硅镁水泥竹刨花板制备及其性能研究

黄清华，赵星，郑霞，李新功

（中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

0 引言

竹子是常见的速生材，也是生长最快的植物之一，被誉为“世界第二大森林”[1]。目前我国的竹材总资源暂居世界前列，种类和面积约占1/4，竹材产量约占1/3。然而由于竹材本身的内部结构缺点：如壁薄中空、尖削度大、组织结构不均匀等，导致对其加工利用率低于50%，严重影响了对竹材资源的综合利用[2-3]。长期以来，我国对竹材加工剩余物主要作为燃料使用，不仅附加值低还对环境造成严重的污染。利用竹材加工剩余物（竹刨花）制成水泥刨花板不仅可以达到节能利废、可持续发展要求[4]，而且能实现竹材资源的高质高效利用，在一定程度上可以有效缓解木材资源紧张的状况[5]。目前，通过普通有机胶黏剂热压制备的竹刨花板存在甲醛污染或易燃等问题。而采用无机胶黏剂制备的竹刨花板又大都采用冷压成型工艺，生产周期长、需要大量的模具和储存场地、生产效率低等都制约了它的推广应用[6-7]。

王增等[8-9]研究了热压温度、热压时间、灰木比、水灰比等工艺参数对氯氧镁水泥竹刨花板性能的影响，结果表明，随着热压时间延长、热压温度升高，板材的强度不断提高；随着灰木比增大，内结合强度逐渐提高，24h吸水厚度膨胀率、24 h吸水长度变化率、静曲强度逐渐减小。

为使氯化镁溶液与氧化镁粉末充分反应[10]，利用自主研发的无机胶黏剂为原料，研究施胶量、热压时间和热压温度对板材密度及其性能的影响，获得硅镁水泥竹刨花板的优化制板工艺参数，为硅镁水泥竹刨花板工业化生产提供参考。

1 试验

1.1 原料及试剂

竹刨花：产自湖南桃花江，含水率约为10%，根据筛网筛分结果，竹刨花粒径分布为：2 mm以下占14.2%，2～10 mm占33.1%，10～20mm占45.8%，20mm以上占6.9%。硅镁系无机胶黏剂：主要由氧化镁和氯化镁自制而成，氧化镁，白色粉末状，粒径200目，MgO含量85%以上，活性MgO含量50%；氯化镁（MgCl2·6H2O），白色结晶状，MgCl2·6H2O含量≥99%。添加剂：硅酸钠、硫酸镁、磷酸钠和硫酸亚铁、氯化钙等，均为工业级。

1.2 板材制备

在一定量水中按比例加入硫酸镁、硫酸铝、硅酸钠均匀搅拌5min，静置，待固体全部溶解后加入氧化镁、氯化镁、磷酸钠和硫酸亚铁，继续均匀搅拌，直至变为黏稠状乳白色液体。根据设计密度，加入混合均匀的竹刨花，将上述材料整体混合搅拌5 min后人工均匀铺装至300 mm×300 mm×200 mm成型模具中；预压后置于万能试验机中，热压成型（其中厚度用12 mm厚度规控制）。由于硅镁水泥早期的强度发展较慢，后期强度高，故选择将其密封养护7 d后切割成规格为300 mm×50 mm×12mm和50mm×50mm×12mm试件进行性能测试。

1.3 测试方法

利用日本津岛公司的DCS-R-100万能力学试验机，按照GB/T 24312—2009《水泥刨花板》测试尺寸为300 mm×50 mm×12 mm试件的静曲强度、弹性模量；以及测试尺寸为50 mm×50 mm×12 mm试件的内结合强度、24 h吸水厚度膨胀率和板材厚度反弹值等，每组3个试件，取其平均值。

XRD分析：将试件完全破碎磨细后，取0.075 mm筛筛取粉末样品，采用北京普析通用仪器有限责任公司XD-2型X射线衍射仪进行分析，电压36 kV，电流20 mA，Cu Kα靶（λ=0.154 nm），扫描速度为 2θ=4°/min，扫描范围为 5°～75 °。

2 结果与讨论

2.1 施胶量对板材性能的影响

密度为1.1 g/cm3、热压时间为9 min、热压温度为110℃时，施胶量对硅镁水泥竹刨花板力学性能的影响见图1。

图1 施胶量对硅镁水泥竹刨花板力学性能的影响

由图1可见，在试验范围内，当施胶量为35%时，板材的静曲强度、弹性模量较小。其原因可能是无机胶黏剂的水化产物较少，不能完全包覆竹刨花，二者的界面接合状况差。竹刨花与无机胶黏剂的界面摩擦力较小[11]，外界较小破坏载荷使竹刨花从胶黏剂中拉脱，板材力学性能差。随着施胶量由35%增大到45%，板材静曲强度、弹性模量增幅为10.3%、7.06%，内结合强度持续提高。这是因为，随着施胶量的增大，无机胶黏剂的水化产物增多，板坯中形成连续相，竹刨花包覆良好，竹刨花起到了良好的增强作用，板材能承受更大的弯曲破坏载荷。竹刨花板的内结合强度主要取决于无机胶黏剂的水化产物质量与数量。随着施胶量的增加，无机胶黏剂水化反应更完全，水化产物质量得到改善、数量增加，内结合强度逐渐提高。内结合强度越高，对板材吸水厚度膨胀抑制力越大，因此板材的24 h吸水厚度膨胀率越小。

图2为不同施胶量下硅镁水泥竹刨花板的XRD图谱。

图2 不同施胶量下硅镁水泥竹刨花板的XRD图谱

由图2可见，不同施胶量下的板材中无机胶黏剂水化产物基本相同，均为 5Mg（OH）2·MgSO4·8H2O[12-14]，且衍射峰的位置基本相同。但随着施胶量增大，同位置的衍射峰强度变大。表明随着施胶量的增加，板材内部的水化产物增多，晶粒更大，结晶更完整，无机胶黏剂水化产物质量得到改善、数量增加。

表1为不同施胶量对板坯密度的影响。

表1 不同施胶量下板坯的密度

由表1可知，试制得硅镁水泥竹刨花板的实际密度与设计密度有一定的差距，在设计密度和刨花规格相同的条件下，实际密度随着施胶量的增加而增大。这是因为板材卸压后的反弹与竹刨花含量有关，竹刨花含量越多，板材的回弹越大，导致体积增大。综合考虑，45%施胶量为最佳工艺参数。

2.2 热压温度对板材性能的影响

密度为1.1 g/cm3、热压时间为9 min、施胶量为45%时，不同热压温度下硅镁水泥竹刨花板的力学性能见图3。

图3 不同热压温度下硅镁水泥竹刨花板的力学性能

由图3可见，随着热压温度由90℃上升到110℃，板材的静曲强度由10.45 MPa提高到13.40 MPa，弹性模量由4235 MPa提高到4743MPa，增幅分别为28.2%、12.1%。这是由于在合适的温度热作用下，无机胶黏剂的水化反应速度更快，反应更完全[12]。温度为110℃时可能比较适合无机胶黏剂的水化反应，水化产物更多，形成连续相，提高了板材承受破坏载荷的能力。随着温度由110℃上升到150℃，板材的静曲强度由13.4 MPa下降到10.75 MPa，弹性模量由4743 MPa下降到3484 MPa，下降幅度分别为19.8%、36.1%。这是由于温度继续升高导致水化反应程度下降，水化产物减少，不能形成连续的应力传递界面，板材的力学性能下降。由于外界的热量在板材内部主要通过对流和热传导的方式传递，水分通过压力梯度以层流和扩散的方式传递[15]。当温度接近150℃时，无机胶黏剂可能快速固化成一个小薄层，影响热量向内传播和内部水蒸气的排出，内部水蒸气压力大于外界压力，板材出现鼓泡分层。同时温度过高会使已形成的胶层热分解，使板材的静曲强度、弹性模量、内结合强度逐渐降低。此外温度上升，具有增强韧性作用的竹刨花受热分解，增强作用下降；板材的内结合强度逐渐降低，24h吸水厚度膨胀率逐渐增大。因此，热压温度为110℃更有利于板材的性能。

2.3 热压时间对板材性能的影响

密度为1.1 g/cm3、施胶量为45%、热压温度为110℃时，不同热压时间硅镁水泥竹刨花板的力学性能见图4。

图4 不同热压时间下硅镁水泥竹刨花板的力学性能

由图4可见，当热压时间从6 min增加到9 min时，板材的静曲强度由12.8 MPa提高到13.40 MPa，弹性模量由3882 MPa提高到4743 MPa，增幅分别为4.69%、22.18%。这是因为：当热压时间为6 min时，无机胶黏剂未能在加热加压的条件下充分水化。板材的厚度反弹，即使卸压后无机胶黏剂下继续水化，也不能消除厚度反弹影响，板材的静曲强度、弹性模量、内结合强度因此较低。随着热压时间由6 min增加到9 min时，由于板材中的无机胶黏剂受热时间延长，能在加热加压的条件下充分水化，水化产物增多，无机胶黏剂与竹刨花结合更紧密，板材强度提高，承受外界破坏载荷能力加强。内结合强度越高，对板材吸水厚度膨胀抑制力越大，因此板材的24 h吸水厚度膨胀率越小。当热压时间从9 min继续延长至15 min，由于水化反应已基本完成，板材的强度已经基本形成；随着时间的延长，竹刨花内部可能发生降解反应，使得竹刨花板的静曲强度、弹性模量下降。

硅镁水泥竹刨花板的设计密度为1.1 g/cm3，通过测试板材的实际厚度与12 mm厚度规之间差值得到板材厚度反弹值。表2为不同热压时间下硅镁水泥竹刨花板的实际密度及厚度反弹值。

表2 不同热压时间下硅镁水泥竹刨花板的实际密度及厚度反弹值

由表2可知，当热压时间为6 min时，测得板材的实际密度比设定密度减小7.27%,板材的实际厚度比厚度规厚度增大3.56%。这是因为，当热压时间为6 min时，无机胶黏剂未能在加热加压的条件下充分水化，使得板材厚度发生反弹；并且即使卸压后无机胶黏剂在无压条件下继续水化，也不能消除这一现象。当板材发生厚度反弹，会增大板材的孔隙率、降低密实度，因此板材的物理力学性能下降；又因为板材的孔隙率越高使得板材更易吸水，24 h吸水厚度膨胀率也就越大。当热压时间不断延长，实际密度逐渐增大，基本达到1.1 g/cm3。主要可能是随着热压时间的延长，无机胶黏剂的水化反应更加完全，提高了板材物理力学性能，从而能有效的抑制板材的厚度反弹值，使实际密度基本达到设定密度。这一结果与热压时间对硅镁水泥竹刨花板的物理力学性的影响可以相互佐证。因此，热压时间9 min为最佳工艺参数。

2.4 密度对板材性能的影响

热压温度为110℃、热压时间为9 min、施胶量为45%时，不同密度下硅镁水泥竹刨花板的物理力学性能见图5。

由图5可见，在试验范围内，随着密度从0.9 g/cm3增加到1.1 g/cm3，板材的静曲强度由9.84 MPa提高到13.40 MPa，弹性模量由3087 MPa提高到4743 MPa，增幅分别为36.2%、53.6%。这是因为，当板材密度增大时，板坯“密实度”增加使得板材孔隙率减小。竹刨花通过无机胶黏剂胶合面增大，板材受到外力时能形成连续应力传递界面，竹刨花起到了良好的增强作用，能承受较大破坏载荷。24 h吸水厚度膨胀率与内结合强度具有一定的关联性。在一定范围内，内结合强度越大对吸水厚度膨胀率抑制力越大，24 h吸水厚度膨胀率就越小；此外，随着板材“密实度增大”，竹刨花的内部空隙大小和孔隙率会减小，导致吸水通道和途径也减少，一定程度也降低了板材的24h吸水厚度膨胀率。综合考虑，竹刨花板密度为1.1g/cm3时，板材性能最优。

图5 不同密度硅镁水泥竹刨花板的物理力学性能

GB/T 24312—2009对水泥刨花板理化性能的要求见表3。

表3 水泥刨花板的理化性能指标

根据优化制板工艺：密度为1.1 g/cm3，施胶量为45%，热压温度为110℃，热压时间为9 min，制得的板材性能最佳。其静曲强度为13.4 MPa、弹性模量为4743 MPa、内结合强度为0.55 MPa、24h吸水厚度膨胀率1.39%，符合GB/T 24312—2009优等品要求。

3 结论

（1）随着施胶量的增加，无机胶黏剂的水化产物增多，板坯中形成连续相，竹刨花包覆良好，当施胶量为45%时，板材的静曲强度、弹性模量和内结合强度达到最大，分别为13.4、4743、0.55 MPa，24 h吸水厚度膨胀率最小，为1.39%；随着热压温度的升高，水化反应速度加快，水化产物逐渐增多，板材静曲强度、弹性模量是先增大后减少；随着热压时间的延长，无机胶黏剂能在加热加压的条件下充分水化，水化产物增多，无机胶黏剂与竹刨花结合更紧密，板材的静曲强度、弹性模量先急剧上升后缓慢下降，内结合强度逐渐增大，24 h吸水厚度膨胀率逐渐减少；随着密度的增加，板材的静曲强度、弹性模量、内结合强度逐渐增大，24 h吸水厚度膨胀率逐渐减小，为了提高竹刨花的利用率，优选密度为1.1g/cm3。

（2）根据优化制板工艺：密度为1.1 g/cm3，施胶量为45%，热压温度为110℃，热压时间为9 min，制得的板材性能最佳。其静曲强度为13.4MPa、弹性模量为4743MPa、内结合强度为0.55MPa、24 h吸水厚度膨胀率为1.39%，符合GB/T 24312—2009优等品要求。