狼尾草中密度纤维板的研究

【摘要】：本论文调查了狼尾草的来源和分布情况、研究了狼尾草的外观和微观构造、纤维形态、化学成分等原料特性,探讨其作为中密度纤维板原料的可行性；讨论了脲醛树脂(UF)对狼尾草的润湿性和胶合机理,进行了狼尾草中密度纤维板(MDF)的初步研制和验证试验,从而推断出狼尾草中密度纤维板的较合适的工艺参数；对狼尾草的工业化利用的可能性进行了研究,进行了成本核算和用途研究,从而判断狼尾草中密度纤维板研究的可行性、实用性和经济性。结论如下： (1)狼尾草是一年生或多年生禾本科草本植物,植株高大,一般株高2-3米。在南京已种植多年,长江中下游地区种植面积在逐步加大。目前,主要用作青绿饲料,也有一些进行综合利用的研究报道。用作人造板原料,扩大了木材替代原料的范围、提高了狼尾草的经济价值,有利于保护生态环境。 (2)狼尾草主要由表皮组织、纤维组织带、基本薄壁组织和维管束组织组成,含有纤维细胞、薄壁细胞、导管分子和表皮细胞等。狼尾草解离纤维细胞的平均长度为1.30mm,长宽比为108,平均壁厚为3.5μm,壁腔比为0.65,其纤维质量较好。狼尾草热磨纤维的筛分值为粗纤维占12.5%,中长纤维占70.8%,细小纤维占11.8%,纤维的筛分值比较理想的,是研制中密度纤维板的一种潜在原料。 (3)狼尾草秸秆综纤维素含量为71.83%、聚戊糖19.60%、木素23.84%、苯醇抽提1物2.84%、灰分4.84%,从化学成分分析可以看出,狼尾草性能接近于毛白杨,介于毛白杨和麦秸之间,是一种性能优良的中密度纤维板研制原料。狼尾草的叶、茎秆、节、枝梢、髓芯各部分的化学成分中,叶的灰分含量比较高,达到11.21%,髓芯次之为8.77,影响胶合质量；茎秆的纤维素含量最高,叶的含量最低。狼尾草不同部位和狼尾草纤维的相对结晶度各不相同,茎杆的相对结晶度最高,髓芯的相对结晶度最低。狼尾草秸秆各部分和狼尾草纤维的pH值都在4.5-6.0之间,呈酸性,热磨后纤维的pH值和酸碱缓冲容量明显降低,有利于缩短脲醛树脂胶的固化时间,叶的pH值和酸碱缓冲容量最高,对脲醛树脂胶固化是不利的。综合考虑叶的灰分含量高、pH值和酸碱缓冲容量高、热磨时易破碎等因素,可以考虑在备料时将狼尾草的叶除去。 (4)对狼尾草秸秆外表面、髓芯和狼尾草纤维进行红外光谱分析,发现：狼尾草秸秆外表面、髓芯和狼尾草纤维的红外光谱图中都出现了O-H伸缩振动、C-H伸缩和弯曲振动、C=C伸缩振动和C-O伸缩振动等明显的特征峰,表明了这三种样品中都包含了纤维素、半纤维素和木素三种成分；秸秆外表面出现了Si-O伸缩振动峰,而髓芯和狼尾草纤维的红外光谱图中则没有这样的峰出现;纤维的红外光谱图上峰的数量明显多于秸秆和髓芯,表明经过热磨处理后基团的种类和数量明显增加。对狼尾草纤维进行DSC研究,发现：狼尾草纤维的DSC曲线在60-150℃范围内有微小的吸热和放热峰,表明原料经过热磨形成纤维后,一些内部的活性基团暴露到表面,有利于提高狼尾草与胶粘剂的胶合性能。这些研究结果表明,原料热磨成纤维后,对提高胶合质量是非常有利的。 (5)通过对狼尾草进行润湿性、ESR、FIRT及DSC研究,发现：狼尾草秸秆内表面接触角明显小于外表面,热磨成纤维后润湿性能将加强；狼尾草经热磨制成纤维后,原料表面自由基数量明显增多,制成中密度纤维板后,表面自由基数量明显减少；纤维制成MDF后,缔合羟基振动峰强度明显减弱,对应峰的位置也发生了一些变化；在加热条件下,纤维和UF胶之间发生了化学反应,添加适量固化剂后,反应时间提前,反应活性明显增强。这些研究发现,表明了狼尾草与UF胶理论上可以产生较好的胶合性。 (6)以狼尾草为原料,采用中密度纤维板常用的热压工艺条件,以正交试验法进行压制狼尾草中密度纤维板的预备试验。实验结果表明：采用合适的工艺条件,可以压制出达到国家标准的中密度纤维板。通过对数据结果进行直观和方差分析,推断出狼尾草中密度纤维板的较佳生产工艺。 (7)运用预备试验推断得到的较佳工艺参数进行狼尾草中密度纤维板验证试验,可以研制出达到国家标准的室内型中密度纤维板。验证试验中,还对热压温度和施胶量进行了适当调整,并添加了适量的防水剂,发现防水剂的添加有助于提高板材的防水性能,但热压温度和施胶量的提高对狼尾草中密度纤维板的性能优化没有明显效果。对试验板材进行断面密度的测量,并进行了质量分析,进一步验证了力学性能的测试结果,即：狼尾2草中密度纤维板比较理想的研制工艺为：密度0.8g/cm3、热压时间20 s/mm、热压压力3.5MPa、热压温度160℃、施胶量12%。施胶过程中添加1%NH4Cl作为固化剂,添加1.2%的石蜡乳液用量作为防水剂。 (8)沿海大开发战略的实施为狼尾草中密度纤维板的工业化生产提供了机遇。可以利用江苏的滩涂广泛种植狼尾草,为沿海的中密度纤维板生产企业提供原料来源,缓解企业原料紧缺的矛盾,同时也可以高效集约开发利用沿海滩涂,拓展江苏发展新空间。对狼尾草中密度纤维板的成本进行了测算,发现它的成本略低于木材,可以获得比较好的经济效益。对狼尾草中密度纤维板的用途进行了研究,因其表面平整光滑、尺寸稳定、机械加工性能好,材性与无缺陷的天然木材相近,可以用在家具制造、室内装修、建筑等领域。