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我国芦苇人造板研究进展与发展建议

8-14 19:20| 评论: 0|来自: 中国人造板

摘要: 芦苇(Phragmites communis Trin.),禾本科,芦苇属,是一种广布世界各地的多年生草本植物,芦苇种群成为湿地植物种群的建群种之一,有“第二森林”的称号,发挥着巨大的生态学功能以及社会经济学价值。我国芦苇资 ...

芦苇(Phragmites communis Trin.),禾本科,芦苇属,是一种广布世界各地的多年生草本植物,芦苇种群成为湿地植物种群的建群种之一,有“第二森林”的称号,发挥着巨大的生态学功能以及社会经济学价值。我国芦苇资源丰富,现有湿地面积5 360.26万h㎡,其中芦苇重点产区是湖南洞庭湖、辽宁盘锦、新疆博斯腾湖等湿地,芦苇面积达50多万h㎡,年产芦苇250万~300 万t。


20世纪90年代我国开始了芦苇人造板的研发工作,90年代末期已有数条芦苇刨花板生产线建在黑龙江、新疆等地,近年在辽宁盘锦也投产一条连续平压芦苇刨花板生产线。目前,芦苇人造板并没有取得较大的发展,但随着人们对湿地经济可持续发展的日益重视,以及人造板产业寻找可替代资源的兴起,芦苇作为人造板原料具有一定的市场前景。


1.芦苇的构造与性质


芦苇为禾本科多年生植物,有多年生的根状茎,地上部分一年一熟。芦苇的整个植株可分为根、根状茎、茎、叶、花和种子6个部分,人造板制造主要是利用芦苇茎秆。芦苇的茎秆直立,直径为0.4~2.0 cm,茎秆壁厚平均为0.41 mm,地上茎杆高为1~3 m。芦苇茎秆的显徽构造:在横切面由外向内依次为表皮、薄壁细胞层、纤维组织带、维管束、基本薄壁组织和髓芯薄壁组织,芦苇茎杆各组织含量见表1。


芦苇茎秆各组织含量


芦苇茎杆化学成分与木材相似,主要包括纤维素、木质素、戊聚糖、灰分和溶剂抽提物等成分,几种常用的人造板用原料与芦苇化学成分对比数据见表2。


由表2可见,芦苇的灰分含量高于木材,但低于农作物秸秆。芦苇的纤维素含量较高,且芦苇纤维较长。没有腐朽的芦苇制备的纤维在自然条件下颜色较浅,且没有刺激性气味,适合用于制造高品质的人造板。


芦苇的性能与木材有一定的差异。芦苇茎秆的气干密度约为0.57 g/cm³,按木材密度分级标准属中等重,高于松、杉、杨等人工林木材。芦苇茎秆表皮有一层光滑的蜡质层,影响胶黏剂的渗透性,进而会影响板坯的胶合强度。在芦苇人造板制造中,需要根据产品的性质来制定具体的生产工艺,采用机械方式破坏蜡质层或采用高性能的胶黏剂以满足胶合强度要求。芦苇茎秆表皮的硅物质含量高,王新洲等研究认为芦苇表皮中的硅物质可在人造板中起到防水作用,不添加防水剂的芦苇人造板也能达到刨花板国家标准中耐水性能的要求,过多地添加防水剂会阻碍胶黏剂浸润芦苇纤维组织。芦苇茎秆外表面的润湿性弱于木材但优于农作物秸秆,内表面的润湿性比木材好,采用水溶性脲醛树脂胶制造的芦苇人造板的性能优于麦秸秆人造板。


2.芦苇刨花板研究


芦苇刨花板(俗称芦苇碎料板),是以芦苇茎杆经过破碎且分离髓芯等薄壁组织后得到的芦苇纤维料为单元制备的人造板。芦苇碎料单元的形态不规则,需经过特殊的破碎工艺并筛分后得到不同板坯结构所需的形态单元,破碎程度根据破碎工艺不同而变化。


韩广萍等使用脲醛树脂制备芦苇刨花板。研究表明,芦苇刨花的尺寸对板材的力学性能影响很大,芦苇碎料的尺寸越小,板材物理力学性能愈好。施胶量为10%、13%和15%时,芦苇刨花板的静曲强度、内结合强度和2 h吸水厚度膨胀率均能达到GB/T 4897—2015《刨花板》中干燥状态下使用的普通用刨花板的性能要求。随施胶量的增大,芦苇刨花板的力学性能呈现增大趋势。研究认为芦苇茎杆的破碎是制备芦苇刨花板的关键工艺。


Mohammad等使用脲醛树脂制备芦苇/木材/芦苇三层刨花板。结果表明,芦苇含量为40%、芦苇碎料施胶量为12%、热压温度为185 ℃时,芦苇/木材/芦苇三层刨花板的力学性能最佳。同时,发现芦苇碎料的施胶量大于木材刨花的施胶量。


3.芦苇纤维板研究


芦苇纤维板是指将芦苇茎杆加工刨片后进行热磨获得芦苇纤维,以芦苇纤维为单元制备的人造板。张亚慧等采用芦苇和杨木为主要原料制备纤维板。研究确定的优化制造工艺为混合比例(芦苇∶杨木)70∶30,密度0.80 g/cm3,施胶量14%,防水剂量2%,纤维板的性能指标能满足GB/T 11718—2009《中密度纤维板》规定的在干燥状态下使用的家具型中密度纤维板的要求。


王新洲等研究了芦苇作为纤维板原料的特性。结果显示,芦苇纤维得率达到了87.4%,表明芦苇是一种可代替木材来制造纤维板的原料;芦苇纤维板的物理力学性能随密度的增大而增强,24 h吸水厚度膨胀率随密度的增大而呈上升的趋势;当密度≥0.85 g/cm³,脲醛树脂的用量为12%和14%时,芦苇纤维板具有很好的力学性能。


张新荔等采用无机胶黏剂制备芦苇纤维板,以硬脂酸和氟硅酸钠为无机胶黏剂水玻璃的改性剂。研究得到芦苇中密度纤维板的较佳制备工艺为板材密度0.80 g/cm³、施胶量25%和改性剂量5%时,制备的芦苇中密度纤维板的静曲强度、弹性模量、内结合强度和24 h吸水厚度膨胀率能达到GB/T 11718—2009《中密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型中密度纤维板的性能指标要求。


4.芦苇纤维复合材料研究


芦苇纤维复合材料是指以具有一定长径比的芦苇纤维为增强材料,与高分子树脂聚合物为基体材料制备的具有优良性能的复合材料。夏英等采用碱改性处理芦苇纤维,得到碱处理改性芦苇纤维用于聚丙烯/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(PP/EVA)的增强材料。研究发现,碱处理能够显著提高聚丙烯/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料的力学强度,添加芦苇纤维有助于基体中的球晶向晶区同一类型转化,碱处理改性芦苇纤维对基体具有异相成核作用,碱处理芦苇纤维的最佳条件为“NaOH质量分数10%、反应时间3 h和反应温度100 ℃”。


赵颂等以聚丙烯接枝马来酸酐为增容剂,制备了聚丙烯/芦苇纤维复合材料。研究表明,添加增容剂可以显著提高复合材料的拉伸性能和弯曲性能,并改善芦苇纤维与聚丙烯基体的界面结合性,提高复合材料的热稳定性。


5.芦苇人造板的发展建议


与普通木质人造板相比,芦苇人造板具有颜色浅、材质细腻、无刺激性气味等优点,与麦秸秆、稻草秸秆等农作物秸秆人造板相比,芦苇又具有产地集中、灰分含量较低等原材料优势。因此,采用先进制造工艺制备绿色环保的高性能芦苇人造板具有良好的经济效益和社会效益。根据芦苇材质特性和我国芦苇资源特点,建议我国芦苇人造板发展重视以下几方面:


(1)芦苇茎杆表面的蜡质层对胶黏剂的胶合性能影响较大,探究芦苇蜡质层的界面改性机理,研究低成本且高效的芦苇表面处理技术,提高芦苇蜡质层的界面胶合能力,是提升芦苇人造板性能的重要技术课题。


(2)芦苇独特的构造,决定了芦苇人造板需要特殊的预处理技术与装备。如研究制备具有高比表面积且尺寸均匀的芦苇刨花单元及其装备,是制造高性能芦苇刨花板需要突破的技术难题。


(3)芦苇相对于木竹材料具有茎秆小、构造复杂的特点,芦苇资源作为人造板利用受到一定的限制。研究充分利用芦苇的自然形态结构特征,构建最大限度保留芦苇茎秆自然形态的板材成型工艺(如制备保留芦苇纵向纤维形特征的芦苇原态重组板材等技术研究)是芦苇高效利用研究的重要内容。


(4)我国南方芦苇原料的采收主要依赖人工,生产效率低且成本较高,研究适应南方复杂湿地地形条件的机械采收装备是提高芦苇原料获得效率的有效途径,研发芦苇高效收割、打捆、堆垛等配套设备是促进芦苇人造板产业高效发展的关键基础。

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