竹基集装箱底板离心浸胶工艺的研究

竹基集装箱底板离心浸胶工艺的研究集装箱底板作为一种典型的特种胶合板,因为作为集装箱中承载货物重量的主要构件,所以要求其具备承运货物的安全性和必要的使用寿命,必须拥有较大的物理力学强度,因此集装箱底板绝大部分由热带阔叶硬木制作而成,需要消耗大量优质木材。随着交通运输业的蓬勃发展,我国的集装箱底板产量已跃居世界之首,而我国却是一个森林资源匮乏的国家,木材供需矛盾突出,目前最为迫切的就是找一种材料来替代阿必东等热带阔叶林硬材。我国是世界上竹林资源最丰富的国家,竹林面积、蓄积量和产量均居世界第一。竹子与其他植物相比,具有生长周期短、萌发快、强度高、韧性好等特点,只要合理利用,可以以竹代木或竹木复合的结构形式来生产集装箱底板,能缓解优质木材供需矛盾及热带雨林生态恶化等问题。目前竹基集装箱底板是竹木复合集装箱底板的最主要形式,在实际生产中,竹材在浸胶前后共需经过两次干燥,导致能耗偏高、生产效率低;除此之外,现有的常温常压浸胶池浸胶、垂直沥胶工艺,存在浸胶时间长,胶液分布不均匀,胶膜厚度不一等问题,因此,还需进一步改善竹木复合的集装箱底板的生产工艺,才能在提高集装箱底板质量的同时满足国家节能减排的要求。本论文研究竹基集装箱底板生产过程中竹材浸胶的一种新方法:离心浸胶工艺,主要包括离心浸胶与滤胶两个过程。采用正交试验法和响应面试验法分别对竹材的离心浸胶与滤胶工艺进行研究,探索较优的工艺参数,并分析离心浸胶机理。此外,研究过程中还深入探讨了离心滤胶后竹材的干燥工艺,并优化得出较佳干燥工艺。前期试验研究结果表明,经离心浸胶与滤胶的竹材胶液分布更均匀,浸胶时间缩短;容易控制胶液的使用量,胶黏剂得到充分有效的利用,提高了胶黏剂的利用率;干燥时间缩短,干燥速率提高;不仅有效地缩短了生产时间,还降低了生产成本,符合当今企业的发展趋势。同时借助多种表征手段对比分析离心浸胶与滤胶前后竹材表面润湿性能、酚醛树脂分布特征、竹材组份变化及竹纤维微晶结构变化:接触角测量仪(DSA30)测定竹材表面的润湿性能;扫描电子显微镜(SEM)观察竹材横切面和纵切面的微观结构;X射线衍射仪(XRD)分析竹材纤维的微晶结构及相对结晶度;傅里叶红外光谱分析(FTIR)分析竹材的组份。本论文主要研究结论如下:(1)通过对正交试验结果进行方差分析与极差分析得出对离心浸胶工艺浸胶量影响的主次因素从大到小依次为胶液浓度、浸胶时间、转速;胶液浓度对竹材离心浸胶浸胶量的影响极显著,浸胶时间和转速对竹材离心浸胶浸胶量的影响不显著;优化得出的工艺参数为:转速200r·min-1、浸胶时间4min、胶液浓度40%。(2)响应面试验结果表明X1、X2、X3和X32对竹材离心滤胶的浸胶量影响极显著,而X1X2、X1X3、X2X3、X12、X22对竹材离心滤胶的浸胶量影响不显著。综合考虑各方面的影响,在各因素的取值范围内,各因素对竹材离心滤胶的浸胶量影响的主次顺序依次是X3>X2>X1,即胶液浓度>滤胶时间>转速。通过对二元回归模型分析,优化得到的离心滤胶工艺参数为转速100r·min-1,滤胶时间1min,胶液浓度40%,且基于响应面试验,得到的酚醛树脂胶黏剂浸胶量预测值为16.19%。(3)对正交试验结果进行分析得出:影响干燥竹材含水率及挥发物含量的主次因子依次为干燥温度>干燥时间>浸胶量。干燥温度对竹材含水率的影响显著,而干燥时间和浸胶量对竹材的含水率的影响不显著;干燥时间、干燥温度、浸胶量对干燥后酚醛树脂的挥发物含量的影响均不显著。综合竹材干燥工艺对竹材含水率与酚醛树脂挥发物含量的影响,得出一组较佳的干燥工艺参数:干燥时间120min、干燥温度75℃、浸胶量14%。(4)酚醛树脂能很好地润湿竹材,随着时间的延长,酚醛树脂与竹材的接触角由大慢慢变小,在125s时达到较稳定状态。因此,可总结出随着时间的增加,酚醛树脂进入竹材的量越来越少,最后达到饱和状态。(5)通过观察扫面电镜图发现未浸胶的竹材横切面上,薄壁细胞的呈圆形或者椭圆形,孔径约为10～40μm,细胞腔体大而干净,细胞壁较薄,数量多,排列较紧密,细胞间隙明显可见;纵切面上,可看到紧密排列、长短不一的薄壁细胞,细胞腔近乎呈长矩形形态,纵向长度约为50～300μm,细胞壁上分布有少量不规则的小纹孔。离心浸胶后竹材的横切面上可见大量酚醛树脂液滴均匀、紧密地分布在基本组织薄壁细胞的细胞腔内,且几乎被酚醛树脂胶液完全充满。在纵切面上可见大量的酚醛树脂胶黏剂有效地黏附于竹材表面,但是酚醛树脂在竹材表面产生了程度不一的堆积现象,导致胶膜厚度不均匀及树脂分布凹凸不平;经干燥后有明显的龟裂现象,且裂缝较大。离心滤胶后竹材的横切面上酚醛树脂液滴围绕着薄壁细胞的细胞腔内壁成环状分布,或紧密地堆积在细胞腔的一侧;在离心力作用下的原本呈饱满球状的酚醛树脂液滴产生了变形,成流体状展平在细胞腔的内壁上,可见流体状的酚醛树脂通过细胞内壁上的纹孔进入到薄壁细胞的细胞壁内并流入细胞间隙中,加大了酚醛树脂胶黏剂的渗透深度。除此之外,酚醛树脂的含量相对减少,部分多余的胶液被滤除回收。综合以上分析,可知经离心浸胶和离心滤胶后的竹材的浸胶效果得到明显的提升。(6)由晶面距计算结果可知,与未浸胶竹材相比,离心浸胶和滤胶后竹材的纤维素微晶层片间距略有微小变化,但是竹材纤维都保持了原有纤维素结晶主体结构。竹材离心浸胶与滤胶前后各试样纤维素结晶区衍射峰的相对强度产生了一定程度的变化。计算各试样的相对结晶度后发现,经离心浸胶后的竹材纤维素结晶区的相对结晶度略有提升,经离心滤胶后的竹材纤维素结晶区的相对结晶度略有下降,但是变化幅度较小,这主要是由酚醛树脂胶黏剂含量的变化引起的。(7)通过对各试样进行傅里叶红外光谱分析发现,波数1736.66cm-1、1633.00cm-1、1512.95cm-1、1458.95cm-1、1423.75cm-1等处的吸收带主要对应的是竹材纤维素与木质素的C-H面内弯曲振动、芳香族骨架振动;波数1379.39cm-1、1334.56cm-1、1246.81cm-1、1160.50cm-1、1047.20cm-1等处吸收带主要对应的是竹材纤维素与半纤维素的C-O伸缩振动、C-H面内弯曲振动、乙酰基中烷氧键伸缩振动。在竹材红外光谱指纹区内,对比未浸胶竹材,离心浸胶竹材和滤胶后竹材的一系列特征峰未见较大变化,说明竹材浸胶和滤胶后,其纤维素的基本结构未发生明显