CN111113586A - 一种定向刨花板的制备方法 - Google Patents

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柯少秋
王志气
孙建平
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Abstract

本发明公开了一种定向刨花板的制备方法，包含以下操作步骤：(1)刨花筛选；(2)施胶：依次进行顺、逆时针旋转搅拌，对刨花进行施胶；(3)干燥；(4)铺装：刨花按照一定的方向定向均匀排列一份刨花作为下层，再将另一份刨花铺在下层之上作为中层，中层刨花与下层刨花呈30～90°方向定向均匀排列，最后将再一份的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈30～90°方向定向均匀排列，得到板坯；(5)热压；(6)陈放，即得。本发明方法将层与层之间按照不同的角度组装热压在一起，纵横垂直的定向排列过程使得单板片间接触紧密，无空隙，这充分利用了单板的超长结构单元，在节约生产成本的同时，大大提高材料的力学性能。

Description

一种定向刨花板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种板材的制备方法，特别涉及一种定向刨花板的制备方法。
背景技术
我国是一个人均森林资源匮乏的国家，且伴随着现代社会快速发展和人民越来越富裕，对木材的需求和消耗一直增加，特别是实施天然林资源保护工程后，森林采伐量逐年下调，使木材供需缺口越来越大。而目前，我国的木材综合利用率却偏低，只有60％左右，而发达国家一般为90％-95％，在资源紧缺下又进一步浪费的情况，必须引起人们的重视。大力发展刨花板和纤维板生产，可以提高木材综合利用率。我国目前每年木材需求3亿m3左右，若通过发展刨花板和纤维板生产，将木材综合利用率由60％提高到80％，可相当于节约木材33％，即相当于节约木材0.99亿m3。传统定向刨花板(OSB)对原料要求较高，一般选用具有一定规格的商品木材，这不仅在一定程度上限制了OSB的发展，也使其成本过高，难以普及。以桉木为原料制备的定向刨花板则对原料需求低，桉树于20世纪50年代引入我国并大量种植，由于具有生产速率快、产率高的特点，能够满足我国对商用木材的大量需求。OSB是最近兴起的新型人造板，与结构胶合板相比，其通过刨片工艺获得结构单元的过程使其对原料要求较低，因此，原料来源更为广泛。同时OSB制造过程中木材利用率较高，其利用率可达80％以上，能够高效利用木材，达到“劣材优用”的目的。
桉木单板剩余物属于废弃物，是用桉木单板制备人造板时，根据人造板所要求的不同规格尺寸，裁切出的多余的木条，一般情况下对于单板剩余物的处理是拿去当作锅炉燃烧用原料，利用价值较低。因此，目前亟需一种能够提高桉木单板剩余物并制备得到一种性能好的定向刨花板的制备方法。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明针对上述技术问题，发明一种能够提高桉木单板剩余物利用率，并且能够制备得到一种力学性能好的定向刨花板的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种定向刨花板的制备方法，包含以下操作步骤：
(1)刨花筛选：对按木单板废弃物刨花进行筛选，刨花要求长宽比为3.5～5.5，刨花尺寸要求如下：长度30mm～80mm，宽度8mm～20mm，厚度1.2-2.5mm；
(2)施胶：称取步骤(1)中筛选所得刨花，依次进行顺、逆时针旋转搅拌，并按照实验要求的施胶量使用喷枪对刨花进行施胶；
(3)干燥：将步骤(2)施胶后的刨花干燥，干燥温度为63℃，处理时间为2小时，将含水量干燥到5％～8％，称量干燥后的刨花质量与最初质量比较，得出浸渍量为4％，即为步骤(2)中的施胶量；
(4)铺装：将步骤(3)中浸胶所得刨花按照一定角度放入440mm×440mm的模具中，按照一定的方向定向均匀排列一份刨花作为下层，再将另一份刨花铺在下层之上作为中层，中层刨花与下层刨花呈30～90°方向定向均匀排列，最后将再一份的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈30～90°方向定向均匀排列，得到板坯，其中，上层：中层：下层按照质量比为2～4:2～6:2～4；
(5)热压：将步骤(4)所得板坯热压，得到由10mm～15mm厚度规控制的板坯；
(6)陈放：热压完毕取出步骤(5)所得板坯陈放2～3天，即得。
优选的是，步骤(4)中所述的上、中、下三层按照质量比为4:2:4。
优选的是，步骤(4)中中层刨花与下层刨花呈90°方向定向均匀排列，最后将再一份的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈90°方向定向均匀排列。
优选的是，步骤(5)中所述的热压温度为130℃-150℃，热压时间为10-15分钟。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明方法以生产桉木单板的剩余物为原料，按照一定的方向排列整齐组成一层，然后将层与层之间按照不同的角度组装热压在一起，纵横垂直的定向排列过程使得单板片间接触紧密，无空隙，这充分利用了单板的超长结构单元，在节约生产成本的同时，大大提高材料的力学性能；进一步的，桉树作为重要的速生林树种，广泛应用于胶合板生产中，该过程产生的桉木单板剩余物可以作为制备定向刨花板的原料来使用，能够提高桉木单板剩余物利用率。
附图说明
图1是本发明方法桉木单板剩余物、刨花和辅助铺装模具和实施例1制备所得定向刨花板试件。
图2是不同因素对本发明制备所得定向刨花板内结合强度的影响。
图3是不同因素对本发明制备所得定向刨花板吸水膨胀率的影响。
图4是不同因素对本发明制备所得定向刨花板静曲强度的影响。
图5是不同因素对本发明制备所得定向刨花板弹性模量的影响。
图6是本发明制备所得定向刨花板显微镜图，其中，(a)和(b)为体视显微镜检测试样剖面图和放大图，(c)和(d)为扫描电子显微镜检测试样剖面图与局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。本发明中制备所得定向刨花板表层为上层和下层，芯层为中层。
实施例1
一种定向刨花板的制备方法，操作步骤如下：
(1)刨花筛选：对按木单板废弃物刨花进行筛选，刨花要求长宽比为4，刨花尺寸要求如下：长度30mm～80mm，宽度10mm～15mm，厚度2.2mm；
(2)施胶：称取步骤(1)中筛选所得刨花，放入拌胶机中依次进行顺、逆时针旋转搅拌，并按照实验要求的施胶量使用喷枪对刨花进行施胶(为防止PF胶粘剂过于黏稠导致无法用喷枪喷成雾状，需要1：1兑入蒸馏水稀释黏度，施胶时需手动来回匀速施胶使胶粒均匀分布在刨花上)；
(3)干燥：将步骤(2)施胶后的刨花放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为63℃，处理时间为2小时，将含水量干燥到5％～8％，称量干燥后的刨花质量与最初质量比较，得出浸渍量为4％，即为步骤(2)中的施胶量；
(4)铺装：将步骤(3)中干燥后所得刨花分为三份，两份为0.8kg，一份为0.4kg，然后取一份0.8kg刨花放入440mm×440mm的模具中，刨花按照与模具其中一边沿平行的方向定向均匀排列作为下层，再将一份0.4kg的刨花铺在下层之上作为中层，中层刨花与下层刨花呈90°方向定向均匀排列，最后将取另一份0.8kg的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈90°方向定向均匀排列，得到板坯；
(5)热压：将步骤(4)所得板坯热压，热压温度为130℃，热压时间为12分钟，并按照10mm的厚度规控制热压后所得板坯厚度；
(6)陈放：热压完毕取出步骤(5)所得板坯陈放2～3天，即得定向刨花板。
实施例2
一种定向刨花板的制备方法，操作步骤如下：
(1)刨花筛选：对按木单板废弃物刨花进行筛选，刨花要求长宽比为3.5，刨花尺寸要求如下：长度30mm～80mm，宽度10mm～15mm，厚度2.2mm；
(2)施胶：称取步骤(1)中筛选所得刨花，放入拌胶机中依次进行顺、逆时针旋转搅拌，并按照实验要求的施胶量使用喷枪对刨花进行施胶(为防止PF胶粘剂过于黏稠导致无法用喷枪喷成雾状，需要1：1兑入蒸馏水稀释黏度，施胶时需手动来回匀速施胶使胶粒均匀分布在刨花上)；
(3)干燥：将步骤(2)施胶后的刨花放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为63℃，处理时间为2小时，将含水量干燥到5％～8％，称量干燥后的刨花质量与最初质量比较，得出浸渍量为4％，即为步骤(2)中的施胶量；
(4)铺装：将步骤(3)中干燥后所得刨花分为三份，两份为0.6kg，一份为0.8kg，然后取一份0.6kg刨花放入440mm×440mm的模具中，刨花按照与模具其中一边沿平行的方向定向均匀排列作为下层，再将一份0.8kg的刨花铺在下层之上作为中层，中层刨花与下层刨花呈45°方向定向均匀排列，最后将取另一份0.6kg的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈45°方向定向均匀排列，得到板坯；
(5)热压：将步骤(4)所得板坯热压，热压温度为140℃，热压时间为15分钟，并按照15mm的厚度规控制热压后所得板坯厚度；
(6)陈放：热压完毕取出步骤(5)所得板坯陈放2～3天，即得定向刨花板。
实施例3
一种定向刨花板的制备方法，操作步骤如下：
(1)刨花筛选：对按木单板废弃物刨花进行筛选，刨花要求长宽比为4.5，刨花尺寸要求如下：长度30mm～80mm，宽度10mm～15mm，厚度2.2mm；
(2)施胶：称取步骤(1)中筛选所得刨花，放入拌胶机中依次进行顺、逆时针旋转搅拌，并按照实验要求的施胶量使用喷枪对刨花进行施胶(为防止PF胶粘剂过于黏稠导致无法用喷枪喷成雾状，需要1：1兑入蒸馏水稀释黏度，施胶时需手动来回匀速施胶使胶粒均匀分布在刨花上)；
(3)干燥：将步骤(2)施胶后的刨花放入恒温鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为63℃，处理时间为2小时，将含水量干燥到5％～8％，称量干燥后的刨花质量与最初质量比较，得出浸渍量为4％，即为步骤(2)中的施胶量；
(4)铺装：将步骤(3)中干燥后所得刨花分为三份，两份为0.4kg，一份为1.2kg，然后取一份0.4kg刨花放入440mm×440mm的模具中，刨花按照与模具其中一边沿平行的方向定向均匀排列作为下层，再将一份1.2kg的刨花铺在下层之上作为中层，中层刨花与下层刨花呈30°方向定向均匀排列，最后将取另一份0.4kg的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈60°方向定向均匀排列，得到板坯；
(5)热压：将步骤(4)所得板坯热压，热压温度为150℃，热压时间为15分钟，并按照15mm的厚度规控制热压后所得板坯厚度；
(6)陈放：热压完毕取出步骤(5)所得板坯陈放2～3天，即得定向刨花板。
检测：
根据实施例1的制备方法，按照表1的参数，其余操作与实施例1完全相同制备定向刨花板。
表1
Figure BDA0002337555830000061
Figure BDA0002337555830000071
对制备所得定向刨花板的密度、内结合强度、湿内结合强度、弹性模量、静曲强度、吸水厚度膨胀率进行检测，结果如表2所示：
表2
Figure BDA0002337555830000072
表2显示了热压厚度分别为10mm，12mm，15mm时的板密度，其中实验序号1，4，7号是10mm，序号2，5，8是12mm，序号3，6，9是15mm。从图中明显看出，10mm厚的板坯密度大于12mm厚的板坯密度，12mm厚的板坯大于15mm厚的板坯密度。表明了热压厚度越小，各层刨花压缩越紧密，密度越大。原因为剩余物的刨花尺寸大，并且探索不同表芯层比例以及不同铺装角度，这三个因素都会导致层与层之间出现大小不一的空隙，空隙越大代表其单位密度越小，因此越小的厚度板内的空隙越小，相对的密度更大。
实施例1制备所得定向刨花板经过万能力学试验机检查所得的数据：
由图2可得，试件的干内结合强度均高于湿内结合强度：如图2a所示，在130℃到150℃的温度范围内，干内结合强度先是上升后再下降，在140°时刨花板的干内结合强度达到0.7MPa，之后开始下降，而湿内结合强度缓慢增加至0.2MPa，这可能是因为140℃是所施胶的最佳固化温度，130℃的时候胶液固化不完全，而150℃温度过高出现过固化导致内结合强度下降；如图2b所示，在铺装在角度45°～90°时，试件的干内结合强度持续下降，湿内结合强度总体上也呈下降趋势(从0.19MPa下降到0.05MPa)；如图2c所示，在10mm～15mm厚度范围内，干内结合强度先缓慢上升，后急速下降。这可能是由于试件的厚度过大时，压缩率较小，导致表层与芯层间隙较大，从而使内结合强度较低；如图2d所示，试件的内结合强度先上升后下降，在层厚比例为3：4：3时，综合性能最佳。根据标准LY/T 1580-2010可知10mm到15mm的非承载板材内结合强度应大于等于0.32MPa，上图显示各因素的实验结果均达到OSB/1型要求，部分试验条件下的干湿状内结合强度达到OSB/3型要求(即潮湿状态下承载板材的要求)。综合数据考虑，获得较好内结合强度的条件是温度140℃，铺装角度45°，板坯厚度12mm，表芯层比2：6：2，这与直观分析结果一致。
从图3中可以看出吸水厚度膨胀率随着热压温度的升高而增加，在角度和厚度因素方面都是先下降后上升，而不同表芯层比对应的吸水厚度膨胀率变化趋于平缓。根据标准LY/T 1580-2010，10mm～18mm厚度范围内OSB/1的24h吸水厚度膨胀率应小于25％，最优条件下的OSB性能接近标准中的要求，而其他条件未能达标。吸水膨胀率大于标准要求的可能原因有以下几点：①浸胶量过少，胶粘剂固化后未能将刨花单元封闭起来，水煮处理过程中易稀释膨胀；②所选用的桉木单板剩余物厚度较大(2.2mm)，极易从板材端面吸水膨胀，相比传统的OSB刨花(厚度仅0.4mm)具有更强的吸水性。因此，需要在后续研究中尝试通过增加浸胶量、减小结构单元尺寸等方式优化其吸水厚度膨胀率。
图4a表明静曲强度∥随着温度上升先大幅度下降后回升，但静曲强度⊥对温度变化不敏感；图4b表明静曲强度∥随着铺装角度增大而增大，但静曲强度⊥是先增大后减小；图4c表明随着板坯厚度的增大静曲强度反而减小；图4d表明表芯层比为4：2：4时静曲强度∥大于另两个表芯层比，而静曲强度⊥小于两个表芯层比。综合分析得出，在130℃，铺装角90°，厚度为10mm，表芯层比为4：2：4条件下的OSB静曲强度∥达到20MPa左右，静曲强度⊥达到11MPa左右，达到标准LY/T 1580-2010中10mm～18mm厚度的OSB/3的静曲强度∥所要求的20MPa，静曲强度⊥所要求的10MPa。这是由于各层刨花铺装方向不同，纤维方向不一致，在刨花纤维定向方向上，刨花本身的顺纤维抗拉(压)强度大于刨花之间的胶合(剪切)强度。而且这种情况下层与层之间的刨花排列最紧密，刨花空隙最小，厚度为10mm的板坯的平均厚度比12mm与15mm的大，使得板在密度增加的同时增大了其静曲强度。
从图5a可知，弹性模量∥随着温度的增加先降低后上升，而弹性模量⊥则相反；图5b中铺装角度90°时所压板材的弹性模量∥远远大于铺装角度45°和60°条件下所压的板材，根据标准LY/T 1580-2010可知只有90°的OSB弹性模量达到标准3500MPa；图5c中弹性模量随着厚度的增加而降低，且变化较很大(在厚度为10mm时弹性模量⊥为2013MPa，在厚度为15mm时只有855MPa，弹性模量大幅降低)；图5d中表芯层比对弹性模量的影响较大(芯层刨花少的OSB其弹性模量∥明显大于芯层刨花多的OSB)，这可能是选用做原料的桉木单板剩余物尺寸偏大，在分批搅拌与施胶过程中质量越少的刨花越能充分涂胶，所以中间芯层为少质量刨花时粘合程度好，弹性模量大。经总体分析，可以得出影响弹性模量⊥最大的因素是板坯厚度，影响弹性模量∥最大的因素是铺装角度，这与极差分析相吻合。通过综合对比分析各因素的F值可得，影响OSB的质量主次因素依次是板坯厚度(反映压缩程度)、铺装角度和热压温度。静曲强度与弹性模量是OSB极为重要的力学性能指标，通过分析发现板坯厚度在10mm时的静曲强度和弹性模量虽然不是每组都是最大的，但每组都能够达到标准要求，而板坯厚度为12mm和15mm时的力学性能只有个别的能达标，故本研究的OSB板材的板坯厚度选在10mm时最佳；铺装角在90°时OSB的力学性能都能达标，且远高于30°和45°的弹性模量(4134＞1005MPa)及静曲强度(26＞6MPa)；通过对比各因素的F值可知，热压温度对内结合强度和吸水膨胀率影响不显著，对静曲强度与弹性模量的影响比较明显，虽然在热压温度为150℃时OSB的吸水厚度膨胀率最优，热压温度为140℃时OSB的内结合强度最佳，但数据相差不大且在热压温度为130℃时也能达到国标，且此时OSB的弹性模量和静曲强度最佳。综上所述，制备OSB时重点控制的参数为板材厚度(压缩程度)，其可以直接影响到OSB的物理力学性能。综合分析表明，在热压温度为130℃，铺装角度为90°，板坯厚度为10mm，表芯层比为4：2：4时所制备的材料性能最佳，并且其各项力学性能均达到LY/T 1580-2010定向刨花板标准中OSB/3的要求。
图6进一步分析了桉木单板剩余物OSB的胶层形态和细胞壁压缩形态，利用体式显微镜和扫描电子显微镜研究了OSB的断面形貌，如图6所示。通过体式显微镜观察发现，厚度为10mm的OSB的剖面压缩紧密，刨花单元有一定的压缩，同时胶层明显且未出现大规模的渗胶现象。同时，还通过扫描电子显微镜对酚醛树脂粘合剂的在单板中涂布情况及其细胞壁压缩情况进行表征，显微图像表明，10mm厚度的板材的酚醛树脂在单板粘结处分布较多，而后由单板表层向内逐渐递减式分布，且细胞壁被压缩较为明显，尤其是导管压缩明显，部分导管几乎完全压溃。通过上述研究结果可知，OSB板材制备过程中，刨花单元需要经过适当压缩才能更好的达到胶层结合紧密、板材孔隙结构密实的效果，制备出物理力学性能较好的OSB板材。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种定向刨花板的制备方法，其特征在于，包含以下操作步骤：
(1)刨花筛选：对按木单板废弃物刨花进行筛选，刨花要求长宽比为3.5～5.5，刨花尺寸要求如下：长度30mm～80mm，宽度8mm～20mm，厚度1.2-2.5mm；
(2)施胶：称取步骤(1)中筛选所得刨花，依次进行顺、逆时针旋转搅拌，对刨花进行施胶；
(3)干燥：将步骤(2)施胶后的刨花干燥，干燥温度为63℃，处理时间为2小时，将含水量干燥到5％～8％，称量干燥后的刨花质量与最初质量比较，得出浸渍量为4％，即为施胶量；
(4)铺装：将步骤(3)中浸胶所得刨花按照一定的方向定向均匀排列一份刨花作为下层，再将另一份刨花铺在下层之上作为中层，中层刨花与下层刨花呈30～90°方向定向均匀排列，最后将再一份的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈30～90°方向定向均匀排列，得到板坯，其中，上层：中层：下层按照质量比为2～4:2～6:2～4；
(5)热压：将步骤(4)所得板坯热压，得到由10mm～15mm厚度规控制的板坯；
(6)陈放：热压完毕取出步骤(5)所得板坯陈放2～3天，即得。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的上、中、下三层按照质量比为4:2:4。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中中层刨花与下层刨花呈90°方向定向均匀排列，最后将再一份的刨花铺在中层之上作为上层，上层刨花与中层刨花呈90°方向定向均匀排列。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所述的热压温度为130-150℃，热压时间为10-15分钟。
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