利用家具废弃材料制造刨花板

近年来,巴西已经进行了大量的研究来评估使用木质残留物与木制品生产刨花板的可行性。深入调查测试利用家具废弃材料制造刨花板的可能性,将能进一步缓解资源压力,推进研究进展—Esoline Helena Cavalli Zamarian,巴拉那联邦科技大学,Setsuo Iwakiri, Rosilani Trianoski和Carlos  Eduardo Camargo de Albuquerque,巴拉那联邦大学

在巴西用于生产刨花板的木材主要来源于人工林,而松树(松属的树种)和桉树是最常用的树种。刨花板工业使用的木材主要来自于由厚板切割成薄片的原木,以及在锯木厂和轧钢厂进行二次加工的木材碎片。

尽管木制品残留物是发达国家获取原材料的主要方式之一,但是在巴西,生命周期即将结束的木制品残留物还没有被用于制造刨花板。

然而,近年来,各种类型的木质残余物和木制品在刨花板生产中的潜在用途问题,一直是巴西部分研究者探索的目标。

Weber和Iwakiri评估了使用胶合板、厚纸板和中密度纤维板加工残留物生产刨花板的可行性;Azambuja进行了一项研究,了解使用建筑和拆除废料作为生产刨花板的原材料有多少潜力;Iwakir等人也评估了使用亚马逊地区锯木废料制造的刨花板的质量。

研究人员发现这些残留物在刨花板生产中的使用结果令人满意,所以将它们加入到工业原料基质中的可能性很高。

Mickleburgh和Magin的报告称,对家具、包装和拆卸废料进行再加工,也许可以替代生产出来的颗粒木板。

使用特殊的削片机加工各种残留物再产出薄木片的方法很简单、高效、廉价,在技术上和经济上都有趣味性,既能够增加废料的价值,还能为刨花板工业提供原料。

刨花板的使用跟它们的物理和机械性能有直接的关系。应用板材时需要面临技术限制,同时还要考虑到它们的性特性,如机械强度、尺寸稳定性、表面均匀性、可加工性、固定螺钉的阻力等。

Maloney和Moslemi 认为木质原材料的特性对刨花板特性的影响主要与颗粒的密度、pH值、可萃取物含量以及几何形状有关,这些因素影响了板材的粘接过程及其质量。

将家具废弃材料中获取的材料进行转变,再用于制造刨花板,这样的板材包含了中密度纤维板、刨花板和锯材,部分特性也有所不同。例如不同树种、木材和板材之间的密度会有所变化。同时,我们也用聚合树脂与石蜡生产这种类型的板材,并经过高位热压处理。

鉴于上述情况,本研究的目的是为了评估能否使用从家具废弃材料中获取的颗粒物,以纯粹的或者混合比例的方式把这种松树颗粒物制成生产刨花板的原材料。

本研究的目标材料是在库里提巴(巴西东南部城市)收集的,包括废弃的家具,如卧室、客厅和厨柜,以及家具部件,如抽屉、桌面、门、架子、床底座,支撑结构和一般的框架。

除此之外,还包括金属和塑料配件、铰链、货架支撑架、手柄、钉子、螺丝钉和U 形钉。制造家具使用的产品包括刨花板、中密度纤维板、硬质纤维板、胶合板和锯材,再分别使用不同的材料如涂料、木皮、塑料层压制品和装饰纸(三聚氰胺薄膜)以及预油漆纸(FF)进行饰面。

所有收集的材料在破碎机中进行处理,并且配备了用于去除金属的电磁铁。该过程重复两次,为了完全去除金属和减少切屑碎片。其余所有的废弃材料都会被切碎,不会从最终所得的材料中再去除废料。

同时,工业松木颗粒物、脲醛树脂、石蜡乳剂和硫酸铵会被用作催化剂。

从家具废料和工业松木颗粒中得到的木屑碎片在锤式粉碎机中进行两次再加工,再用18毫米和12毫米的筛网进行筛分。经过这几道工序之后,将颗粒在中等含水量3%的情况下进行干燥,然后把这些材料归为“好”的一类。

本文中颗粒物的容积密度都是确定的,从PH值和可萃取物含量等测试结果就可以看出,其旨在于描绘清楚在环境变化的条件下,那些使用家具废弃材料制造的材料在其生命周期中的特征是如何的。

根据适配的标准ABNT-NBR 6922(ABNT,1983),TAPPI 252和TAPPI 204(TAPPI,2002)分别对颗粒物进行检测。同时也确定了工业松木颗粒具有相同的性质。

实验设计包含了六种实验方案,其中家具废弃颗粒物的混合比例分别占10%、25%、50%、75%和100%,工业用松木颗粒物则占剩余的比例。

实验中生产的板材的名义密度为0.70 g/cm3,尺寸为500×500×13毫米(长度、宽度和厚度)。脲醛树脂的用量形式为10%的固体(以颗粒的基础干重来计算)以及1%的石蜡乳液。

板材在140摄氏度的环境下进行热压,压力为4.0Mpa,压制时间为10分钟。压制工序之后,把板材切割成正方形,并将其放置在温度20±3摄氏度和相对湿度65±5%的气候室中,直到板材各方面性能稳定为止。

板材的质量根据它的物理和机械性能进行评估,参考EN和ABNT标准中所描述的测试步骤:表观密度(EN 323)、吸水率、浸入水中2小时和24小时后板材膨胀的厚度(EN 317),在静态弯曲的情况下弹性及破裂系数(EN 310),垂直于板材表面的牵引力(内部连接)(EN 319),从板材表面及上方去除螺丝钉的阻力(NBR 14810 -3)。

统计分析是按完全随机的设计方案进行,通过方差分析(ANOVA)、协方差分析(ANCOVA)和TUKEY测试,并以95%的置信度进行评估再得出结果。

 

物理和化学性质

从家具废弃材料中得到的颗粒密度平均值为0.178 g/cm3,低于工业松木颗粒的平均密度值0.200 g/cm3。

在压制板材颗粒时应当参考这些数值,因为它可能会影响其物理和机械性能。

对材料的化学性能进行分析后,得到的家具废弃材料PH平均值为5.30,工业松木颗粒的PH值为5.14。两者可萃取物含量的平均值分别为7.93%和6.18%。

 

板材的物理性能

100%松木颗粒制成的板材的平均密度值为0.682 g/cm3,100%家具废弃材料制成的板材的平均密度值为0.714 g/cm3,所有方案的密度平均值在这两者之间的范围内变化,根据统计学分析,每种方案的密度平均值各不相同。而使用混合材料制成的板材,其板材密度的平均值没有显著差异。

用50%的家具废弃材料和50%的松木颗粒(T3)制成的板材,经过两个小时的浸泡后,其吸水率平均值为12.34%,而以75%的家具废弃材料颗粒和25%的松木颗粒(T3)制成的板材(T4),其吸水率平均值为19.28%,其余实验方案的平均值介于这两者之间。经过统计计算,不同的实验方案得到的平均值各不相同,而且无明显差别。

经过24小时的浸泡后,100%松木颗粒(T6)板材的吸水率为34.75%,75%家具废弃材料以及25%松木颗粒制成板材(T4)的吸水率达到42.68%,其余实验方案的吸水率平均值在这两者之间。经过统计计算,平均值也各不相同。实验方案T1(10 % DM / 90 % P),T5 (100 % DM)和T6 (100 % P)在经过24小时的浸泡之后,吸水率是最低的。

在水里浸泡两小时之后,10%家具废料以及90%松木颗粒(T1)制成板材增加的厚度平均值为4.82%,75%的家具废料和25%的松木颗粒(T4)制成板材所增加的厚度平均值为25%,其余实验方案得出的平均值介于这两者之间。经过统计计算,不同方案的平均值仍然各不相同。其他实验方案中的板材经过2小时浸泡后,得到的吸水率平均值相等,且低于实验方案T4。

在水里浸泡24小时之后,以100%家具废弃材料制成的板材(T5),其厚度增加的平均值为11.60%,以50%家具废弃材料和50%松木颗粒制成的板材,其厚度增加的平均值达到15.98%,其他实验方案的平均值在这两者之间。以100%家具废弃材料所生产出来的板材(T5),经过统计计算,其厚度增加的平均值低于其他实验方案。

 

板材的机械性能

使用75%的家具废料和25%松木颗粒制成的板材,其MOE(弹性系数)平均值为1.452 MPa,以10%的家具废料和90%的松木(T1)生产的板材的MOE平均值为1.956 MPa,剩余的实验方案数据处于这两者之间。经过数字统计,其平均值各不相同。不同的实验方案得出的结果也无明显差别。

以75%的家具废弃材料和25%的松木颗粒制成的板材(T4),其MOR平均值为10.17 MPa,拿10%的家具废弃材料及90%松木颗粒生产的板材(T1)的MOR平均值为13.10 MPa,其余实验方案的MOR平均值介于这两者之间。统计计算后得出的平均值各不相同。对MOE进行验证后,并没有发现这两种实验方案的MOR平均值与其他实验方案有明显区别。

使用100%的松木颗粒生产出来的板材(T6),其内部粘接力(LI)的平均值为0.60 MPa,以10%的家具废弃材料和90%的松木颗粒制造的板材(T1),其LI平均值为0.96 MPa。其余实验方案的LI平均值在这两者范围之内,每种实验方案得到的LI平均值各不相同。用10%和25%的家具废料生产出来的板材与90%和75%的松木颗粒比例制成板材(T1和T2实验方案),其LI平均值更高,经过统计发现,这两种实验方案的板材内部粘接力更优异。

MOE、MOR和板材内部粘接力的研究结果表明,随着板材中家具废弃材料颗粒混合的比例逐渐提高,达到75%的占比时,板材的各方面性能数值会降低。

板材表面螺丝的抗撕裂性平均值范围如下:从25%家具废弃材料与75%松木颗粒制成板材(T2方案)的1,033 N,到10%废弃物颗粒与90%松木颗粒制成板材(T1)的1,185 N,其余方案数值在这两者之间变动。

同时,以10%的家具废弃材料颗粒和90%的松木颗粒制造的板材(T1),其顶部的螺丝钉拉拔阻力的平均值为945 N,用50%的家具废弃材料颗粒和50%的松木颗粒生产的板材(T3),得到的拉拔阻力平均值为1,127N,剩余的实验方案平均值介于这两者之间。无论是在板材的表面还是在其顶部去除螺丝钉,其拉拔阻力的平均值没有明显的不同。

 

家具废弃颗粒物的开发潜力

板材容积密度的计算结果表明,家具废弃颗粒物的容积密度比松木颗粒更低。这种差异可能是因为热压工艺导致家具丢弃物的密度和板材产品的压实度较高,所以让锤式粉碎机的再加工条件变得更加困难,板材的颗粒尺寸加大。

Garcia等人表示,这种现象的出现是因为材质颗粒的粒径越大,其容积密度越小,因为颗粒之间的间隙将加大。还有一种推论,因为颗粒之间间隙的影响,废弃材料的密度之间会有着差别。

为了方便参考,阿赞布雅(葡萄牙)从建筑和破碎的废料中获取了材料颗粒,将其制成不同产品并测试了容积密度,结果如下:松木颗粒0.183 g/cm3;中密度纤维板0.113 g/cm3; 附聚物0.275 g/cm3;以及锯材0.249 g/cm3。

家具废弃材料和松木颗粒的PH值研究结果均在文献给出的范围之内。 Moslemi提出,木材的PH值在3到6之间;Trianoski计算得出火炬松的PH值为4.64,热带松的PH值介于4.17和4.61之间。

PH值较高的材料通常有利于板材的生产,因为在压制板材的过程中,这样的材料对脲醛树脂的预固化所造成的不利影响较少。

Fengel和Wegene对两种针叶材的可萃取物含量进行分析,所得结果在5±3%的范围之内,低于 Sjöströn所提出的最大值10%。Trianoski进行的研究指出,不同热带松木的平均可萃取物含量为3.34%至8.82%。

 

板材性能的区别

板材之间的密度存在差异,同时,与名义密度相关的数值会有变动,其原因在于实验室内板材的生产制造过程:手工堆积板材时,成型室内的颗粒集中度与分布情况会有变化。

值得注意的是,制成板材的密度随着家具废弃材料颗粒的混合比例增加而上升。这可能是因为这些颗粒中的固化树脂固体含量较高,让板材厚度的恢复程度变低,驯化板材和释放其压力的时候,减少了体积膨胀度并增加了板材的密度。

板材的吸水率和浸泡后增加的厚度结果,说明了以100%家具废弃材料和工业用松木颗粒制成的板材的平均统计当量,把板材浸泡24小时后增加的厚度因素排除在外。我们对板材不同的组成比例进行研究,可以发现使用75%的家具废料结合松木颗粒后制造的刨花板,其尺寸稳定性很优异。

Weber和Iwakiri 在工作报告中指明,在生产新的颗粒板材时,使用刨花板和中密度纤维板残留物是有好处的,因为在其原始成分中有石蜡,对板材的尺寸稳定性有着积极的影响。原始板材中存在的树脂和石蜡成分越多,就更有助于减少浸泡后的板材的吸水率以及增加的厚度。

所有实验方案中的板材都满足NBR 14810 (ABNT, 2006b)国家行业标准,浸泡两个小时之后,板材增加的厚度最大值为8%。浸泡24小时之后,所有实验方案中的板材所呈现出来的厚度增加值低于18%,符合NBR 14810 (ABNT, 2014a)标准。

相比文献中的参考值,本研究中得到的吸水率结果是令人满意的。Naumann等人发现尾叶桉和巴西木材Schizolobium amazonicum在水里浸泡24小时之后,吸水率分别达到97.2%和117.9%。

Iwakiri还发现火炬松和邓恩桉的吸水率分别为75.04%和80.05%。 Dacosta等人分别调查了使用含有8%和12%的树脂的湿地松残留物加工而成的板材,其吸水率远低于20.24%和20.43%。Iwakiri的研究结果是,火炬松和邓恩桉的吸水率为30.50%与35.09%。

所有实验方案中,将使用家具废弃材料生产的板材与使用工业用松木颗粒控制生产的板材进行对比,经过统计计算,其MOE(弹性系数)和MOR(断裂模数)相等。同样地,家具废弃材料颗粒板材的内部粘接力数值相比松木颗粒板材更高或两者几乎相等。

除了75%家具废弃材料与25%松木颗粒混合制成的板材,其他实验方案中的制成板材的MOE平均值均高于EN 312: 2003所设定的最低标准1,600 MPa。

只有实验方案(T1)中,使用10%的家具废弃材料以及90%松木颗粒生产的板材,其MOE数值符合标准设定的最低要求13 MPa。然而,用50%及以上的家具废弃材料结合松木颗粒制成的板材,以及使用100%家具废弃材料生产的板材,其MOR平均值经过统计计算后与理想实验方案推荐的结果是相等的。

考虑到所有实验方案中得到的内部粘接力平均值都高于0.5 MPa的最低标准要求,所以这方面的研究结果是完全令人满意的。

与文献中的部分结果相比,在这项研究中板材的机械性能调研结果是非常理想的。Weber和Iwakiri调查发现,从刨花板、胶合而成的板材以及中密度纤维板的加工残留物中取材后生产的刨花板,其MOE和MOR数值分别为1438 MPa和8.44 MPa。

Azambuja还调查发现,从建筑及拆卸废料中分别提取25%和50%的颗粒物,与松木颗粒进行混合,其MOE的数值分别为1,446 MPa 和1,352 MPa,MOR数值又分别是8.09 Mpa和6.97 MPa。

Colli等人研究发现,使用巴西木材Schizolobium amazonicum生产的刨花板,平均内部粘接力为0,22 MPa。同时,Vital等人将以维罗(肉豆)蔻木为原材料的刨花板的压实率调整为1.2: 1.0(低压实率)和1.6: 1.0(高压实率),得到的内部粘接力分别为0.48 MPa和0.65 MPa。

在板材的表面和顶部测试螺丝拉拔阻力,得到的计算结果都高于NBR 14810 (ABNT, 2006)标准所设定的最低要求1,020 N和800 N。

螺丝的拉拔阻力研究结果与其他研究相比比较协调。Weber发现,将密度为0.80 g/cm3 、树脂含量为10%的刨花板,混入刨花板、胶合而成的板材以及中密度纤维板残留物颗粒,测量该板材的表面及顶部螺丝拉拔阻力,得到的结果范围分别是810 N 到1,200 N、591 N至1,345 N。

Azambuja发布的一篇论文指出,将密度为0.75 g/cm3 、脲醛树脂含量为8%的板材,分别混合25%与50%的拆卸废料颗粒且带有松木颗粒,其表面的螺丝拉拔阻力更好,分别为1,177 N和1,198 N。从板材顶部去除螺丝得到的拉拔阻力最好,分别为1,122 N和1,132 N。

从家具废弃材料中得到的颗粒,相比工业用松木颗粒,其容积密度较低,这对刨花板的性能没有显著的影响。

此外,相比松木颗粒,家具废弃材料的可萃取物含量更高,且对生产出来的板材性能没有影响。

以75%的家具废弃材料和25%的松木颗粒制成的板材的物理和机械性能都在NBR和EN标准所建议的范围之内,这说明了将家具废弃材料颗粒用于刨花板的生产极具潜力。

 

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