黃清華，趙星，鄭霞，李新功

（中南林業(yè)科技大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410004）

0 引言

竹子是常見的速生材，也是生長最快的植物之一，被譽為“世界第二大森林”[1]。目前我國的竹材總資源暫居世界前列，種類和面積約占1/4，竹材產(chǎn)量約占1/3。然而由于竹材本身的內部結構缺點：如壁薄中空、尖削度大、組織結構不均勻等，導致對其加工利用率低于50%，嚴重影響了對竹材資源的綜合利用[2-3]。長期以來，我國對竹材加工剩余物主要作為燃料使用，不僅附加值低還對環(huán)境造成嚴重的污染。利用竹材加工剩余物（竹刨花）制成水泥刨花板不僅可以達到節(jié)能利廢、可持續(xù)發(fā)展要求[4]，而且能實現(xiàn)竹材資源的高質高效利用，在一定程度上可以有效緩解木材資源緊張的狀況[5]。目前，通過普通有機膠黏劑熱壓制備的竹刨花板存在甲醛污染或易燃等問題。而采用無機膠黏劑制備的竹刨花板又大都采用冷壓成型工藝，生產(chǎn)周期長、需要大量的模具和儲存場地、生產(chǎn)效率低等都制約了它的推廣應用[6-7]。

王增等[8-9]研究了熱壓溫度、熱壓時間、灰木比、水灰比等工藝參數(shù)對氯氧鎂水泥竹刨花板性能的影響，結果表明，隨著熱壓時間延長、熱壓溫度升高，板材的強度不斷提高；隨著灰木比增大，內結合強度逐漸提高，24h吸水厚度膨脹率、24 h吸水長度變化率、靜曲強度逐漸減小。

為使氯化鎂溶液與氧化鎂粉末充分反應[10]，利用自主研發(fā)的無機膠黏劑為原料，研究施膠量、熱壓時間和熱壓溫度對板材密度及其性能的影響，獲得硅鎂水泥竹刨花板的優(yōu)化制板工藝參數(shù)，為硅鎂水泥竹刨花板工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 試驗

1.1 原料及試劑

竹刨花：產(chǎn)自湖南桃花江，含水率約為10%，根據(jù)篩網(wǎng)篩分結果，竹刨花粒徑分布為：2 mm以下占14.2%，2～10 mm占33.1%，10～20mm占45.8%，20mm以上占6.9%。硅鎂系無機膠黏劑：主要由氧化鎂和氯化鎂自制而成，氧化鎂，白色粉末狀，粒徑200目，MgO含量85%以上，活性MgO含量50%；氯化鎂（MgCl2·6H2O），白色結晶狀，MgCl2·6H2O含量≥99%。添加劑：硅酸鈉、硫酸鎂、磷酸鈉和硫酸亞鐵、氯化鈣等，均為工業(yè)級。

1.2 板材制備

在一定量水中按比例加入硫酸鎂、硫酸鋁、硅酸鈉均勻攪拌5min，靜置，待固體全部溶解后加入氧化鎂、氯化鎂、磷酸鈉和硫酸亞鐵，繼續(xù)均勻攪拌，直至變?yōu)轲こ頎钊榘咨后w。根據(jù)設計密度，加入混合均勻的竹刨花，將上述材料整體混合攪拌5 min后人工均勻鋪裝至300 mm×300 mm×200 mm成型模具中；預壓后置于萬能試驗機中，熱壓成型（其中厚度用12 mm厚度規(guī)控制）。由于硅鎂水泥早期的強度發(fā)展較慢，后期強度高，故選擇將其密封養(yǎng)護7 d后切割成規(guī)格為300 mm×50 mm×12mm和50mm×50mm×12mm試件進行性能測試。

1.3 測試方法

利用日本津島公司的DCS-R-100萬能力學試驗機，按照GB/T 24312—2009《水泥刨花板》測試尺寸為300 mm×50 mm×12 mm試件的靜曲強度、彈性模量；以及測試尺寸為50 mm×50 mm×12 mm試件的內結合強度、24 h吸水厚度膨脹率和板材厚度反彈值等，每組3個試件，取其平均值。

XRD分析：將試件完全破碎磨細后，取0.075 mm篩篩取粉末樣品，采用北京普析通用儀器有限責任公司XD-2型X射線衍射儀進行分析，電壓36 kV，電流20 mA，Cu Kα靶（λ=0.154 nm），掃描速度為 2θ=4°/min，掃描范圍為 5°～75 °。

2 結果與討論

2.1 施膠量對板材性能的影響

密度為1.1 g/cm3、熱壓時間為9 min、熱壓溫度為110℃時，施膠量對硅鎂水泥竹刨花板力學性能的影響見圖1。

圖1 施膠量對硅鎂水泥竹刨花板力學性能的影響

由圖1可見，在試驗范圍內，當施膠量為35%時，板材的靜曲強度、彈性模量較小。其原因可能是無機膠黏劑的水化產(chǎn)物較少，不能完全包覆竹刨花，二者的界面接合狀況差。竹刨花與無機膠黏劑的界面摩擦力較小[11]，外界較小破壞載荷使竹刨花從膠黏劑中拉脫，板材力學性能差。隨著施膠量由35%增大到45%，板材靜曲強度、彈性模量增幅為10.3%、7.06%，內結合強度持續(xù)提高。這是因為，隨著施膠量的增大，無機膠黏劑的水化產(chǎn)物增多，板坯中形成連續(xù)相，竹刨花包覆良好，竹刨花起到了良好的增強作用，板材能承受更大的彎曲破壞載荷。竹刨花板的內結合強度主要取決于無機膠黏劑的水化產(chǎn)物質量與數(shù)量。隨著施膠量的增加，無機膠黏劑水化反應更完全，水化產(chǎn)物質量得到改善、數(shù)量增加，內結合強度逐漸提高。內結合強度越高，對板材吸水厚度膨脹抑制力越大，因此板材的24 h吸水厚度膨脹率越小。

圖2為不同施膠量下硅鎂水泥竹刨花板的XRD圖譜。

圖2 不同施膠量下硅鎂水泥竹刨花板的XRD圖譜

由圖2可見，不同施膠量下的板材中無機膠黏劑水化產(chǎn)物基本相同，均為 5Mg（OH）2·MgSO4·8H2O[12-14]，且衍射峰的位置基本相同。但隨著施膠量增大，同位置的衍射峰強度變大。表明隨著施膠量的增加，板材內部的水化產(chǎn)物增多，晶粒更大，結晶更完整，無機膠黏劑水化產(chǎn)物質量得到改善、數(shù)量增加。

表1為不同施膠量對板坯密度的影響。

表1 不同施膠量下板坯的密度

由表1可知，試制得硅鎂水泥竹刨花板的實際密度與設計密度有一定的差距，在設計密度和刨花規(guī)格相同的條件下，實際密度隨著施膠量的增加而增大。這是因為板材卸壓后的反彈與竹刨花含量有關，竹刨花含量越多，板材的回彈越大，導致體積增大。綜合考慮，45%施膠量為最佳工藝參數(shù)。

2.2 熱壓溫度對板材性能的影響

密度為1.1 g/cm3、熱壓時間為9 min、施膠量為45%時，不同熱壓溫度下硅鎂水泥竹刨花板的力學性能見圖3。

圖3 不同熱壓溫度下硅鎂水泥竹刨花板的力學性能

由圖3可見，隨著熱壓溫度由90℃上升到110℃，板材的靜曲強度由10.45 MPa提高到13.40 MPa，彈性模量由4235 MPa提高到4743MPa，增幅分別為28.2%、12.1%。這是由于在合適的溫度熱作用下，無機膠黏劑的水化反應速度更快，反應更完全[12]。溫度為110℃時可能比較適合無機膠黏劑的水化反應，水化產(chǎn)物更多，形成連續(xù)相，提高了板材承受破壞載荷的能力。隨著溫度由110℃上升到150℃，板材的靜曲強度由13.4 MPa下降到10.75 MPa，彈性模量由4743 MPa下降到3484 MPa，下降幅度分別為19.8%、36.1%。這是由于溫度繼續(xù)升高導致水化反應程度下降，水化產(chǎn)物減少，不能形成連續(xù)的應力傳遞界面，板材的力學性能下降。由于外界的熱量在板材內部主要通過對流和熱傳導的方式傳遞，水分通過壓力梯度以層流和擴散的方式傳遞[15]。當溫度接近150℃時，無機膠黏劑可能快速固化成一個小薄層，影響熱量向內傳播和內部水蒸氣的排出，內部水蒸氣壓力大于外界壓力，板材出現(xiàn)鼓泡分層。同時溫度過高會使已形成的膠層熱分解，使板材的靜曲強度、彈性模量、內結合強度逐漸降低。此外溫度上升，具有增強韌性作用的竹刨花受熱分解，增強作用下降；板材的內結合強度逐漸降低，24h吸水厚度膨脹率逐漸增大。因此，熱壓溫度為110℃更有利于板材的性能。

2.3 熱壓時間對板材性能的影響

密度為1.1 g/cm3、施膠量為45%、熱壓溫度為110℃時，不同熱壓時間硅鎂水泥竹刨花板的力學性能見圖4。

圖4 不同熱壓時間下硅鎂水泥竹刨花板的力學性能

由圖4可見，當熱壓時間從6 min增加到9 min時，板材的靜曲強度由12.8 MPa提高到13.40 MPa，彈性模量由3882 MPa提高到4743 MPa，增幅分別為4.69%、22.18%。這是因為：當熱壓時間為6 min時，無機膠黏劑未能在加熱加壓的條件下充分水化。板材的厚度反彈，即使卸壓后無機膠黏劑下繼續(xù)水化，也不能消除厚度反彈影響，板材的靜曲強度、彈性模量、內結合強度因此較低。隨著熱壓時間由6 min增加到9 min時，由于板材中的無機膠黏劑受熱時間延長，能在加熱加壓的條件下充分水化，水化產(chǎn)物增多，無機膠黏劑與竹刨花結合更緊密，板材強度提高，承受外界破壞載荷能力加強。內結合強度越高，對板材吸水厚度膨脹抑制力越大，因此板材的24 h吸水厚度膨脹率越小。當熱壓時間從9 min繼續(xù)延長至15 min，由于水化反應已基本完成，板材的強度已經(jīng)基本形成；隨著時間的延長，竹刨花內部可能發(fā)生降解反應，使得竹刨花板的靜曲強度、彈性模量下降。

硅鎂水泥竹刨花板的設計密度為1.1 g/cm3，通過測試板材的實際厚度與12 mm厚度規(guī)之間差值得到板材厚度反彈值。表2為不同熱壓時間下硅鎂水泥竹刨花板的實際密度及厚度反彈值。

表2 不同熱壓時間下硅鎂水泥竹刨花板的實際密度及厚度反彈值

由表2可知，當熱壓時間為6 min時，測得板材的實際密度比設定密度減小7.27%,板材的實際厚度比厚度規(guī)厚度增大3.56%。這是因為，當熱壓時間為6 min時，無機膠黏劑未能在加熱加壓的條件下充分水化，使得板材厚度發(fā)生反彈；并且即使卸壓后無機膠黏劑在無壓條件下繼續(xù)水化，也不能消除這一現(xiàn)象。當板材發(fā)生厚度反彈，會增大板材的孔隙率、降低密實度，因此板材的物理力學性能下降；又因為板材的孔隙率越高使得板材更易吸水，24 h吸水厚度膨脹率也就越大。當熱壓時間不斷延長，實際密度逐漸增大，基本達到1.1 g/cm3。主要可能是隨著熱壓時間的延長，無機膠黏劑的水化反應更加完全，提高了板材物理力學性能，從而能有效的抑制板材的厚度反彈值，使實際密度基本達到設定密度。這一結果與熱壓時間對硅鎂水泥竹刨花板的物理力學性的影響可以相互佐證。因此，熱壓時間9 min為最佳工藝參數(shù)。

2.4 密度對板材性能的影響

熱壓溫度為110℃、熱壓時間為9 min、施膠量為45%時，不同密度下硅鎂水泥竹刨花板的物理力學性能見圖5。

由圖5可見，在試驗范圍內，隨著密度從0.9 g/cm3增加到1.1 g/cm3，板材的靜曲強度由9.84 MPa提高到13.40 MPa，彈性模量由3087 MPa提高到4743 MPa，增幅分別為36.2%、53.6%。這是因為，當板材密度增大時，板坯“密實度”增加使得板材孔隙率減小。竹刨花通過無機膠黏劑膠合面增大，板材受到外力時能形成連續(xù)應力傳遞界面，竹刨花起到了良好的增強作用，能承受較大破壞載荷。24 h吸水厚度膨脹率與內結合強度具有一定的關聯(lián)性。在一定范圍內，內結合強度越大對吸水厚度膨脹率抑制力越大，24 h吸水厚度膨脹率就越??；此外，隨著板材“密實度增大”，竹刨花的內部空隙大小和孔隙率會減小，導致吸水通道和途徑也減少，一定程度也降低了板材的24h吸水厚度膨脹率。綜合考慮，竹刨花板密度為1.1g/cm3時，板材性能最優(yōu)。

圖5 不同密度硅鎂水泥竹刨花板的物理力學性能

GB/T 24312—2009對水泥刨花板理化性能的要求見表3。

表3 水泥刨花板的理化性能指標

根據(jù)優(yōu)化制板工藝：密度為1.1 g/cm3，施膠量為45%，熱壓溫度為110℃，熱壓時間為9 min，制得的板材性能最佳。其靜曲強度為13.4 MPa、彈性模量為4743 MPa、內結合強度為0.55 MPa、24h吸水厚度膨脹率1.39%，符合GB/T 24312—2009優(yōu)等品要求。

3 結論

（1）隨著施膠量的增加，無機膠黏劑的水化產(chǎn)物增多，板坯中形成連續(xù)相，竹刨花包覆良好，當施膠量為45%時，板材的靜曲強度、彈性模量和內結合強度達到最大，分別為13.4、4743、0.55 MPa，24 h吸水厚度膨脹率最小，為1.39%；隨著熱壓溫度的升高，水化反應速度加快，水化產(chǎn)物逐漸增多，板材靜曲強度、彈性模量是先增大后減少；隨著熱壓時間的延長，無機膠黏劑能在加熱加壓的條件下充分水化，水化產(chǎn)物增多，無機膠黏劑與竹刨花結合更緊密，板材的靜曲強度、彈性模量先急劇上升后緩慢下降，內結合強度逐漸增大，24 h吸水厚度膨脹率逐漸減少；隨著密度的增加，板材的靜曲強度、彈性模量、內結合強度逐漸增大，24 h吸水厚度膨脹率逐漸減小，為了提高竹刨花的利用率，優(yōu)選密度為1.1g/cm3。

（2）根據(jù)優(yōu)化制板工藝：密度為1.1 g/cm3，施膠量為45%，熱壓溫度為110℃，熱壓時間為9 min，制得的板材性能最佳。其靜曲強度為13.4MPa、彈性模量為4743MPa、內結合強度為0.55MPa、24 h吸水厚度膨脹率為1.39%，符合GB/T 24312—2009優(yōu)等品要求。