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摘要[目的]研究不同工艺参数（竹造纸固剩物粒度、固剩物与漂珠配比、板材厚度）对复合板材各种性能的影响。[方法]采用正交试验设计，利用竹造纸固剩物和漂珠制造复合板材，并通过对力学性能和导热系数的测定，探讨固剩物粉末粒度、固剩物与漂珠配比、板材厚度对板材性能的影响。[结果]随着粒度和板材厚度的增大，板材的物理力学性能MOE、24 h TS呈现下降趋势；随着配比的增大，MOR、MOE增大，24 h TS减小。[结论]最佳工艺为固剩物粒度为20～40目、固剩物与漂珠配比为8∶2、板材厚度为14 mm时，此时板材的各种性能达到最优。
关键词竹造纸固剩物；漂珠；力学性能；导热系数
中图分类号S795文献标识码A文章编号0517-6611（2014）12-03604-02
基金项目安徽省省级大学生创新创业训练项目（AH201310364025）；“十二五”农村领域国家科技计划课题（2012BAD23B0204）。
作者简介赵东（1992-），男，安徽六安人，本科生，专业：材料科学与工程。*通讯作者，副教授，博士生，从事人造板及其复合材料研究。
我国有竹类植物约43属700余种，全国竹林和毛竹林面积约720万hm2[1]，资源十分丰富，素有“竹子王国”之称。采用竹材制浆具有来源丰富、容易成浆、成本低廉、成纸表面平滑等优点[2]，同时也是解决造纸产业对木材原料需求压力的有效途径。然而，竹浆造纸产业的发展不可避免地给环境带了污染问题。根据目前我国技术状况， 造纸行业能达到污水排放标准， 但问题是处理产生的固剩物随意丢弃会产生二次污染。如何合理利用和无害化处置造纸固剩物是亟需解决的问题。目前， 国内外在造纸固剩物资源化方面做了许多研究，包括土地利用[3-6]、肥料利用[7-11]、制造各种材料[12-14]，但利用漂珠高強、耐高温、保温阻燃性能[15-16]和固剩物进行复合制备功能性材料仍不多见。该研究选取竹造纸固剩物和漂珠为材料，制备复合板材，不仅可以提高固剩物、漂珠的附加值，扩大了其利用途径，而且可以解决固剩物难处理、漂珠污染环境等现实问题，可以将其生态效益、社会效益和经济效益有机统一起来。
1 材料与方法
1.1 材料及处理竹造纸固剩物：试验所用固剩物是由贵州省赤天化集团纸业股份有限公司的竹浆纸污水处理后产生的次级固剩物，经过干燥机干燥后含水率在50%～60%，pH为6.86，固剩物呈中性。竹造纸固剩物中元素分析如下：C 35.68%，H 6.40%，N 3.27%，S 1.21%，Al 1.34%，Ca 0.93%，P 0.83%。竹浆造纸固剩物中其他元素（Mg、Cu、Fe、Ni、Pb等）含量均远低于1%。
将竹造纸固剩物在103 ℃烘箱烘到绝干，再用微型粉碎机磨成细小颗粒，用20目、40目、60目和80目筛网分级，选择20～40目、40～60目、60～80目颗粒备用。使用前再次将备用粉末在103 ℃烘箱烘到绝干，装入密封袋，1 d内用完，使用时的含水率为3%～5%。
漂珠：漂珠是一种能浮于水面的粉煤灰空心球，呈灰白色，壁薄中空，重量轻，表面封闭而光滑，是优良的保温耐火材料，化学成分以二氧化硅和三氧化二铝为主。
胶黏剂：脲醛树脂（UF）胶黏剂，固含量约为50%，黏度为50 cp，pH值为7.7。
固化剂：固化剂为氯化铵（NH4Cl），分析纯，市购，添加量为脲醛树脂胶固体含量的1%。
1.2试验设备试验设备如表1所示。
1.3试验方法
1.3.1板材制造方法。使用厚度规控制厚度分别为14、16、20 mm，幅面为320 mm×250 mm，单位压力1 MPa，设计密度0.8 g/cm3。重点研究固剩物颗粒粒度、配比和厚度3个工艺参数。根据前期研究，每个工艺参数取3个水平（表2）。采用L9（34）正交试验设计（表3），每个条件重复3次。
1.3.2板材性能评价指标及方法。参照国家标准GB/T 11718-2009 《纤维板及饰面纤维板理化性能试验方法》和GB10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热办法》来测试板材的各项性能，包括静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、24 h 吸水厚度膨胀率（TS）、导热系数。板材放置72～96 h 后开始测试，此时含水率为7%～8%。使用Excel进行分析。
2 结果与分析
2.1不同固剩物粒度对板材性能的影响由表4可知，随着竹造纸固剩物粒度的增大，板材的MOR、MOE呈下降趋势，在20～40目时，MOE达到峰值1 119.7 MPa；在40～60目时，MOR达到峰值为3.43 MPa。此外，随着粒度的增大，复合板的TS呈先增大后减小趋势，但所有的吸水厚度膨胀率均低于国家标准的要求。随着粒度的增大，板材的导热系数先增大后减小，颗粒越小，材料成型后，内部相对更加密实，复合板在热传导过程中，材料内部孔隙中空气的导热也具有比较重要的作用，内部比较密实的复合板，材料孔隙较小，从而导致空气导热作用减小，因此导热系数增大。
2.2不同配比（竹造纸固剩物∶漂珠）对板材性能的影响由表5可知，随着竹造纸固剩物与漂珠的配比的增加，材料的MOR、MOE呈现增大的趋势，这是由于漂珠主要是由Si的氧化物组成，其自身的力学性能要优于竹造纸固剩物，所以代替一部分竹造纸固剩物，随着含量的增多，对复合板的MOR、MOE会有增大的作用；在竹造纸固剩物和漂珠的配比为8∶2时，板材的MOR、MOE均达到峰值，分别为3.17、1 070.7 MPa。此外，板材的吸水厚度膨胀率随着固剩物与漂珠配比的增大，出现下降的趋势。这是由于漂珠代替了一部分竹造纸固剩物，而漂珠本身不具备吸水膨胀的特性，这是漂珠自身性质决定的，其主要成分为Si的氧化物，具有憎水性。同时随着配比的增加，导热系数呈增大的趋势，这是因为漂珠填充了复合板中的孔隙，其导热性能要大于空气及竹造纸固剩物本身，从而导致复合板导热系数的增加。
2.3不同厚度对板材性能的影响由表6可知，随着厚度的增加，材料的MOE呈现下降趋势，这是由于厚度越大，板材内部芯层的胶没有完全固化，导致力学性能的下降。在板材的厚度为14 mm时，板材的MOR、MOE分别为2.73、981.7 MPa。此外，随着厚度的增加，复合板的TS呈下降趋势，这是由于板材厚度越小，其水分渗透到板子芯层所需要的时间越短，因此吸水产生的膨胀率就越大。
随着厚度的增加，复合板的导热系数呈现增大的趋势，复合板传热主要是固体—气体两相传热，当复合板在稳定的导热状态时，周围环境温度及压力保持不变，因此板坯内部空气温度、定比热容、气体密度也不变，材料气孔内部的空气导热系数仅与气体分子之间的碰撞的自由程有很大关系，因此，复合板越厚，气体分子2次碰撞的自由程越大，导热系数也随之增大。
3 结论
（1）随着固剩物粒度的增大，板材的MOR、MOE呈下降趋势，板材的导热系数先增大后减小；此外随着漂珠与固剩物配比的增大，板材的MOR、MOE呈上升趋势，24 h TS呈下降趋势，导热系数呈上升趋势；随着厚度的增大，MOE和24 h TS呈下降的趋势，导热系数呈上升的趋势。
（2）竹造纸固剩物/漂珠复合板材的导热系数为0.120～0.165 W/m·k，平均值为0.135 W/m·k，具有很好的防火保温的性质，为进一步开发新型墙体隔热材料提供一定的支持。
关键词竹造纸固剩物；漂珠；力学性能；导热系数
中图分类号S795文献标识码A文章编号0517-6611（2014）12-03604-02
基金项目安徽省省级大学生创新创业训练项目（AH201310364025）；“十二五”农村领域国家科技计划课题（2012BAD23B0204）。
作者简介赵东（1992-），男，安徽六安人，本科生，专业：材料科学与工程。*通讯作者，副教授，博士生，从事人造板及其复合材料研究。
我国有竹类植物约43属700余种，全国竹林和毛竹林面积约720万hm2[1]，资源十分丰富，素有“竹子王国”之称。采用竹材制浆具有来源丰富、容易成浆、成本低廉、成纸表面平滑等优点[2]，同时也是解决造纸产业对木材原料需求压力的有效途径。然而，竹浆造纸产业的发展不可避免地给环境带了污染问题。根据目前我国技术状况， 造纸行业能达到污水排放标准， 但问题是处理产生的固剩物随意丢弃会产生二次污染。如何合理利用和无害化处置造纸固剩物是亟需解决的问题。目前， 国内外在造纸固剩物资源化方面做了许多研究，包括土地利用[3-6]、肥料利用[7-11]、制造各种材料[12-14]，但利用漂珠高強、耐高温、保温阻燃性能[15-16]和固剩物进行复合制备功能性材料仍不多见。该研究选取竹造纸固剩物和漂珠为材料，制备复合板材，不仅可以提高固剩物、漂珠的附加值，扩大了其利用途径，而且可以解决固剩物难处理、漂珠污染环境等现实问题，可以将其生态效益、社会效益和经济效益有机统一起来。
1 材料与方法
1.1 材料及处理竹造纸固剩物：试验所用固剩物是由贵州省赤天化集团纸业股份有限公司的竹浆纸污水处理后产生的次级固剩物，经过干燥机干燥后含水率在50%～60%，pH为6.86，固剩物呈中性。竹造纸固剩物中元素分析如下：C 35.68%，H 6.40%，N 3.27%，S 1.21%，Al 1.34%，Ca 0.93%，P 0.83%。竹浆造纸固剩物中其他元素（Mg、Cu、Fe、Ni、Pb等）含量均远低于1%。
将竹造纸固剩物在103 ℃烘箱烘到绝干，再用微型粉碎机磨成细小颗粒，用20目、40目、60目和80目筛网分级，选择20～40目、40～60目、60～80目颗粒备用。使用前再次将备用粉末在103 ℃烘箱烘到绝干，装入密封袋，1 d内用完，使用时的含水率为3%～5%。
漂珠：漂珠是一种能浮于水面的粉煤灰空心球，呈灰白色，壁薄中空，重量轻，表面封闭而光滑，是优良的保温耐火材料，化学成分以二氧化硅和三氧化二铝为主。
胶黏剂：脲醛树脂（UF）胶黏剂，固含量约为50%，黏度为50 cp，pH值为7.7。
固化剂：固化剂为氯化铵（NH4Cl），分析纯，市购，添加量为脲醛树脂胶固体含量的1%。
1.2试验设备试验设备如表1所示。
1.3试验方法
1.3.1板材制造方法。使用厚度规控制厚度分别为14、16、20 mm，幅面为320 mm×250 mm，单位压力1 MPa，设计密度0.8 g/cm3。重点研究固剩物颗粒粒度、配比和厚度3个工艺参数。根据前期研究，每个工艺参数取3个水平（表2）。采用L9（34）正交试验设计（表3），每个条件重复3次。
1.3.2板材性能评价指标及方法。参照国家标准GB/T 11718-2009 《纤维板及饰面纤维板理化性能试验方法》和GB10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热办法》来测试板材的各项性能，包括静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、24 h 吸水厚度膨胀率（TS）、导热系数。板材放置72～96 h 后开始测试，此时含水率为7%～8%。使用Excel进行分析。
2 结果与分析
2.1不同固剩物粒度对板材性能的影响由表4可知，随着竹造纸固剩物粒度的增大，板材的MOR、MOE呈下降趋势，在20～40目时，MOE达到峰值1 119.7 MPa；在40～60目时，MOR达到峰值为3.43 MPa。此外，随着粒度的增大，复合板的TS呈先增大后减小趋势，但所有的吸水厚度膨胀率均低于国家标准的要求。随着粒度的增大，板材的导热系数先增大后减小，颗粒越小，材料成型后，内部相对更加密实，复合板在热传导过程中，材料内部孔隙中空气的导热也具有比较重要的作用，内部比较密实的复合板，材料孔隙较小，从而导致空气导热作用减小，因此导热系数增大。
2.2不同配比（竹造纸固剩物∶漂珠）对板材性能的影响由表5可知，随着竹造纸固剩物与漂珠的配比的增加，材料的MOR、MOE呈现增大的趋势，这是由于漂珠主要是由Si的氧化物组成，其自身的力学性能要优于竹造纸固剩物，所以代替一部分竹造纸固剩物，随着含量的增多，对复合板的MOR、MOE会有增大的作用；在竹造纸固剩物和漂珠的配比为8∶2时，板材的MOR、MOE均达到峰值，分别为3.17、1 070.7 MPa。此外，板材的吸水厚度膨胀率随着固剩物与漂珠配比的增大，出现下降的趋势。这是由于漂珠代替了一部分竹造纸固剩物，而漂珠本身不具备吸水膨胀的特性，这是漂珠自身性质决定的，其主要成分为Si的氧化物，具有憎水性。同时随着配比的增加，导热系数呈增大的趋势，这是因为漂珠填充了复合板中的孔隙，其导热性能要大于空气及竹造纸固剩物本身，从而导致复合板导热系数的增加。
2.3不同厚度对板材性能的影响由表6可知，随着厚度的增加，材料的MOE呈现下降趋势，这是由于厚度越大，板材内部芯层的胶没有完全固化，导致力学性能的下降。在板材的厚度为14 mm时，板材的MOR、MOE分别为2.73、981.7 MPa。此外，随着厚度的增加，复合板的TS呈下降趋势，这是由于板材厚度越小，其水分渗透到板子芯层所需要的时间越短，因此吸水产生的膨胀率就越大。
随着厚度的增加，复合板的导热系数呈现增大的趋势，复合板传热主要是固体—气体两相传热，当复合板在稳定的导热状态时，周围环境温度及压力保持不变，因此板坯内部空气温度、定比热容、气体密度也不变，材料气孔内部的空气导热系数仅与气体分子之间的碰撞的自由程有很大关系，因此，复合板越厚，气体分子2次碰撞的自由程越大，导热系数也随之增大。
3 结论
（1）随着固剩物粒度的增大，板材的MOR、MOE呈下降趋势，板材的导热系数先增大后减小；此外随着漂珠与固剩物配比的增大，板材的MOR、MOE呈上升趋势，24 h TS呈下降趋势，导热系数呈上升趋势；随着厚度的增大，MOE和24 h TS呈下降的趋势，导热系数呈上升的趋势。
（2）竹造纸固剩物/漂珠复合板材的导热系数为0.120～0.165 W/m·k，平均值为0.135 W/m·k，具有很好的防火保温的性质，为进一步开发新型墙体隔热材料提供一定的支持。