刨花形态对麦秸板物理力学性能的影响

郑 超，张雅云，肖建平，杨 庆，雷亚芳

(1 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2 陕西省龙草坪林业局，陕西 杨凌 712100)

刨花形态对麦秸板物理力学性能的影响

郑 超1，张雅云2，肖建平1，杨 庆1，雷亚芳1

(1 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2 陕西省龙草坪林业局，陕西 杨凌 712100)

【目的】 对不同形态刨花压制麦秸板的主要物理力学性能进行比较和分析，为刨花原料的选择、板材制造工艺的改进提供理论指导。【方法】 以聚合异氰酸酯为胶黏剂，采用不同加工方式(劈裂机加工和刨片机加工)及不同尺寸(经>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm孔径筛分的3个等级的长料、短料)的麦秸刨花压制非定向的单层板材，根据林业行业推荐标准《LY/T 2141-2013定向结构麦秸板》的要求测试板材的物理力学性能，利用X射线断面密度测试仪分析刨花尺寸对麦秸板断面密度的影响。【结果】 劈裂机加工的长料中，>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm的麦秸刨花占75%左右，环式刨片机加工的短料中则为90%左右，刨片机加工的刨花中尺寸较小的刨花多于劈裂机加工刨花。长料的板坯压缩率为11.6，约为短料的1.3倍。随着筛孔孔径的增加，长料、短料的堆积密度减小，板坯厚度增加，压缩率也随之增加。在试验条件下，长料制得板材的抗弯强度与抗弯弹性模量分别为43.68 MPa和4.47 GPa，均约为短料的1.3倍，内结合强度为0.42 MPa，约为短料的74%；长料压制的麦秸板的24 h吸水厚度膨胀率和24 h吸水率分别为16.92%和60.64%，均高于短料，但后者差异不显著；长料板材的2 h吸水厚度膨胀率和2 h吸水率均高于短料板材，但差异均不显著。随着麦秸刨花长细比的增大，长料和短料中不同尺寸刨花压制麦秸板的抗弯强度与抗弯弹性模量均呈增大趋势，内结合强度均呈下降趋势，24 h吸水厚度膨胀率和24 h吸水率逐渐增大。不同尺寸麦秸刨花压制板材的密度均在厚度方向呈“面高芯低”式的“U”形分布。刨花尺寸对麦秸板断面密度的影响并不明显，可能是因为刨花尺寸相对较小，其影响相对较弱。【结论】 长料各筛层刨花所压制的板材性能变化幅度较短料大。在实际生产中，建议将长刨花作为表层原料以提高板材的抗弯强度和抗弯弹性模量，将短刨花作为芯层原料以提高其内结合强度和尺寸稳定性。

刨花形态；麦秸板；物理力学性能

麦秸板是以麦秸秆为原料，经过刨花加工、干燥、分选、施胶、铺装后热压而成的一种板材，具有质轻、性能优良、节能环保等特点。麦秸板在国内外属于新兴产业，工艺还不成熟，所生产的麦秸板存在结构单一、施胶量大、成本高、内结合强度低、分层、霉变等问题。

国内外学者就木材刨花形态对板材性能的影响进行了大量研究。Frybort等[1]、Miyamoto等[2]、Sackey等[3]研究了刨花大小及细碎刨花比例对刨花板性能的影响。Mohammad等[4]研究了刨花长细比对刨花板性能的影响，结果表明刨花形态是影响板材性能的重要因素之一。上述研究表明，木材刨花的形态对刨花板的性能有影响，据此推测生物秸秆刨花的形态也会影响其板材性能，但目前关于生物秸秆刨花形态对板材性能的研究很少，有关麦秸刨花形态与麦秸板特性的研究更少。王琪等[5-6]以玉米秸秆皮为刨花原料，研究了2种不同形态的刨花对板材物理力学性能的影响，结果表明，刨花形态对板材内结合强度和吸水厚度膨胀率影响最为显著。杨蕊[7]分析了施胶量与刨花形态对玉米秸秆定向刨花板主要性能的影响，通过试验确定了当刨花长度为80 mm、长细比为5～50时的最优生产工艺参数。华冬[8]研究了麦秸刨花形态对麦秸刨花板基本性能的影响，结果表明，将不同尺寸的刨花混合使用时板材的性能最优。

本研究以生产定向结构刨花板的麦秸刨花为原料，分析了不同形态麦秸对麦秸板主要物理力学性能的影响，以期为改进麦秸刨花的制备工艺和原料选择提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 麦秸刨花 (1)长料。由劈裂机加工而成，含水率为7%;(2)短料。由环式刨片机加工而成，含水率为7%。2种刨花原料均由诺菲博尔板业(杨凌)有限公司提供。

1.1.2 胶黏剂 聚合异氰酸酯胶黏剂(p-MDI)，棕色黏性液体，异氰酸酯基(NCO)含量30.5%～32.5%，黏度160～240 mPa·s (25 ℃)，由拜耳材料科技(中国)有限公司生产。

1.2 仪器设备

板材压制采用DXL1500人造板压机(咸阳威迪机电科技有限公司)，力学性能测试采用CMT5504万能力学试验机(深圳市新三思公司)，断面密度测试采用DENSE-LAB Mark 3 X射线断面密度测试仪(德国Electronic Wood Systems公司)。

1.3 方 法

1.3.1 原料的筛分 将2种麦秸刨花原料用不同孔径的方孔筛进行筛分。长料和短料筛分各重复4次，对其刨花形态进行分析。

1.3.2 制板工艺 (1)以不同加工方式所得麦秸刨花压制板材。用未筛分的长料和短料压制非定向的单层麦秸板，施胶量为刨花绝干质量的7%，无其他添加剂。板材规格400 mm×400 mm×10 mm(板厚采用厚度规控制)，目标密度0.650 g/cm3，每个条件重复5次。热压条件：温度175 ℃，闭合时间30 s，热压时间46 s/mm，板坯单位最大压力2 MPa。热压工艺曲线见图1。

(2)以不同尺寸麦秸刨花压制板材。取长料和短料中>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm (筛孔孔径)3个等级的全劈裂麦秸刨花压制非定向的单层麦秸板。其他条件同上。

1.4 板材性能测试

压制后的板材于(20±3) ℃、(65±5)%相对湿度条件下陈放至质量恒定后进行性能测试。物理力学性能测试参考标准《LY/T 2141-2013定向结构麦秸板》[9]的要求进行，测试指标包括抗弯强度(MOR)、抗弯弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)、2和24 h吸水厚度膨胀率(TS)与吸水率(WA)、断面密度(VDP)。

1.5 数据处理

采用SAS 8.01软件对试验数据进行方差分析和Duncan’s多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同加工方式所得麦秸刨花的形态

麦秸刨花的筛分值分布结果见图2。由图2可以看出，长料中>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm 的麦秸刨花之和达75%左右，短料中则为90%左右。>2～≤4 mm、>1～≤2 mm、<1 mm 3个筛层的刨花之和，长料为46%，短料为80%；>12 mm、>8～≤12 mm、>4～≤8 mm 3个筛层的刨花之和，长料为54%，短料为20%。短料中≤1 mm的细碎末(6%)多于劈裂机加工的长料(3%)，长料中>8～≤12 mm与>12 mm的刨花所占比例之和(24%)远大于短料(3%)。

各筛层刨花的特征与尺寸统计结果见表1，形状系数见表2，堆积密度和压缩率见表3。

注：每个数据为测量的100个刨花的平均值，数字后面的英文字母为Duncan’s多重比较的检验结果,同列数据后标有相同英文字母者,表示在P=0.05水平上差异不显著,否则为差异显著；“-”表示未测量。下同。

Note:Values in parentheses are standard deviations with 100 measurements.Within each column the data followed by the same letters indicate insignificant difference according to Duncan’s multiple test atP=0.05 level.“-” represents undetermined data.The same below.

注：每个数据为5次测量的平均值。

Note: Data are mean values of five independent replicates.

由各筛层刨花的尺寸(表1)和麦秸刨花的筛分值(图2)可知，长料中长度为35.1 mm的刨花约占36%，长度为50.1 mm的刨花占30%；短料中55%的刨花长度为16.7 mm，长度为9.9和28.3 mm的刨花各占20%左右。随着筛孔孔径的增加，麦秸刨花的长度值逐渐升高，未劈裂麦秸主要存在于>8～≤12 mm和>12 mm筛层，未劈裂刨花的厚度约为劈裂刨花的2倍。

刨花的几何形状在很大程度上影响板材的质量，刨花的长、宽、厚对其表面积都有影响。刨花形态常用长细比和宽细比来衡量[10]。由麦秸刨花的形状系数(表2)可知，麦秸刨花的长细比随筛孔孔径的增加而增大，宽细比与长宽比也随之升高。长料与短料中，>2～≤4 mm刨花的长细比分别为157.10和93.79；>4～≤8 mm刨花的长细比分别为183.78和138.36。

刨花尺寸影响堆积密度的大小，较大的刨花堆积密度较小；与堆积密度相似，刨花尺寸也对压缩率产生影响，细小刨花的压缩率小于大刨花。由麦秸刨花的压缩率和堆积密度(表3)可以看出，长料的板坯厚度和压缩率高于短料，堆积密度小于短料；长料的压缩率为11.6，约为短料的1.3倍。随着筛孔孔径的增加，堆积密度减小，板坯厚度增加，压缩率也随之增加。长料和短料>1～≤2 mm刨花的板坯厚度最小，>4～≤8 mm的板坯最厚。较短的刨花板坯规整，随着刨花长度增加，板坯越来越松散，在板坯传递过程中易出现塌边现象。

2.2 不同加工方式所得刨花对麦秸板物理力学性能的影响

不同加工方式所得刨花压制的麦秸板的物理力学性能测试结果见表4。

注：表中每个MOR、MOE值为30个试件的平均值,实际密度由MOR/MOE试件计算得出；IB为20个试件的平均值，TS与 WA为15个试件的平均值。下同。

Note:MOR (modulus of rupture) and MOE (modulus of elasticity) are average of 30 independent replicates. IB (internal bond strength) is average of 20 independent replicates.TS (thickness swelling) while WA (water absorption) is average of 15 independent replicates. The same below.

由表4和图2可知，由于短料中大部分为细碎刨花，而长料中含有部分较长的刨花，使得由劈裂机所加工长料制得板材的MOR与MOE均约为刨片机加工短料所压制板材的1.3倍，IB则仅为短料的74%左右，24 h TS和24 h WA均高于短料，但2种不同加工方式对2 h TS和2 h WA无显著影响，该结果与其他学者的研究结论[11-12]类似。2种板材中除短料板材的抗弯弹性模量接近要求外，其余各项性能均达到《LY/T 2141-2013定向结构麦秸板》[9]标准中对干燥状态下承载型板材的要求(平行向抗弯强度≥22 MPa，平行向抗弯弹性模量≥3.5 GPa，内结合强度≥0.34 MPa，24 h吸水厚度膨胀率≤20%)。

长料的麦秸刨花IB值较短料低，这是因为板坯是任意铺装的，大尺寸刨花相互之间就可能交叉重叠，虽然在热压时被压实，但留下的空隙较多，相应减少了刨花之间的有效接触面[13]。刨花尺寸的减小，有利于增大刨花与胶黏剂的接触面积，使其IB值提高。利用刨片机加工麦秸，可使麦秸表皮更为破碎，从而有利于更多的胶黏剂渗透到茎秆中[14]。

2.3 不同尺寸刨花对麦秸板物理力学性能的影响

表5为不同尺寸刨花所压制麦秸板的物理力学性能测试结果。由表5可以看出，随着麦秸刨花长细比的增大，长料和短料中不同筛层刨花压制麦秸板的MOR与MOE均呈增大趋势，该结果与前人的研究结论[8,15]相似；随刨花长细比增大，IB均呈下降趋势；除长料板材2 h TS外，短料板材的2 h TS及长、短料板材的24 h TS和WA均逐渐增大；2 h TS和WA为24 h 的25%～35%。除长料>4～≤8 mm刨花外，其余原料的2 h TS差异不显著，其原因在于麦秸本身密度低，压缩率较大，热压时锁定的内应力较高[16]。因此延长麦秸刨花板的浸水时间，使其内应力充分释放后，24 h TS显著增加。总体上长料各筛层刨花所压制的板材性能变化幅度较短料大。长料和短料均表现为>1～≤2 mm与>2～≤4 mm 2种刨花尺寸间的性能变化幅度较小。

>1～≤2 mm、>2～≤4 mm长料压制板材的MOR与MOE低于短料，其中长料压制板材的MOE未达到《LY/T 2141-2013定向结构麦秸板》[9]标准中对干燥状态下承载型板材的要求。这是因为>1～≤2 mm长料中有较多细碎的麦叶所致，纤维长度短的麦叶对板材的强度性能有负面影响；麦叶中综纤维素与木质素含量均为全草中最低，其纤维长度较短，纤维的聚合度较茎秆低，热水抽提物、1% NaOH抽出物含量高，灰分含量为全草中最高[17]；麦叶表面羟基浓度非常低，不利于胶黏剂的润湿，且胶黏剂与麦叶反应的放热量较之与麦秸反应的放热量小[18]，这些因素均表明，原料中含较多的麦叶时可能会降低板材的力学性能。长料>2～≤4 mm刨花中含有部分颗粒状的穗轴，粒状穗轴在铺装时落入板坯底层，可能在表面形成裂缝缺陷，这些裂缝缺陷的存在会使应力集中于裂缝的尖端处，而明显高于试样受到的平均应力，当达到或超过某一临界条件时，裂缝失去稳定而发生扩展，最终在较低的名义应力下引起材料断裂[19-20]。

2.4 刨花尺寸对麦秸板断面密度的影响

由图3可见，不同尺寸麦秸刨花压制板材的密度均在厚度方向呈“面高芯低”式的“U”形分布。“U”形密度梯度往往赋予板材较高的抗弯强度和刚度，但同时意味着较低的内结合强度[21]，其表层最高密度与芯层最低密度的比值为1.4～1.5，表层最高密度与平均密度的比值约为1.2。这种分布是由热压时热传递在板坯内由表及里的时间差、板坯厚度方向的刨花形态差异等因素所致[22]。另外，麦秸板断面密度的不对称结构，是由于板坯的背表面首先受热而使压机闭合时下表层刨花的塑性较正面的大，且传热首先开始于下表面所致，故这种不对称性是难免的。

断面密度的差异形成于板材的热压过程中，是热压温度、水分和压力综合交互作用的结果。从本质上看，其形成取决于3个因素：原料性质、板坯特性和热压工艺。板坯组成单元的尺寸形态影响板坯的传质传热特性。从理论上讲，不同尺寸刨花板坯的空隙度不同，压缩过程中刨花迁移的摩擦阻力不同，热量传递的速率也有差别[23-24]。有研究表明，不同种类的原料，其传热、传质和不同热质条件下的应力应变特性存在差异，板坯内部含水率与温度及其分布是影响断面密度的最关键因素，热压机闭合速度和热压温度也与断面密度关系密切，树种和刨花形态等其他因素的影响在一定条件下也不能忽视[21]。由图3可知，在本试验范围内，麦秸刨花尺寸对其断面密度的影响并不明显，可能是因为刨花尺寸相对较小，故其影响相对较弱。

3 结 论

1)劈裂机加工的长料麦秸刨花中，>1～≤2 mm、>2～≤4 mm、>4～≤8 mm的麦秸刨花占75%左右，环式刨片机加工的短料麦秸刨花中则为90%左右，可见以刨片机加工的刨花中尺寸较小的刨花多于劈裂机加工刨花。随着筛孔孔径的增加，麦秸刨花的长度逐渐升高，长细比增加，宽细比与长宽比也随之升高。长料的板坯厚度与压缩率高于短料，堆积密度小于短料；长料的板坯压缩率为11.6，约为短料的1.3倍。随着筛孔孔径的增加，长料、短料的堆积密度减小，板坯厚度增加，压缩率也随之增加。

2)劈裂机加工长料制得的麦秸板抗弯强度和抗弯弹性模量均约为刨片机加工麦秸刨花所压制板材的1.3倍，内结合强度仅为短料的74%左右，24 h吸水厚度膨胀率和24 h吸水率高于短料，2种不同加工方式对板材2 h吸水厚度膨胀率和2 h吸水率无显著影响。

3)随着麦秸刨花长细比的增大，用长料和短料不同筛层刨花压制麦秸板的抗弯强度及抗弯弹性模量均呈增大趋势，内结合强度均呈下降趋势；24 h吸水厚度膨胀率和24 h吸水率逐渐增大，2 h吸水厚度膨胀率和吸水率为24 h时的25%～35%。长料各筛层刨花所压制的板材性能变化幅度较短料大。长料与短料>1～≤2 mm和>2～≤4 mm 2种刨花尺寸间的性能变化幅度较小。

4)为提高板材的综合性能，可将长刨花作为表层原料以提高板材的抗弯强度和抗弯弹性模量，将短刨花作为芯层原料以提高其内结合强度和尺寸稳定性。

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Effect of particle geometry on physical and mechanical properties of wheat straw board

ZHENG Chao1,ZHANG Ya-yun2,XIAO Jian-ping1,YANG Qing1,LEI Ya-fang1

(1CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2LongcaopingForestryBureau,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This paper evaluated the effect of particle geometry on mechanical and physical properties of wheat straw board to improve practical production.【Method】 Wheat straw boards were fabricated with two types of particles processed by splitter and flaker and three different diverse sizes (>1-≤2 mm,>2-≤4 mm,and >4-≤8 mm).Then the mechanical properties of panels were evaluated according to standard LY/T 2141-2013 and vertical profile density (VDP) was measured by X-ray.【Result】 Three different sizes of wheat straw particles with sizes of >1-≤2 mm,>2-≤4 mm,and >4-≤8 mm accounted for about 75% and 90% of strands processed by splitter and flaker,respectively.Flaker processed more fine particles than splitter.The compression ratio of strands processed by splitter was 11.6,which was approximately 1.3 times of that processed by flaker.With the increase of mesh size,bulk density of raw materials decreased,while the thickness of mat and compression ratio increased.MOR and MOE of boards made of strands were 43.68 MPa and 4.47 GPa,respectively,which were 1.3 times of the boards made of particles.Besides,IB (0.42 MPa) was 74% of that made of particles,and 24 h TS and WA were 16.92% and 60.64%,all higher than the boards made of particles.2 h WA and TS were higher than the boards made of particles without significant difference.With the increase of slenderness ratio,the MOR and MOE increased,IB decreased,while 24 h TS and WA increased.VDPs were very similar for different boards made of different sizes of strands and particles with an approximate U-shaped distribution.It indicated that the influence of particle size on VDP was not significant.【Conclusion】 Comparing with boards made of particles processed by flaker,strands processed by splitter had much larger variations in properties. In practical production, it is recommended to use strands as face material and particles as core material to improve the bending properties,IB and dimensional stability.

particle geometry;wheat straw board;physical and mechanical properties

2013-11-06

西北农林科技大学基本科研业务费科技创新专项重点项目(QN2011071)

郑 超(1988-)，男，天津武清人，在读硕士，主要从事定向结构麦秸板研究。E-mail:646869286@qq.com

雷亚芳(1965-)，女，陕西合阳人，教授，博士，主要从事木质资源加工与利用研究。E-mail:leiyafang@sina.com

时间:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.019

TS653.5；X712

A

1671-9387(2015)03-0191-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.019.html