了该领域的研究，重组木技术在世界范围备受关注。
在我国，对重组木的研究始于1986年后，南京林业大学两教授对澳大利亚南方木材公司进行了考察。之后，江西木材厂用空气锤击木束的方法完成了我国第一代重组木的试验；东北林业大学就碾压原料的受力进行了分析，并对形成机理进行了探索，从理论上分析了碾压、扭搓的力学机理和强度条件；姜新波对重组木工业化产品进行了试验研究，分析了采用碾压加工是分离木束比较理想的方式等。另外，我国借鉴重组的概念结合我国森林资源特点而开始的重组竹的研究取得了一些进展，并相继建立了一些工厂，但是，由于重组竹产品出现了霉变、开裂等问题而导致大量退货的现象正考验着消费者对重组竹产品的信心。因此，现有的重组竹技术对重组木研究的借鉴作用还是有限的。
重组木技术发展至今已有20多年的历史了，但是，重组木产品在市场上还不多见，有关研究的报道也很少，这些都意味着，重组木技术的研究尚未有新的突破，重组木产品还没被市场所接受。这既有重组木产品质量的问题：如产品性能不稳定、易霉变、横向易翘曲、易开裂等，也有产品成本价格的问题，如生产周期长、耗能高、效能低等等。而这些问题的产生与其原料制备过程是有密切关系的。重组木的原料制备为小径木或制材剩余材料纵向没有断裂、横向已分离的木束，它们虽然保持了木质纤维原有的排列结构，能使合成产品的性能接近木材，但是，由于这些木束纤维的性能是不均一的，不同材质的性能明显不同；此外，木质纤维的化学组成包括纤维素、木质素、半纤维素、脂肪蜡质和微量灰分，其中半纤维素是一些低分子量的聚糖化合物，主要由多聚戊糖和多聚己糖组成，其分子量小、聚合度小、化学性质很不稳定，有比纤维素高得多的吸水性能，它很容易引起重组木产品的霉变、翘曲和开裂；而现有的重组木原料制备工艺并没有对上述问题作进一步的处理，因此，其制造出来的产品免不了在性能上出现问题。
此外，现有重组木生产技术采用的是热压工艺，其热压周期长、产量低、耗能高、冷却水用量也大，但却不能保证产品质量。这是因为在热压过程中，胶粘剂进一步缩聚反应，还将释放出水分，这些水分和原来木质纤维中的水分会随着温度的升高变成气体往外释放，而现有技术采用卸压来使这些气体往外排放，在卸压之前或是最后一次卸压之后，这些气体会破坏胶粘剂的粘接强度及纤维的物理性质，产生脱胶、内碳等现象。
综上所述，可以这么说，国内外对重组木的研究以及工业化生产的尝试还处于初始阶段，目前重组木产品的缺陷是大家关心以及该产业发展急需解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的于克服现有技术的不足，针对重组木产品质量不稳定，易霉变、易开裂、横向易翘曲等的问题，提供一种质量好，不霉变、不开裂、横向不翘曲的重组木产品；本发明的另一各目的是，针对重组木现有生产技术耗能高、效能低等问题，提供一种工艺合理，生产效率高、能耗低、产品质量好的重组木的制造方法。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种重组木，以树枝为原料，将其截断去皮并碾压成束状长纤维，并浸渍有水溶性酚醛树脂胶粘剂，其特征是，经去半纤维素和果胶、浸渍水溶性酚醛树脂胶粘剂、真空抽提含游离酚、游离醛的水分、在40～80℃条件下温压成型材、固化及后固化制得，其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm3，硬度为60～120MPa，静曲强度为90～150MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。
为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种重组木的制造方法，其生产步骤包括：
(1)原料准备
A、木质长纤维增强体的制备
A-1，取树枝为材，用机械将其截断后并剥去皮，将其碾压成束状长纤维；
A-2，将束状长纤维放置在含0.5～2％的氢氧化钠溶液中，加温至80～90℃，浸泡2～3小时后再用清水浸泡半小时，获得半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维；
A-3，将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在染色池里浸煮，调制所需的颜色后取出；
如重组木对颜色无特殊要求可省去A-3步骤；
如重组木要求的颜色为深色，可在碳化炉里碳化以替代A-3步骤；
如重组木对颜色要求为本色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在1～2％双氧水溶液里浸煮2～4小时以替代A-3步骤；
A-4，将以上处理好的束状长纤维在100℃温度下干燥至含水率为8～12％，经分捡后以等份重量捆扎好；
B、水溶性酚醛树脂基体的制备
在反应釜里制备水溶性酚醛树脂胶粘剂，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶1.15～1.50，制得胶粘剂的树脂分子量在100～400，固含量为18～25％，在25℃下黏度为0.1～0.3Pa·S；将水溶性酚醛树脂胶粘剂置于浸胶池内；
水溶性酚醛树脂为添加功能组分的改性水溶性酚醛树脂；
(2)浸胶
将捆扎好的束状长纤维放入浸胶筐内，用行车吊至浸胶池里浸胶5～15分钟，实现水溶性酚醛树脂胶粘剂对束状长纤维的渗透，之后提至沥胶平台沥胶10～30分钟；
(3)提取
将沥胶后含胶的束状长纤维放入真空容室里，加温并抽提真空，在纤维温度在40～80℃、容室内真空度小于50KPa的条件下抽提含胶束状长纤维中含有游离酚、游离醛的水分，使纤维含水率保持在8～15％；
将抽提的含游离酚、游离醛的水分经冷却贮存在贮存罐里，作下一次制胶、配胶的用水；
(4)温压
将提取步骤中温度为40～80℃之间、含水率为8～15％的束状长纤维根据复合材料密度需要的重量放入液压机的进料系统，由进料系统将束状长纤维移入模腔进行压制，压力为3～30Mpa；
较佳的压力为6～9Mpa；
(5)固化
温压后，将压制好的型材立即进行固化，此时束状长纤维制品的温度在40～80℃之间，对其继续加温至130～150℃，并保持3～4小时使其固化；
(6)后固化
将固化好的型材经脱模后在仓库里陈放7～15天，完成释放内应力的后固化过程，7～15天后即成重组木；其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm3，硬度为60～120MPa，静曲强度在90～150MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。
本发明的制造方法，其实质是将原料木质纤维束经过去半纤维素和果胶成分的处理，使木质纤维内部细胞与细胞之间及细胞壁中的空隙空间增大和增多，使水溶性酚醛树脂胶粘剂可以通过溶剂水有效地渗透到这些空隙空间，再通过对溶剂水分挥发后的木质纤维经过温压压制和高温固化，使酚醛树脂分子交联成具有相当强度的不溶不熔的体型结构，网络状地将木质纤维牢固地连接在一起。而这些处理后的木质纤维空隙，有的呈钉子状，有的呈勾状，有的呈发散锥状，有的空隙形状往往很复杂，大空隙里还延伸着小空隙，像树根一样，水溶性酚醛树脂胶粘剂固化后在这些空隙中产生强大的机械结合力，像钉子、像钩子、像榫子、像树根一样形成牢固的结合力，使重组木材料的物理力学性能保持在：密度为0.9～1.3g/cm3，硬度为60～120MPa，静曲强度为90～150MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。
本发明一种重组木及其制造方法的积极效果是：
(1)提供一种质量好，不霉变、不开裂、横向不翘曲的重组木产品，其物理力学性能为：密度在0.9～1.3g/cm3之间，硬度在60～120MPa之间，静曲强度在90～150MPa之间，吸水膨胀率在0.3％～2％之间，甲醛释放量在0.1～0.4mg/L之间。
(2)提供一种工艺合理，生产效率高、能耗低、无环境污染、且生产流程连续性强，衔接度高，可实现规模化生产的重组木的制造方法。
(3)为充分合理地利用树枝资源提供了一种积极的技术方案，使植物纤维复合材料的应用前景更为光明。
【具体实施方式】
以下结合实施情况具体说明本发明一种重组木的制造方法。
规格为1500×200×200mm的重组木的制造方法，其生产步骤包括：
(1)原料准备
A、木质长纤维增强体的制备
A-1，取材为修剪后被弃的桑树枝(也可采用苹果树、梨树等其它树种)，用机械将其截成1500mm长度后并剥去树皮，再用碾压机将其碾压成束状长纤维；
取材时应注意选用同一材质的原料，至少在同一批产品的生产中应这样，使胶粘剂对纤维的渗透能达到了同一性，减少纤维粘接强度不均匀的问题，使束状纤维接触胶粘剂的表面积最大化，有利于胶粘剂对纤维的渗透，并且对束状纤维在整个生产流程中的移动不构成影响。
A-2，将A-1步骤所得束状长纤维放置在含1％的氢氧化钠溶液中，加温至80℃，浸泡2小时后再用清水浸泡半小时，获得半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维；
木质纤维的化学成分主要包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶及微量的矿物盐类等，其中纤维素和木质素占整体的80％左右；半纤维素是一些低分子量的聚糖化合物，主要由多聚戊糖和多聚己糖组成，其分子量小，聚合度小，化学性质很不稳定，在纤维中呈粉末状，吸水性比纤维素高很多；果胶是一种具有酸性的混杂糖，分布在纤维细胞之间、纤维细胞与非纤维细胞之间，以及填充在初生壁的一些空隙里，半纤维素和果胶的存在是重组木产品易发生霉变的主要原因。这些小分子量物质在原有纤维中起着粘接作用，但其粘接力远不足以抵消重组木产品受高压而形成的内应力，加上半纤维素极好的吸水性能，这些成为重组木产品易开裂的主要原因。
由于半纤维素具有很不稳定的化学性质，果胶是含有糖醛酸单元的一种混杂链构成的物质，它们在稀碱溶液中很容易被去除，因此，本发明采用加入少量稀碱来除去树枝纤维中的半纤维素和果胶成分，使处理后的木质纤维中半纤维素和果胶的含量很低。
A-3，将A-2步骤所得半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在碳化炉里，制得深色束状长纤维；
如产品对颜色无特殊要求可省去此步骤；
如产品对颜色的要求为本色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在1～2％双氧水溶液里浸煮2～4小时以替代A-3步骤；
如产品要求的颜色为其他颜色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在染色池里浸煮，调制所需的颜色后取出；
A-4，将A-3步骤所得的深色束状长纤维在100℃温度下干燥至含水率为12％，经分捡后以等份重量5KG一捆扎好；
经过上述处理，木质纤维细胞之间及细胞壁中的空隙空间增大和增多，使后面的胶粘剂对木质纤维的渗透能更加充分，能保证重组木产品的质量。
B、水溶性酚醛树脂基体的制备
在反应釜里制备水溶性酚醛树脂胶粘剂，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶1.3，制得胶粘剂的树脂平均分子量在150，固含量为19％，在25℃下黏度为0.2Pa·S；将水溶性酚醛树脂胶粘剂置于浸胶池内；
采用B步骤所得水溶性酚醛树脂作为基体，制得的胶粘剂为甲阶树脂，有优良的渗透性能，固化物有耐高温、耐燃烧的特性，粘接强度高，热变形温度高，脱模时变形小，使用水为溶剂，既环保，成本也低，苯酚、甲醛的摩尔比使重组木产品的甲醛释放量得到有效控制，固体含量又使上胶量得到控制。
(2)浸胶
将捆扎好的束状长纤维放入浸胶筐内，用行车吊至浸胶池里浸胶5分钟，实现水溶性酚醛树脂胶粘剂对束状纤维的渗透，之后提至沥胶平台沥胶15分钟。
以浸胶的方式进行施胶，可通过被浸纤维的含水率、胶水的温度、黏度及固体含量对上胶量进行控制。
(3)提取
将沥胶后的含胶纤维放入真空容室里，加温并抽提真空，由于水溶性酚醛树脂胶粘剂是甲阶的酚醛树脂，当温度达到80℃后，其缩聚反应就会加快，因此，在木质纤维温度达到80℃、容室内真空度小于50Kpa的条件下抽提含有游离酚、游离醛的水分，并将抽提的含游离酚、游离醛的水分经冷却贮存在贮存罐里作下一次制胶、配胶的用水，使木质纤维含水率保持在12％左右，温度保持在70～80℃之间。
采用真空抽提含有游离酚、游离醛的水分这样的方式是非常环保的，既避免了有害物质挥发到空气中去污染环境，又有效地回收了游离酚、游离醛，减少了溶质挥发的损失，节省了成本。
在“提取”步骤中，真空容室内的压力始终低于大气压，气体分子量少、密度低、含氧率低又起到了灭菌的作用，而霉菌的滋生对重组木产品质量的影响是非常大的，现有技术正是因为始终没有灭菌处理，其晾干的方式又使霉菌有了滋生的机会，因此影响了产品的质量。所以说，本发明的这一工艺步骤是非常合理、可行和有效的，它既控制了甲阶树脂的反应进程，又控制了产品的染菌机会。
(4)温压
将提取步骤中温度为70～80℃之间、含水率在12％左右的束状木质纤维12捆/批放入液压机的进料系统，由进料系统将束状纤维移入模腔进行压制，压力为9MPa。
本发明采用了真空条件下的水分挥发方式，由于木质纤维内里与表面的压力差较大，在压力梯度的作用下，水分很快移向表面，不会出现表面硬化；此外，由于木质纤维被压制时温度保持在70～80℃之间，含水率在8～15％之间，在此物理条件下，木质纤维的柔软性非常好，所以其所需压力不大，只有3～30Mpa，因此，压制时的能耗就大大减少。
以40～80℃条件下温压的方式实现束状木质纤维成型，对产品密度的要求可通过压机的压力及纤维的含水率、柔软程度等来进行控制。
(5)固化
温压后，将压制好的型材立即进行固化，此时束状木质纤维的温度在70～80℃之间，对其继续加温至135℃，并保持3小时，使其固化。
“提取”、“温压”、“固化”这三个步骤是不间断连续操作的，可在最大程度上节省能源：含胶束状木质纤维在真空容室内被加温并保持在70～80℃之间，随后就进行温压，温压后立即进行固化，这样，束状木质纤维制品的温度基本上没有浪费，固化也是在这个温度上继续加温的，非但没有浪费能源并且还缩短了固化步骤的时间(省却了将束状木质纤维从室温加热到70～80℃的时间和能源)。
固化工艺可通过时间和温度来进行控制。
(6)后固化
后固化是本发明最后的生产程序，是将固化好的型材经脱模后在仓库里陈放15天，完成释放内应力的后固化过程，15天后即成重组木。
本发明的制造方法同样适合生产以小径材、灌木材为原料的木质纤维重组木产品。
Claims (9)
1.一种重组木，以树枝为原料，将其截断去皮并碾压成束状长纤维，并浸渍有水溶性酚醛树脂胶粘剂，其特征在于，经去半纤维素和果胶、浸渍水溶性酚醛树脂胶粘剂、真空抽提含游离酚、游离醛的水分、在40～80℃条件下温压成型材、固化及后固化制得，其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm3，硬度为60～120MPa，静曲强度为90～150MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。
2.一种如权利要求1所述的重组木的制造方法，其生产步骤包括：
(1)原料准备
A、木质长纤维增强体的制备
A-1，取树枝为材，用机械将其截断后并剥去皮，将其碾压成束状长纤维；
A-2，将束状长纤维放置在含0.5～2％的氢氧化钠溶液中，加温至80～90℃，浸泡2～3小时后再用清水浸泡半小时，获得半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维；
A-3，将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在染色池里浸煮，调制所需的颜色后取出；
A-4，将以上处理好的束状长纤维在100℃温度下干燥至含水率为8～12％，经分捡后以等份重量捆扎好；
B、水溶性酚醛树脂基体的制备
在反应釜里制备水溶性酚醛树脂胶粘剂，苯酚、甲醛的摩尔比为1∶1.15～1.50，制得胶粘剂的树脂分子量在100～400，固含量为18～25％，在25℃下黏度为0.1～0.3Pa·S；将水溶性酚醛树脂胶粘剂置于浸胶池内；
(2)浸胶
将捆扎好的束状长纤维放入浸胶筐内，用行车吊至浸胶池里浸胶5～15分钟，实现水溶性酚醛树脂胶粘剂对束状长纤维的渗透，之后提至沥胶平台沥胶10～30分钟；
(3)提取
将沥胶后含胶的束状长纤维放入真空容室里，加温并抽提真空，在纤维温度在40～80℃、容室内真空度小于50KPa的条件下抽提含胶束状长纤维中含有游离酚、游离醛的水分，使纤维含水率保持在8～15％；
(4)温压
将提取步骤中温度为40～80℃之间、含水率为8～15％的束状长纤维根据重组木密度需要的重量放入液压机的进料系统，由进料系统将束状长纤维移入模腔进行压制，压力为3～30Mpa；
(5)固化
温压后，将压制好的型材立即进行固化，此时束状长纤维制品的温度在40～80℃之间，对其继续加温至125～135℃，并保持3～5小时使其固化；
(6)后固化
将固化好的型材经脱模后在仓库里陈放7～15天，完成释放内应力的后固化过程，7～15天后即成一种重组木。
3.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，在生产步骤
(1)中，所述的水溶性酚醛树脂为添加功能组分的改性水溶性酚醛树脂。
4.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，在生产步骤
(4)的温压中，优选压力为6～9Mpa，束状长纤维的优选温度在70～80℃之间。
5.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，在生产步骤
(3)的提取中，将抽提的含游离酚、游离醛的水分经冷却贮存在贮存罐里，作下一次制胶、配胶的用水。
6.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，如重组木对颜色无特殊要求可省却生产步骤A-3。
7.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，如重组木对颜色要求为本色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在1～2％双氧水溶液里浸煮2～4小时以替代生产步骤A-3。
8.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，如重组木颜色要求为深色，可将半纤维素和果胶含量占纤维整体12％以下的束状长纤维放置在碳化炉里碳化以替代生产步骤A-3。
9.根据权利要求2所述的重组木的制造方法，其特征在于，经生产步骤(6)后固化完成的一种重组木，其物理力学性能为：密度为0.9～1.3g/cm3，硬度为60～120MPa，静曲强度为90～150MPa，吸水膨胀率为0.3～2％，甲醛释放量为0.1～0.4mg/L。
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