本科毕业论文-竹纤维造纸污泥制造MDF工艺研究.doc

毕 业 论 文（设计）中国合肥二一年 六 月目录前言11 木材供需现状与解决方案 1. 2 以竹代木的应用 13 造纸行业的污泥二、造纸污泥制造MDF工艺研究 2. 1 研究目的 22 实验材料与方法 2.2.1 材料化学成分分析 2.2.2 材料纤维形态分析 2.2.3 实验仪器与方法 23 产品物理性能测试 24 试验结果 2. 5 结果讨论 三、参考文献四、英文摘要五、致谢竹纤维造纸污泥制造MDF工艺研究摘要：以竹纤维造纸污泥为原料制造MDF，通过对污泥进行化学成分的分析以及相关的性能测试与分析，干燥与分离污泥，制定压板方案并测试其产品性能，分析密度、温度、时间等因素对MDF力学性能的影响，从而最终得出最优的制造MDF的工艺条件。关键词：竹纤维造纸污泥、MDF、力学性能前言1.1 木材供需现状与解决方案木材是“四大传统”材料（钢铁、水泥、塑料、木材）中唯一的天然可再生资源，具有其他不可再生材料无法比拟的优越性。据不完全统计，全世界年消耗木材约36亿立方米，按体积计算为各种材料之首。在不可再生资源日渐枯竭的情况下，木材的不可替代性日益显见。改革开放30年来，我国木材工业持续高速增长，已经成为世界木材及其制品生产和消费大国。特别是人造板工业，企业已达6000多家，统计数据表明，20002008年，我国人造板产量已从2001.66万立方米增至9409.45万立方米。随着木材工业的发展，木材消耗量剧增。以前，我国每年木材缺口2亿立方米，预计今年将达到3亿立方米，木材原料的国际化依存度进一步加大。然而，我国森林覆盖率不足17%，仅为世界平均水平的61%；全国人均森林面积仅有0.128平方公里，为世界人均0.611平方公里的21.3%；人均森林蓄积量9.048立方米，只有世界人均72立方米的12.6%，森林资源禀赋的不足，加之近几十年来的过量采伐，可采资源几近枯竭。木材进出口贸易壁垒的进一步限制，造成在缓解木材供需矛盾方面急需解决方案。急需开展木材高效加工利用技术、非木质资源利用和废弃木材的循环再利用技术研发，以提高木材和非木质资源的综合利用水平，保证有限的木材资源满足日益增长。木材人造板业的兴起与壮大业曾是解决我国木材供需矛盾的重要途径，寻找木材替代材料是解决木材危机的又一途径，目前用以替代木材的生物质材料主要是竹材、麦秸、稻草等农作物秸秆和沙生灌木以及其他无机或有机材料等。采用废弃木材、木材加工剩余物、麦秸和稻草非木质植物和工业废料等作为替代品生产木基复合材料是节约木材、保护环境的有效途径之一，是当今木制品行业的一个发展趋势。1.2 以竹代木的应用 一般的木材资源，从被采伐到再生需要数十年的时间，而竹子却仅仅需要23年，所以从竹子生长结束开始就有计划地开采，是可以永远地保证资源供给的。竹纤维的强度是很大的。其纤维是呈现直线的形状，这是其它的植物纤维中根本就不能看到的。而且很多竹子比一般的树木具有更强的吸收二氧化碳、放出氧气的能力，对于减缓气候变暖发挥着重要作用，理应大力发展。我国竹林资源丰富，是为数不多盛产竹子的国家。竹子种类、竹林面积和竹林蓄积量约占世界的13，均居世界之首，这为以竹代木的发展提供了保障。近年来，全世界的森林面积正在逐步减少，但竹林面积却以每年3%的速度增长。与其它树种不同，采伐竹子不会造成土地沙化和水土流失，以竹代木，全竹利用，减少了森林采伐，顺应高效利用、循环利用的循环经济理念。早在上世纪80年代末、90年代初，我国广泛开展了竹胶合模板面板材料和钢框竹胶合模板产品的研发工作，并初见成效。我国竹胶合板发展很快，据中国模板协会竹胶合板专业委员会2006年的调研和不完全统计，全国约有500余家住胶合板厂，约1000条几十年的跨国模板公司。近年来，国家不断加大科技投入用于代木产品的研制开发，先后研制成功了“竹材碎制板”和“一次成型空心板”，两项新产品填补了国内空白。目前，竹材造纸、竹质人造板技术研究成果正在得到广泛应用，用竹木制造的复合材料强度高，可替代玻璃钢，可降解，非常符合环保要求。1.3 造纸行业的污泥l 污泥的危害 造纸术是我国古代四大发明之一，曾为人类文明进步做出了卓著贡献。随着现代造纸技术的不断进步，各种纸的产量和质量都有很大提高，我国人均纸年占有量迅速增加到20多公斤。令人遗憾的是，造纸业的迅速发展，由此造成的环境污染，尤其是水的污染触目惊心。造纸工业的污染问题十分严重，受到了人们普遍的关注。在世界范围内，造纸工业废水都是重要的污染源，例如日本、美国分别将造纸工业废水列为六大公害和五大公害之一。在我国，造纸制浆污染的严重性几乎是家喻户晓了，造纸污染排放是我国水污染最大污染源，造纸工业废水污染已成为造纸生产及相关行业能否生存和发展的关键因素。造纸污泥是造纸过程废水里的残余沉淀物，主要包括不溶性纤维物以及填料、凝聚剂和其他污染物。污泥聚集了污水中的污染物，还含有大量细菌和寄生虫卵，所以必须经过适当处理，防止二次污染。污泥的处理是一项世界性的课题。国内外众多专家学者及企业都在不遗余力地开展深入的研究。l 污泥的主要处置方法 据资料显示，目前污泥处理方法有3种：焚烧、填埋和资源化利用。由于污水处理厂的污泥含有有毒物质和重金属，填埋以后将污染地下水。据环保部门监测，立方米造纸污泥造成周边十几米范围内庄稼绝收，地下水无法饮用。这样一来既浪费了不少的土地，又不能从根本上解决二次污染的问题。一方面，由于填埋场相对短缺，国内许多纸厂污泥随意弃置或不经无害化处理在农田上滥用现象很普遍，造成新的环境污染，生态风险越来越大。焚烧处理方法设备投资大，需要造价昂贵的焚烧炉，还要消耗大量的燃料，从资源利用角度是不合理的，而且焚烧造成二次污染。l 污泥资源化利用的现状造纸污泥中除了大量的细小纤维外,还含有丰富的有机质、N、P、K等养分以及中微量元素。造纸污泥中除磷与钾偏低外,有机质与总氮含量明显高于一般的农家肥，重金属含量均低于我国1984年颁布的农用污泥污染物控制标准(GB428484) ，造纸污泥的农用不会导致重金属污染，所以造纸污泥是一种良好的肥料资源。而且,在土壤中施用造纸污泥也可以起到改良土壤的作用。另外，造纸污泥还可以生产造纸填料、活性炭、人造沸石、建筑材料、乳酸和乙醇、饲料、牲畜舍铺垫和回用为造纸原料等，在电力部门被用来焚烧发电。很多研究者提出,由于造纸污泥中有比较好的吸附性和调节pH的可能，可以选择性地利用造纸污泥。因此,造纸污泥具有良好的开发前景。在工业废料，尤其是在给环境带来极大污染的造纸污泥的利用上，如何对造纸污泥进行科学合理的治理，以最大限度地降低治污总投资，回收利用可再生资源，变废为宝，使治污能创收，产生正效益，国内外还是有很大研究空间。将造纸污泥用作纤维板工业的原料是大量消耗造纸污泥和充分利用造纸污泥中细小纤维的有效途径，同时也是弥补森林资源不足的有效措施。既可以降低生产成本，又可以节约木材资源，同时也进一步密切了林业和造纸业的联系，有利于形成以纸养林、以林促纸、林纸结合的产业化新格局，有效地推进我国林纸一体化工程建设，实现了经济效益、生态效益、社会效益的统一，促进经济可持续发展。利用造纸厂污泥制造人造板技术，涉及一种以造纸厂废弃物为基料生产人造板的新工艺方法。这种新的工艺方法解决了造纸行业产生的大量污泥的处理问题，使废料得以再生利用，减少了环境污染，也为生产人造板开辟了广泛的原料来源。既属于人造板的生产领域，又属于造纸业的环保领域，具有保护生态环境、节约使用木材的双重意义。二、造纸污泥制造MDF工艺研究2.1 研究目的将研究纯污泥纤维板的压板工艺，希望从中得到优化的热压工艺条件为添加纤维压制污泥纤维复合纤维板提供一定的参考，以实现造纸污泥代替一定量木材纤维压制纤维板的目的。2.2 材料与方法2.2.1 材料化学成分分析造纸污泥1：水分：灰分：3.7% 纤维素：58.3% 半纤维素：23.1% 木质素：5.7%造纸污泥2：水分：灰分: 3.6% 纤维素：53.2% 半纤维素：32% 木质素：2.3%2.2.2 实验仪器主要实验仪器 仪器名称规格型号生产厂家电子称MOD EL DS-671上海金山亭村工业开发区微型植物粉碎机FZ 102天津市泰斯特仪器有限公司高低温实验箱GD/HSO 25A上海源长实验仪器厂平板硫化机PLATE VULCANIZER青岛亚东橡机有限公司不锈钢电热板金坛市来瑞尔电器有限公司万能木工原锯机MJW134型：最大直径400mm四川都江木工机械厂微型控制电子式人造板万能实验机CMT6104深圳市新三思材料检测有限公司其他辅助试剂及用具：1)胶黏剂：MF胶。2)脱模剂：由CY-500由上海楚鹰工贸有限公司提供，无色，散发香气，主要成分为硅油。3)用具：皮手套、口罩、预压模子等无分级污泥试验方案设计：由于实验材料有限(污泥1总量约5200g，污泥2总量约1800g)，不能按照原计划设定的正交方法实验。实验时尝试性对工艺中的板的密度、热压温度、热压时间等因素进行逐一设定。(1) 密度的设定：本研究的主要目的是压制造纸污泥木材纤维复合的中密度纤维板，以实现利用造纸污泥废渣代替一定量木材纤维压制中密度纤维板的目的。所以，然而对于纯污泥纤维板本部分试验设计了两种密度水平分别为：0.7g/cm3、0.9g/cm3。(2) 热压温度和热压时间的设定：根据中密度纤维板的特征，为了确保板坯的完全固化，提高热压机的生产效率，在根据不同胶种的前提下，一般选择较高的热压温度。本实验设定热压温度为160、180。热压时间为6 min、8 min。压板方案：表1板号施胶量（%）密度(g/cm3)温度T(C)压力P(MPa)时间t(min)固化剂（%）备注1120.71601.2581污泥12150.91601.2580.5污泥13150.91801.2580.5污泥14150.71601.2581污泥15150.91801.2560.5污泥111150.71801.2580.5污泥212150.91801.2580.5污泥222.3 试验方法将粉碎的原材料经施胶铺装热压成板，考虑到原料的不足，不同的材料和不同的工艺条件各压一张板，每张板按国家人造板标准进行取样，并参照国家人造板MDF标准，对产品的密度、含水率、静曲强度、内结合强度、表面结合强度、12h吸水厚度膨胀率进行测量，探讨不同工艺对板性能的影响。具体技术路线如下：原料准备干燥粉碎施胶铺装预压热压冷却裁边砂光检验（性能测试） 湿污泥干燥：气干初碎：粉碎机机械粉碎 干燥：考虑后期的胶合，所以在施胶前需进行干燥。将材料分别放进电热鼓风干燥箱中进行干燥，直到含水率达到12%左右。施胶：由于实验仪器的不足，只能进行手工拌胶。 铺装：将规格为303010CM的模具放在热压板上，将材料在热压模具上用手工进行组坯。预压：将组坯后的模具上放上重物进行预压，预压时间为5分钟。预压的目的在于将板坯压实到具有一定刚度，以防止板坯在送入压机前的运输过程中损坏，并防止板坯边缘在进入压机内和施加满压前不致于散开。热压：预压后的板坯将模具撤掉，在热压板上加上厚度规一起送入实验压机，热压时的压力为1.25MPa，时间为6分钟、8两种分钟，温度为160、180。热压后采用分段卸压，然后将板取出。冷却：自然冷却裁边：从热压机中取出的毛边板放置24小时消除内外温度梯度，然后用圆锯机将两边毛边裁去。砂光：以便后期表面性能测试检验：参照有关标准对板材的物理力学性能进行测量。由于1和4号板压成后塌边、易断，所以将其进行再粉碎重压，板的参数设定为：板号：13，密度：0.7 g/cm3 ，施胶量：15%，温度：180 C，压力：1.25 MPa，时间：8 min，固化剂：0.5%。2.3 产品的物理性能测试 每张板裁出两个210mm50mm的试样用来进行静曲强度测试，裁出至少12个50mm50mm试件，4个用作内结合强度测试，2个用作表面结合强度测试，6个用作吸水厚度膨胀率和密度测试。裁剪和标注方式如图。性能测试试件：表2 测试指标试件尺寸(mm)参照标准1静曲强度/弹性模量长：210,宽：50GB/T11718-20092内结合强度长：50,宽：50GB/T11718-19993表面结合强度长：50,宽：50GB/T11718-200912h吸水膨胀率长：50,宽：50GB/1 密度的测定(GB/T11718-1999) (1)仪器：千分尺，精度为0.01mm；游标卡尺；精度为0.1mm；电子天平，精度为0.01g （2）检测方法和结果计算：试件在标准气候条件下放至恒重。称量每一试件质量，精确到0.01克。测试试件上4个点处的厚度值，精确到0.01毫米。试件厚度为四点厚度的算术平均值，精确到0.01毫米。试件的长度和厚度在试件边长的中部测量，精确到0.1毫米。结果：每一试件的密度按下式进行计算，精确到0.01g/cm3。 =M/V式中：P试件的密度（g/cm3） M 试件的质量 (g) V试件的体积(cm3) 一张板的密度是同一张板内全部试件密度的算术平均值，精确到0.01g/cm3。2.3.2含水率的检测（GB/T11718-1999）(1)仪器：电子天平，精度为0.01g；高低温实验箱。（2）检测方法和结果计算：试件程量应以抽样时的同等状态进行，精确到0.01g。试件在（101103）的温度下干燥到恒定质量。应注意不要将干燥箱塞满，当干燥箱内试件接近最后称量状态时，不要在放入新试件。试件在干燥器内冷却后，迅速按前述精度称量，要防止称量不及时而造成含水率超过0.1%. 结果：用绝对含水率表示试件的含水率.按下式计算,精确到0.1%. H=(M1-M2)M2100%式中:H试件的绝对含水率(%) M1试件抽样时的质量(g) M2试件干燥后的质量(g)一张或若干张板的含水率等于全部有关试件含水率的算术平均值,此值应精确到0.1%.2.3.3 静曲强度和静曲弹性模量的测试(GB/T11718-2009) (1) 仪器：游标卡尺,精度为0.01毫米；万能力学实验机 （2）检测方法和结果计算：检测之前首先测定试件的长度和宽度.宽度在试件长边中心处测量,厚度在长边中心距边25毫米处,每边各测一点,计算两点的算术平均值,精确到0.01毫米. 检测时,将试件长向简支在万能力学实验机的两支座上.两支座间距为试件厚度的25倍.在跨度中间加集中荷载,荷载压头必须与试件长度中心线重合.试验加荷时,应缓慢均匀,至试件破坏前至少分五级加载,记录各级的荷载及相应的挠度值,并记录破坏荷载.荷载精确到1N,挠度值精确到0.01mm. 试验结果按以下方法进行整理:绘制荷载-挠度曲线,确定曲线斜度,根据测试的荷载及挠度值,以荷载F为纵坐标,在坐标纸上记录全部测试点,并根据比例极限内各点作出斜率曲线,求出F0/,斜率取三位有效数字. 结果：静曲强度f和静曲弹性模量E按以下公式进行计算:f=3FL/2bh2 E=(L3/4bh3)F0/式中:f-静曲强度(MPa) E静曲弹性模量(MPa) L支座距离(mm)b试件宽度(mm) h试件的厚度(mm) F试件的破坏荷载(N)F0试件比例极限内的荷载(N) F0/斜率值N/mm各试件静曲强度和静曲弹性模量的算术平均值，即为该批板材的静曲强度和静曲弹性模量。2.3.4 内结合强度的测试(GB/T11718-1999)(1)仪器：游标卡尺，精度为0.01毫米；万能力学实验机；不锈钢电热板(2)检测方法：先测量50mm*50mm试件的长度和宽度（mm）,打开不锈钢电热板让粘板的测量内结合强度金属构件加热，等到金属构件达到一定的温度后，用剪刀剪一小块固体胶放上面等固体粘板胶熔化后,用铲子将胶均匀的涂抹在试件上,之后把另一个涂胶的构件粘在试件的另一面（注意试件要和两个构件保持平行且全部覆盖），之后把粘好的成块放入水中冷却（注意水的深度不能超过金属构件的厚度），等冷却后就可以操作电脑使金属构件刚好卡在万能实验机的卡槽上，在电脑中输入宽度和厚度（mm）,在下拉菜单中找到内结合强度测试，之后操作电脑似的其中一个卡槽以*1倍速度下降，等到实验结束电脑会提示的，结果（MPa）也显示在电脑上。 2.3.5 表面结合强度的测试(GB/T11718-2009)规格50mm*50mm，操作打孔机在板面都两面都打上孔（注意孔要打在正中央），同让测量表面结合强度金属构件加热，等到金属构件达到一定的温度后，用剪刀剪一小块固体胶放上面等固体粘板胶熔化后,用铲子将胶均匀的涂抹在试件上（注意板面上的孔要和构件的孔对齐，同是板面要和构件面平行），之后放入水中冷却（注意水的深度不能超过金属构件的厚度），然后就可以操作电脑,使金属构件和板面刚好卡在万能实验机的卡槽上，在电脑中输入宽度和厚度（mm），在下拉菜单中找到表面结合强度测试，电脑控制卡槽下降的速度.实验结束时电脑会提示，结果（Mpa）也会自动显示出来。实验结束后用同样的方法测另一面的表面结合强度即可。2.3.6 12h吸水厚度膨胀测定（1）仪器：水槽、千分尺，精度0.01mm，试件尺寸长l=50mm，宽b=50mm（2）检测方法：测量试件中心点厚度h1,测量点在试件对角线交点处。将试件浸于PH值为68，温度为（1822）的水槽中，试件垂直于水平面并保持水面高于试件上表面，试件下表面与水槽底部要有一定距离，试件之间要有一定间隙，使其可自由膨胀。浸泡时间为12小时。完成浸泡后，取出试件，擦去表面附水，在原测量点测试其厚度h2，测量工作必须在30min内完成。结果：（h2-h1）*100%/h1.一张板的吸水厚度膨胀率是同一张板内全部试验试件的吸水厚度膨胀率的算术平均值，精确至0.1%。2.4 试验结果：表3，括号内为标准差。成板密度(g/cm3)含水率（%）MOR(MPa)MOE(MPa)IB(MPa)表结合(MPa)12hTS(%)板20.87（0.05）3.0%3.1（1.39）160（0.02）0.02（0.02）0.08（0.01）35板30.96（0.05）3.8%5.2（1.37）170（0.04）0.09（0.03）0.15（0.03）43.2板50.89（0.02）3.3%4.1（0.23）130（0.01）0.08（0.02）0.13（0.07）53.9板130.86（0.05）3.6%1.2（0.13）120（0.07）0.015（0.00）0.05（0.01）58.6板110.74（0.03）3.7%1.9（0.71）240（0.11）0.03（0.01）0.1（0.01）62.8板120.99（0.03）3.4%5.1（2.06）270（0.05）0.035（0.01）0.13（0.01）7325 结果讨论产品密度(g/cm3)MOR(MPa)MOE(MPa)IB(MPa)SB(MPa)12hTS(%)板130.71.21200.0150.0558.6板30.95.21700.0901543.2产品密度(g/cm3)MOR(MPa)MOE(MPa)IB(MPa)SS(MPa)12hTS(%)板110.71.92400.030.162.8板120.95.12700.0350.1373 （1） 密度的影响：由污泥1的13号与3号的性能比较；污泥2的11号板与12号板得性能比较可知：随着密度的增加，静曲强度、弹性模量、内结合强度、表面结合强度均有所增加，12h吸水后膨胀率在不同材料上有差异。产品温度T(C)MOR(MPa)MOE(MPa)IB(MPa)SS(MPa)12hTS(%)板21603.11600.020.0835板31805.21700.090.1543.2（2） 温度的影响：由2号板与3号板比较可知：随着热压温度的升高，静曲强度、弹性模量、内结合强度、表面结合强度、12h吸水后膨胀率均有所增加。产品时间t(min)MOR(MPa)MOE(MPa)IB(MPa)SS(MPa)12hTS(%)板564.11300.080.1353.9板385.21700.090.1543.2(3) 时间的影响：由5号板与3号板的比较可知：随着热压时间的延长，静曲强度、弹性模量、内结合强度、表面结合强度也均有所增加，12h吸水后膨胀降低。材料MOR(MPa)MOE(MPa)IB(MPa)SS(MPa)12hTS(%)污泥11.21200.0150.0538.6污泥21.92400.030.162.8(4) 材料的影响：在热压工艺和条件等同时，材料的不同，其产品的静曲强度、弹性模量、内结合强度、表面结合强度、12h吸水后膨胀率有所不同。 2.5.1 结论：密度、热压温度、热压时间对纯无分级的造纸污泥MDF的物理力学性能都有一定影响。在其他参数相同时，密度0.9g/cm3 ，热压温度180，热压时间8min条件下压制的产品的性能最好，其MOR、MOE、IB、SS、12hTS值分别为5.2MPa、170MPa、0.09MPa、0.15MPa和43.2%。因此，结合课题要求，探索造纸污泥代替部分木材纤维原料压制中密度纤维板的需要，以选择降低成本和提高生产效率为标准，确定目标密度0.9g/cm3的污泥代替部分木材纤维压制复合人造板的优化工艺参数如下：采用无分级粉,热压温度180，热压时间8min，无分级污泥施胶量为15。2.5.2 讨论1.由于原料的制备主要是手工制作