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薄竹贴面稻草板的制备与性能分析



全 文 :薄竹贴面稻草板的制备与性能分析

任丽敏1,2,王逢瑚1,张 利1
(1.东北林业大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨150040;
2.东北林业大学 文法学院,黑龙江 哈尔滨150040)
摘 要: 使用乳白胶制备了刨切薄竹贴面稻草板,并
分析了其物理力学性能。结果显示,饰面板材具有优
异的静曲强度和弹性模量及良好的表面胶合强度,能
够耐温水浸渍,但不能够耐热水浸渍;使用电镜观察了
饰面板材的微观形貌,并对饰面材料进行了红外光谱
分析,进一步揭示了饰面板材的性能,微观裂缝及亲水
性基团的存在使得饰面板材在高温高湿的环境条件
下,更易被水作用而失去胶合性能。薄竹饰面薄型稻
草板,具备了薄竹优美的颜色与花纹,同时也具备了稻
草刨花板优异的物理力学性能,能够作为室内装饰材
料及非承重包装材料而得到广泛使用。
关键词: 刨切薄竹;稻草刨花板;物理力学性能;微观
形貌;红外光谱
中图分类号: TS653.92 文献标识码:A
文章编号:1001-9731(2013)07-1048-05
1 引 言
我国是一个木材资源相对贫乏,而农作物秸秆与
竹材等其它生物质资源较丰富的国家。如何充分高效
地利用农作物秸秆以及竹材资源,是一个亟待解决的
问题。将农作物秸秆刨花板材料与薄竹材料相结合使
用,是一个积极有效的探索。
刨切薄竹是一种新型的竹质表面装饰材料,它是
将竹片经过一系列加工处理,胶合成方材,软化刨切成
一定厚度的薄竹片[1],其不仅保持有竹材的天然纹理,
具有清新自然、优美朴实淡雅的质感,且产品品质完全
可与其它珍贵硬阔叶木材树种的薄木相媲美,能满足
人们回归自然的愿望,给人以自然美;并且竹纤维长而
硬,具有良好的耐磨性,经过表面装饰后,可以进一步
改善产品的各项物理指标[2-7]。所以,刨切薄竹作为新
型高档贴面装饰材料,正逐步代替珍贵薄木用作人造
板、家具、室内装饰装修等的贴面装饰材料,得到了广
泛的应用,取得了积极的经济效益、社会效益和生态效
益。
使用竹材对人造板进行覆面,用以改善人造板的
物理力学性能的研究已经有所开展,主要有孙丰文和
张齐生研究的以竹片为外层材料、多层杨木单板为芯
层材料的复合胶合板[8];殷苏州等用竹席和竹帘对定
向刨花板基材进行覆面处理并测试了覆面 OSB的主
要物理力学性能[9];付宇进行了微薄竹装饰板方面的
相关研究[10];杜春贵等使用脲醛树脂胶与聚醋酸乙烯
乳液胶的混合胶在中密度纤维板上下表面粘贴刨切薄
竹,并得出了最佳的贴面工艺参数[11];李延军等进行
了刨切薄竹贴面木质刨花板的最佳贴面工艺的研究,
也使用的是脲醛胶与乳白胶的混合胶[12]。通过以上
的研究可以看出在将薄竹应用于农作物秸秆板材的表
面装饰方面有待研究,本文旨在将刨切薄竹与农作物
秸秆板材进行贴面复合,以提高农作物秸秆板材的外
观质量,进一步提高农作物秸秆板材的经济附加值。
2 实 验
2.1 实验材料
2.1.1 碱处理稻草刨花
将稻秆进行粉碎,并进行碱处理,干燥后含水率为
(6±1)%。
2.1.2 刨切薄竹
尺寸规格为2500mm×430mm×0.3mm(长×宽
×厚),平压本色竹皮,背衬无纺布,如图1所示。
图1 薄竹实例图
Fig 1Example of sliced bamboo veneer
2.1.3 乳白胶(PVAc)
哈尔滨绿时代胶业股份有限公司生产,型号为
K3842,白色均匀乳液,固含量>40%,粘度(25℃)>
5000mPa·s。
2.2 实验设备
2.2.1 预压机
50t试验预压机,幅面370mm×370mm,哈尔滨
市东大人造板机械制造有限公司生产。
8401 2013年第7期(44)卷
* 基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(12523023)
收到初稿日期:2012-12-14 收到修改稿日期:2013-02-18 通讯作者:王逢瑚
作者简介:任丽敏 (1976-),女,黑龙江哈尔滨人,博士,师承王逢瑚教授,从事生物质复合材料与艺术领域的结合研究。
2.2.2 热压机
100t试验热压机,幅面420mm×420mm,哈尔滨
市东大人造板机械制造有限公司生产。
2.2.3 万能力学试验机
CMT5504型,深圳市新三思计量技术有限公司生
产。
2.2.4 其它设备
植物粉碎机、拌胶机、电子天平、喷枪、精密裁板
锯、模框箱、游标卡尺、空气压缩机、手持式平板砂光
机、板刷,剪刀、恒温水浴锅。
2.3 实验方法
薄竹贴面稻草板的工艺流程如图2所示,包括薄
型稻草板基材的制备和薄竹贴面两大部分。
图2 薄竹贴面工艺流程
Fig 2Overlaying technological process of sliced bam-
boo veneer
2.3.1 薄型稻草板基材的制备
薄型稻草板基材的制备工艺流程为:稻秆→粉碎
→筛选→稻草刨花→碱处理→干燥→称量→施胶→铺
装→预压→热压→成型。
制备工艺参数为:热压温度为150℃、热压时间为
2.0min/mm、酚胶施胶量为14%、MDI施胶量为3%、
石蜡用量为1%。
设定稻草板的目标绝干密度为ρ=0.70g/cm
3,幅
面尺寸为340mm×320mm×6mm(长×宽×厚)。
制备好的稻草板自然冷却后,再使用100目的砂
纸进行砂光,去除表面的污染及预固化层,使表面光洁
平滑,厚度一致。
2.3.2 薄竹贴面工艺设计
裁剪:按稻草板基材的尺寸和形状,将薄竹裁成合
适的幅面以备用。
涂胶:用板刷手工均匀涂胶于稻草板基材上,涂胶
量为贴面工艺设计变量,设定涂胶量水平为 A:110g/
m2、B:130g/m2、C:150g/m2,涂胶后基材陈化15min
左右。
组坯:先将薄竹与稻草板基材的一侧对齐,从此侧
逐渐向另一侧挤压铺平,排除气泡;采用单面组坯,即
只在基材的一个表面粘贴薄竹。
热压:将板坯放入热压机中进行热压,热压工艺参
数选择固定参数,为热压温度80℃、热压时间10min、
热压压力(单位压力)1MPa。
每种涂胶量水平下压制一张贴面板,热压后的饰
面板材外貌如图3所示。
2.3.3 性能检测方法
物理力学性能检测:将热压好的薄竹贴面稻草板
从热压机中取出后,自然冷却,静置24h之后,锯制成
检测用的标准尺寸的试件。
饰面板材进行检测的物理力学性能指标有密度
(ρ)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、浸渍剥离长
度(l)、表面胶合强度(σ⊥)。
图3 薄竹饰面稻草板实例
Fig 3Example of rice-straw particleboard overlaid
with sliced bamboo veneer
  检测依据的标准有GB/T 21129-2007《竹单板饰
面人造板》、GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板
理化性能试验方法》及GB/T 4897.3-2003《刨花板 第
3部分:在干燥状态下使用的家具及室内装修用板要
求》。
标准中规定的性能指标为,当板材公称厚度为4
~6mm时,要求MOR≥15MPa,MOE≥1.95GPa,浸
渍剥 离 要 求 每 边 浸 渍 剥 离 长 度 l≤25mm,σ⊥
≥0.35MPa。
浸渍剥离实验主要进行Ⅱ类和Ⅲ类浸渍剥离实
验,Ⅱ类浸渍剥离实验是将试件放置在(63±3)℃的热
水中浸渍3h,而Ⅲ类浸渍剥离实验是将试件放置在
(30±3)℃的温水中浸渍2h,浸渍后的试件都放置于
(63±3)℃的干燥箱中干燥3h,再测量剥离长度。
在饰面板上共裁制静曲强度与弹性模量检测试件
3块(120mm×50mm×6mm),浸渍剥离检测试件6
块(75mm×75mm×6mm),表面胶合强度检测试件8
块(50mm×50mm×6mm)。静曲强度检测试件的长
度方向都沿薄竹纹理方向(顺纹试件),且在检测时薄
竹在底层的受拉面。
所有试件都在温度为(20±2)℃、相对湿度为(65
±5)%条件下放至质量恒定后再进行相关检测。
微观形貌观察:在薄竹及饰面板材上取小块试样,
使用设备型号FEI Quanta200的环境扫描电子显微镜
(SEM)观察其表面及横断面的微观形貌,分析薄竹及
饰面板材的微观结构,观察薄竹层与稻草板之间的界
面胶结状况。
红外光谱分析:设备为美国尼高力公司 Nicolet-
6700型傅里叶变换红外光谱仪,在饰面板材上刮取少
量粉末进行分析,在玛瑙研钵里研磨至粒子细小而均
匀,压片成型;分辨率为4cm-1,扫描次数为32次。
9401任丽敏 等:薄竹贴面稻草板的制备与性能分析
3 结果与分析
3.1 物理力学性能检测结果分析
表1为试件实际厚度H 和密度ρ的测量结果。
表1 薄竹饰面稻草板的厚度与密度
Table 1Thickness and density of overlaid particle-
board
实验号
H ρ
平均值
(mm)
变异系数
(%)
平均值
(g/cm3)
变异系数
(%)
A  5.29  0.28  0.87  6.14
B  5.52  2.01  0.82  9.57
C  5.36  0.09  0.88  5.01
  可以看出,制备的薄竹饰面稻草板的平均厚度在
5.4mm左右,比设定的公称厚度小了0.6mm,平均密
度在 0.85g/cm3 左 右,比 设 定 的 公 称 密 度 增 大
了0.15g/cm3,主要是由于所使用的热压压力较大,导
致稻草板基材再次压缩,致使饰面板材厚度减小,以致
密度有所提高。
表2列出了MOR、MOE、σ⊥的检测结果平均值及
变异系数及浸渍剥离状况,发现薄竹饰面稻草板的
MOR和 MOE远远超出了标准要求的数值,同时再结
合稻 草 板 基 材 的 性 能 数 值 (检 测 结 果 为 MOR
=29.06MPa,MOE=4.63GPa),可看出,饰面稻草板
的 MOR有所提高,MOE有所减小,主要是由于所粘
贴薄竹的强韧作用,使得饰面稻草板的 MOR增大,同
时又由于薄竹的韧性较好,所以饰面稻草板的 MOE
减小、韧性提高。
表2 薄竹饰面稻草板的性能检测结果
Table 2Performance test results of overlaid particleboard
实验号
MOR  MOE σ⊥ l
平均值(MPa) 变异系数(%) 平均值(GPa) 变异系数(%) 平均值(MPa) 变异系数(%) Ⅱ类 Ⅲ类
A  37.30  33.20  3.32  25.01  0.37  15.07
B  32.70  22.38  3.23  22.49  0.36  27.32 完全剥离 没有剥离
C  35.87  9.79  3.20  3.92  0.37  31.72
  而对于表面胶合强度,3组试件的数值都超出了标
准的要求值,但超出程度不大。在Ⅱ类浸渍剥离实验
中,3组试件的薄竹都被完全剥离下来,说明使用乳白
胶粘贴的薄竹饰面稻草板不耐热水浸渍;而在Ⅲ类浸
渍剥离实验中,3组试件的薄竹都没有剥离裂缝,说明
使用乳白胶粘贴的薄竹饰面稻草板可以耐温水浸渍。
同时进行了乳白胶涂胶量对饰面板材各种性能影
响的单因素方差分析,得出显著性概率值,如表3所
示,表3列出了涂胶量对 MOR、MOE及σ⊥影响的显
著性概率值,可以看出显著性概率值都大于0.05,所以
在本文条件下,乳白胶的涂胶量对饰面板材的各项性
能没有显著性的影响。
表3 涂胶量对各性能的影响显著性
Table 3Significance of the effects of gule spread on
performances
性能 MOR  MOE σ⊥
显著性 0.8027  0.9733  0.9952
3.2 饰面板材微观形貌观察
图4为饰面材料薄竹的外表面,薄竹的外表面主
要为维管束组织细胞以及薄壁组织细胞的纵切面,维
管束组织致密,薄壁组织疏松,两者以刚柔相济的结合
方式赋予薄竹良好的强度及韧性。
图5为饰面材料薄竹的内表面,薄竹的厚度在5
层细胞左右,并且在薄竹的内表面还粘贴了1层无纺
布,这样可以改善薄竹的脆性,增加薄竹的横纹抗拉强
度。薄竹背面粘贴无纺布的胶合质量很重要,它对装
饰后的产品质量起着举足轻重的作用,如果无纺布与
薄竹之间胶合不好,在与人造板基材粘贴时,会导致产
品的表面结合强度低,即贴面产品在薄竹与无纺布之
间发生剥离[13]。
图4 薄竹外表面
Fig 4Outer surface of sliced bamboo veneer
图5 薄竹内表面
Fig 5Inner surface of sliced bamboo veneer
  在对饰面材料进行表面胶合强度实验时,发生剥
离的位置在稻草板基材的表面,而非界面胶层或者薄
竹与无纺布之间,如图6所示,说明无纺布与薄竹之间
的胶合质量、以及薄竹与稻草板基材之间胶合质量都
0501 2013年第7期(44)卷
良好。同时在Ⅱ类浸渍剥离实验中,发生浸渍剥离的
位置为胶层,而非无纺布与薄竹之间,说明无纺布与薄
竹之间的粘结耐水性良好,而薄竹与稻草板基材之间
的粘结不耐热水浸渍,这主要是与所使用的乳白胶耐
水性差有关。
图6 表面胶合实验破坏形貌
Fig 6Fracture surface appearance of surface bonding testing
  再结合图7所示,观察薄竹与稻草板基材之间的
胶结界面(图中虚线所示部位)及薄竹与稻草层,发现
粘度较大的乳白胶不易对薄竹及稻草板进行较深入的
扩散,薄竹细胞层内存在较多的孔洞,同时稻草板内部
也有孔洞及粘结不良裂缝的存在;这些因素,致使水分
易于进入材料内部而导致乳白胶粘贴的薄竹饰面稻草
板不耐热水浸渍,同时饰面材料在受到外力作用时,在
裂缝及孔洞边缘处易产生应力集中,促使裂纹的进一
步发展,最终导致饰面稻草板具有不高的表面胶合强
度。
图7 界面结合微观形貌图
Fig 7Micro-morphology of interfacial bonding
3.3 材料红外光谱分析
分析薄竹材料(含无纺布)、稻草板基材材料、饰面
板材上薄竹与稻草板基材胶合的界面处材料以及乳白
胶的红外光谱,观察其在化学官能团结构上的变化,以
此在化学结构上揭示薄竹饰面稻草板的胶结性能。
用乳白胶胶接时,胶层的形成是由于水分挥发,乳
胶粒发生粘性流动而融合粘连,失去流动性,当水分进
一步挥发时,且胶的温度高于最低成膜温度时,粒子就
发生变形、融合,而形成连续的胶膜,达到固化胶结的
目的。PVAc为热塑性胶,软化点低,且制造时用亲水
性的聚乙烯醇(PVA)作乳化剂和保护胶体,因而使它
产生了最大的弱点:耐热性和耐水性差[14]。图8为聚
乙酸乙烯酯与聚乙烯醇的分子结构式。
图8 PVAc与PVA的分子结构式
Fig 8The molecular structural formula of PVAc and
PVA
   图 9 为乳白胶体系的红外光谱图,其中,在
1735cm-1 处为羰基( C  O)的伸缩振动吸收峰,1240
和 1022cm-1 处 分 别 为—COOCH3 中—COO—
和—O—CH—的伸缩振动吸收峰,这3条特征谱带的
存在指示有脂类的存在;在1373cm-1 处为甲基的对
称弯曲振动吸收带,它的强度要比1430cm-1 处亚甲
基的弯曲振动谱带强,这是由于甲基直接与羰基相连
所引起的,因而可以指示乙酸酯的存在,同时在
1639cm-1 处为 C  C键的吸收峰,此为PVAc制备过
程中歧化终止反应中的产物。在3330cm-1 处为缔合
羟基的吸收带,峰型宽而钝,此揭示了醇羟基的存在;
1107cm-1 处的C—C—O键的振动吸收峰;并且由于
聚乙烯醇中亚甲基的存在,使得在1430cm-1 处的吸
收峰明显增强。以上都显示了乳白胶体系中PVAc和
PVA的存在,并且体系中含有大量的羟基,乳白胶一
1501任丽敏 等:薄竹贴面稻草板的制备与性能分析
方面可与饰面材料及基材进行氢键结合,另一方面也
可渗透到饰面材料及基材中形成“胶钉”起到机械粘结
的作用。
图9 乳白胶的红外谱图
Fig 9FT-IR of PVAc
  如图10所示,从上到下依次为薄竹(a)、稻草板基
材(b)与界面处材料(c)的红外光谱图。竹材与稻草是
天然的高分子聚合物,主要是由纤维素、半纤维素和木
质素3种天然有机高分子物质组成。在图10中,认为
纤维素的特征吸收峰为2917cm-1(CH 伸缩振动)、
1410cm-1(CH2 剪式振动)、1373cm-1(CH弯曲振动)
和897cm-1 (异 头 碳 C1 振 动);在 1646、1587 及
1506cm-1 处 为 木 质 素 苯 环 的 碳 骨 架 振 动;在
1153cm-1 处为纤维素和半纤维素C—O—C的伸缩振
动吸收峰,在1018cm-1 处为纤维素、半纤维素和木质
素C—O的伸缩振动吸收峰;在1715cm-1 处为半纤维
素的乙酰基和羧基上的 C  O 伸缩振动吸收峰,在
1238cm-1 处为酰氧键CO-OR的伸缩振动(半纤维
素乙酰氧基)和木质素苯环—氧键伸缩振动的吸收
峰[15],稻草板基材材料区别于薄竹材料的地方就在于
没有 这 两 处 的 吸 收 峰。两 种 饰 面 原 材 料 都 在
3320cm-1 附近有缔合羟基的伸缩振动吸收峰,但是峰
的强度不大,与界面处材料的峰强不相上下,而与乳白
胶的峰强相差较大,这说明在使用乳白胶对两种饰面
材料进行胶结后,氢键的变化不大,氢键的存在一方面
为材料在干燥的使用环境下提供足够的胶结性能,另
一方面也会在高温高湿的使用环境下而得到破坏,致
使材料失去胶结能力。
图10 饰面板材料的红外谱图
Fig 10FT-IR of the materials of overlaid particle-
board
4 结 论
使用乳白胶制备了刨切薄竹贴面薄型稻草刨花
板,其平均厚度在5.4mm 左右,平均密度在0.85g/
cm3 左右,其静曲强度和弹性模量远远超出了国家标
准的要求,表面胶合强度也达到了国标的要求,其能够
耐温水浸渍,但不耐热水浸渍;乳白胶的涂胶量在实验
条件下对各检测性能影响不显著。
通过电镜观察饰面材料胶合界面处的微观形貌,
发现乳白胶不易对薄竹及稻草板进行更为深入的扩
散,薄竹细胞层内存在较多的孔洞,稻草板内部也有孔
洞及粘结不良裂缝的存在;红外分析显示乳白胶体系
中存在亲水性的聚乙烯醇,并且饰面材料体系中也有
氢键存在;乳白胶与饰面材料进行胶结主要靠机械结
合与氢键结合,而裂缝与亲水性基团的存在使得饰面
板材在高温高湿的环境下更易被水作用而失去这两种
主要的胶合方式。
薄竹饰面薄型稻草板,具备了薄竹优美的颜色与
花纹,同时也具备了稻草刨花板优异的物理力学性能,
能够用于干燥的使用环境,能够作为室内装饰材料及
非承重包装材料而得到推广使用,从而提高了非木质
生物质材料的使用价值。
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Study of PCT and kinetic properties for LaNi4.7Al0.3hydrogen storage aloy
MA Jin-cheng1,ZHANG Zao-xiao2,WANG Yu-qi 1,YANG Fu-sheng2,
WU Zhen2,YAO Rui-qing1,CAO Jian-dang3
(1.School of Chemical Engineering,Northwest University,Xi’an 710069,China;
2.School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China;
3.Xi’an Xijun New Materials Company,Xi’an 710000,China)
Abstract:The PCT properties and hydriding/dehydriding kinetics were simulated for LaNi4.7Al0.3under qua-
si-isothermal and variable pressure conditions.An ideal kinetic expression for the hydriding/dehydriding reac-
tion is an important tool in the designing process of reaction unit.This paper is based on PCT polynomial equa-
tion and nucleation and growth model,and appropriate model equations were obtained for hydriding/dehydrid-
ing reaction of LaNi4.7Al0.3hydrogen storage aloy.There was a large slope in the PCT plateau of the aloy.The
plateau was divided into three regions according to hydrogen content of hydriding/dehydriding,and enthalpy
and entropy values are calculated for each regions using Van’t Hoff equation.The results show that the activa-
tion energy value was Ea=32kJ/mol,and the Avrami index n were within the narrow range of 1.1-1.33in the
model equation.The theoretical curves and the experimental data show a good agreement.The mechanism of
hydriding/dehydriding changes from one-dimensional nucleation and growth in the prior period to lower diffu-
sion in the later period for controling reaction process.
Key words:hydrogen storage aloy;hydriding;dehydriding;LaNi4.7Al0.3
櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊
(上接第1052页)
Preparation and performance analysis of rice-straw
particleboard overlaid with sliced bamboo veneer
REN Li-min1,2,WANG Feng-hu1,ZHANG Li 1
(1.Colege of Material Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China;
2.Colege of Humanities and Law,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)
Abstract:The rice-straw particleboard overlaid with sliced bamboo veneer was manufactured with PVAc,and
the physical and mechanical properties were studied.The results showed that the MOR and MOE of the over-
laid particleboard were excelent,and the surface bonding strength was good.The particleboard could have
warm water resistant and not have hot water resistant.The micro-morphology of overlaid particleboard was ob-
served by SEM,and the FT-IR of materials was analyzed.The micro-cracks and hydrophilic groups made the
particleboard lost bonding property under the condition of high temperature and humidity.The overlaid parti-
cleboard has the bamboo’s beautiful color and texture,and also has the excelent physical and mechanical prop-
erties of rice-straw particleboard,so it can be widely used as interior decoration material and non-load-bearing
packaging material.
Key words:sliced bamboo veneer;rice-straw particleboard;physical and mechanical properties;micro-morpholo-
gy;FT-IR
8501 2013年第7期(44)卷