刨花形态和施胶量对玉米秸秆刨花板性能的影响

1.1　试验材料

1）玉米秸秆刨花

选用黑龙江省经过机械直收后得到的玉米秸秆，含水率约15%，经碎料机粉碎、筛网筛选、风选去除瓤和叶（瓤和叶质量比例小于1%）、干燥等处理后，得到6种不同形态、含水率3%~5%的秸秆刨花。采用筛分的方式对刨花进行分选，以筛分粒度值表征刨花形态。如图1所示，6种形态的玉米秸秆刨花均呈细条状；其形态参数测量结果列于表1，不同形态刨花的平均宽厚比区别不明显，而平均长厚比差别较大。

图1   6种形态的玉米秸秆刨花Fig.1   Six types of corn straw particles with different geometries

2）胶黏剂

粉末脲醛树脂，由晴俊化工（中国）生产。脲醛树脂与水质量配比1∶1。固化剂采用质量分数为25%的氯化铵溶液，添加量为脲醛树脂胶液质量的2%。

1.2　主要设备仪器

1.3　板材制备

1.4　板材性能测试

1） 理化性能测试

按照GB/T 17657—2013 《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，测试MOR、MOE、IB、2 h TS和24 h TS。

2） 断面微观形貌观测

对14%施胶量的试板IB测试后，切割制取尺寸为5 mm（长）×5 mm（宽）×1 mm（厚）的断裂面试样，对其表面喷金处理后进行微观结构分析。

3） 动态热机械性能测试

将板材切割成尺寸为50 mm（长）×10 mm（宽）×2 mm（厚）的薄片试样进行动态热机械分析，采用三点加载弯曲方法，振幅60 μm，加载频率1 Hz，温度范围25~220 ℃，升温速度5 ℃/min。

2.1　刨花形态与施胶量对刨花板性能的影响

2.1.1　静曲强度与弹性模量

不同刨花形态与施胶量条件下制备试板的MOR和MOE测试结果，如图2所示。

从图2可以看到，在施胶量一定时，试板MOR受刨花形态影响较明显。在刨花筛分粒度为10~14目时，试板MOR较低。随刨花筛分粒度减小，试板MOR逐渐升高，30~40目刨花制成的试板具有最佳的MOR；但随着刨花筛分粒度进一步减小至40~60目时，试板MOR反而明显下降。

在施胶量一定时，试板MOE随刨花形态的变化趋势类似。长厚比大的刨花塑性好，热压时刨花之间的接触比较紧密，制成的刨花板通常具有更高的MOR和MOE[11]。从表1可知，本研究中不同筛分粒度玉米秸秆刨花的长厚比区别较大：在10~30目范围内，随着刨花筛分粒度减小，刨花长厚比逐渐增大，30~40目刨花具有最大的长厚比；而40~60目刨花长度迅速减小，长厚比出现回落。试板MOR和MOE与刨花长厚比的变化趋势基本一致。尽管40~60目刨花与20~30目刨花的长厚比相当，但前者制备试板强度不如后者，主要是刨花长度较小所致。表明对于玉米秸秆刨花板的MOR和MOE，虽然刨花长度有一定影响，但刨花形态的影响主要体现在长厚比参数上。总体来说，刨花长厚比越大，刨花板MOR和MOE越高。

对不同形态刨花，试板MOR受施胶量的影响规律不同。从图2中可以看到，在秸秆刨花筛分粒度为10~14目时，随施胶量增加，试板MOR不仅没有升高，反而出现降低。而当刨花筛分粒度小于14目时，随施胶量增加，试板MOR明显升高。Medved等[12]在胶黏剂中添加荧光剂，采用荧光光源和CCD相机研究胶黏剂和刨花尺寸对刨花板表面胶黏剂覆盖率的影响，验证了增大刨花尺寸、增加施胶量对提高刨花表面有效施胶量的积极效果。根据此研究，笔者认为施胶量和刨花形态共同作用于刨花的有效施胶量，从而影响刨花板的力学性能。又有研究表明，施胶量过高会使刨花板MOR出现降低[13]。10~14目刨花的比表面积较小，仅需较少的施胶量就能覆盖大部分刨花表面，当大部分刨花表面已经被胶黏剂覆盖时，进一步增加施胶量，反而会导致MOR降低。筛分粒度大于14目的刨花的比表面积较大，较少的施胶量不足以覆盖大部分的刨花表面，随着施胶量增加，刨花之间的胶接点增加，刨花板整体MOR升高。

对玉米秸秆刨花板而言，在刨花形态一定时，MOE受施胶量的影响较小。这是因为MOR表征的是板材弯曲断裂的限值，而MOE是板材弯曲变形阶段内应力与应变之间的比值。施胶量的增加改变了实际胶接面积，从而影响板材MOR的高低，但对板材弯曲过程中的应力应变比值的影响较小。

2.1.2　内结合强度

刨花形态与施胶量对试板IB的影响如图3所示。施胶量一定时，试板IB随着刨花筛分粒度的减小，呈现出先增大后减小的趋势，并在24~30目时达到最大值。对施胶量14%的试板IB测试后的表面进行扫描电子显微镜观测，如图4所示。

图3   刨花形态与施胶量对试板IB的影响

Fig.3   Effects of particle geometry and resin content on the IB of corn straw particleboards

图4   IB测试后试件的表面扫描电镜图（施胶量14%）

Fig. 4   SEM images of the IB fracture surfaces of straw particleboards (Resin content 14%)

从图4可以看到，在刨花筛分粒度为10~14目时，刨花筛分粒度较大，热压后刨花沿板材厚度方向可以被紧密地压实，但交织错叠的刨花之间

依然存在许多缝隙，导致单位面积内实际承受载荷的胶接面积较小，试板IB较低。在14~30目范围内，随着刨花筛分粒度减小，刨花之间的缝隙减少，单位面积内实际承受载荷的胶接面积增加，断面大部分刨花呈层状撕裂现象，板材IB较高。此外，Li等[6]研究认为，随刨花筛分粒度减小，刨花比表面积会增大，新增表面未覆盖蜡质和硅质，胶接体系内难以胶接的蜡质层表皮面积占全部刨花总表面积的比例下降。对玉米秸秆刨花同样存在这种效应，随刨花筛分粒度减小，刨花之间的平均粘接强度提高，在一定程度上有利于刨花板IB的升高；但随着刨花筛分粒度进一步减小，30~60目刨花比表面积增大，在施胶量一定时单位粘接表面上的胶量减小，刨花之间不能紧密粘接，反而出现许多缝隙，因此试板的IB降低。

从图3还看到，在刨花筛分粒度一定时，随着施胶量增大，试板IB整体呈增大趋势。这是因为施胶量增加使单位面积胶黏剂增加，热压时秸秆刨花之间的总粘接力增强，从而提高了试板的IB。

2.1.3　吸水厚度膨胀率

刨花形态与施胶量对试板2 h TS的影响如图5所示。在不同施胶量下，刨花形态对试板TS影响的程度不同。

图5   刨花形态与施胶量对试板2 h TS的影响

Fig.5   Effects of particle geometry and resin content on the 2h TS of corn straw particleboards

在施胶量为10%时，随刨花筛分粒度减小，试板TS先降低后升高。刨花板吸水厚度膨胀的主要原因是刨花吸水在板材内部形成较大的内应力，克服刨花之间的粘接导致刨花板产生不可逆的厚度膨胀[14-15]。在施胶量为10%时，刨花之间有效施胶面积小，对刨花吸水膨胀的抑制不足。10~14目刨花较大，刨花之间存在较大缝隙，水分容易渗入缝隙，被体系内的刨花吸收，从而导致TS较大。随刨花筛分粒度进一步减小，刨花变小，刨花之间的缝隙减少，抑制了对水分的快速吸收，试板TS明显降低。但当刨花的筛分粒度小于30目时，由于其比表面积增加，单位面积胶接量减少，且实际吸水面积增加，导致TS又变大。

从图5中还可以看到，在刨花筛分粒度一定时，随施胶量增加，试板TS明显减小。这与已有关于施胶量对刨花板吸水厚度膨胀率影响的研究结果相同[14-15]。刨花筛分粒度一定时，增大施胶量可以抑制刨花对水分的吸收，且能增大刨花之间的实际粘接面积，增强板材抵抗刨花吸水膨胀的能力，从而减小刨花板的吸水膨胀。

2.2　动态热机械分析（DMA）

图6   刨花形态和施胶量对试板储能模量的影响

Fig.6   Effects of particle geometry and resin content on the storage modulus of corn straw particleboards

图7   刨花形态和施胶量对试板损耗角正切的影响

Fig.7   Effects of particle geometry and resin content on the loss angle tangent of corn straw particleboards

2.3　刨花板性能优化

表2   三层刨花板和六种单层刨花板性能测试结果

Tab.2   Performances of three-layer particleboards and six types of single-layer particleboards