CN103264424A

CN103264424A - 一种草/木原料混合热磨制造mdf的方法

Info

Publication number: CN103264424A
Application number: CN2013102023817A
Authority: CN
Inventors: 周定国; 张洋; 梅长彤; 周晓燕; 徐信武; 徐咏兰; 徐登伟; 李慧媛; 卫佩行; 李良真; 谢崇界; 黄思维; 龙海蓉
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明是草/木原料混合热磨制造MDF的方法，包括（1）草和木的重量比例为30-70：70-30；（2）草/木原料分别进行碎料后混合进料；（3）混合原料蒸煮、热磨分离；（4）施胶；（5）干燥；（6）制板，包括预压、热压、热压时间、温度、板子厚度、密度；（7）常温下冷却、裁边。优点：1）混合分离能使原料在分离过程中充分的混合，更有利于板材性能的提高与稳定；2）促进降低游离甲醛释放：有利于材料中C-O-Si键的形成，抑制板材中甲醛的释放；3）企业可以通过“以草代木”的形式减少木材的采购量，使用更廉价的秸秆原料。能够通过实践在生产中加以推广，有利于降低企业在生产草木复合MDF时的设备投资。

Description

一种草/木原料混合热磨制造MDF的方法

技术领域

本发明涉及的是一种草/木原料混合热磨制造MDF的方法，属于MDF制造技术领域。

背景技术

我国中密度纤维板企业原料严重短缺的现状，且国内大多数中密度纤维板企业原料供应并不稳定。因此，以南京林业大学为代表的科研院所，创新性的提出了以草代木的设想。即在中密度纤维板生产原料中以部分秸秆代替木材，在不增加生产设备硬件投入的情况下，通过调节原料形态、蒸煮工艺、热磨工艺、施胶工艺、热压工艺等参数，制造草木复合中密度纤维板。通过研发成熟的以秸秆/木片混合原料为原料的中密度板生产工艺，在企业木片原料供应紧张时，或木片原料价格高企时，或秸秆原料获取便利价格优势明显时（如夏收或秋收季节），以一定比例的秸秆代替木材生产中密度纤维板。可以实现降低企业成本、解决秸秆利用出路、增加农民收入三赢的局面。

近年来，国内外对于草/木复合材料都开展了一些研究。

Yang, Han-Seung等对利用稻草和木材碎料复合制成隔音隔热建筑材料进行了研究，证明利用秸秆和木材复合制成的板材具有良好的隔音隔热效果。

Grigoriou, A.H.研究了利用各种不同胶粘剂（UF、PMDI以及UF和PMDI混合）制造草木复合碎料板。

国内学者对于草/木复合中密度纤维板实验室试验方面开展了一些研究。梅长彤对草木复合制造碎料板的可行性进行了研究，在草碎料含量20%～30%，脲醛树脂胶施胶量12%，板子密度750kg/cm³，板材各项性能符合国家相关标准要求。

姚飞对草木复合配比、施胶量、板密度及热压工艺等因子对板性能的影响，同时对草木复合时胶接界面性能进行研究，实验证明热压温度160℃,热压时间30s/mm,稻草施胶量6%(胶种为MDI)、木纤维施胶量11%胶种为（UF），密度不小于0.85g/cm³、草木配比小于或等于3 :7时，生产的草木复合MDF，各项性能都能达到GB/T11718-1999的要求。

潘明珠分析水热处理、化学处理及冷等离子体处理对胶粘剂—草木纤维界面特性及稻草纤维板性能的影响，在此基础上，探索草木复合中密度纤维板的制造工艺，其对草木混合原料都使用了脲醛树脂胶。

李瑜分析稻草纤维如何通过物理、化学方法吸附脲醛树脂胶中的游离甲醛，达到降低板材游离甲醛释放量的目的。

潘晖对麦草、木材复合制造MDF的影响因素进行了分析，在施胶量（UF胶）为10%时，麦秆纤维与木材纤维的混合比3:1时，所制成的混合纤维中密度板除24小时吸水厚度膨胀率外，其它各项指标均达到国家标准的要求。

从前人的研究经验看，草木复合制造中密度纤维板的思路是可行的。

发明内容

本发明提出的是一种草/木原料混合热磨制造MDF的工业化生产方法，涉及了生产过程中的各工艺要素。其目的是通过“以草代木”的形式缓解中密度纤维板企业原料紧张的矛盾，降低企业生产草/木复合中密度纤维板的设备投资成本，提高板材稳定性能，促进降低游离甲醛释放。

本发明的技术解决方案：草/木原料混合热磨制造MDF的方法，包括如下生产工艺：

（1）原料，包括木和草，其中木质原料以针叶材为主红松、落叶松、云杉，马尾松、杉木等，木质碎料平均体积2.5×2.5×0.5cm³左右；草类原料：以麦草为主，其裁取的平均长度约为8cm；木和草的重量比例为30-70：70-30；

（2）草/木原料经分别单独碎料后，混合进料；

（3）混合原料蒸煮、热磨分离，包括1）蒸煮，蒸煮时间为4min，蒸煮压力为8bar，2）热磨，磨机为32英寸大小，磨盘间隙为0.15mm，磨片齿形选择圆环分区直长齿；

（4）施胶，蒸煮热磨后的纤维进行施胶，胶黏剂种类为UF，施胶量为8%-12%；

（5）干燥，纤维干燥的目标含水率5%-8%；

（6）制板，包括1）预压，2）热压时间为275s，芯层温度120℃，最高压力3.2Mpa；3）板子目标厚度为150mm（砂光后），目标密度为700kg/m³；

（7）常温下冷却；

（8）裁边。

所述的热磨机磨片，其结构包括三个区域，从内到外依次是破碎区、粗磨区、精磨区；其中精磨区：环距：112mm，磨齿数：N_精齿=216条，磨齿与半径的夹角11°，齿长：114.38 mm, 齿宽：4mm，齿高：8 mm，挡齿宽：5 mm；粗磨区：环距：29mm，磨齿数：N_粗齿=108，磨齿与半径的夹角14°，齿长：30 mm, 齿宽：12 mm，齿高：5 mm，挡齿宽：5 mm；破碎区：环距：78+26=104mm，磨齿数：N_破碎=36条，其中N_破碎长=18条，齿长：110.15 mm，N_破碎短=18条，齿长：80.95 mm：磨齿与半径的夹角15°；该磨片为32英寸直径，对应磨片外围半径为406.4mm。

本发明的优点：1）提高和稳定板材性能：较之草木纤维分别单独分离再混合纤维的工艺看，混合分离能使原料在分离过程中充分的混合，更有利于板材性能的提高与稳定；2）促进降低游离甲醛释放：混合分离草木复合纤维使得两种原料充分混合，有利于材料中C-O-Si键的形成，从而更好的抑制板材中甲醛的释放；3）企业成本的降低：在不改变现有硬件设备的基础上实现草/木原料混合分离，将大大缓解企业在木质原料供应紧张时的原料成本压力。企业可以通过“以草代木”的形式减少木材的采购量，使用更廉价的秸秆原料。同时草木纤维的混合分离如果能够通过实践在生产中加以推广，将有利于降低企业在生产草木复合MDF时的设备投入成本。

附图说明

附图1是草/木原料混合分离用热磨机磨片结构的示意图。

图中的1是破碎区、2是粗磨区、3是精磨区。

具体实施方式

实施例1

制造草/木复合中密度纤维板的方法，包括如下工艺步骤：

一）原料混合，原料为麦草和松杂木，草和木的重量比为30:70，原料含水率麦草为2.7%，松杂木为16.1%;

二）蒸煮热磨，对工艺步骤一）中混合后的原料进行蒸煮热磨，蒸煮时间为4min，蒸煮压力为8bar，磨盘间隙为0.15mm；

三）施胶，对工艺步骤二）中蒸煮热磨后的产物进行施胶，胶黏剂种类为UF，施胶量为8.72%，纤维含水率为5.1%；

四）制板，对工艺步骤三）中施胶后的产物进行制板，得到草/木复合中密度纤维板，热压时间为275s，芯层温度125℃，最高压力3.4Mpa；板子厚度为15.03mm，板子密度为729kg/m³，热压时间为275s。

板材的平均物理力学性能：内结合强度0.665Mpa，弹性模量2950Mpa，静曲强度23.9Mpa，表面握钉力805N，侧面握钉力833N。

实施例2

制造草/木复合中密度纤维板的方法，包括如下工艺步骤：

一）原料混合，原料为麦草和松杂木，草和木的重量比为50:50，原料含水率麦草为2.7%，松杂木为16.1%；

三）施胶，对工艺步骤二）中蒸煮热磨后的产物进行施胶，胶黏剂种类为UF，施胶量为12.67%，纤维含水率为5.3%；

四）制板，对工艺步骤三）中施胶后的产物进行制板，得到草/木复合中密度纤维板，热压时间为275s，芯层温度120℃，最高压力3.2Mpa；板子厚度为14.97mm，板子密度为715kg/m³，热压时间为275s。

板材的平均物理力学性能：内结合强度0.776Mpa，弹性模量2610Mpa，静曲强度17.1Mpa，表面握钉力750N，侧面握钉力758N。

实施例3

一）原料混合，原料为麦草和松杂木，草和木的重量比为70:30，原料含水率麦草为2.7%，松杂木为16.1%；

三）施胶，对工艺步骤二）中蒸煮热磨后的产物进行施胶，胶黏剂种类为UF，施胶量为10.49%，纤维含水率为4%；

四）制板，对工艺步骤三）中施胶后的产物进行制板，得到草/木复合中密度纤维板，热压时间为275s，芯层温度118℃，最高压力3.0Mpa；板子厚度为14.99mm，板子密度为706kg/m³，热压时间为275s。

板材的平均物理力学性能：内结合强度0.649Mpa，弹性模量2230Mpa，静曲强度15.1Mpa，表面握钉力615N，侧面握钉力712N。

在混合分离制造MDF时，麦草、稻草等秸秆类原料更适合与针叶材混合分离制造MDF，因为针叶材纤维细胞长，在混合制造MDF时可以在板材中起到支架的作用，而秸秆原料在分离后纤维细胞短且细粉含量比较高，可以在板材中起到填充作用。两者混合分离制造MDF，有利于板材物理力学性能的稳定以及表面加工性能的提高。草/木混合原料蒸煮时要根据秸秆含量的多少，适当的调整蒸煮工艺。因为秸秆中木素含量低，对于蒸煮的压力和时间要求相比于木材要低，因此混合原料中随着草纤维含量的增加要适当降低蒸煮压力，缩短蒸煮时间。以平衡两种不同原料的软化程度，同时也可以避免秸秆原料过度热解后板材颜色的加深。由于秸秆表面蜡质层的存在，其表面摩擦系数要小于木材，同时考虑到秸秆纤维长度较短的特点，因此混合原料中随着秸秆含量的增加需要适当的减小磨盘间隙，以使秸秆充分离解。同时秸秆表层的蜡质成分对于脲醛树脂胶的胶合是不利的，适当减小磨盘间隙有利于秸秆纤维的充分分离，使得表层蜡质成分充分剥离。因此适当减小磨盘间隙，有利于草木复合MDF胶合性能的提高。一般情况下秸秆原料呈弱碱性，而脲醛树脂胶在弱酸性的条件下胶合效果比较理想，因此草/木原料混合热磨随着秸秆比例的增加可以适当加一些乙酸降低原料PH值，以期提高板材的胶合性能。

在纤维分离前，通过预热蒸煮软化原料，提高纤维原料的塑性，可以减少解纤过程的动力消耗，提高解纤的质量。影响原料塑性的主要是木素，其次是半纤维素，在蒸煮过程中，通过水热处理使得原料中木素和半纤维素的软化点降低，从而使木材软化。

热磨机磨片一般可以分为扇块分区和圆环分区两种，圆环分区齿的特点为在圆环的各个分区内刀齿的齿长和角度排列一致，但齿槽宽度在直径方面上存在一定的差异，一般情况下延直径方向从里到外逐渐变宽。

施胶量采用的8%~12%间不同的施胶量，明显影响内结合强度（IB），随着施加量的增加板材握钉力，尤其是表面握钉力提高明显。

从三种不同草/木比例可以发现，

（1）原料配比与各项力学性能关系明显，随着秸秆含量提高，各项力学性能总体呈下降趋势。除内结合强度（IB）外，板材各项物理力学性能随着混合原料中秸秆含量的增加而下降。板材内结合强度没有与草/木原料比形成线性关系主要是因为施胶量的影响。

（2）密度与各项力学性能关系明显，随着密度提高，各项力学性能总体呈上升趋势，但随着秸秆含量提高，密度与力学性能相关性减弱。当草/木比3:7时密度与内结合强度的线性关系最明显，拟合度最高，R2=0.896。且拟合曲线斜率较其他草/木比情况下大。证明随着草纤维含量的提高，板材内结合强度与密度的关系减弱。

草/木比3:7蒸煮条件8Bar，4min， MOE与密度关系y = 9.838x - 4214（R2 = 0.910）

草/木比5:5蒸煮条件8Bar，4min， MOE与密度关系y= 12.80x – 6412（R2 = 0.450）

草/木比7:3蒸煮条件8Bar，4min， MOE与密度关系y= 10.25x - 4991（R2 = 0.726）

（3）施胶量与内结合强度和握钉力关系密切，与弹性模量（MOE）、静曲强度（MOR）关系不明显，这两项性能更多的受原料配比、纤维形态、密度等因素的影响。

（4）在草/木比5:5和7:3时可以看出，蒸煮压力和施胶量的提高，有利于提高板材的内结合强度（IB）的提高。

草/木比5:5蒸煮条件8Bar，4min， MOE与密度关系y 2= 12.80x – 6412（R2 = 0.450）

草/木比7:3蒸煮条件5Bar，4min， MOE与密度关系y1 = 10.16x – 4441（R2 = 0.36）

由此可见

1）板材密度与静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）成线性正相关；当草/木比3:7时，密度与静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）线性关系最明显，静曲强度拟合R2=0.864，弹性模量拟合R2=0.910。而在草/木比7:3，蒸煮条件8Bar，4min时，密度与MOR、MOE线性关系相对明显，静曲强度拟合R2=0.827，弹性模量拟合R2=0.726。其原因应该是在较高的蒸煮压力和时间下，草纤维在热磨和蒸煮过程中发生了热解，而木材纤维软化充分，导致混合纤维中草纤维含量降低明显。

2）在草/木比5:5和7:3时，随着蒸煮压力的提高，虽然施胶量也提高，但板材的静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）降低。证明过高的蒸煮压力对于草/木混合纤维的强度降低效果明显，且蒸煮压力对于静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）的减弱影响大于施胶量对这两项物理力学性能提高的影响。

3）随着混合原料中秸秆含量的提高，蒸煮压力的提高对于MOR、MOE的降低效果更加显著。证明，在混合原料中随着秸秆含量的提升，必须适当降低蒸煮压力，否则纤维强度的减弱效果将直接降低板材的物理力学性能。

Claims

1.草/木原料混合热磨制造MDF的方法，其特征是该方法包括如工艺：

（2）草/木原料经分别单独碎料后，混合进料；

（3）混合原料蒸煮、热磨分离，包括1）蒸煮，蒸煮时间为4min，蒸煮压力为8bar，2）热磨，热磨机为32英寸大小，磨盘间隙为0.15mm，磨片的齿形选择圆环分区直长齿；

（5）干燥，纤维干燥的目标含水率5%-8%；

（6）制板，包括1）预压，2）热压时间为275s，芯层温度120℃，最高压力3.2Mpa；3）板子目标厚度为15mm（砂光后），目标密度为700kg/m³；

（7）常温下冷却；

（8）裁边。

2.根据权利要求1所述的草/木原料混合热磨制造MDF的方法，其特征所述的热磨机磨片，其结构包括三个区域，从内到外依次是破碎区、粗磨区、精磨区；其中精磨区：环距：112mm，磨齿数：N_精齿=216条，磨齿与半径的夹角11°，齿长：114.38 mm, 齿宽：4mm，齿高：8 mm，挡齿宽：5 mm；粗磨区：环距：29mm，磨齿数：N_粗齿=108，磨齿与半径的夹角14°，齿长：30 mm, 齿宽：12 mm，齿高：5 mm，挡齿宽：5 mm；破碎区：环距：78+26=104mm，磨齿数：N_破碎=36条，其中N_破碎长=18条，齿长：110.15 mm，N_破碎短=18条，齿长：80.95 mm：磨齿与半径的夹角15°；该磨片为32英寸直径，对应磨片外围半径为406.4mm。