萬 怡， 賀福強*， 陳發(fā)江， 徐浩然， 賴大港

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州晶木建材有限公司，貴州 貴陽 550025)

秸稈是農(nóng)作物收取果實后剩余的部分，是重要的可再生生物質(zhì)資源[1]。世界秸稈年產(chǎn)量高達(dá)20億t，中國年產(chǎn)量超過9億t，其中玉米秸稈約占40%[2-3]。由于被用作燃料和工業(yè)原料利用率較差，大量玉米秸稈被廢棄焚燒，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費[4-6]。玉米秸稈的主要分成為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，與木材成分相近，可以摻入或替代木材制作人造板材[7-10]。

近年來，國內(nèi)外不少學(xué)者對秸稈復(fù)合板材進(jìn)行試驗分析探究。Nazerian和Sadeghiipanah[11]研究原料添加比和無機膠粘劑施加量對木材-秸稈無機刨花板力學(xué)性能的影響，確定最佳工藝參數(shù)從而優(yōu)化板材性能。Hafezi[12]等在膠粘劑中添加偶聯(lián)劑改善了秸稈與木材之間的膠結(jié)效果，大幅度提高了木材-秸稈復(fù)合板的物理機械性能。王建恒[13]等用玉米秸稈和水玻璃制作人造板，采用無機鹽溶液對玉米秸稈顆粒進(jìn)行預(yù)處理，增強了板材的阻燃性能和強度性能。張召召[14-16]等制作玉米秸稈/木材復(fù)合板，探究原料配比、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度對外觀質(zhì)量和物理性能的影響。

板材制備工藝條件非常重要，與板材密實度息息相關(guān)，目前的研究大多數(shù)都針對于預(yù)處理和壓制成型階段，尚缺乏人造板后處理工藝參數(shù)對密實度的影響規(guī)律認(rèn)識。本研究分析保壓時間、烘干溫度、烘干時間以及它們之間交互作用對秸稈-木屑復(fù)合板材密實度的影響規(guī)律，建立與驗證了回歸模型的有效性，得到最佳后處理工藝參數(shù)，為秸稈復(fù)合板材的制備提供了實驗依據(jù)和理論支撐。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

研究材料為貴州晶木建材有限公司生產(chǎn)的新型秸稈-木屑復(fù)合板材，具有抗酸堿、耐老化、防碳化等多功能特點。截取未經(jīng)歷后處理的板材的一小塊，尺寸為50 mm×50 mm×8 mm，如圖1所示，其主要成分見表1。避免不同批次的板材的性能有所不同，試驗采用同一批次的板材；生產(chǎn)實際過程中選擇截取位置不同，板材密度存在差異，故試驗選擇板材的中間和邊緣截取試件，試驗數(shù)據(jù)取其平均值。

圖1 板材試件尺寸圖

表1 秸稈-木屑復(fù)合板材成分表

進(jìn)行試驗之前，對板材做平衡處理：在室溫下相隔24 h稱量板材的質(zhì)量，質(zhì)量差小于試件質(zhì)量的0.1%，即可視為質(zhì)量恒定[17]。采用模具對板材在壓制成型的最大壓應(yīng)下保持一段時間進(jìn)行保壓試驗；采用XMA-2000電熱恒溫干燥箱進(jìn)行烘干試驗；采用精度為0.01 g的天平測量處理后的板材的質(zhì)量；采用精度為0.01 mm的千分尺測量處理后的板材的尺寸。

1.2 數(shù)據(jù)處理

板材密實度計算公式如下：

(1)

式中：ρ表示板材的密實度，kg/m3；m表示板材的質(zhì)量，kg；v表示板材的體積，m3；l、b、h分別表示板材的長度、寬度、厚度，m。

1.3 試驗方法

1.3.1 單因素試驗方法

單因素法主要分別探究后處理工藝條件，即保壓時間、烘干溫度、烘干時間三個因素對秸稈-木屑復(fù)合板材密實度的影響。保壓時間取常用實際生產(chǎn)時間12 h、24 h、36 h。參照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，烘干溫度取90 ℃、110 ℃、130 ℃，烘干時間取1 h、2 h、3 h。單因素及水平信息如表2所示。

表2 單因素試驗設(shè)計因素水平表

1.3.2 響應(yīng)面試驗方法

響應(yīng)面法[18-19]是根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，獲取各變量的最優(yōu)取值范圍，確定因素水平。采用Design-Export 10.0.7軟件進(jìn)行試驗，利用Box-Behnken法[20]設(shè)計試驗方案，以保壓時間、烘干溫度、烘干時間作為實驗因素，以密實度作為響應(yīng)，擬合它們之間的函數(shù)關(guān)系，求解出多元二次回歸方程，分析后處理工藝參數(shù)對復(fù)合板材密實度的顯著性順序。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

根據(jù)1.3.1中的單因素試驗設(shè)計，分別探究保壓時間、烘干溫度、烘干時間對板材密實度的影響，如圖2所示。可知，密實度隨著保壓時間的增加而增大，超過24 h后，增大速率減小。這是因為玉米秸稈為黏彈性材料，保壓時間越長，彈性回復(fù)減小，板材尺寸穩(wěn)定性越大；板材內(nèi)部應(yīng)力隨著保壓時間變長而逐漸分散并減小，化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)更充分，此時密實度快速增大。但秸稈顆粒的密度會隨著保壓時間的增長而增加到一定值，此時密實度增大變得緩慢，從而密實度呈現(xiàn)出先迅速上升再緩慢上升的趨勢。密實度還受烘干工藝的影響，隨著烘干溫度和時間增加先增大再減小。原因是烘干溫度在80 ℃～110 ℃范圍內(nèi)，木屑和玉米秸稈顆粒間緊密結(jié)合，黏結(jié)牢固，板材密實度增大；達(dá)到110 ℃后，各顆粒間粘合困難，且板材失水嚴(yán)重導(dǎo)致質(zhì)量下降，密實度也隨之降低。

圖2 單因素試驗結(jié)果

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

響應(yīng)面試驗中，對三個因素以-1，0，1進(jìn)行編碼，其中“1”代表高水平，“0”代表中心點，“-1”代表低水平，因素與水平設(shè)計見表3。將各因素及其水平值輸入軟件中，最終確定17組試驗參數(shù)，并通過試驗獲取了各試驗點的試驗數(shù)據(jù)。表4是17組試驗設(shè)計參數(shù)與結(jié)果。

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計因素水平表

表4 響應(yīng)面試驗設(shè)計及試驗結(jié)果

運用Design-Export軟件對表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸方程擬合，得到保壓時間、烘干溫度、烘干時間與密實度之間的二次多項回歸方程：

Y=1 305.21+17.82A-9.58B-3.03C

-5.41AB+11.49AC+0.91BC

+2.07A2-74.73B2-7.79C2

式中：Y為密實度，A為保壓時間，B為烘干溫度，C為烘干時間；AB表示保壓時間與烘干溫度交互作用，AC表示保壓時間與烘干時間交互作用，BC表示烘干溫度與烘干時間交互作用。

密實度回歸方程模型方差分析見表5。其中P值大小與因素顯著性相關(guān)，P<0.001為極顯著，P<0.01為高度顯著，P<0.05為顯著。在表5中，密實度方差模型P<0.000 1，說明具有顯著性差異，而失擬項P=0.323 0>0.05，無顯著性，說明回歸方程模型的擬合值與實驗數(shù)據(jù)相比非正常誤差較小，具有較好的擬合度和可信度。該方程中A、B、C的P值都小于0.000 1，說明保壓時間、烘干溫度、烘干時間對密實度都有極顯著的影響，其中對密實度的影響大小順序為：保壓時間>烘干溫度>保壓時間。AB、AC的P值小于0.000 1，說明各因素之間除了單獨對密實度有影響外，它們之間還有明顯的交互作用，其中保壓時間與烘干溫度、保壓時間與烘干時間之間有極顯著的交互作用，共同影響密實度；BC項的P值小于0.05，說明烘干溫度與烘干時間之間有顯著的交互作用。校正相關(guān)系數(shù)與預(yù)測相關(guān)系數(shù)兩者數(shù)值差異小且均接近1，說明該方程模型已滿足要求，無需進(jìn)一步優(yōu)化。信噪比為202.951，表明用該方程模型對密實度進(jìn)行預(yù)測分析非?？煽俊?/p>

表5 密實度響應(yīng)面回歸模型方差分析

圖3～圖5是保壓時間、烘干溫度、烘干時間之間的交互作用對密實度影響的響應(yīng)曲面和等高線圖。響應(yīng)曲面圖中，曲面傾斜度越高說明該因素對密實度影響越顯著。當(dāng)?shù)雀呔€圖趨于圓形時，說明兩個因素是獨立的，不存在交互作用，當(dāng)?shù)雀呔€圖趨于橢圓形時，說明兩個因素之間存在交互作用。從圖中可以看出，保壓時間、烘干溫度、烘干試件之間都存在交互作用，這與表5中P值一致。其中，保壓時間與烘干溫度、保壓時間與烘干時間之間的響應(yīng)曲面較陡且等高線更趨于橢圓形，說明它們對板材密實度的交互影響極顯著；烘干溫度與烘干時間的等高線圖接近橢圓形，說明它們對密實度的交互影響顯著。交互作用對密實度的影響順序為：AC>AB>BC。三個因素之間的響應(yīng)曲面均存在峰值點，說明密實度在當(dāng)前各個因素的水平范圍內(nèi)存在最大值。

圖3 保壓時間與烘干溫度的交互作用

圖4 保壓時間與烘干時間的交互作用

圖5 烘干溫度與烘干時間的交互作用

經(jīng)軟件預(yù)測分析可知，當(dāng)響應(yīng)值密實度最大時，保壓時間為35.76 h，烘干溫度為106.6 ℃，烘干時間為2.2 h，此時板材密實度預(yù)測值為1 326.46 kg/m3。為了驗證通過Design-Expert軟件得出的板材密實度的最佳后處理工藝，在此工藝下進(jìn)行5次平行試驗，如表6所示，五次測量平均值為1 326.70 kg/m3。可知實際測量值和預(yù)測值差異小，說明基于響應(yīng)面法得到的后處理工藝對密實度的影響規(guī)律較為準(zhǔn)確。

表6 實際測量密實度值

3 結(jié)論

本文研究保壓時間、烘干溫度、烘干時間三個后處理工藝參數(shù)對秸稈-木屑復(fù)合板材密實度的影響規(guī)律，并基于響應(yīng)面分析法建立密實度回歸方程，獲取最佳后處理工藝條件，結(jié)論如下：

(1)影響密實度的因素有保壓時間、烘干溫度和烘干時間，其顯著性順序為：保壓時間>烘干溫度>烘干時間。各因素之間存在交互作用，其中保壓時間與烘干溫度、保壓時間與烘干時間的交互作用極顯著，共同對板材密實度產(chǎn)生影響。

(2)建立密實度回歸方程，分析驗證了此方程的準(zhǔn)確性和可靠性。最佳后處理工藝為：保壓時間35.76 h，烘干溫度106.6 ℃，烘干時間2.2 h。在此條件下預(yù)測板材的密實度為1 326.46 kg/m3，與實際測量值接近，具有一定的參考價值。