活性炭摻入脲醛膠粘劑對歐松板性能的影響

　　木材是一種首選的建筑和工程材料，因?yàn)樗�具有良好的絕緣體、易于加工、美觀、在使用期間和使用壽命后不會(huì)對人類或環(huán)境造成任何傷害等特性。添加粘合劑可將木材屑轉(zhuǎn)化為歐松板和刨花板等產(chǎn)品。歐松板的誕生是為了利用大量木料，例如鋸末、刨花，以及其他木材工業(yè)產(chǎn)生的工廠殘留物。它廣泛用于制造家具、櫥柜和各種結(jié)構(gòu)制品。目前，歐松板行業(yè)已不能滿足市場的需求。因此，人們開始使用填充材料，既可以節(jié)省原材料，又可以在不同領(lǐng)域使用人造板。本研究調(diào)查了不同比例的活性炭(0%、1.5%、4.5%、7.5%)對歐松板性能的影響。

　　歐松板生產(chǎn)

　　從歐松板工廠獲得的木片生產(chǎn)單層歐松板。在涂膠之前，將木片干燥至含水量1%至3%，并儲(chǔ)存在密封塑料袋中以防止暴露在空氣中。本研究采用固含量為65%的超濾。基于粘合劑的干物質(zhì)含量，將活性炭以1.5%、4.5%和7.5%的濃度摻入粘合劑中，并將混合物在600rpm下攪拌30分鐘。22℃時(shí)粘合劑的粘度為0%活性炭，242±4、1.5%活性炭：255±3、4.5%活性炭：267±6和7.5%活性炭：271±5。使用轉(zhuǎn)鼓混合器內(nèi)的粘合劑噴槍進(jìn)行粘合劑涂覆。隨后，使用木質(zhì)攤鋪模具進(jìn)行手工攤鋪過程，將板組件放入尺寸為400×400×12mm的熱壓機(jī)中。每組生產(chǎn)三塊歐松板。壓制過程結(jié)束后，將所得板材冷卻并調(diào)節(jié)至相對濕度65±5%和溫度20±2℃，以達(dá)到平衡水分含量。然后提取樣品用于測定板材特性。

　　活性炭的添加情況

　　隨著歐松板中活性炭含量的增加，它起到填充材料的作用，填充材料內(nèi)的空隙或孔隙。這可以作為屏障，阻止水在歐松板內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，從而起到阻止水的進(jìn)入和吸收的作用，從而減少水份。另一方面，活性炭顆粒與木材顆粒形成結(jié)合，形成更防水的基質(zhì)并降低WA。活性炭的加入有可能改變歐松板的整體結(jié)構(gòu)和密度分布。這些修改影響了水在整個(gè)材料中的吸收和分布方式，導(dǎo)致TS和WA值發(fā)生變化。據(jù)稱，在木質(zhì)復(fù)合材料中，玻璃棉和碳纖維的疏水性導(dǎo)致WA值和厚度膨脹比下降。另一方面，在MDF中添加活性炭導(dǎo)致 24 小時(shí)后的溶脹率范圍為15.7%至22.4%，WA值范圍為88%至75%。Akin 和 Boyaci (2021) 發(fā)現(xiàn)，用超濾和活性炭生產(chǎn)的 MDF 的 TS 比和 WA 值分別在 19.46% 和 22.01% 和 45% 和 53% 之間。

　　顏色測量在評估木質(zhì)材料的顏色特性和監(jiān)測顏色變化方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種方法對于保持材料的美觀性和確保生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制至關(guān)重要。圖1中可以觀察到不同活性炭添加比例生產(chǎn)的歐松板的顏色變化。

　　圖1：具有不同活性炭添加比例的歐松板：(a)0%，(b)1.5%，(c)4.5%，(d)7.5%。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，歐松板的顏色特性受到AC含量比例的影響。隨著活性炭含量比例的增加，亮度(L)和黃藍(lán)色成分(b)下降。結(jié)果表明，與對照組(0%活性炭)相比，活性炭的添加減少了紅綠分量(a)。色差 (ΔE) 也隨著活性炭含量比例的增加而增加，表明隨著添加更多的活性炭，歐松板變得更暗且黃色更少(圖2d)。當(dāng)活性炭添加到復(fù)合材料中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的顏色發(fā)生變化。因此，在使用活性炭作為添加劑時(shí)，應(yīng)考慮歐松板的功能和美觀特性之間的權(quán)衡。

　　使用掃描電子顯微鏡(SEM)在×500放大倍率下檢查歐松板的微觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　圖2：歐松板放大倍數(shù)為500倍的SEM圖像：(a)0.0%，(b)1.5%，(c)4.5%，(d)7.5%。

　　活性炭增強(qiáng)歐松板的SEM分析表明，活性炭均勻分布在歐松板基質(zhì)和粘合劑內(nèi)(圖2a-d)。隨著活性炭百分比的增加，活性炭顆粒開始填充木片之間的間隙(圖2d)。但沒有因活性炭用量而出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，也沒有影響歐松板的機(jī)械性能。在復(fù)合材料中添加填料通過填充聚合物鏈中的空隙來增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能和表面質(zhì)量。

　　歐松板的熱性能

　　歐松板的低導(dǎo)熱率是室內(nèi)應(yīng)用所需的重要特性之一。用于通過瞬態(tài)熱絲法獲得歐松板的導(dǎo)熱系數(shù)。活性炭增強(qiáng)歐松板的導(dǎo)熱系數(shù)如圖3所示。

　　圖3：活性炭增強(qiáng)歐松板的導(dǎo)熱率值。圖3中的字母(a和b)表示具有同等重要性的樣本組聚集在一起。

　　結(jié)果表明，歐松板的導(dǎo)熱系數(shù)隨著活性炭量的增加而降低。添加4.5%活性炭的歐松板的導(dǎo)熱系數(shù)最低(0.2155)，比不含活性炭的歐松板(0.3479)低約38%。這些結(jié)果表明，活性炭通過減少材料的熱傳遞來提高歐松板的隔熱性能。7.5%活性炭的歐松板的導(dǎo)熱系數(shù)(0.2177)高于4.5%活性炭的歐松板。材料的導(dǎo)熱率與其密度成正比。先前的研究報(bào)告了具有不同類型填料的其他顆粒復(fù)合材料的類似趨勢，例如石墨、氮化鋁和鋁。然而，本研究中含有活性炭的歐松板的導(dǎo)熱系數(shù)低于所報(bào)道的具有相似填料含量的其他復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。活性炭是一種良好的熱隔離體，具有大孔和微孔結(jié)構(gòu)。活性炭的熱導(dǎo)率在0.05W/mK和0.10W/mK之間變化。人造板的導(dǎo)熱率受到多種因素的影響，例如木片的堆積密度、木片尺寸和方向、原材料木材種類、板材密度、含水量、層數(shù)和孔隙率。此外，在確定熱導(dǎo)率時(shí)，測試方法和環(huán)境溫度等因素也會(huì)影響所獲得的值。因此，預(yù)計(jì)商業(yè)生產(chǎn)的層狀歐松板與實(shí)驗(yàn)室制造的單層歐松板相比將表現(xiàn)出不同的導(dǎo)熱率值，從而產(chǎn)生更均勻的結(jié)構(gòu)。在本研究中，通過與不含活性炭的歐松板進(jìn)行比較，研究了活性炭的效果。

　　活性炭摻入脲醛膠粘劑對歐松板性能的影響，我們的分析表明，4.5%的最佳活性炭濃度可帶來增強(qiáng)物理性能(包括耐水性和尺寸穩(wěn)定性)的最佳結(jié)果。添加活性炭導(dǎo)致總顏色變化(ΔE)高達(dá)7.72%，因此在美觀很重要的情況下應(yīng)用活性炭時(shí)必須小心。添加4.5%活性炭和添加7.5%活性炭時(shí)的IB、MOR和MOE性能沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。與參考?xì)W松板相比，添加7.5%活性炭使歐松板的IB、MOR和MOE值分別提高了約41%、28%和21%。歐松板的熱性能隨著活性炭含量的增加而增強(qiáng)。

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