废弃杨木粉末无胶干法热模压结合机理研究
摘要：我国是世界上最大的人造板生产和消费国，但随着人造板生产数量大幅度增加的同时，资源和能源紧张、环境污染加剧等诸多问题也接踵而来，因此解决原料短缺以及人造板产品释放甲醛的问题刻不容缓。本文将不同粒径大小的杨木粉末（单份粉末重10g）分别均匀排布在模具中，采用干法热模压（180 ℃，30 MPa，1h）的方式一步成型制备出无异味生物纤维板。表征结果显示该纤维板具有较高的密度和良好的机械、防水性能，且粒径越大，拉伸强度越大（最大可达40.3MPa）；粒径越小，抗弯强度越大（最大可达50.5MPa），粒径最小的板材72h的吸水厚度膨胀率为7%。该生物纤维板的断面扫描电镜图显示纤维中的细胞壁被压溃，细胞壁之间的间隙消失，细胞壁相互联结在一起，增强了物理结合和结合界面。FT-IR、XRD、XPS测试结果显示热压过程中木质素融出，解聚、重组的木质素附着在纤维素表面增强了各组分之间的化学键和，除了纤维之间的化学结合（氢键、酯键、醚键等）以外，还发生了其他类似C-H，C-C，C-I等化学键和，形成了稳定的化学交联。优异的物理性能、稳定的化学结构以及无甲醛释放的特性使得本研究制备的生物纤维板可以应用于家具材料领域，不仅具有实际可行性和资源化利用前景，而且能保障人居环境安全。
关键词：杨木粉末、无胶干法热模压、纤维板、力学性能
1 研究背景
随着经济的发展和人民生活水平的提高，再加上城镇化建设的进展加快，我国对于人造板产品的需求量将大幅度增长。根据中国木材网的统计，中国人造板的产量从2008年的9410万立方米增加到2020年的将近3亿立方米，占世界的比重也随之增加。与此同时，近年来我国人造板企业的数量也从2000多家发展到了一万多家，行业健康发展问题也随之而来[1]。
人造板的生产与发展虽然提高了木材的综合利用率，但是其属于资源消耗型产业。2003年，党的十六届三中全会中明确提出“坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的科学发展观，实现经济又好又快的发展”，2015年，中共中央、国务院印发了《国有林场改革方案》和《国有林区改革指导意见》，总体目标是“到2020年，通过大力造林、科学营林、严格保护等多措并举，森林面积增加667万立方百米（1亿亩）以上，森林蓄积量增长6亿立方米以上，商业性采伐减少20%左右”[2]。出于对环境的保护，减少对天然林的砍伐是目前中国根源上的解决方案。因此，人造板企业生产采用的速生材等原料急剧短缺，这对行业的发展产生了不小的冲击。尤其是近年来中国农村大面积爆发，改革开放40年以来，我国人造板工业迅速发展，2018年，我国人造板的总产量为29909万立方米，保持着世界人造板生产大国的地位[3]，找出资源问题的解决方案刻不容缓。
另外，现存的人造板生产技术主要以酚醛树脂和脲醛树脂进行胶合，且脲醛树脂的使用量大约占百分之90，再加上大多数企业的人造板胶合技术相对较落后，导致人造板产品中游离甲醛的含量居高不下，这使得木质板材成为室内空气中甲醛污染的主要来源之一，导致人们的生活环境恶化。近些年来，由于人造板甲醛污染造成的甲醛中毒事件更是时常发生在人们的日常生活工作场所，因甲醛中毒而发生的个人或者群体性事件也多有报道。甲醛对人体具有刺激作用，主要体现在对皮肤黏膜的刺激，其可与蛋白质结合，高浓度吸入时可出现呼吸道严重的刺激和水肿，以及眼刺激，头疼等；皮肤直接接触甲醛，还会引起过敏性的皮炎，色斑，坏死，吸入甲醛可诱发支气管哮喘、鼻咽肿瘤等疾病；还可能出现头疼，头晕，乏力，恶心，呕吐，胸闷，咽痛，纳差，心悸，失眠，记忆力减退以及植物神经紊乱等，孕妇长期吸入可导致胎儿畸形，甚至死亡，成年男性长期吸入可导致精子畸形和死亡等。目前消除室内甲醛的方法主要是室内通风，可选用空气换气装置或自然通风，这样有利于室内甲醛的散发和排放；可采用植物净化的方法，居家养殖一些大型绿色阔叶类植物盆栽，既美观，又有利于吸收和缓解甲醛的浓度，如绿萝、常春藤、芦荟等；还可以采用光触媒技术将甲醛氧化分解成水和二氧化碳，即在木质地板上刷涂上光触媒木质精油，从而除掉甲醛；另外使用活性炭吸附的方法，也可以消除一部分的甲醛，但是效果不太明显。然而这些方法都不能从本质上减少甲醛的释放，而且还消耗了大量的石油和树脂资源[4]-[7]。此外，据最新数据统计因甲醛病住院的人超过百万，其中一半以上是儿童。因为在大多数家庭中，错误使用了错误的除甲醛方法，导致室内甲醛迟迟不达标，却成了甲醛的“助手”。因此，目前迫切需要找到一种有效的途径来解决室内家具以及装饰材料的甲醛释放问题，毫无疑问制备无甲醛释放的人造板是首要之举。
近年来，无甲醛释放人造板的制备主要是通过无胶胶合和无醛树脂胶合两种方法。然而使用无醛树脂胶黏剂的成本是使用脲醛树脂胶的十倍以上，很难在人造板生产中大规模使用[8]-[9]。因此针对这一难题，本文拟选用废弃杨木粉末为研究对象，通过无胶干法热模压制备出高密度、高结合强度、耐水耐热的生物纤维板，全面阐明木纤维干法嵌合机理，最终解决木纤维复合加工造成的资源浪费以及环境污染等难题，具有一定的研究价值和现实意义。
2 国内外木质纤维结合机理的研究现状及发展动态
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