森林滥伐现象已使世界森林遭受愈来愈严重的威胁, 构成世界最大的陆生生态系统的北方森林在急剧消失, 占世界森林总量1/3左右的热带雨林更是以每年近2×10⁷hm²的砍伐速度激减。从我国目前生态环境状况分析, 由于天然林资源遭受破坏, 已经引发了严重的生态环境问题:如水土流失加重、土地荒漠化加剧、水资源短缺、生物栖息环境恶化等。据美国《科学》杂志的一篇文章报道, 目前全球每年流失的表土总量达7.50×10¹⁰t, 其中中国为5.0×10⁹t, 给人类社会的生存和发展带来严重威胁(陈利秋等, 1998)。为此国家从1998年启动重点地区天然林资源保护工程, 而随着天然林资源保护工程的实施, 到本世纪末将有67%的重点地区林业用地划为生态保护区, 完全停止禁伐区内的森林采伐, 大幅度调减缓冲区木材产量, 到2000年调减木材产量1.562×10⁷m³, 杜绝超计划采伐6.30×10⁶m³, 会使全国的商品材总供给萎缩1/3以上, 木材供需缺口总量将扩大到5.90×10⁷m³ (石峰等, 1998)而随着我国经济建设的发展, 对木材及其制品供应提出了更高的要求, 这一尖锐的矛盾是我国木材供求所面临的新形势。

持续发展模式是当今世界处理环境与发展问题, 协调经济发展与环境保护之间关系的一项非常重要的理论, 木材工业的可持续发展主要对其原料资源森林而言。为适应可持续发展战略, 许多国家把大力发展速生工业人工林作为解决木材供需的战略措施, 并在提供木材原料方面发挥着越来越大的作用。如:巴西为减少对亚马逊森林的破坏和解决南方用材的需求, 经过30多年的努力在其南部营造的桉树和南方松人工林已成为该国制浆造纸和木材工业的原料基地; 印度尼西亚是世界森林资源最丰富的国家之一, 80年代就大规模营造工业人工林; 新西兰有140年经营人工林的历史, 如今该国95%的木材来自人工林; 智利的工业人工林占全国森林面积的17%, 却占有全国工业用材总量的95% (陈绪和, 1999)。我国木材工业的发展也必须转向培育和利用经过定向化、集约化经营的速生丰产人工林, 传统的人造板工业原料也将逐渐由木材、木材采伐加工剩余物为主转向依靠人工速生林和小径材, 以及竹材和非木材植物纤维资源的利用等。近年来我国的人工林建设也有很大的发展, 并已拥有一定的木材蓄积量, 问题是树种少且材质差, 这些木材的利用档次和利用率都很低(王恺等, 2000)。

任豆树(Zenia insignis Chun.)又称翅荚木、砍头树等, 属苏木科任豆属(Zenia)落叶速生阳性乔木树种, 萌芽性强、浅根性、侧根粗状发达, 能在石缝中生长, 常为南方绿化石山的优良速生树种, 同时抗病虫害能力强、树干通直、树皮薄、出材率高(赵瑞峰, 1982)。任豆树用途广泛, 长期以来主要作为速生树种经营, 分布于我国的广东、广西、云南、贵州、湖南等省区, 福建省永安市东波林场于1982年开始进行任豆树引种试验并取得成功, 但任豆树显微构造、纤维形态、物理特性和化学组分特性分析与综合利用开发研究尚未进行, 本文在课题研究的基础上论述任豆树主要材性与任豆树生产阻燃人造板工艺技术, 及其在木材工业领域开发利用的价值和意义, 并期待我国南方优质速生阔叶树造林和应用研究的发展。

1 材料与方法 1.1 木材原料

试验用速生阔叶任豆树原料由福建省永安市东波林场提供。经木材分析表明:

任豆树木材显微构造:导管横切面圆形及卵圆形, 单管孔及少数径列复管孔, 复管孔由2~4个组成, 螺纹加厚未见, 管间纹孔式互列, 穿孔单一, 导管与射线间纹孔式类似管间纹孔式。轴向薄壁组织丰富, 呈环管束状, 翼状, 轮界状及不规则带状。木纤维壁薄至厚, 单纹孔式略具狭缘。木射线局部排列较整齐, 单列射线甚少, 2~4列较多, 内含少量树胶。

任豆树木材主要物理特性:绝对含水率19.4%;全干密度0.335g/cm³; 气干密度0.378g/cm³; 基本密度0.314g/cm³; 吸水率45.6% (6h); 吸水率178.5% (24h)。

任豆树纤维主要形态特征:导管平均弦径184μm; 木纤维平均长度0.91~1.49mm; 木纤维平均直径15.0~18.0μm; 长宽比50.6~99.3。

任豆树木材主要化学组份:纤维素48.72%;戊聚糖25.65%;木质素20.35%;1%NaOH抽出物14.34%;热水抽出物3.8%;有机溶剂抽出物2.42%;灰分0.48%。

1.2 胶粘剂与阻燃剂

试验使用低毒脲醛树脂胶作为纤维和刨花胶粘剂, 防水剂为熔融石蜡。试验使用酚醛树脂胶作为单板层积材胶粘剂。试验采用低压短周期三聚氰胺浸渍纸技术饰面任豆树阻燃功能人造板, 用聚乙烯醇、六次甲基四胺和三乙醇胺等组份制得改性三聚氰胺树脂(侯伦灯, 1997)。目前有机树脂类型阻燃剂的研究发展较快, 试验中我们使用自行研制的有机树脂类型阻燃剂, 其组成包括成炭剂、脱水成炭催化剂和发泡剂, 主要成分有聚磷酸胺、三聚氰胺、尿素、甲醛、季戊四醇和氢氧化铝等, 在任豆树阻燃人造板制备的施胶过程中加入(蔡永源等, 1993;王元宏, 1988)。

1.3 试验方法

考虑到我国的速生人工林总体建设发展需要, 以及这些木材在木材工业领域的利用档次和利用率现有水平都较低的状况, 我们期待速生阔叶任豆树开发利用的价值和意义都有所提高, 为此我们设计进行任豆树生产功能型阻燃人造板工艺技术的研究, 重点开发任豆树阻燃中密度纤维板、任豆树阻燃刨花板、任豆树阻燃单板层积材等现代人造板产品。试验采用正交设计的方法优化工艺参数, 在试验结果的基础上分析探讨各工艺过程主要因素对产品质量的影响。

任豆树阻燃中密度纤维板试制, 即任豆树原料经切片、蒸煮软化、纤维分离、纤维干燥、施加阻燃剂、防水剂与胶粘剂、铺装成型、热压、检测等工艺过程(张贵麟等, 1992)。主要工艺参数为:纤维分离度约20~25 S; 纤维含水率6%~10%;施加胶粘剂14%~16%;施加阻燃剂8%~14%;防水剂量1.5%;热压压力2.8~4.0Mpa; 热压温度155℃~185℃; 热压时间30~50 s/mm。

任豆树阻燃刨花板试制, 即任豆树原料经BX216鼓式削片机和BX466刨片机制备刨花、刨花在试验室干燥箱进行干燥、施加阻燃剂、刨花再干燥、施加胶粘剂与防水剂、铺装成型、热压、检测等工艺过程。主要工艺参数为:木段含水率40%~60%;干燥后刨花含水率5%~8%;施加阻燃剂10%~14%;施加胶粘剂12%~16%;施加防水剂1%;热压压力2.8~3.5Mpa; 热压温度155℃~175℃; 热压时间40~60s/mm。

任豆树阻燃单板层积材试制, 即任豆树原木段经温水浸泡、旋切、单板干燥、涂胶、顺纹组坯、预压、陈放、热压、检测等工艺过程(杜国兴, 1991;侯伦灯, 2000;Susan et al., 1996)。主要工艺参数为:木段浸泡水温50℃~60℃; 单板名义厚度2.1mm; 单板含水率3%~5%;单板背面裂隙70%~80%;单板涂刷或浸渍阻燃剂12%~16%;涂胶量160~200 g/m² (单面); 单板层积材名义厚度26mm; 压缩率10%;热压压力1.2Mpa; 热压温度160℃~180℃; 热压时间60~90 s/mm。

饰面处理, 即基材使用低压短周期三聚氰胺浸渍纸饰面技术工艺, 该技术原是为刨花板二次加工而研究开发的新技术, 近年来在人造板生产上得到广泛应用(侯伦灯, 1997)。主要工艺参数为基材厚度偏差±0.1mm; 基材含水率6%~8%;浸渍纸三聚氰胺树脂含量80%~120%;残留挥发成分6%~8%;热压压力2.2~2.8Mpa; 热压温度175℃~195℃; 热压时间50~60 s。

检测方法, 即任豆树阻燃纤维板、阻燃刨花板和阻燃单板层积材的物理力学性能、表面理化性能、燃烧过程中水平与垂直燃烧性能、氧指数和热释放率的检测, 分别参照GB11718.1~10-89、GB/T4987-92、日本JAS结构LVL标准、GB/T15102-94、GB/T2406-93、GB2408-80、GB4609-84、美国试验和材料学会ASTM Standard E-906检验标准等进行检测(Per, 1980;ASTM, 1984)。

2 结果与分析 2.1 任豆树阻燃人造板技术性能指标

任豆树阻燃人造板与普通木质人造板生产工艺流程相差不大, 任豆树阻燃纤维板、阻燃刨花板、阻燃单板层积材在进行阻燃处理时, 生产工艺相应进行调整, 基材使用低压短周期三聚氰胺浸渍纸饰面技术, 生产的任豆树阻燃功能人造板物理力学性能、阻燃性能和表面理化性能分别参照相关标准检测结果如下:

任豆树阻燃纤维板主要物理力学性能:密度0.65~0.85 g/cm³、含水率5%~10%、静曲强度17.2~45.6Mpa、弹性模量2.0×10³~4.2×10³Map、平面抗拉强度0.62~1.35Mpa、吸水厚度膨胀率 < 12%、甲醛释放量〈30mg/100g;阻燃性能:水平燃烧性GB2408-80/Ⅰ~Ⅱ、垂直燃烧性FV-0、氧指数40%~60%、热释放率≤80kw*min/m² (2 min)。

任豆树阻燃刨花板主要物理力学性能:密度0.50~0.85g/cm³、含水率5.0%~11.0%、静曲强度18.0~35.0Mpa、弹性模量2.5×10³~4.5×10³Mpa、内结合强度0.25~0.75Mpa、吸水厚度膨胀≤8%、甲醛释放量≤30 mg/100g;阻燃性能:水平燃烧性GB2408-80/Ⅰ~Ⅱ、垂直燃烧性FV-0、氧指数45%~60%、热释放率≤75 kw*min/m² (2 min)。

任豆树阻燃单板层积材主要物理力学性能:密度0.40~0.50g/cm³、含水率5.0%~11.0%、静曲强度65.0~75.0Mpa、弹性模量6.5×10³~8.0×10³Mpa、剪切强度(S₁) 3.5~4.5Mpa、剪切强度(S₂) 4.5~5.5Mpa、吸水厚度膨胀率≤6%;阻燃性能:水平燃烧性GB2408-80/Ⅰ~Ⅱ、垂直燃烧性:FV-0、氧指数45%~60%、热释放率≤70kw*min/m² (2 min)。

任豆树阻燃人造板主要表面理化性能:耐磨性≤80mg/100r;耐香烟灼烧性:无黄斑和光泽以外的变化; 耐蒸汽性:无突起、变色、开裂; 耐污染腐蚀性:无污染、无腐蚀; 耐干热性:无开裂、无鼓泡。

2.2 分析

试验研究过程中对任豆树材性检测结果分析表明:任豆树木材纵切面上导管线明显, 轴向薄壁组织发达, 木射线细数量适中, 含少量树胶, 任豆树木材的戊聚糖含量和1%NaOH抽出物含量较高, 任豆树木材密度较低而吸水性较强。为此在任豆树阻燃纤维板试制工艺上, 采用低温蒸煮软化(135%~160℃)热磨制浆工艺, 可保证纤维浆质量和制浆得率, 并减少任豆树木材热解产物和可溶物的含量, 同时应加强纤维防水性能的处理, 以稳定和提高板子物理力学性能。在任豆树阻燃刨花板制备过程木段含水率对刨花形态和刨花尺寸及刨花表面质量的影响较大, 对所制备的刨花从长度和厚度2个方向进行测量, 并对刨花的表面粗糙度进行直观比较, 结果表明木段含水率在40%~60%时, 刨花形态、刨花长度和厚度尺寸比较均匀, 刨花表面光滑, 质量较好, 木段含水率过低则刨花破碎率较高。在任豆树阻燃单板层积材试制过程中, 由于木段径级小, 旋切单板较厚, 旋切单板易于产生背面裂隙, 而影响单板质量和后叙工段质量控制, 应采用低温浸泡(50℃~60℃温水)软化处理木段。

研究分析还表明:任豆树阻燃纤维板和刨花板的密度及其分布对板子性能的影响较大, 依据上述选定的工艺参数, 为探讨板材密度对板子性能的影响而分别压制几种不同密度的板子进行测试结果表明, 随着板子密度的增加, 板子的静曲强度和内结合强度显著上升, 弹性模量值也有所提高, 而板子密度的变化对板子吸水厚度膨胀率的影响比较小。究其主要原因应在于速生任豆树的密度较小, 压制成中密度纤维板和刨花板时, 纤维与刨花用量体积较大, 在确保纤维与刨花单位面积受胶量的情况下, 热压时纤维与刨花受压程度较大, 胶合效果较好。这与木材的密度和强度一般存在的线性关系, 即密度越高则强度也越大相类似。单板层积材(LVL)则是近年来从胶合板生产工艺中派生出来的一种结构功能人造板材料, 顺纹组坯而成的单板层积材最大程度地再现了木材各项异性的特点, 在结构受力时木材的纵向强度可以得到充分利用, 从而减少非受力方向木材资源的浪费, 提高木材原料的利用率, 在板子密度较低情况下仍可获得较大的纵向强度。

热压工艺对板子的力学性能及吸水厚度膨胀率有较显著的影响, 当热压温度从155℃升至175℃时, 板子的静曲强度和弹性模量提高较快, 热压温度适中时则板子的吸水厚度膨胀率较小, 但热压温度过高则单板层积材由于表层单板和胶粘剂在高温作用下产生的负面影响而使各项性能有所降低。热压时间的延长通常使板子的内结合强度有所提高, 板子的吸水厚度膨胀率则降低。热压压力的变化则对板子断面结构的密度分布会产生显著影响, 进而影响到板子的物理力学性能。

阻燃剂对任豆树阻燃人造板的阻燃效果和板子性能影响则较复杂, 我们知道木材成分中除去少量的水分和无机盐外, 大部分是有机成分, 其有机物中70%遇热分解生成可燃性挥发物质, 气相燃烧过程中增殖大量活泼的羟基游离基(HO·), 不断延续与有机成分生成碳氢化合物游离基和水, 并在有氧燃烧情况下, 碳氢化合物游离基分解形成新的羟基游离基, 如此循环使气相燃烧呈链式反应。当木材燃烧发展到碳残渣的固相燃烧阶段时, 其火势、蔓延性及危险就相对减弱。研究表明木材及木质材料的燃烧性质不仅与其结构、密度、含水率等物理性质密切相关, 而且木材燃烧性质与木材微观结构及化学组成之间也有密切关系。试验中我们使用氨基树脂为载体, 聚磷酸盐为主剂的阻燃剂, 其作用在于它们燃烧时反应形成偏磷酸和氨气, 偏磷酸聚合成非常稳定的多聚态, 生成的氨气稀释了氧气的浓度, 聚磷酸是强脱水剂, 尤其在高温下促进碳化及有机物脱水成炭, 形成均匀的泡沫碳质层, 还会形成固相覆盖在泡沫碳质层表面, 隔绝空气和热量, 成为材料的保护层能起隔热和隔氧作用, 聚磷酸还可使木材中多糖类物质脱水而炭化, 促使木质糖类在较低温度下分解形成焦炭和水, 并增加焦炭残留物生成量, 从而大大抑制了热量从燃烧的物质表面传至内部, 改变碳水化合物热分解生成可燃性挥发物质的反应途径, 而起到阻燃的效果。氨基树脂载体还可使无机盐微胶囊化, 使无机盐不直接与木材纤维接触, 而减少磷氮系阻燃剂对板材物理力学性能的影响。

任豆树阻燃人造板从主要阻燃性能的水平燃烧性、垂直燃烧性、氧指数指标分析:阻燃性能好、热解燃烧产物少烟、使用方便、性能稳定, 检测材料燃烧过程中热释放率变化状况分析比照美国试验和材料学会ASTM Standard E-906检验标准(美国联邦航空局FAA标准; 阻燃材料最大热释放率≤65kw/m²和热释放量≤65kw*min/m² at 2min), 任豆树纤维板5min燃烧测试过程中最大热释放率和前2min燃烧测试过程中热释放量可以得到控制, 可以满足建筑、室内装修和家具材料使用。

任豆树阻燃人造板主要表面理化性能分析表明:耐磨性、耐香烟灼烧性、耐蒸汽性、耐污染腐蚀性、耐干热性显示良好。低压短周期三聚氰胺浸渍纸饰面技术工艺上应重点解决三聚氰胺树脂的改性、基材质量的控制以及装饰纸浸渍树脂含量的保证, 确保表面装饰性能和效果。

3 结论与建议

任豆树可认为对立地条件适应性广的速生丰产优良树种, 具有推广种植和综合利用开发的特殊价值, 并对我国天然林保护工程的实施将产生积极的效果。任豆树主要材性分析表明任豆树是一种理想的人造板生产原料, 实验结果也说明可适应普通或特种功能纤维板、刨花板和单板层积材的生产。任豆树阻燃功能人造板产品物理力学性能优良, 经阻燃处理和表面装饰后的阻燃性能和表面理化性能理想, 产品可广泛应用于建筑、室内装修、家具制造等行业。任豆树试制阻燃功能人造板试验是可行的, 建议尽快组织进行生产性试验, 以促进早日进一步推广种植和为人造板综合利用做出更大贡献。