1 引言
人造板工業是高效利用木材或其它植物纖維資源、緩解木材供需矛盾的重要產業,是實現林業可持續發展戰略的重要手段,也是世界林產工業的支柱產業。我國人造板工業近十幾年來發展迅猛,年產量已位居世界第一位。2012年,累計生產人造板2.86億 m3,同比增長19.7%。其中:刨花板1289萬m3,同比增長7.2%;纖維板5554萬m3,同比增長13.1%。人造板生產能力增長已遠高于國民經濟平均增長速度,長遠看來,中國人造板工業必將實現由以木質原料為主向利用木質原料和木質廢棄物與非木質原料并舉、由僅擴大生產規模的單一發展模式向擴大規模與節能降耗并舉的復合發展模式和從粗放型經營向集約型經濟的三大轉變,這將帶
動人造板,尤其是刨纖類人造板工業化生產與設備的技術進步與飛速發展[1-3]。
另一方面,隨著環保要求越來越成為市場競爭的主題,刨纖板游離甲醛釋放量超標、板材靜曲強度、抗拉強度等物理性能差,施膠量偏大、生產成本較高、原材料等浪費嚴重等問題,又嚴重制約了環保型刨花板、纖維板的生產能力發輝,成為我國刨纖類人造板生產線普遍存在的關鍵性生產技術難題。由于目前脲醛膠仍是刨纖類人造板生產的主要粘合劑,其膠性關系到產品的物理力學性能、質量、生產成本和綠色環保等方面,數控化的調膠、施膠精準控制越來越成為精準生產的要求,調施膠工藝與精準控制技術研究將越來越成為研究熱點和時代主題[4-6]。
本文針對刨花板、纖維板生產的調施膠工藝環節,研究其施膠工藝特性及其過程精準控制模型,為實現調膠過程中膠液組劑的精確配比控制、施膠過程中刨花或纖維的準確動態恒比控制、多型復合原料調施膠柔性工藝優化控制等提供理論基礎,以實現優質、高效、節約、環保。
2 刨纖類制板UF膠效影響因子分析
合成樹脂膠粘劑是有機物通過加工合成的方法,形成高分子化合物后用作膠粘劑。優點在于,原料來源豐富、品種多,可根據不同需要選擇原料的配比和適當的加工工藝,制成滿足性能要求的膠粘劑。在人造板工業中,目前使用最廣、用量最大的是尿醛樹脂(UF)和酚醛樹脂(PF),約占總用膠量的90%,二者中又以UF為主。
為使施膠后制備的刨纖板具有較高的膠合強度和耐水、耐久及耐老化性能;調制膠液在膠合過程中達到較快的固化速度,提高生產效率;調制的膠液有較好的操作性能,具有一定活期性(3-4小時),預先制成的合成樹脂,在使用前,必須進行膠液的調制,調膠是指在樹脂中,加入其他添加劑(如防水劑、固化劑、緩沖劑、填充劑等),并調制均勻的過程。施膠環節是將膠粘劑和其他添加劑施加到構成刨纖板的基本單元上,這是人造板生產的關鍵工序,對制品的質量和成本影響很大[7-9]。
尿醛樹脂(Urea-Formaldehyde UF)是刨纖板加工的主要膠粘劑,從微觀角度研究影響UF膠性的因素意義重大。膠粘劑的膠合性能是影響人造板產品性能水平的一個主要參數,而提高膠性是在定量施膠情況下達到目標板材性能的主要手段。在定量施膠情況下的內結合力(IB)的百分數(實際板材的IB/目標IB)常用于評估樹脂的膠粘性能。
良好的膠合特性將導致板材機械性能提高。如何能以最少的膠量獲得最好的膠合性能,這與許多調施膠工藝環節有關,如預備料、調膠、施膠、拌膠、鋪裝及壓制等。研究表明,改善刨花或纖維表面樹脂分布(覆蓋率及均勻度)有利于提高樹脂膠合性能。影響UF膠性的因素主要從四個方面考慮:樹脂分布、樹脂滲透、樹脂預固化、樹脂損失及其它因素。
2.1 樹脂分布的影響
樹脂分布對樹脂膠效的影響非常重要。均衡的樹脂分布是指連續一致的膠滴或平整的膠合面分布狀態,這有益于提高樹脂膠性。Lehmann (1970)提出減少膠滴尺寸能提高板材內結合力,理想的樹脂分布能使板材達到最優性能。
2.2 樹脂滲透
研究表明樹脂的在刨纖的滲透性對結合力影響巨大,膠液滲入木材細胞多孔吸水網格使膠粘劑膠效大大提升,從而產生了強大的內結合力。樹脂滲透性還可使膠液更有效地分布到細胞間層,使破損的木材細胞可通過膠粘及壓力作用而修補。適量的樹脂滲透對于提高膠粘特性是必要的,而過分滲透卻會使膠液浪費,并導致膠層很薄,使粘合表面膠液不充足。因此,在膠合制板期間,在拌膠和熱壓之間適當的裝配時間(從涂膠至粘合完成)控制膠液的滲透是必須的。
2.3 樹脂預固
樹脂在管道施膠與干燥工藝環節處于高溫條件下,很容易發生縮聚反應而一定程度地預固化,從而導致在熱壓環節損失了膠粘性能,一部分膠粘劑因此失效。雖然通過改變施膠量可能克服預固化對膠效的影響,但需準確測量在管道施膠與干燥時預固化的程度,難度很大。
2.4 樹脂損失
樹脂膠效降低可部分地歸結為在刨纖制板過程中的膠液損失。Loxton and Hague(1996)指出在MDF小試中約有施膠量的20%損失掉。Waters(1990)也指出板材的樹脂含量比按纖維流量與施膠比計算出來的理論
值低,在干燥堆微料排放過程中會有少量膠液損失。
Maxwell指出在管道施膠(blow-line blending)及干燥系統中的樹脂損失是不可測的,主要是由于在制板生產中對象不同采用的技術也不同,但是弄清楚樹脂損失的多少以及損失的主要原因還是非常必要的。
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