废纸制浆固废物刨花板制备工艺研究

吕 蕾，王 正，郭文静，任一萍

(1 中国林业科学研究院 木材工业研究所，北京100091；2 黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081)

随着造纸原料的匮乏，废纸的回收利用在全球得到广泛开展。我国废纸回收利用产业近年来发展迅速，据相关资料显示，2010年废纸回收量4 016万t，进口量2 435万t，在整个造纸产业中，废纸浆用量达到5 305万t，占总用浆量的60%以上[1]。在废纸回收过程中，有塑料、金属、泥沙、玻璃碎片等杂质混入，其中塑料占比重最大。这些杂质在制浆过程中被剔除，成为固体废弃物(简称固废物)。目前，这部分固废物中的塑料因成分复杂难于分拣，多采取焚烧或填埋处理[2-5]，因此对环境造成了不同程度的污染[6]，若能找到有效的处置途径，将其加以资源化利用，无论在经济效益、社会效益还是环境保护方面，都具有重要意义。

本研究以废纸制浆产生的固废物为原料，针状刨花为增强体，结合人造板加工工艺，采用正交试验研究刨花添加量、板材设计密度、热压时间等工艺参数对板材性能的影响，通过试验结果优化复杂成分刨花板的生产工艺，以期为废纸制浆固废物的资源化利用提供新途径。

1 材料与方法

1.1 材 料

废纸制浆固废物由山东华泰纸业股份有限公司提供，经清洗、分离、烘干、粉碎处理后备用，其主要组分中聚乙烯(PE)占34.02%，聚丙烯(PP)占53.85%，聚苯乙烯泡沫(EPS)占1.91%，植物纤维碎屑占10.22%，呈直径2～8 mm的片状。

刨花为针状杨木刨花，尺寸在0.833～2.362 mm(8～20目)，平均含水率5.6%。

1.2 仪器与设备

SCP-160B型塑料粉碎机，QD-100G 型 80 t人造板实验压机，日本岛津AGS-500G万能力学实验机，上海DHG-9140A 型电热恒温鼓风干燥箱，FM130D/S型拌胶机。

1.3 方 法

1.3.1 试验设计 本研究采用L934正交试验，考察刨花质量分数、板材设计密度、热压温度和热压时间4个热压工艺因子对复合材料力学性能的影响，根据试验结果调整工艺参数，确定固废物刨花板的优化工艺。具体试验安排见表1，除考察因子外其他工艺参数相同，每组平行试验重复3次。

1.3.2 工艺路线 (1)干燥。在刨花板生产中，原料含水率对产品质量影响很大[7]，因此要控制好原料的初含水率。处理后的固废物中主要成分为塑料，为减少粉碎中塑料的静电吸附现象，粉碎时必须保持一定的含水率，因而压板前还要将固废物干燥至含水率2%以下。

表 1 废纸制浆固废物刨花板制备工艺正交试验设计方案

(2)混合。按试验设计的密度计算板坯质量，分别称取占板坯质量70%，60%，50%的刨花，与固体废弃物一起放入拌胶机中混合均匀。

(3)铺装。按预设密度称取混合料，放入成形框进行人工铺装，铺装时尽量减少刨花与板面的夹角。因固废物中塑料含量较高，而塑料表面比较光滑，因此与刨花混合铺装后，应在垂直于板面方向施加一定压力，以使板坯初步定型，减少散坯现象。

(4)成型。采用“热进-冷出”工艺，将热压机预先升至设定温度，整个热压阶段温度保持恒定，热压压力为4 MPa，用厚度规控制板材厚度，缓慢加压以减少板坯边缘散坯。表1中的“热压时间”为压板闭合到完成卸载的时间，即图1中T1-T5阶段的总时间(图1热压曲线采取两段降压曲线)。热压机张开后将板坯快速移入冷压机中冷却定型，用厚度规控制板材厚度，冷压时间为60 s/mm，冷压压力1～1.5 MPa。

(5)平衡。板材成型后置于室内平衡24 h，裁边成320 mm×330 mm×8.8 mm的单层刨花板备用。

图 1 废纸制浆固废物刨花板制备工艺中的热压曲线

1.3.3 测试指标及方法 依照GB/T 17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的要求对刨花板取样，检测密度、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)和内结合强度(IB)；参照GB/T 4897-2003《刨花板》中的相关标准评价板材性能。

2 结果与分析

2.1 热压工艺参数对刨花板静曲强度(MOR)的影响

不同试验条件下所制备的刨花板的力学性能检测结果见表2。由方差分析结果(表3)可知，在99%的置信区间内，刨花质量分数、密度、热压温度、热压时间4个因子均对MOR影响显著，影响程度由高到低依次为刨花质量分数、热压温度、密度、热压时间。从板材力学性能直观分析图(图2)可知，最佳参数条件为：刨花质量分数60%，目标密度0.95 g/cm3，热压温度170 ℃，热压时间90 s/mm。

表 2 废纸制浆固废物刨花板制备工艺正交试验结果

表 3 废纸制浆固废物刨花板制备工艺正交试验结果的方差分析及显著性检验

刨花质量分数对板材MOR的影响最大。从图2A可以看到，刨花质量分数在60%时，板材性能最好，平均MOR可以达到13.98 MPa，是刨花质量分数为70%板材的1.75倍，但刨花质量分数减少到50%，MOR反而下降，这与前人的研究结果相似[8]。刨花相对于塑料具有较高的刚度，增加刨花质量分数有助于提高板材的强度，但刨花质量分数达到一定值时，起胶黏剂作用的塑料相对不足，因而减少了刨花间的胶合结点[9-10]，使刨花板承受外力的能力减弱。

图 2 各因素对废纸制浆固废物刨花板力学性能的影响

密度是影响材料强度的重要因素之一，增加密度可以提高材料的力学性能[11]。图2A显示，密度与MOR呈正比，密度从0.65 g/cm3升高到0.8 g/cm3，MOR从8.54 MPa升高到10.64 MPa，提高了25.18%；密度继续增加到0.95 g/cm3时，MOR达到13.25 MPa，提高了55.88%。木塑复合材料的结合主要通过塑料与木纤维间的机械互锁，密度的提高有助于增加塑料与刨花之间的接触面积[12]，使塑料冷却后在刨花表面和缝隙中形成更多的胶钉，提高界面胶合强度，从而提高板材的力学强度。

图2A还显示，在热压温度为170～200 ℃的条件下，170 ℃时刨花板MOR最高，随着温度的升高，MOR呈下降趋势。温度的升高可以增加木材的塑性，减少压缩时刨花破碎，加大刨花与单元固废物的接触面积，但温度过高会引起半纤维素和纤维素降解。木材主要由纤维素、半纤维素、木素组成，其中纤维素起骨架作用，纤维素含量决定了木材的强度。在180 ℃时纤维素开始加快降解[13]，在温度和压力的共同作用下纤维素的降解会更快，从而引起板材静曲强度的下降。

木塑复合材料加工中，塑料与刨花的紧密结合取决于塑料在刨花表面的流展情况，而塑料由玻璃态转变为黏流态需要一定时间。由图2A可知，热压时间在90 s/mm时，MOR达到最大值。板坯进入压机后，表层最先升温，随后热量再由表层传导至芯层，当芯层达到塑料熔融温度后，继续加热会引起表层材料降解，整体强度反而下降。

2.2 热压工艺参数对刨花板弹性模量(MOE)的影响

由表3可知，在P= 0.01水平上，密度、热压温度和热压时间对MOE均有显著影响，其中密度的影响程度最大，其次为热压时间、热压温度；刨花质量分数在组间的差异不显著。由图2B可知，最佳参数组合为：刨花质量分数60%，目标密度0.95 g/cm3，热压温度200 ℃，热压时间120 s/mm。

MOE是材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，它反映了材料抵抗弹性变形的能力[14]。从图2B可以看到，随着密度的增加，刨花板的MOE相应提高，密度在0.95 g/cm3时，MOE为2 435.89 MPa，是密度为0.65 g/cm3刨花板的2.64倍。在本试验因子水平范围内，刨花板的MOE随着热压时间和热压温度的增加均有增长，但变化不大。刨花质量分数在60%时，刨花板的MOE最高，为1 711.73 MPa。

2.3 热压工艺参数对刨花板内结合强度(IB)的影响

由方差分析和显著性检验结果(表3)可知，在P=0.05水平上，4个因子对刨花板的IB均有显著影响，影响程度依次为密度、热压时间、热压温度、刨花质量分数。由图2C可知，当刨花质量分数为50%、目标密度0.95 g/cm3、热压温度185 ℃、热压时间120 s/mm时，刨花板的IB值最高。

与MOE、MOR相同，随着刨花板密度的增加，其IB明显提高。刨花板密度为0.65 g/cm3时，IB为0.32 MPa；密度从0.65 g/cm3增加到0.8 g/cm3，IB提高了146.87%；增加到0.95 g/cm3，IB提高253.13%。密度增加，使刨花进一步压缩，减少了刨花板中的空隙，同时增加了刨花与塑料等组分的接触面积，胶合界面加强[15]，从而提高了刨花板的IB。

从图2C可以看到，热压温度在185 ℃时，刨花板的IB最高，这与所用原料的成分有关。分拣后的固废物中塑料成分约占90%，其中PP约占54%，PE约占34%，EPS约占2%。PE的熔融温度在110～130 ℃；PP的熔融温度较高，在160～170 ℃。在生产中，热压温度多提高10 ℃左右，便可使塑料更好地流展。在185 ℃的温度下，固废物中的塑料能充分流展，在刨花表面形成较多黏结点，因此胶合强度最好。随着刨花添加量的减少，塑料相对增加，有利于形成连续的胶合界面，因而胶合强度有所提高。随着热压时间的延长，刨花板的IB出现先降低后提高的情况，这可能是因为热压时间为60 s/mm时，板坯中的PP部分熔融；随着热压时间延长，PE出现热降解，降解的速度快于PP熔融的速度，材料中的胶合界面强度降低；当热压时间继续延长，PP充分熔融，在刨花表面充分延展，IB随之提高。

3 讨 论

近年来，随着人们环保意识的增强，固体废弃物回收再利用成为材料领域的研究热点。废纸再生制浆过程中会产生大量的固体废弃物，包括在碎浆过程中产生的废渣和制浆过程中产生的污泥。在污泥的处置方面已有大量研究[16]。有学者将造纸污泥中分离出的填料与废塑料熔融混炼，制备出聚乙烯/造纸污泥废弃物复合材料[17]。以造纸污泥为原料生产的脲醛树脂纤维板，除静曲强度和弹性模量较低外，其内结合强度、沸腾实验后的内结合强度、吸水厚度膨胀率都能达到《国家中密度纤维板标准》所规定的室内型纤维板标准[18]。

相对于造纸污泥，废纸再生碎浆产生的固废物成分相对复杂，用于复合材料加工鲜有研究。通过材料分析，发现这部分固废物含有高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、发泡聚苯乙烯等多种烯烃类高聚物，可以作为木塑复合材料原料。但这部分高聚物形状不一，性状差，且为混合塑料，采用传统的木塑生产工艺，在设备和技术上难以实现。本研究采用人造板加工方式压制木塑刨花板，通过考察热压工艺参数对板材性能的影响，证实共混型高聚物作为胶黏剂加工刨花板具有可行性。在对各指标参数进行优化的基础上，根据综合平衡法，推算出最佳组合热压参数为刨花质量分数60%，密度0.95 g/cm3，热压温度185 ℃，热压时间90 s/mm。在此条件下，制备板材的MOR为18.18 MPa，MOE 为2 393.24 MPa，IB为1.03 MPa，各项力学指标可以达到GB/T 4897.4-2003中在干燥状态下使用的结构用板要求。考虑到0.95 g/cm3密度较高，应用性不足，降低密度到0.8 g/cm3，其他参数不变，板材各项力学性能计算值为：MOR 15.57 MPa，MOE 1 598.16 MPa，IB 0.69 MPa。对照GB/T 4897.2-2003，板材可以作为干燥状态下普通刨花板使用。

本试验中原料采用的造纸固废物和刨花性能差异较大，材料间主要通过物理机械力交织结合。已有大量研究证实，通过对聚合物和木质纤维的物理、化学改性，可有效改善材料间的界面性能，提高材料强度。因此，废纸制浆固废物刨花板的性能提升还有很大空间。

4 结 论

(1)刨花质量分数、板材密度、热压时间和热压温度4个因素对固废物刨花板的物理力学性能均有不同程度影响。密度、热压时间和热压温度均对刨花板静曲强度、弹性模量、内结合强度有显著影响，组间差异显著性达到95%以上；刨花质量分数对静曲强度和内结合强度影响显著，对弹性模量影响不显著。

(2)综合考虑各因素对板材物理力学性能的影响程度和生产实际，优化热压工艺参数为：刨花质量分数60%，密度0.95 g/cm3，热压温度185 ℃，热压时间90 s/mm。

(3)采用废纸制浆固废物中的混杂回收塑料和刨花制备的刨花板，其物理力学性能可以达到或超过GB/T 4897.2-2003在干燥状态下使用刨花板的要求。

[参考文献]

[1] 赵 伟.2011年中国造纸工业产销情况分析 [J].中华纸业,2011,32(23):8-14.

Zhao W.2011 the Chinese paper industry production and marketing situation analysis [J].Journal of the Chinese Paper Industry,2011,32(23):8-14.(in Chinese)

[2] 高 涛,章煜君,潘 立.我国废旧塑料回收领域的现状与发展综述 [J].机电工程,2009,26(6):5-8.

Gao T,Zhang Y J,Pan L.Our country present situation and development in the field of waste plastics recycling [J].Mechanical and Electrical Engineering,2009,26(6):5-8.(in Chinese)

[3] 朱玉红.我国废旧塑料回收利用现状及发展趋势 [J].科技信息,2011(16):791.

Zhu Y H.Waste plastic recycling situation and development trend in China [J].Journal of Information Science and Technology,2011(16):791.(in Chinese)

[4] 陈 丹,黄兴元,汪 朋，等.废旧塑料回收利用的有效途径 [J].工程塑料应用,2012,40(9):92-94.

Chen D,Huang X Y,Wang P,et al.The effective ways to waste plastic recycling [J].Journal of Engineering Plastics Applications,2012,40(9):92-94.(in Chinese)

[5] 汤桂兰,胡 彪,康在龙,等.废旧塑料回收利用现状及问题 [J].再生资源与循环经济,2013,6(1):31-35.

Tang G L,Hu B,Kang Z L,et al.Current situation and problems of waste plastics recycling [J].Journal of Renewable Resources and Recycling Economy,2013,6(1):31-35.(in Chinese)

[6] 曾 甯,姚 建,唐阵武,等.典型废旧塑料处置地土壤中多溴联苯醚污染特征 [J].环境科学研究,2013,26(4):432-438.

Zeng N,Yao J,Tang Z W,et al.Typical waste plastics in the disposal of ground soil polybrominated diphenyl ether pollution characteristics [J].Journal of Environmental Science Research,2013,26(4):432-438.(in Chinese)

[7] 梅长彤.刨花板制造学 [M].北京：中国林业出版社，2012：46.

Mei C T.Particleboard manufacturing [M].Beijing:China Forestry Publications,2012:46.(in Chinese)

[8] 王 正,赵行志,郭文静.回收塑料-木材纤维复合材料的工艺及性能 [J].北京林业大学学报,2005,27(1):1-5.

Wang Z,Zhao H Z,Guo W J.Recycling technology and the performance of plastic-wood fiber composites [J].Journal of Beijing Forestry University,2005,27(1):1-5.(in Chinese)

[9] 郭文静,范留芬,陈正坤,等.木/麻/PP纤维含量对复合材料性能的影响 [J].木材工业,2007,21(3):8-10.

Guo W J,Fan L F,Chen Z K,et al.Wood/flax/PP fiber content on the properties of composite materials influence [J].Journal of Wood Industry,2007,21(3):8-10.(in Chinese)

[10] 李跃文.木质填料/热塑性塑料复合材料研究进展 [J].玻璃钢/复合材料,2009,26(4):6-8.

Li Y W.Wooden packing/thermoplastic composite materials research progress [J].Journal of FRP/Composite Materials,2009,26(4):6-8.(in Chinese)

[11] 王 正,鲍甫成,郭文静.木塑复合工艺因子对复合材料性能的影响 [J].林业科学,2003,39(5):87-94.

Wang Z,Bao F C,Guo W J.Wood plastic composite technology factors affect the performance of composite materials [J].Journal of Forestry Science,2003,39(5):87-94.(in Chinese)

[12] Benthien J T,Thoemen H.Effects of raw materials and proce-ss parameters on the physical and mechanical properties of flat pressed WPC panels [J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2012,43(4):570-576.

[13] 谌凡更,欧义芳.木质纤维原料的热化学液化 [J].纤维素科学与技术,2000,8(1):44-57.

Chen F G,Ou Y F.Wood fiber raw material [J].Journal of Thermo Chemical Liquefaction of Cellulose Science and Technology,2000,8(1):44-57.(in Chinese)

[14] 邹红玉,郑红平.木材弹性模量的测量与材料力学性能 [J].实验室研究与探索,2009,28(7):33-34.

Zou H Y,Zheng H P.Measuring elastic modulus of wood and material mechanical properties [J].Journal of Laboratory Research and Exploration,2009,28(7):33-34.(in Chinese)

[15] Binhussain M A,El-Tonsy M M.Palm leave and plastic waste wood composite for out-door structures [J].Construction and Building Materials,2013,47:1431-1435.

[16] 王传贵,江泽慧,刘贤淼,等.造纸污泥资源化利用研究进展 [J].中国造纸,2009,28(1):64-68.

Wang C G,Jiang Z H,Liu X M,et al.Research advance of utilization of paper sludge [J].China Pulp & Paper,2009,28(1):64-68.(in Chinese)

[17] 柴希娟,孙可伟,王木平.聚乙烯/造纸污泥废弃物复合材料 [J].环境工程,2007,25(1):59-63.

Chai X J,Sun K W,Wang M P.Study on polyethylene waste sludge of papermaking waste composite [J].Environmental Engineering,2007,25(1):59-63.(in Chinese)

[18] 刘贤淼,江泽慧,费本华,等.造纸脱墨污泥脲醛树脂纤维板研究 [J].科技导报,2009,27(19):74-78.

Liu X M,Jiang Z H,Fei B H,et al.Study on paper deinking sludge fiberboard using urea formaldehyde resin [J].Science and Technology Leader,2009,27(19):74-78.(in Chinese)