农林剩余物无机人造板制造工艺有哪些？

为获得高性能的农林剩余物无机人造板，胶合技术至关重要。以下从农林剩余物无机复合用无机胶黏剂制备和改性、胶合界面调控和胶合成型技术几方面进行了重点阐述。

1 无机胶黏剂制备和改性

胶黏剂是农林剩余物人造板制造的核心材料，直接影响人造板的性能。目前，脲醛树脂、酚醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂仍为木材加工用三大胶黏剂，并称为“三醛胶”。然而，近十几年来，随着全球性石油供给失衡问题日趋严重，石油储量的减少和油价的不断上涨，给以石化资源为原料的“三醛胶”的生产带来了诸多不稳定因素，导致其生产成本增加，发展受挫 。另外，“三醛胶”及其制品在生产、固化和使用过程中会不断释放出甲醛和苯酚等小分子有毒物质，不同程度地污染生态环境，危害人体健康 。同时，对于秸秆或竹材碎料这些表面存在蜡质层和硅质层的农林剩余物，“三醛胶”和它们存在界面不相容的问题，会影响胶黏剂的吸附和氢键的形成，降低人造板的强度 。随着人们环保意识的不断增强和国家环保法规的日臻完善，胶黏剂生产和使用的有关规定和标准将越来越严格，而且人们对木质产品性能的要求也日渐提高。因此，寻找和开发低醛、无醛环保胶黏剂已成为胶黏剂、人造板行业新的发展方向。

对此，研究者们开始将眼光放到无机胶黏剂的研究和开发中来。无机胶黏剂是由无机盐、无机酸、无机碱金属和金属氧化物、氢氧化物等组成的一类使用范围相当广泛的胶黏剂。它们通常是水溶性的，毒性小、不燃烧 、不污染环境 ，耐温性、耐久性和耐辐射性能好，而且原料易得、价格低廉、制备和使用方便。这些优势在当前推行绿色、环保理念的社会尤其突出，因此安全无毒的无机胶黏剂成为胶黏剂产业发展的主要趋势 。

常用的无机胶黏剂主要有硅酸盐类胶黏剂、磷酸盐类胶黏剂、硫酸盐类胶黏剂、氧化镁类胶黏剂几种类型，其中，硅酸盐木材胶黏剂应用最多。硅酸盐胶黏剂具有资源丰富、粘接强度高、粘接应力小，制备简单和固化工艺简便，固化胶不溶于水、耐热、耐火和耐老化性能优异的特点，因而在多种无机胶黏剂中脱颖而出，成为最具发展潜力的一类无机胶黏剂 。目前，国内外对硅酸盐木材胶黏剂进行了多种改性研究，取得了一些积极的成果。如Suleman 等 报道了利用硅酸钠(Na2 SiO 3 )胶黏剂粘接实木板的研究，结果表明，对 Na 2 SiO 3 胶黏剂进行适当的改性是获得高性能 Na 2 SiO 3 木材胶黏剂的可行途径。另外，统计分析其研究结果可知，氯仿/Na 2 SiO 3 混合体系是具有最佳粘接性能的实木胶黏剂，但他们的研究并没有很好地提高硅酸钠胶黏剂的耐水性能。

吴义强研究团队对硅酸盐胶黏剂的胶合强度和耐水改性做了较多研究。张新荔等 以 2. 8模的水玻璃为主胶料，以 SiO 2 、MgO、Al 2 O 3 和 ZnO为固化剂和骨架材料制备人造板用反应型 Na 2 SiO 3胶黏剂，并采用硅烷偶联剂和超细硅酸铝粉进行改性，通过单素试验和正交试验得到了最佳配方。但这种反应型硅酸盐胶黏剂对木材的胶合强度和耐水性还有待改善。他们又把半互穿聚合物网络(Semi － IPN)的分子设计理念引入到硅酸盐胶黏剂的改性中，通过 Semi － IPN 独特的拓扑结构和协同作用改善胶合性能和耐水性 。张新荔等以聚乙烯醇(PVA)为交联剂，采用响应面分析法优化了 Semi － IPN 结构 Na 2 SiO 3 胶黏剂的制备工艺，得出了改性剂的最佳配比。左迎峰等 对PVA 交联 Na 2 SiO 3 胶黏剂的工艺进行了优化，得到了最佳交联温度、时间和 pH。在此基础上，他们还采用各种有机、无机改性措施进一步提高 Na 2 SiO 3胶黏剂的胶合强度和耐水性能。如刘晓梅等 制备了 Na 2 SiO 3 － 氧化物体系木材胶黏剂，胶合强度和耐水性虽还不及有机胶黏剂，但已有一定提高。朱晓丹等 将纳米二氧化硅、纳米氧化镁以及纳米蒙脱土引入到 Na 2 SiO 3 胶黏剂中，纳米粒子具有强化胶合界面的效果，显著提高了 Na 2 SiO 3 胶黏剂的胶合强度和耐水性，并且阻燃抑烟效果也显著提高。吴义强、刘晓梅等 采用有机助剂氨基磺酸、正硅酸乙酯和十二烷基磺酸钠，无机填料纳米二氧化硅和活性氧化镁对 PVA 交联 Na 2 SiO 3 木材胶黏剂进行改性。结果表明，有机助剂和无机填料复合改性可以促进 Na 2 SiO 3 无机胶黏剂的固化，从而有效提高胶接强度和耐水性能。此外，还选择了硬脂酸铵为改性对胶合强度和耐水性进行改性，试验发现，在硅酸盐胶黏剂中添加硬脂酸铵增大了—Si—O—Si—链的网络结构，使胶黏剂的网络结构变得更加致密，提高了胶接强度、耐水性和耐热性。

为了改善硅酸盐木材胶黏剂的韧性，采用了羧甲基纤维素(CMC)进行增韧改性。对 CMC 改性前后试样的性能研究发现，CMC 含量为 7. 5% 的体系能使粘接强度提高 56. 3%。通过 FT － IＲ 和SEM 分析得出，CMC 被成功引入硅酸盐胶黏剂分子中，明显提高了硅酸盐胶黏剂的韧性 。固化技术对硅酸盐木材胶黏剂的性能以及胶接制品的性能有重要影响。张新荔等 研究了 Na2 SiO 3 胶黏剂在常温、中温和高温下固化性能，为 Na 2 SiO 3 木材胶黏剂的研究和应用提供必要的技术支持，结果表明，杨木胶合板在0. 75 MPa 的压力下冷压(常温)30 min，可满足室内胶合板要求。为了探讨硅酸盐胶黏剂的固化过程和特征，他们通过胶黏剂中水分蒸发速率测定试验，对不同温度下胶黏剂固化过程中的失水规律和动力学特征进行了研究，为更好地制备硅酸盐胶黏剂及其应用研究打下基础 。

此外，磷酸盐类胶黏剂、硫酸盐类胶黏剂、氯氧镁胶黏剂等在农林剩余物人造板中也有应用 。杨光伟 采用氯化镁和氧化镁作为主剂，制备了氯氧镁无机胶黏剂，该无机胶赋予了人造板良好的防火性能，但也存在返卤和耐水性差的不足。在此基础上，他采用硫酸盐或氢氧化镁对氯氧镁无机胶黏剂进行了抗卤改性，起到了较好的效果 。他还发明了氯氧镁 － 磷酸盐无机胶黏剂，并应用其制备了阻燃板 。吴义强研究团队 对镁系无机胶黏剂也做了大量研究和应用，采用氧化镁、氯化镁和硫酸镁等镁系无机化合物为原料或改性剂，辅以固化剂、防水剂和增韧剂等制备了防火环保无机胶黏剂。该无机胶黏剂制备工艺简单、配制方便，具有较好的防火性能，被应用于制备农林剩余物人造板，所制备板材无人工甲醛释放，阻燃等级达到 A2 级 。他们还采用氧化镁、氯化镁和硅酸盐为原料，制备了硅镁系无机胶黏剂，该胶黏剂同时具备镁系化合物和硅酸盐的优良性能 。

2 胶合界面调控

农林剩余物与无机胶黏剂界面相容性差，导致农林剩余物无机人造板力学性能差，为改善人造板力学性能需对其进行界面调控。针对国内外植物纤维与无机胶黏剂界面改性存在方法单一、程序复杂，改性效果差等技术难题。吴义强教授课题组通过等离子体处理、微波处理及物理/化学联合处理等改性方法对农作物秸秆纤维和无机胶黏剂界面进行调控，创制了农作物秸秆纤维与无机胶黏剂界面调控技术。通过这种调控方法，农作物秸秆纤维平均相对自由基浓度降低了 42. 5%，显著改善农作物秸秆纤维和无机胶黏剂界面的融合性，提高农作物秸秆纤维与无机胶凝剂物理、化学交联度，农作物秸秆纤维胶合强度提高了 38%。

对于农林剩余物水泥板，由于农林剩余物中含有抽提物、半纤维素等成分，在水泥的碱性环境中可水解生成单糖类物质并转化为糖酸，通过细胞壁扩散出来与水泥的钙离子形成糖酸钙，在新生水泥颗粒的外表面形成薄膜，阻碍水泥颗粒与水的接触反应，导致水泥凝固缓慢甚至不凝固，对水泥固化存在不同程度的抑制作用。同时单宁在水泥碱液中的溶出与淀粉的水泥产物———糖类和油脂都会阻碍水泥的凝结与硬化。因此，提高农林剩余物与水泥的相适性是确保水泥刨花板性能的关键。通过添加化学助剂及对农林剩余物进行预处理等方法，在改善农林剩余物与水泥的相适性方面起到一定的效果 。例如将农林剩余物原料露天堆放一定时间，以平衡农林剩余物中的含水率，使一些糖分局部氧化，转变为非糖成分。该方法相对简单但是周期较长，且效果不显著。还有通过冷水、热水或一定浓度的 NaOH 溶液浸渍抽提，以减少木质材料中的阻凝成分。由于一些木材在水泥水化过程的阻凝作用与其含有的抽提物密切相关，毫无疑问，抽提物的抽出将会改善其相适性。当刨花用热水抽提、化学抽提后，对水泥的阻凝作用大为减少，相适性显著改善。再有添加化学助剂也可以明显改善植物材料与水泥的相适性。添加化学助剂，促使水泥在木材阻凝成分溶出前固化，或阻止木材中水泥阻凝成分溶出。一些化学助剂作为水泥固化剂对提高木材 －水泥 － 水的相适性很有作用，并且这种添加剂可在抽提后添加，以进一步加快水泥的凝固。国内一些研究显示，用 CaCl 2 能获得较好的效果 。

3 胶合成型技术

吴义强研究团队对农林剩余物无机人造板的成型技术进行了大量研究。符杉等 以麦秸碎料和无机胶黏剂为原料，通过冷压成型工艺制备了无机麦秸碎料板，得到了胶草比及板材密度对板材性能的影响规律。在他们的基础上，朱晓丹等 对无机麦秸板的工艺进行了进一步优化，得到以密度为 1. 05 g/cm 3 、胶黏剂与麦秸比例为 1. 9∶ 1和改性剂与麦秸比例为 0. 25∶ 1的工艺条件下制备的麦秸板，其物理力学性能指标均高于国家标准 GB/T21723—2008《麦(稻)秸秆刨花板》所要求的性能指标，并且该无机麦秸板具有优异的阻燃抑烟性能(A2 级)。此外，吴义强、凌启飞等 以秸秆碎料和无机胶黏剂为主要原料制备阻燃型秸秆碎料板，采用正交试验确定了密度、秸秆碎料用量和施胶量的最佳工艺。并以此秸秆碎料板作为隔热滞火单元，仍以无机胶黏剂作为粘结剂与木质单板复合，制备层积不燃木质结构材，并对其制备工艺进行了研究。这种层积不燃木质结构物理力学性能符合 GB/T 20239—2006 规定的指标要求，阻燃和抑烟等级达到 A2 级，可用于制备防水阻燃地板。为了研究层积材的结构对性能的影响，他们设计了单阻燃芯层(上下两层为木质单板，中间为秸秆碎料板)和双阻燃芯层(上下表面和中间层为木质单板，相邻两层单板纹理垂直，第二和第四层为秸秆碎料板)两种地板结构材，并通过单因素和正交试验确定了最佳制备工艺。对比了两种地板材的性能，得出双阻燃芯层木质结构材更适合于制造地板，其物理力学性能优于 GB/T 18103—2000《实木复合地板》规定的指标要求，燃烧性能符合 GB/T8624—2006 标准，产烟等级符合 GB/T 20285—2006 标准，防火等级达到 A2 级。

目前，利用无机胶黏剂制备农林剩余物人造板时，一般采用常温固化工艺。常温固化可大大节约生产能耗，对实现人造板生产过程中节能减排有重大意义。但常温固化时无机胶黏剂固化速率慢，常采用以下方法进行改性。一是 CO 2 气体喷射法快速成型工艺 。该工艺是在冷压板坯的同时通过特定的装置向板坯喷射 CO 2 气体，从而减少板坯中无机胶黏剂初始硬化时间，使板坯在几分钟时间内迅速获得脱模硬化强度。CO 2 气体喷射法成型工艺不但可以极大缩短无机人造板的加压周期，使板材的力学性能有了一定的改善，而且无机胶黏剂和增强材料的相适性也有所增强，可作为一种比较有效的快速成型法。二是热压法快速成型工艺 。该工艺是利用热压机提供的高温作用使无机胶黏剂初始硬化时间大大缩短，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 。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气，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，从而大大减少板坯中水泥初始硬化时间，使无机人造板达到脱模硬化强度的时间缩短。另外，该工艺还具有使板坯在厚度方向上均匀受热的优点，该优点在压制厚板方面更明显。相比于传统的冷压法，上述几种固化成型工艺使无机人造板的生产周期有了较大的缩短。虽然无机胶黏剂的固化速率得到提高，但目前常温生产时，仍需在冷压机中锁模保压 1 ～2 d，脱膜后还需养护 7 d左右，这导致生产周期过长，生产效率较低。采用高温固化能够提高固化速率，从而提高生产效率，但是在高温条件下无机胶黏剂中的水分蒸发较快，使胶黏剂表面迅速形成一层硬化层，影响与农林剩余物纤维的粘接强度。针对此，为了在保证粘接材料力学性能的情况下缩短养护时间，加快固化成型速率，吴义强研究团队创制了农林剩余物无机人造板自加热技术。通过对无机胶黏剂进行磺酸、硅酸钠等酸、碱性活性激发处理，加速其化学反应并迅速释放大量热量，形成自加热成型进程，显著缩短板坯加压养护时间，实现防火生态秸秆人造板料快速冷压成型。生产效率提高 15% 以上，生产能耗降低 10%以上。

农林剩余物无机人造板制造工艺有哪些？