水泥刨花板快速固化技术研究进展

李新功，吴义强,2

水泥刨花板快速固化技术研究进展

李新功1，吴义强1,2

( 1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 竹业湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410004)

水泥刨花板传统的冷压法成型工艺生产周期长，需要的养护设备多，能耗高。近些年来，国内外学者对水泥刨花板快速固化成型技术进行了研究，取得了一些可喜的研究成果。概述了水泥刨花板快速成型工艺及国内外研究现状，提出了水泥刨花板快速固化成型技术的研究方向，以期为水泥刨花板快速成型工艺的进一步研究提供参考。

水泥刨花板； 快速固化；研究进展

水泥刨花板是一种无机人造板，它是以水泥和植物(木材、竹材以及农作物秸杆等)增强碎料等为主要原料，辅之以特殊的添加剂，经一定的工艺加工而成的一种人造板材[1-2]。它具有强度高、防火、防腐、防虫的优点，又有防潮、隔音、隔热、质轻、易进行各种机械加工等良好性能，而且在使用过程中不会释放出甲醛等有害气体，可广泛应用于建筑、室内装修以及家具等行业，是一种绿色环保型板材。随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对绿色环保型板材需求量越来越大，水泥刨花板迎来了巨大发展契

机。目前，水泥刨花板是国家建设部墙体材料改革重点推广的新材料[3-5]。由于水泥刨花板具有优良的性能及广阔的应用前景，国内外专家都十分关注和重视水泥刨花板工艺技术的研究。但是，传统的水泥刨花板成型采用冷压法工艺，这种方法生产周期长，通常板坯冷压后需要在蒸汽养护室内保压热养护至少 8 h 以上，然后再在自然环境中养护4周左右。冷压法工艺(见图1)需要的保压锁紧架等养护设施多，养护占地面积大，能耗高，劳动生产率低[6-12]。因此，水泥刨花板加工新工艺新技术的研究，特别是水泥刨花板快速固化成型工艺的研究是当前国内外从事人造板研究的学者必须面临和解决的重大课题。

图1 冷压法工艺流程Fig. 1 Technology flow of cold pressing

1 水泥刨花板快速固化成型工艺

水泥刨花板快速固化成型工艺主要有3种：一是CO2气体喷射法快速成型工艺(见图2)。该工艺是在冷压板坯的同时通过特定的装置向板坯喷射CO2气体，从而使板坯中水泥初始硬化时间减少，使板坯在几分钟时间内迅速获得脱模硬化强度(板材脱模可搬运的最小强度，一般要求静曲强度达到0.3～0.35 MPa，静曲强度越大对板材自然养护后的终强度形成越有利[13])。二是热压法快速成型工艺(见图3)。该工艺是利用热压机提供的高温作用来缩短水泥初始硬化时间，从而使板坯快速达到脱模硬化强度。三是喷蒸热压法快速成型工艺(见图4)。该工艺是板坯加压的同时从压机上、下压板或侧面向板坯喷射高温高压水蒸汽，在蒸汽喷射的瞬间，蒸汽即会到达板坯芯层，使芯层温度迅速达到100 ℃以上，从而使板坯中水泥初始硬化时间大大减少，缩短水泥刨花板达到脱模硬化强度的时间。另外，该工艺还具有使板坯在厚度方向上均匀受热的优点，在压制厚板方面该优点更明显。与传统的冷压法相比，上述3种固化成型工艺大大缩短了水泥刨花板的生产周期[14]。

图2 CO2气体喷射法工艺流程Fig. 2 Technology flow of CO2 injection

图3 热压法工艺流程Fig. 3 Technology flow of hot pressing

图4 蒸汽喷射法工艺流程Fig. 4 Technology flow chart of steam injection

2 水泥刨花板快速固化成型工艺研究进展

2.1 CO2气体喷射快速成型工艺研究进展

水泥刨花板生产技术源于20世纪30年代，经过多年的不断改进和完善，在70年代最终形成了水泥刨花板的冷压法成型工艺[8]。80年代末匈牙利人发明了CO2气体喷射法成型工艺[13]。随后国内外学者对这一成型工艺进行了大量研究。

Geimer等[14]采用CO2气体喷射法对松木水泥刨花板快速成型工艺进行了研究，研究发现冷压同时向板坯喷射CO2气体，4.5 min内板材(目标厚度为14 mm)的脱模硬化强度已经满足要求；而且，用该方法加工的板材其弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)分别是常规冷压法工艺加工的板材的1.9倍和2.5倍多。Dede Hermawan等[15]利用CO2喷射法研究了雪松水泥刨花板板的工艺，研究发现，CO2气体喷射法改善了水泥初始水化速度，使板坯温度迅速升高，板材在5 min左右迅速达到脱模硬化强度，而且提高了板材最终的力学强度，改善了板材尺寸的稳定性。他们认为，向板坯喷射CO2气体之所以能够加速水泥的初始水化速度、缩短加压周期，原因是CO2气体进入板坯使反应1和2的进程加速(式1和式2)。力学性能得到改善的原因是CO2使板坯在较短的时间内产生大量水化产物，这些水化产物又迅速在木质增强材料的裂纹和细胞腔内产生很多“胶钉”，“胶钉”与木质增强材料产生了互锁作用，使板坯形成较高的脱模硬化强度。如图5[16]所示，板材断裂面扫描电镜照片可以清晰看出用CO2气体喷射工艺制备的板材a产生的“胶钉”明显比冷压工艺制备的板材b多。

Parviz Soroushian等[12]也采用CO2喷射法(CO2气体浓度分别为100%和25%)对杨木水泥刨花板快速固化成型工艺进行了研究，研究发现，2种不同浓度的CO2气体喷射都能迅速提高板材的脱模硬化强度，而且效果几乎没有区别。他们认为产生这种结果的原因是：尽管喷射浓度为100%CO2气体能使水泥水化速度更快，但是板坯表层水泥固化太快，板坯表层迅速形成的固化层又会阻碍CO2气体进入板坯内部，从而降低了板坯内层水泥水化速度。Parviz Soroushian等[11]采用CO2气体喷射法对麦秸水泥刨花板快速成型工艺进行了研究。研究发现，尽管麦秸杆中含有较多的阻碍或延缓水泥水化凝固成分，但是采用该工艺时，在这些阻凝成分对水泥产生阻凝或延缓效果之前板坯中的水泥因CO2气体的作用已经大部分水化凝固，从而使板材迅速达到脱模硬化强度。

我国对水泥刨花板CO2气体喷射法快速固化成型工艺研究起步比较晚，而且从事这方面研究的学者也比较少。刘义海等[2]以毛白杨、兴安落叶松和普通硅酸盐水泥为主要原料，采用CO2气体喷射法研究水泥刨花板的快速固化工艺。研究发现，CO2气体的喷射能够迅速提高板材的初始脱模硬化强度。而且，后养护条件与板的最终性能关系密切，充足的水分和碱性环境可以改善水泥刨花板性能。同时，通过对板坯进行CO2气体喷射可以减少或消除木材内含物对水泥固化的阻碍或延缓作用。

从上述国内外研究情况可以发现，近些年来，国内外部分人造板学者对水泥刨花板CO2气体喷射法成型工艺进行了大量的研究，取得了一些富有价值的研究成果。CO2气体喷射法成型工艺不仅能够大大缩短水泥刨花板的加压周期，一定程度上改善了板材的力学性能，而且提高了水泥和增强材料的相适性。可见，CO2气体喷射法是一种较为有效的快速成型法。但是，从CO2气体喷射快速成型的过程和机理分析，CO2气体喷射法成型工艺加工的板材材质存在一定不均匀性，这是因为无论CO2气体是从板材的正面喷入还是从板材的侧面喷入，都很难控制CO2在板材中分布的均匀性。实际上，在水泥刨花板加工原料中添加可溶性碳酸盐或碳酸氢盐(如碳酸钠或碳酸氢钠等)替代加压过程中向板坯喷射CO2气体是一个不错的选择。因为在加工过程中它们会释放出CO2气体，CO2气体在板材中的均匀性可通过原料的混合得到控制。国外一些学者已经开始对此技术进行了初步研究。研究发现可溶性碳酸盐或碳酸氢盐的用量对水泥刨花板的力学性能存在一定的影响，而且加入可溶性碳酸盐或碳酸氢盐的混合坯料的存放时间受到一定限制，该技术还不能用于工业化生产，有待于作进一步的研究。

2.2 热压快速成型工艺研究进展

Eusebio等[17]对水泥刨花板热压快速成型工艺进行了研究。制板时向混合原料中加入一定量的异氰酸酯树脂作为胶粘剂，研究发现在热压温度为60 ℃时，加压1 h后板材的脱模硬化强度达到了要求，而且自然养护后板材各项力学性能均要好于冷压法制得的水泥刨花板。卢晓宁等[15]对水泥刨花板普通热压法和冷压法两种成型工艺进行了对比性研究。研究发现，选取热压温度120 ℃、热压时间1.3 min/mm的热压工艺参数，卸压时板材静曲强度达到1.5～2.0 MPa。热压法水泥刨花板不但能达到冷压法水泥刨花板性能标准，而且缩短了板材加压时间，制造过程中不需要锁紧架。但是，为了使板材中水泥后期充分水化，使板材达到最大终强度，卸压后的板材应进行一段时间的等湿处理。严建敏等[16]以速生杉木加工剩余物为主要原料、Na2SiO3为快速固化添加剂研究了水泥刨花板热压成型工艺。研究发现，当热压温度为95 ℃、热压时间为1.2 min/mm时制得的水泥刨花板静曲强度达到冷压板强度的90%，热压后用2%的MgCl2溶液对板材进行后期浸泡处理，板材尺寸稳定性和力学性改善明显，可生产出力学性能和尺寸稳定性与传统生产方式相媲美的产品。

以上的研究表明热压法适用于水泥刨花板制造。不过，热压温度等热压参数的合理选择以及采取一些辅助措施(如加入一定量的添加剂和对板材进行后处理等)对水泥刨花板性能的改善非常有好处。如图6所示，经过增湿处理的板材静曲强度明显好于未经增湿处理的板材。但是，也有研究发现冷压法水泥刨花板和热压法水泥刨花板性质上存在一定的区别。比如前者平面抗拉强度高，后者的静曲强度高，但断面密度不均匀。如图7所示，冷压法水泥刨花板密度在设计密度1.2 g/m3上下小幅度的波动，而热压法水泥刨花板密度在板材厚度方向变化较大，两表层和中心层密度较小。表层密度低的原因是压机刚闭合时板坯所受压力较小，由于表层直接与热压板接触，温度迅速升高，导致表层水泥迅速硬化。当压机完全闭合压力达到设计压力时，表层的密度几乎不会再发生变化。导致芯层密度低的原因是加压过程中从表层到芯层温度逐渐降低，芯层水泥水化速度、程度以及增强材料塑化速度和程度都较小。

图6 后期处理对板材性能的影响Fig. 6 Effects of post treatment on CBP performance

图7 冷压工艺和热压工艺制备的水泥刨花板断面密度Fig. 7 Density profiles of CBP with cold-pressing andhot-pressing technology

2.3 喷蒸热压快速成型工艺研究进展

Eusebio和 Nagadomi分别对水泥刨花板喷蒸热压工艺进行了研究。Eusebio认为，制板时在混合原料中添加了5%的NaHCO3(占水泥绝干重量的百分比)作为固化剂，发现板坯热压3 min(蒸汽喷射2 s)后初始脱模硬化强度达到了卸压搬运的要求，该工艺不需要锁紧架。但是，板材终强度比冷压工艺制备的水泥刨花板低[17]。Nagadomi认为，制板时在混合原料中添加了15%～20%的NaHCO3作为固化剂，喷蒸热压能够明显地缩短加压周期。但是，板材终强度也低于冷压工艺制备的水泥刨花板。他认为产生这种结果的原因是NaHCO3百分比过大，产生了过多的CaCO3附在水泥表面[18]。Nagadomi等随后分别选用MgCl2、CaCl2、AlCl3和NH4Cl作为固化剂对水泥刨花板喷蒸热压工艺进行了研究，研究结果表明，与采用NaHCO3作为固化剂制得的板材相比，采用 MgCl2、CaCl2、AlCl3和 NH4Cl作为固化剂不仅缩短加压周期，而且可以显著改善板材力学性能。我国从事水泥刨花板喷蒸热压工艺研究的学者比较少，起步也比较晚[19]。马灵飞分别采用NaHCO3、Na2SiO3和Na2CO3作为固化剂对竹材水泥刨花板喷蒸热压工艺进行了研究，研究发现喷蒸热压能够大幅度地缩短加压周期，而且添加不同种类的固化剂会对竹材水泥刨花板性能产生不同的影响，其中Na2SiO3对提高水泥刨花板性能的效果最明显[10-11]。上述关于喷蒸热压工艺的研究仅仅局限于固化剂种类和数量对板材性能的影响，没有涉及到喷蒸方式和喷蒸热压工艺参数对板坯内温度的分布、水泥水化速度和程度以及板材力学性能等方面影响的研究[20-21]。

3 结论与展望

水泥刨花板快速固化成型工艺可以显著缩短水泥刨花板的加压周期，降低加工能耗，提高生产效率。同时，还可以提高水泥刨花板原料的相适性。但是，水泥刨花板快速固化成型工艺的研究大多数还处在实验室阶段，上述3种快速固化成型工艺在国内外很少甚至几乎没有实现工业化生产。其原因是无论上述哪种快速固化成型工艺都存在一定程度的缺陷或限制，如设备的设计成本较高及水泥刨花板性能的不稳定等。因此，水泥刨花板快速固化成型工艺还有待于更进一步的研究。

笔者认为当前水泥刨花板快速固化成型工艺需要从以下几个方面作重点研究：(1)加强喷蒸热压工艺对增强材料的塑化以及水泥水化过程影响机制的研究，揭示水泥刨花板喷蒸热压成型的机理，避免研究的盲目性。(2)对不同快速成型工艺进行组合研究，实现优势技术的互补。如CO2气体喷射法与热压法的组合、CO2气体喷射法与喷蒸热压的组合等。(3)借鉴普通木质刨花板连续热压成型工艺，研究水泥刨花板连续加压快速成型工艺，进一步改善水泥刨花板性能，提高生产效率，降低生产成本。

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Research progress on rapid curing of cement-bonded particleboard

LI Xin-gong1, WU Yi-qiang1,2
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China；2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry,Changsha 410004, Hunan,China)

Abtract: Conventional cold-pressing technique in manufacturing of cement-bonded particleboard needed a long manufacturing period,more curing equipments and high energy consumption. In recent years some researchers have studied cement-bonded particleboard rapid curing techniques and have acquired some good research results. To provide reference for further study on cement-bonded particleboard rapid curing techniques, the current researches in this area are summarized and the general trends in the developmental of the techniques are put forward.

cement-bonded particleboard(CBP); rapid curing; research progress

S784；TS653

A

1673-923X(2012)01-0161-05

2011-10-19

国家“十二五”科技计划课题(2012BAD24B03)；国家林业公益性行业科研重大专项(201204704)；湖南省科技厅科技计划项目(2010NK3034)；中南林业科技大学青年基金项目(101-0833)；中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助项目

李新功(1970—)，男，河南固始人，副教授，博士，主要从事木质与非木质复合材料的研究；E-mail：lxgwood@163.com

吴义强(1967—)，男，河南固始人，教授，博士，博士生导师，主要从事木材材性、木材功能性改良、生物质复合材料方面的研究； E-mail: wuyiqiang@csuft.edu.cn

[本文编校：谢荣秀]