微波熱壓成形水玻璃纖維板的性能研究

楊 力，劉富初，陳東山，向泰山，楊華峰，樊自田

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.福江集團有限公司，湖北 監(jiān)利 433300）

微波熱壓成形水玻璃纖維板的性能研究

楊 力1，劉富初1，陳東山2，向泰山2，楊華峰2，樊自田1

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.福江集團有限公司，湖北 監(jiān)利 433300）

以水玻璃為膠粘劑，將壓制成形后的板料坯體，經(jīng)微波加熱固化后制得新型水玻璃纖維板。對比分析了微波加熱成形工藝和普通加熱成形工藝對纖維板的加熱固化時間、靜曲強度、致密性等性能的影響，測試了微波加熱固化水玻璃纖維板的性能（靜曲強度、內結合強度、吸濕性和熱穩(wěn)定性）。結果表明，微波加熱成形工藝制備纖維板，具有固化時間短、加熱效率高、強度高、致密性好等優(yōu)點。

纖維板；水玻璃；微波加熱；吸水性；內結合強度；靜曲強度

隨著木材工業(yè)的不斷發(fā)展，人造板應用范圍也在持續(xù)擴大，越來越多的實木制品由人造板替代，其制品廣泛用于家居行業(yè)、建筑行業(yè)、交通運輸業(yè)等領域[1，2]。目前，人造板工業(yè)膠粘劑普遍采用脲醛樹脂、酚醛樹脂、聚氰胺-甲醛樹脂等有機膠粘劑，這類膠粘劑人造板防火性能較差，且使用過程中有甲醛等有害性氣體釋放，影響了人造板行業(yè)的發(fā)展[3～5]。

隨著人們對環(huán)保和健康的重視，可用于人造板的無甲醛釋放膠粘劑成為研究熱點。目前研究較多的無甲醛釋放膠粘劑主要有異氰酸酯膠粘劑、生物質膠粘劑和熱塑性樹脂（塑料等）膠粘劑等[6～12]，但這類膠粘劑的成本較高、耐水性和防火性較差，限制了它們的工業(yè)化應用。

目前國內外報道較多的無機膠粘劑板材有石膏纖維板以及水玻璃纖維板，石膏纖維板以建筑石膏粉為主要原料，各種纖維為增強材料的一種新型建筑板材，與水玻璃纖維板的成形工藝有一定的差別，并且石膏纖維板的制備成本相對較高、成形時間較長、成形后的纖維板強度較低、密度較大[13，14]。而水玻璃膠粘劑具有無甲醛釋放、防火性好、工藝簡單、成本較低等優(yōu)點[15，16]。但是水玻璃為水溶液，現(xiàn)有人造板熱壓成形方法及裝備成形水玻璃人造板，存在加熱固化時間長、水蒸汽難以快速逸出、生產(chǎn)效率低、靜曲強度低等問題。而采用微波加熱的方法有望解決上述問題，具有加熱速度快、加熱均勻、強度較高等優(yōu)點[17，18]。本文以水玻璃為膠粘劑，將壓制成形后的板料坯體，經(jīng)微波加熱固化后制得水玻璃纖維板，測試該水玻璃纖維板的性能特征，探索微波成形水玻璃人造板在人造板工業(yè)中的可行性。

1 實驗部分

1.1 原材料

試驗材料木屑來源于楊木，呈纖維狀，福江集團有限公司；水玻璃，模數(shù)M=2.3，密度1.48 g/ml，武漢市東?；ど绦?。

1.2 儀器與設備

DWIM-2MF型微波加熱裝置設有3個加熱功率700 W、1 400 W和2 100 W，并自帶抽濕裝置，廣州帝威工業(yè)微波設備公司；SHY葉片式攪拌裝置，武陵世強鑄造儀器廠；壓力試驗機，上海頂業(yè)機械制造有限公司；纖維板制樣，尺寸為200 mm×50 mm的矩形模具，自制；SWG杠桿式萬能強度試驗機，武陵世強鑄造儀器廠；SHIMADZU AG-100KN材料高溫試驗機，日本島津；熱重分析儀STA449F3，鉑金-埃爾默儀器（上海）有限公司；掃描電鏡Quanta 200，荷蘭FEI公司等。

1.3 水玻璃纖維板試樣的制備工藝流程

將木屑纖維與水玻璃膠粘劑按比例混合攪拌均勻后鋪裝在200 mm×50 mm的矩形模具中壓制成形，壓制壓力為4 MPa，再將成形后的板料坯體加熱固化（微波加熱或普通加熱），其中微波加熱功率為1 400 W，普通加熱溫度為150 ℃，每種纖維板的加熱時間與水玻璃加入量相關，水玻璃加入量越多、時間越長，使纖維板都充分加熱固化之后脫模即得到水玻璃纖維板試樣，待試樣冷卻后對其各項性能進行測試。

1.4 性能測試

待纖維板試樣冷卻到室溫后，纖維板試樣靜曲強度采用SWG杠桿式萬能強度試驗機進行測試，由于試樣為非標樣，根據(jù)GB/T 17657—2013和實驗室的測試條件，纖維板的靜曲強度按照式（1）進行計算，取3個試樣的平均值。

其中σb為 試樣的靜曲強度，MPa；Fmax為 試件破壞時的最大載荷，N；l1為跨距，為80 mm；b為試件寬度，為50 mm；t為試件厚度，mm。

纖維板試樣內結合強度采用SHIMADZU AG-100KN材料高溫試驗機測試，根據(jù)GB/T 17657—2013的測試方法，纖維板的內結合強度按照式(2)進行計算，取3個試樣的平均值。

其中σ為試樣的內結合強度,MPa；Pmax試件破壞時的最大載荷，N）；l為試樣長度，為50 mm；b為試件寬度，為50 mm。

由于環(huán)境的溫濕度對水玻璃纖維板的強度影響較大，參考鑄造水玻璃砂的吸水性測試方法，采用KCS-3100恒溫恒濕試驗箱模擬不同溫度和濕度環(huán)境，纖維板試樣的初始質量為m0，纖維板存放一定時間后的質量為m1，則纖維板試樣的吸水性為φ=（m1-m0）/m0。

利用熱重分析儀對水玻璃纖維板進行熱穩(wěn)定性分析。

2 結果與分析

2.1 不同加熱成形工藝對水玻璃纖維板性能的影響

比較分析微波加熱與普通加熱成形工藝制備的纖維板加熱固化時間、靜曲強度和不同環(huán)境濕度下的吸水性，結果如表1和圖1所示。不同加熱成形工藝下水玻璃纖維板的斷口微觀形貌如圖2所示。

由表1和圖1可知，與普通加熱成形的水玻璃纖維板相比，微波加熱成形的水玻璃纖維板厚度更小、靜曲強度高、固化速度快、在相同時間內吸水性較低。

由圖2可以看出，微波加熱成形的水玻璃纖維板更加緊密。水玻璃是硅酸鈉水溶液，在微波或普通加熱時，纖維板溫度上升，膠粒之間發(fā)生凝聚，使硅酸縮合，形成玻璃狀硅酸鈉網(wǎng)狀結構，從而產(chǎn)生粘接力，使纖維板具有一定的靜曲強度，并在一定壓力下會產(chǎn)生收縮變形[19]。但是，普通加熱是傳導式加熱，即由表及里地逐步加熱，水分蒸發(fā)速度慢、纖維板加熱固化效率低，并且纖維板表層先受熱固化、內部水分蒸發(fā)逸出時會形成空隙；微波加熱是體積式加熱，纖維板內外均勻加熱，硅酸分子和水分子在微波加熱時高速振蕩，膠粒熱運動更加劇烈，發(fā)生凝聚使硅酸縮合，迅速形成的膠粒緊密細小、大小均勻，水分蒸發(fā)速度更快，在一定壓力下制備的纖維板會更加緊密，因而通過微波加熱成形的纖維板強度更高、吸水性較低。

表1 不同加熱成形工藝對水玻璃纖維板性能的影響Tab.1 Effect of different thermal forming processes on performance of sodium silicate fiberboard

圖1 不同加熱成形工藝下水玻璃纖維板的吸水性Fig.1 Hygroscopicity of sodium silicate fiberboards prepared by different heating forming processes（a.環(huán)境相對濕度：75%～80%；b.環(huán)境相對濕度：95%～100%）

圖2 不同加熱成形工藝下水玻璃纖維板斷口的微觀形貌Fig.2 Fracture morphology of sodium silicate fiberboards prepared by different heating forming process

2.2 微波熱壓成形下水玻璃纖維板性能研究

2.2.1 水玻璃纖維板的靜曲強度與內結合強度

微波熱壓成形下水玻璃纖維板靜曲強度與內結合強度分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，隨著水玻璃加入量的增加，纖維板的靜曲強度先增大后減小，當木屑與膠粘劑的質量比為1：1.6時，纖維板的靜曲強度最高。木屑是通過水玻璃粘接在一起的，理論上水玻璃的加入量越多，纖維板的靜曲強度會越高，但在壓制成形纖維板坯料時，水玻璃的加入量（木屑與水玻璃的質量比＞1：1.6）過多后，水玻璃與木屑反應的基團比例沒有增加，多余的水玻璃會受壓溢出，這樣不僅浪費原材料，而且制備的纖維板靜曲強度也沒有提高。因此，在滿足人造板強度要求的前提下，木屑與水玻璃的質量比在1：1～1：1.6為佳。根據(jù)圖3所示，當木屑與水玻璃的質量比在1：1～1：1.6時，水玻璃纖維板具有較好的靜曲強度，所以圖4研究了在此范圍內不同水玻璃加入量對水玻璃纖維板內結合強度的影響。

由圖4可知，隨著水玻璃加入量的增加，水玻璃纖維板的靜曲強度不斷增大，且不同比例下的水玻璃纖維板的內結合強度均滿足國標GB/T 11718—2009的要求。

圖3 水玻璃的加入量對纖維板靜曲強度的影響Fig.3 Effect of sodium silicate amount on MOR of fiberboard

圖4 水玻璃的加入量對纖維板內結合強度的影響Fig.4 Effect of sodium silicate amount on IB of fiberboard

2.2.2 水玻璃纖維板的吸水性

在微波加熱功率為1 400 W、加熱時間與預壓成形壓力一定、木屑與水玻璃的質量比為1：1時，將微波加熱固化后的纖維板試樣放置在恒溫恒濕試驗箱中，測試不同環(huán)境濕度和存放時間對纖維板試樣靜曲強度和吸水性的影響，結果如表2和圖5所示。其中存放環(huán)境的溫度均為23 ℃。

由表2可知，當存放時間相同時，環(huán)境濕度越大，纖維板吸水性越大、強度下降幅度越大；在相對濕度為95%～100%的環(huán)境下存放7 d后，纖維板的靜曲強度為0，而在相對濕度為75%～80%的環(huán)境下存放7 d后，纖維板仍然具有一定的強度。因此，環(huán)境濕度對纖維板吸濕性和靜曲強度有較大影響。

由圖5可知，隨著存放時間的增大，纖維板試樣的吸水性先增大后趨于穩(wěn)定；隨著環(huán)境濕度的增大，纖維板試樣的吸水性增大；當環(huán)境濕度從75%～80%增大到95%～100%時，纖維板試樣的吸水性達到穩(wěn)定的時間延長。其原因是纖維板中加熱固化的水玻璃在存放時會吸濕，并且其吸水性會隨著存放時間和環(huán)境濕度的增大而增加[20，21]，吸濕后纖維板試樣的水蒸汽壓不斷增加，最終與環(huán)境中的水蒸汽壓達到動態(tài)平衡，此時纖維板試樣的吸水性宏觀上表現(xiàn)為隨時間上下波動，這與環(huán)境溫度與環(huán)境濕度小幅變化有關。

表2 不同環(huán)境濕度對水玻璃纖維板性能的影響Tab.2 Effect of environmental relative humidity on performance of sodium silicate fiberboard

圖5 存放時間對水玻璃纖維板吸水性的影響Fig.5 Effect of storage time on hygroscopicity of sodium silicate fiberboard

圖6 木屑與水玻璃纖維板的熱重分析Fig.6 TGA curves of wood fiber and sodium silicate fiberboard

2.2.3 水玻璃纖維板的熱穩(wěn)定性

對纖維板試樣取樣進行熱重分析測試。工藝參數(shù)如下：溫度為800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，結果如圖6所示。

由圖6可知，隨著溫度的升高，木屑和纖維板試樣的質量不斷減小；溫度小于200 ℃時，木屑和纖維板試樣的質量減少幅度較小，這是由木屑和纖維板試樣中水分蒸發(fā)引起的；當溫度在200～500 ℃時，木屑和纖維板試樣的質量減少幅度均較大，其中木屑質量減少幅度比水玻璃膠粘劑纖維板試樣更大；當溫度高于500 ℃時，木屑的質量失重率大于95%，而纖維板試樣的質量失重率在65%左右。其原因是木屑在高溫下全部燃燒，而水玻璃纖維板試樣高溫下只是木屑全部燃燒、硅酸鈉仍然存在，同時硅酸鈉起到一定的隔熱作用提高了耐高溫性能。而現(xiàn)有的有機膠粘劑纖維板因膠粘劑含有碳氫化合物，

3 結論

（1）微波加熱成形工藝制備的水玻璃纖維板具有固化時間短、加熱效率高、靜曲強度較高、致密性好等優(yōu)點。在滿足水玻璃纖維板強度要求的前提下，可盡量減少水玻璃的加入量，這樣既節(jié)約成本也可降低纖維板的吸濕性。

（2）水玻璃纖維板耐高溫性能較好，為了使水玻璃纖維板具有較好的靜曲強度和內結合強度，木屑纖維與水玻璃的質量比選擇為1：1～1：1.6。

（3）水玻璃纖維板具有較大吸濕性，環(huán)境濕度越大和存放時間越長，纖維板吸濕量越大、強度下降越快，對如何提高水玻璃纖維板的抗吸濕性和強度有待更深入研究。

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Study on performance of sodium silicate fiberboard prepared by microwave hot pressing

YANG Li1, LIU Fu-chu1, CHEN Dong-shan2, XIANG Tai-shan2, YANG Hua-feng2, FAN Zi-tian1
(1.State Key Laboratory of Materials Processing and Die and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, P.R. China; 2.Fujiang Group Co., Ltd., Jianli, Hubei 433300, China)

Using sodium silicate (water glass) as the binder, the press-formed board embryo was cured by the microwave hot processing and the new sodium silicate fiberboard was prepared. The performance difference between the fiberboards formed by microwave heating and normal heating forming process were compared and analyzed in this paper. The modulus of rupture (MOR), internal bonding strength (IB), hygroscopicity and thermal stability of the sodium silicate fiberboard cured by the microwave heating were measured. The results show that the sodium silicate bonded fiberboard produced by the microwave hot pressing process possesses the advantage of shorter heat-curing time, higher heating efficiency, higher strength, and better compactness .

fiberboard; sodium silicate; microwave heating; hygroscopicity; IB; MOR

TQ 437+.5

A

1001-5922（2017）01-0028-05

2016-07-14

楊力（1991-），男，碩士研究生，研究方向：人造板用膠粘劑與成形方法。E-mail：yanglmq@yeah.net。

樊自田（1962-），博士生導師。研究方向：水玻璃無機膠粘劑及應用，薄壁復雜鋁（鎂）合金材料及其精確鑄造成形等。E-mail：fanzt@mail.hust.edu.cn。

國家自然科學基金（No.51375187）。