CN101670609B - 一种农作物秸秆制作板材的热压工艺 - Google Patents
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Abstract
一种农作物秸秆制作板材的热压工艺，对板坯进行的热压过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段，其中，在成型阶段中的成型压力设定值低于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在回火处理阶段中的回火压力设定值再次升高，但处于成型压力设定值与压缩压力设定值之间。本发明采用压缩、成型和回火处理三个处理阶段，其中，回火阶段类似于金属加工中的回火处理，使板材的应力分布更加均匀，减小板材的变形，可以提高成品精度和合格率。
Description
技术领域：
本发明涉及农作物秸秆制作板材方法中的热压工艺，尤其是涉及一种热压过程中变压可控的热压工艺。
背景技术：
随着木材资源的匮乏和环境保护的要求，以木材为原料的板材价格越来越昂贵，且各国相继出台一系列的保护森林资源的法律法规，因此寻找新型材料的板材来替代木质人造板材成为板材市场图生存、求发展的当然之选。而农作物秸秆以其作为农业生产的副产品、产量大，且纤维素和木素含量较高，而成为替代木质人造板材的首选材料，这样不但可以“价廉物美、变废为宝”，而且可以减少秸秆焚烧、减少森林砍伐、避免室内甲醛污染、提高人民生活质量。因为农作物秸秆因其固有的特性，例如纤维短、非纤维细胞多、碎料难以压缩、导热系数低于木材等因素，造成对农作物板材的加工难度远远大于木质人造板材的加工难度，从而造成目前加工出来的农作物秸秆板材不但成本高而且只能是低端的碎料板，尚不能制造出优质、高端的中高密度板材。根据目前的技术，以农作物秸秆作为原料制作板材的工艺步骤一般包括：原料分类，原料初处理，刨花制备(原料粉碎)，拌胶，铺装，热压，前处理和成品处理。其中，影响制成品板材质量的因素有很多，但是发展到现在，热压工艺已经成为制约农作物秸秆板材质量的一个瓶颈。参见图1，目前采用的热压工艺，大致可以分为三个阶段，分别为板坯压缩阶段A、PMDI(异氰酸酯胶)反应固化阶段B和低压排汽阶段D。如中国专利号为CN200410065859.7、CN200610045348.8、CN200710020632.4、CN200710135199.9号专利记载的加工方法中，热压工艺基本均是采用上述的三阶段法。但是，该热压工艺存在很多缺陷：一是制造出来的板材的强度不高，应力分布不均匀，板材容易发生变形，成品精度和合格率低；二是整个热压时间长，从而导致生产效率低；三是板坯往往会出现“炸板”或产生鼓泡，从而导致产品合格率下降、成本提高。
发明内容：
本发明需要解决的技术问题就是为了克服上述现有技术的缺陷，对农作物秸秆制板方法中关键的热压工艺步骤进行了新的设计，从而克服了现有热压工艺的缺陷、使得板材的应力分布更加均匀、缩短整个加工时间、降低成本、提高了产品质量。
按照本发明提供的一种农作物秸秆制作板材的热压工艺，对板坯进行的热压过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段，其中，在成型阶段中的成型压力设定值低于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在回火处理阶段中的回火压力设定值再次升高，但处于成型压力设定值与压缩压力设定值之间。
按照本发明提供的一种农作物秸秆制作板材的热压工艺更具体说还具有如下技术特征：
所述成型阶段中的成型压力设定值的曲线成阶梯状。
在所述压缩阶段中施加于板坯上的压缩压力设定值为2.1MPa—4.0MPa，板坯被压缩至设定的厚度，在此阶段对板坯进行加热，致使所述板坯芯层温度达到设定值后切换至所述的成型阶段。
在所述成型阶段中施加于板坯上的成型压力设定值为0.5MPa—2.0MPa，该阶段中施加给板坯的成型压力设定值小于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在此阶段中降低施加在板坯上的温度，当所述板坯的芯层反应固化后，切换至所述回火处理阶段。
在所述回火处理阶段中施加于板坯上的回火压力设定值为0.6MPa—2.5MPa，该阶段中施加给板坯的回火压力设定值处于成型阶段的成型压力设定值与压缩阶段的压缩压力设定值之间，在此阶段中施加在板坯上的温度再次升高，达到整个热压周期工艺所设定时间、板材芯层蒸汽压力小于所述板材内结合强度时打开所述压机，完成整个热压工艺。
基于所制作板材的厚度，一个热压周期时间的设定值按10～25秒/毫米计算。
所述压缩阶段的压缩温度设定值为170℃～240℃。
所述成型阶段的成型温度设定值为80℃～160℃。
所述回火处理阶段的回火温度设定值为130℃～180℃。
所述成型温度设定值与所述压缩温度设定值之间的温差在10℃—150℃。
按照本发明提供的一种农作物秸秆制作板材的热压工艺主要有益效果如下：
1、本发明采用压缩、成型和回火处理三个处理阶段，其中，回火阶段类似于金属加工中的回火处理，使板材的应力分布更加均匀，减小板材的变形，可以提高成品精度和合格率。
2、本发明无传统制板工艺的蒸汽释放阶段工艺设计，并不是通过排放蒸气来释放板坯芯层蒸气压力，而是通过调节施加在板坯上的加热温度来降低板坯芯层的蒸气压力，因此，热压后的板材仍然具有较高的含水率，从而克服了中高密度板的含水率问题，消除了含水率对中高密度板和厚度板所带来的制约，提高成品板材含水率的同时加工出合格的中高密度板和/或厚度板，使得农作物秸秆板材真正可以替代中高端优质木质人造板材。
3、本发明采用压缩和成型而无蒸汽释放阶段工艺设计，可以提高加热速度并大大降低整个热压工艺的时间，还可以减少胶粘剂的使用量、节约成本。
4、本发明通过调节施加在板坯上的温度和压力，以此来降低板坯芯层的蒸气压力，因此，本发明无传统的蒸汽释放阶段工艺设计，能解决板材制作过程中的爆板和鼓泡问题，并节省时间、提高成品率和加工效率。
附图说明：
图1是现有技术中热压工艺的压力和温度与时间之间的曲线趋势图。
图2是本发明的热压工艺中的压力和温度与时间之间的曲线趋势图。
图3是本发明的压缩阶段中板坯的结构及热传导方向示意图。
图4是本发明的成型阶段中板坯的结构及热传导方向示意图。
图5是本发明的回火处理阶段中板坯的结构及热传导方向示意图。
具体实施方式：
参见图2，在本发明给出的利用农作物秸秆制作板材的热压工艺，对板坯进行的热压过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段，其中，在成型阶段中的成型压力设定值低于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在回火处理阶段中的回火压力设定值再次升高，但处于成型压力设定值与压缩压力设定值之间。本发明的热压工艺摒弃了传统工艺中的排汽阶段，而是增加了回火处理阶段，通过调整施加在板材上的压力和温度降低板坯芯层的蒸气压力，克服了农作物作为原料制作板材所受到的密度瓶颈和强度瓶颈。解决了热压后板材含水率过低导致板材质量下降的问题。使得板坯的应力分布更加均匀，不易发生变形。
其中，附图2中各标记说明及相关参数范围如下：
整个热压周期的时间根据制板用的农作物秸秆原料、原料含水率、施胶量以及所制造的秸秆板密度、板厚等不同而不同，一个热压周期时间根据板厚按10～25秒/毫米之间的一工艺设定值计算，这一数值即为热压板的热压速率。
图2中的P1、P2、P3、P4为一个热压周期中不同阶段面压力设定值(单位压力设定值)，同样根据制板用的农作物秸秆原料、原料含水率、施胶量以及所制造的秸秆板密度等不同而不同，其中，压缩阶段施加于板坯上的最高压缩压力设定值段P1值范围为：2.1～4.0MPa。在所述成型阶段中施加于板坯上的成型压力设定值P2、P3范围为0.5MPa—2.0MPa。在所述回火处理阶段中施加于板坯上的回火压力设定值P4范围为0.6MPa—2.5MPa。其中，所述成型阶段中的成型压力设定值的曲线成阶梯状，即在成型阶段可以设置多个压力设定值，使施加在板材上的压力逐步的降低，提高板材的成型质量。
图2中的T1、T2、T3为一个热压周期中不同阶段压机的热压板温度，压机的热压板温度即为每个阶段时所需温度。其中，T1为压缩阶段压机的热压板温度，即压缩温度设定值，范围：170℃～240℃；T2为成型阶段压机的热压板温度，即成型温度设定值，范围：80℃～160℃；T3为回火处理阶段热压周期结束时压机的热压板温度，即回火温度设定值，范围：130℃～180℃。其中本发明的所述成型温度设定值与所述压缩温度设定值之间的温差在10℃—150℃。最好是在20℃—100℃，这样更加利于板材中的热量传递方向发生改变。
这里所说的压缩温度设定值是指为压制板坯使板坯表层快速加热并使表层料中的水分汽化向芯层传递从而加热板坯芯层，使芯层温度达到胶粘剂进行固化所需的温度，在压缩过程中，温度是要控制在一定范围内的。若温度太高，则会碳化板坯，影响板材质量。但若温度太低，则会延长板坯的加热时间，影响整个热压工艺的时间。所说的成型温度设定值是指要低于高温压缩阶段时的温度，使得压机的热压板与板坯表层的热量传递方向发生改变，板材不再从压机的热压板吸收热量，从而降低板材芯层蒸汽压力，但此时芯层的温度也要满足胶粘剂固化要求。因此，这里所说的压缩温度设定值和成型温度设定值是根据不同的材料特性和胶粘剂特性进行设定，但总的思路是要保证在压缩阶段温度要满足压缩和加热的需求，在成型阶段要满足压机的热压板与板坯表层中的热量传递方向发生改变，并能够使芯层中的蒸汽压力降低。在回火处理阶段回火温度设定值是处于成型温度设定值与压缩温度设定值之间的一段变化温度。
本发明所采用的各参数设定值是指在整个热压工艺过程中，各个阶段的工艺要求参数。各温度设定值和压力设定值与压机的实际值有可能存在误差，误差的大小主要取决于设备的精度。但总得来说，这个误差范围并不会非常大。从压机中读取的各个设定值与工艺要求的设定值基本一致。在本发明中，由于压机中热压板的温度和压力上升或下降需要一定的时间，且即使达到设定值，也会受到其他因素的影响，使得设定值发生波动。因此，本发明中压缩阶段和成型阶段中的所称的设定值是指在此阶段中温度和压力达到一定的稳态，并持续一定时间。当然，有时为了更好的达到压缩和成型的目的，在压缩阶段会设定多个设定值，使得压缩阶段的温度设定值的曲线成阶梯状。同理，在成型阶段也会设定多个设定值，使得成型阶段的温度设定值的曲线成阶梯状。
参见图3、图4和图5，图中的箭头表示蒸汽的走向，即表示热量传递的方向。本发明由于进行了上述压缩温度设定值和成型温度设定值设定，使得在整个热压工艺过程中，保证在所述压缩阶段中所采用的压缩温度设定值使压机的热压板9的热量向板坯8表层传递，板坯8表层原料中的水分汽化向板坯芯层传递，从而加热板坯芯层，使板坯芯层温度达到胶粘剂所需的固化温度；在所述成型阶段中所采用的成型温度设定值使板坯8表层的热量向压机的热压板9传递，从而使板坯8表层温度降低；在所述回火处理阶段中所采用的回火温度设定值使压机的热压板9的热量再次向板坯8表层传递。通过改变热量在不同阶段的传递方向，从而使板材芯层蒸汽压力降低，而无需将其彻底排出。因此，本发明不仅可以有效的解决板坯芯层中存在的蒸汽压力集中的问题，而且，使得热压后的板材具有较高的含水率，从而无需再为提高板材含水率进行后期加工处理。这种成型本身所具有的含水率要远比后期添加的水分要好，板材质量明显得到改善。
本发明的整个热压工艺是在热压机上完成的，下面结合压机具体说明本发明的热压工艺的每个阶段。
本发明的所述压缩阶段根据制板用的农作物秸秆原料、原料含水率、施胶量以及所制造的秸秆板密度、厚度等因素的不同，在所述压缩阶段中施加于板坯上的压缩压力设定值为2.1MPa—4.0MPa，板坯被压缩至设定的厚度，在此阶段对板坯进行加热，致使所述板坯芯层温度达到设定值后切换至所述的成型阶段。在此控制压机的热压板温度在170℃～240℃之间的一工艺设定值。压缩阶段板坯的表层会在初期迅速被加热，使其含有的水分迅速被加热变成蒸汽，表层的温度会高于芯层的温度，使得蒸汽向芯层运动，从而将热量传递到芯层中，对芯层进行加热。
本发明的所述成型阶段根据制板用的农作物秸秆原料、原料含水率、施胶量以及所制造的秸秆板密度、厚度等因素的不同，在所述成型阶段中施加于板坯上的成型压力设定值为0.5MPa—2.0MPa，该阶段中施加给板坯的成型压力设定值小于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在此阶段中降低施加在板坯上的温度，当所述板坯的芯层反应固化后，切换至所述回火处理阶段。在此控制所述压机的热压板温度在80℃～160℃之间的一工艺设定值，使得在成型阶段的温度降低。低温成型阶段要降低压机的热压板温度，使得板坯表层的热量向压机的热压板传递，板坯芯层的蒸汽压力小于胶粘剂的固化强度，即小于板材内结合强度，使得蒸汽压力不会对板材造成损害。所述成型阶段中的压力是逐级降低的，从而达到较好的成型效果。但所述成型阶段的最低压力要保证板材受到足够大的压力，即板材受到的压力要大于板材内部的蒸气压力，从而防止发生爆板。
本发明的所述回火处理阶段根据制板用的农作物秸秆原料、原料含水率、施胶量以及所制造的秸秆板密度、厚度等因素的不同，在所述回火处理阶段中施加于板坯上的回火压力设定值为0.6MPa—2.5MPa，该阶段中施加给板坯的回火压力设定值处于成型阶段的成型压力设定值与压缩阶段的压缩压力设定值之间，在此阶段中施加在压机的热压板上的温度再次升高，达到整个热压周期工艺所设定时间、板材芯层蒸汽压力小于所述板材内结合强度时打开所述压机，完成整个热压工艺。在此，控制当热压周期结束时所述压机的热压板温度在130℃～180℃之间的一工艺设定值，所述回火处理阶段类似于金属加工中的回火处理，使得板材的应力分布更加均匀，提高板材的质量。在此阶段是一个升压和升温的过程，但这个时间比较短，使得板材内的蒸气压力不会大于板材内部的结合强度。同时，所述回火处理阶段后期可以将压机的热压板温度升高，并在下一个热压周期开始前达到压缩阶段温度，从而充分提高生产效率。
下面结合上述热压工艺，具体给出几种农作物秸秆制作成板材的热压过程。
实施例1：
制造22mm厚度的均质结构小麦秸秆板，取1mm砂光余量，即经压机生产出来的未砂光板设定板厚为21mm，设定未砂光板的密度为760Kg/m3。依据这些参数，将施胶后的制板原料均匀铺装在金属垫板上，垫板经脱膜涂层处理，并在其上表面喷洒脱膜剂，以防止粘板。然后将铺好的料坯进行预压，并在预压后的料坯表面喷洒脱膜剂。将预压好的料坯送入双循环热压系统的压机进行制板。热压工艺过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段。基本热压工艺参数如下：
热压时间：415秒，热压速率：415s/23mm＝18s/mm
制板压力设定值(面压力设定值)：压缩阶段中的压缩压力设定值P1为2.6MPa；成型阶段中的成型压力设定值分别为P2为1.7MPa、P3为0.9MPa；回火阶段的回火压力设定值P4为1.6MPa。
压机的热压板温度设定值：其中压缩阶段的压缩温度设定值T1为200℃；成型阶段的成型温度设定值T2为140℃；回火处理阶段的回火温度设定值T3为140℃—180℃，即从140℃上升到180℃的一段温度。在此，成型阶段的成型温度设定值T2与压缩阶段的压缩温度设定值T1之间的温差为60℃。
实施例2：
制造18mm厚度的三层结构小麦秸秆板，取1mm砂光余量，即经压机生产出来的未砂光板设定板厚为19mm，设定未砂光板的密度为800Kg/m3。将施胶后的表层、芯层制板原料分三层均匀铺装在金属垫板上，将铺好的料坯进行预压，并在预压后的料坯表面喷洒脱膜剂。将预压好的料坯送入双循环热压系统的压机进行制板。热压工艺过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段。基本热压工艺参数如下：
热压时间：350秒；热压速率：350s/19mm＝18.4s/mm
制板压力设定值(面压力设定值)：压缩阶段中的压缩压力设定值P1为2.8MPa；成型阶段中的成型压力设定值分别为P2为1.7MPa、P3为0.8MPa；回火阶段的回火压力设定值P4为1.2MPa。
压机的热压板温度设定值：压缩阶段的压缩温度设定值T1为210℃；成型阶段的成型温度设定值T2为100℃；回火处理阶段的回火温度设定值T3为100℃—170℃，即从100℃上升到170℃的一段温度。在此，成型阶段的成型温度设定值T2与压缩阶段的压缩温度设定值T1之间的温差为110℃。
实施例3：
制造18mm厚度的三层结构玉米秸秆板，取1mm砂光余量，即经压机生产出来的未砂光板设定板厚为19mm，设定未砂光板的密度为780Kg/m3。将施胶后的表层、芯层原料分三层均匀铺装在金属垫板上，将铺好的料坯进行预压，并在预压后的料坯表面喷洒脱膜剂。将预压好的料坯送入双循环热压系统的压机进行制板。热压工艺过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段。基本热压工艺参数如下：
热压时间：325秒；热压速率：325s/19mm＝17.1s/mm
制板压力设定值(面压力设定值)：压缩阶段中的压缩压力设定值P1为2.4MPa；成型阶段中的成型压力设定值分别为P2为1.5MPa、P3为0.8MPa；回火阶段的回火压力设定值P4为1.3MPa。
压机的热压板温度设定值：压缩阶段的压缩温度设定值T1为190℃；成型阶段的成型温度设定值T2为135℃；回火处理阶段的回火温度设定值T3为135℃—165℃，即从135℃上升到165℃的一段温度。在此，成型阶段的成型温度设定值T2与压缩阶段的压缩温度设定值T1之间的温差为55℃。
实施例4：
制造18mm厚度的均质结构水稻秸秆板，取1mm砂光余量，即经压机生产出来的未砂光板设定板厚为19mm，设定未砂光板的密度为950Kg/m3。依据这些参数，将施胶后的原料均匀铺装在金属垫板上，垫板经脱膜涂层处理，并在其上表面喷洒脱膜剂，以防止粘板。然后将铺好的料坯进行预压，并在预压后的料坯表面喷洒脱膜剂。将预压好的料坯送入双循环热压系统的压机进行制板。热压工艺过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段。基本热压工艺参数如下：
热压时间：360秒；热压速率：360s/19mm＝18.9s/mm
制板压力设定值(面压力设定值)：压缩阶段中的压缩压力设定值P1为3.0MPa；成型阶段中的成型压力设定值分别为P2为1.8MPa、P3为1.0MPa；回火阶段的回火压力设定值P4为1.8MPa。
压机的热压板温度设定值：压缩阶段的压缩温度设定值T1为195℃；成型阶段的成型温度设定值T2为130℃；回火处理阶段的回火温度设定值T3为130℃—170℃，即从130℃上升到170℃的一段温度。在此，成型阶段的成型温度设定值T2与压缩阶段的压缩温度设定值T1之间的温差为65℃。
采用本发明的热压工艺，制备的原料的含水率在7％—17％，异氰酸脂(PMDI)胶粘剂的施胶量为绝干原料的2％—8％。热压后的板材的含水率在4％—13％。本发明的热压工艺原料可以采用含水率在7％—17％之间任意数值，而无需像传统工艺那样要考虑原料的含水率，为缩短排汽时间而将原料的含水率控制在最低标准。
本发明利用上述工艺制造的成品中高密度板材的含水率在4％—13％，所述板材的密度为600～950Kg/m3。所述板材的厚度为10mm—50mm。本发明的加工方法可以适用于多种农作物秸秆，同样，也适用于经济作物的剩余物。由本发明加工方法加工出来的板材与木质人造板材的性能相当，可以完全替代现有的木质人造板材。
Claims (10)
1.一种农作物秸秆制作板材的热压工艺，其特征在于：对板坯进行的热压过程分为压缩、成型和回火处理三个阶段，其中，在成型阶段中的成型压力设定值低于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在回火处理阶段中的回火压力设定值再次升高，但处于成型压力设定值与压缩压力设定值之间。
2.根据权利要求1所述的热压工艺，其特征在于：所述成型阶段中的成型压力设定值的曲线成阶梯状。
3.根据权利要求1所述的热压工艺，其特征在于：在所述压缩阶段中施加于板坯上的压缩压力设定值为2.1MPa-4.0MPa，板坯被压缩至设定的厚度，在此阶段对板坯进行加热，致使所述板坯芯层温度达到设定值后切换至所述的成型阶段。
4.根据权利要求3所述的热压工艺，其特征在于：在所述成型阶段中施加于板坯上的成型压力设定值为0.5MPa-2.0MPa，该阶段中施加给板坯的成型压力设定值小于在压缩阶段中的压缩压力设定值，在此阶段中降低施加在板坯上的温度，当所述板坯的芯层反应固化后，切换至所述回火处理阶段。
5.根据权利要求4所述的热压工艺，其特征在于：在所述回火处理阶段中施加于板坯上的回火压力设定值为0.6MPa-2.5MPa，该阶段中施加给板坯的回火压力设定值处于成型阶段的成型压力设定值与压缩阶段的压缩压力设定值之间，在此阶段中施加在板坯上的温度再次升高，达到整个热压周期工艺所设定时间、板材芯层蒸汽压力小于所述板材内结合强度时打开压机，完成整个热压工艺。
6.根据权利要求1所述的热压工艺，其特征在于：基于所制作板材的厚度，一个热压周期时间的设定值按10～25秒/毫米计算。
7.根据权利要求1所述的热压工艺，其特征在于：所述压缩阶段的压缩温度设定值为170℃～240℃。
8.根据权利要求7所述的热压工艺，其特征在于：所述成型阶段的成型温度设定值为80℃～160℃。
9.根据权利要求8所述的热压工艺，其特征在于：所述回火处理阶段的回火温度设定值为130℃～180℃。
10.根据权利要求8所述的热压工艺，其特征在于：所述成型温度设定值与所述压缩温度设定值之间的温差在10℃—150℃。
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