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密度板纤维分离技术要求

出自: 密度板 发布时间:2013年3月27日 已被浏览:1904次

削片经软化处理后即可进行纤维分离。软化了的削片在磨室体内在磨盘的磨齿摩擦、挤压、揉搓等力作用下分离成单体或纤维束,此时不仅扩大了纤维的比表面积,也有部分纤维被横向切断。纤维分离的质量,不仅对密度板产品质量有直接影响,而且对整个生产工艺过程中的纤维干燥、施胶施蜡、铺装成型、热压和后期处理等工序的工艺和设备有影响。

热磨法纤维分离原理及特性

热磨法技术发展至今已有60余年历史,技术不断发展和更新,基本淘汰了以往磨木机、荷兰式打浆机和爆破法等纤维分离方法。热磨法的基本原理是利用高温饱和蒸汽(60~180℃),将削片中的木质素加热软化,减弱纤维之间的结合力,然后在机械力作用下使其受到强烈的摩擦而分离成为单体纤维或纤维柬。

由于木材或其他植物纤维细胞壁的次生壁和胞间层,均含有大量的木质素,纤维之间即靠木质素的胞间层相邻接而结合在一起,当木质素被加热到1 00℃以上时开始软化,当温度达到160~180℃时,木质素则几乎完全丧失了结合能力,此时用最小的机械力即可使纤维分离。据测试,当在160~180℃温度预热处理削片后分离每吨纤维所消耗的动力,仅相当于在100℃温度预热削片时分离纤维需用动力的20%~25%。

原料进行预热和热磨,不仅是木质素的软化和分离纤维的过程,同时也是半纤维素的水解过程。由于原料种类及生长季节不同,其半纤维素及其溶液抽出物各有差异。研究证明,当热磨法采用11个大气饱和蒸汽压(约在183℃)将木质原料经过Imin预热和研磨,大约会有5%左右的物质被溶解而流失;当温度再继续提高,每提高8℃就会有成倍的可溶物质被溶出. 当预热温度达到223℃时.即可溶解原料中的全部半纤维素,这就会严重影响磨浆纤维的得率,影响密度板产品的质量。由此可见,原料预热处理采用的饱和蒸汽压力控制在0.8MPa左右较为适宜。在热磨过程中,原料除受热外还受到机械力的挤压、摩擦和一定程度的切割;在机械力的作用下又会促成纤维素和水分的结合,使其纤维发生膨胀和软化,纤维的膨胀过程 则又减弱了纤维之间的联接而有利于纤维的分离;由于纤维膨胀和软化又会提高纤维的柔性.则又不易被横向切断而相应减少细短纤维量,从而有助于提高密度板产品的力学强度及其纤维的损失量。并由此可以看出,在热磨过程中原料含水率的多少,也是影响热磨纤维质量优 劣的又一不可忽视的因素。

热磨法分离纤维的特点,是纤维结构基本完整,细胞壁损伤很少,甚至阔叶材及禾木科植物的纤维导管也很少破坏,纤维的弹性、拉伸强度与天然植物纤维相近。纤维较长,细小纤维相应也少,纤维多呈游离状,滤水、透气性能好。热磨时由于原料是在高温条件下处理 和分离成纤维,纤维的颜色略微加深,并或多或少有些没有被分离成单体纤维而呈纤维束状 存在。热磨法磨浆纤维的得率一般在92%-96%,高者可达9 8%。

热磨法的工艺要求

影响分离纤维质量的因素较多,尤其是热磨法分离纤维过程是融合机械、物理和化学等复杂的工艺过程。为此,适当的选择好生产工艺相关的参数和技术条件,是确保生产出优质纤维的先决条件。

(1)对原料削片及质量要求

原料最好选用单一材种,多种材种混合时一定要注意合理的搭配,尽量注意原料密度和纤维形态相近的材料的混合。要求削片规格大小均一,应除去 沙石或金属等杂物。原料相对含水率应控制在30%~50%,低于30%含水率的削片应进行加湿处理。含水率过低不利于削片软化,纤维不易分离,磨不出理想的纤维,而且会引起热磨 时过负荷的现象。削片经水洗,不仅可清除削片中夹杂的泥沙和金属等杂物,并可使削片的相对含水率稳定在30%~50%,对提高纤维质量非常有利。

(2)要求进料均匀进料均匀不可忽多忽少。

在满足热磨工艺要求的前提下,单位时间内应连续供应定量的削片。进料过多会出现堵塞或分离的纤维太粗大。进料量太少,不但影响热磨机生产效率,对保持均一的纤维质量也不利,并且会造成热磨机进料螺旋出现反喷的现象。

(3)削片的预热处理

削片纤维分离前的预热处理非常重要,预热饱和蒸汽压力控制在0. 8MPa左右为宜,饱和蒸汽压力的大小和预热时间长短与所分离纤维得率、纤维形态、纤维的pH值,以及热磨机的能量消耗和密度板产品质量均有密切关系。

削片进行预热处理时,当蒸汽压力过低,不仅影响热磨机的生产效率和增加动力消耗,并且由于分离纤维质量不佳而影响密度板产品质量。但是,如果蒸汽压力过高,超过2MPa时, 则会大大降低纤维的得率,并由于温度过高和预热时间过长,而导致半纤维素大量分解为可溶物和有机酸,对机械设备也不利。热磨软阔叶材或农业秸秆剩余物类原料,热磨预热的饱和蒸汽压力可降到0.5~0.7MPa,实验证明这种预处理蒸汽压力可获得较理想纤维分离效果,也利于提高纤维的得率。总之,磨浆时削片的预热蒸煮工艺,应根据原料种类、设备的条件、动力消耗、纤维得率以及产品品种等因素综合考虑,制定出合理的削片磨浆预热处理工艺。

(4)热磨机的研磨压力

热磨机在研磨过程中,磨盘研磨压力与原料削片的材种、含水率及蒸汽压力等有直接关系。所以研磨过程中控制研磨的压力,必须根据上述条件的变化随机调整。热磨机磨盘压力调整是由液压系统来完成。磨盘研磨压力过高,不仅增加耗电量,还影响热磨机的产量,但可以提高分离纤维的滤水度。在一般情况下,研磨压力根据纤维滤水度或筛分值来调整,大致保持在0.6~1. 2MPa。研磨压力与液压压力成比例关系,通常在生产过程中,研磨压力是以液压压力或以主电机消耗电流大小表示,热磨机生产过程中液压压力的调节范围。

在热磨过程中,一般情况是研磨的液压压力要高于热磨机的蒸汽压力的3%~5%,这样不仅可分离出较理想的纤维,同时可使硬杂异物(石块及金属类)进入磨盘间隙时,磨盘很容易分开减少对磨片的损伤。

(5)对磨盘研磨间隙与磨片的要求

热磨机在分离纤维过程中,磨盘的研磨间隙、磨盘直径大小及转数,以及磨片齿型和材质等对分离纤维的质量有很大影响。如中密度密度板表面质量与纤维粗细和形态有关,而纤维分离的程度则又和磨盘间隙有密切关系。

在一定的制浆工艺范围内,磨盘间隙越小纤维的滤水度越高,所压制的密度板强度也高, 但动力消耗也相应增高。如果磨盘间隙过大,所得结果则与上述情况相反。在生产过程中,往往用调整磨盘间隙的方法来控制热磨纤维的质量。因此,合理地选择和控制磨盘间隙,力求 达到密度板的强度、纤维滤水性能以及磨浆时动力消耗三者兼顾是很重要的。

在保证磨盘压力均匀状态下,改变磨盘间隙对纤维形态变化较大,但其斜率则基本一样。

磨片的齿型

齿型的锋锐程度以及磨片材料等,也是保证纤维分离产量和质量的重要因素。因此,要求磨片的齿型选择应根据原料的材种而异,磨片材料应选择耐磨、耐腐蚀的合 金钢材料,如9cr18、9Cr18Mo、4Cr18Ni等,磨齿硬度不低于HRC45,齿深度不得小于齿宽的1/3,并且要求磨盘盘片平整,同一组磨片间厚度公差不应大于0.02mm,磨片安装好整块磨盘的表面不平度公差不应大于0.05mm。磨片的使用寿命除上述影响因素外,也和被分离原 料材种、含水率、削片清洗程度等有关。一般来说,新磨片要比旧磨片的生产能力高出30%~ 50%,而且消耗动力相对减少20%~50%。可见用钝了的磨片一定要及时更换。另外,用调整磨盘间隙、磨盘研磨压力等措施来保证热磨纤维的质量。目前我国生产的磨片一般的 使用寿命为1 000h左右,而国外较为理想的磨片一般使用寿命在2000 ---3000h,有的已超过4000h。

磨片的齿形,是根据削片的材种和削片的软化方法以及对产品的质量要求来选择。直形齿可改变磨盘旋转方向而两面使用,即可延长磨齿的磨损时间。但 缺点是齿沟易于被纤维堵塞,产量也低于斜形齿。另外,直形、和斜形齿适于一般软化的木片的纤维分离。直形齿适于非木材类削片的纤维分离,如蔗渣类等原料的磨浆。

影响热磨法纤维质量的主要因素

(1)树种与纤维分离对产品质量的影响热磨时,一般密度在0.4~0.6g/cm3的针叶材 或软阔叶材树种,易于纤维分离。尤其是材质松软的树种,如软阔叶材的杨树、桉树、泡桐等木材均比较容易分离纤维。但这种材种压制的密度板的力学性能往往较差。使用胶合板厂下脚料单板或木芯为原料时,虽然也易于纤维的分离,但由于所制得纤维的长宽比很小仅在13-30,用这种纤维压制的硬质密度板其静曲强度仅在15MPa左右。在当今密度板生产所用原料的种类繁多而混杂,强调原料的综合利用、有效利用,科学合理地搭配使用更有现实意义。实践证明,原料的合理搭配使用不仅保证热磨时进料均匀,也可防止进料螺旋打滑和反喷,并可稳定热磨机的生产效率和纤维质量。如松木与桦木混合使用,最终密度板的静曲强度都在35~40MPa,甚至可高达50MPa。

桦木的纤维细小,压制的密度板强度虽然较高,但吸水性较高。当桦木与红松、云杉、落叶松等针叶材搭配使用时,如果用25%的桦木纤维,不仅有助于提高产品的强度,并可改善产品的防水性能;当桦木纤维用量超过50%时,虽然会使产品强度进一步提高,但产品吸水 性能则随之增大。

落叶松材质较脆,很容易分离纤维,而且热磨时能耗低,但单一落叶松为原料压制的硬 质密度板的产品密度不容易达到1.0g/cm3以上。可见原料科学合理的搭配使用,不仅对扩大密度板生产原料来源和有效利用资源有现实意义,而更重要的是对改善提高热磨机分离的纤维质量及其对密度板产品质量均有很大影响,树种搭配对密度板质量的影响。

(2)树皮对热磨纤维和产品质量的影响

密度板生产所用木质原料中不可避免地会混入树皮,尤其是以枝桠材、小径级薪炭材为主的原料中,树皮含量会更高,以灌木、竹类及秸秆类为原料。其含皮量更高。树皮占树木的6%-20%,平均在10%左右,小径木和枝桠树的树皮含量在15%-30%。实践证明,密度板原料中允许有一定量的树皮。但树皮含量的多少对热磨时纤维得率以及对密度板产品质量是有影响的,密度板的力学强度随树皮含量增加而降低。随着树皮含量的增加,纤维滤水度也随之增加,从而影响板坯的滤水性能和透气性 能。但树皮含量高热磨的动力消耗和纤维得率均减少。

由于树皮主要是韧皮纤维杂细胞,其结构质轻而软,而且韧性很大。热磨时很难磨细,基本呈小块状混杂在纤维中(如桦木、栎木类树种尤为明显)。其后果,一是密度板面会留下许 多黑色小斑点,二是板面会出现许多凸凹麻点。均严重影响密度板的表面质量。由此可见,原料的去皮无疑对改善密度板外观和内在质量以及热磨等均有意义。但原料中的树皮,尤其是枝桠、小径木、灌木、茎条类原料中的皮很难剔除。目前只能采用筛选、水洗和风洗的方法将削片中的夹杂物和部分树皮清除,彻底剔除在技术上尚存在难度。

(3)削片含水率对热磨纤维质量的影响

热磨时削片含水率在饱和点以下时(28%左 右),会严重影响热磨纤维的质量。特别是木材加工厂经干燥的木材下脚料,以及干旱季节原 材料的含水率普遍在15%以下,甚至削片表面部分接近绝干状态,因而水及水蒸气在短时间 内不易渗透到纤维细胞中去。削片在研磨时几乎处在干磨状态,所分离出的纤维粗硬而细碎, 此种纤维无疑会直接影响密度板产品的物理力学性能。原料削片经浸泡 和预热处理提高含水率后,热磨所分离纤维的长宽比增加,细小纤维显著减少,纤维也比较 柔软,压制的密度板的静曲强度可提高15%-40%。从结果还可看出,削片含水率控制 在40%-50%是稳定产品质量的有效措施之一,而且热磨时热磨机的电负荷明显下降。如松木削片含水率在49. 4%时研磨和含水率为18.2%时研磨,磨浆电流负荷前者要比后者少20%-30%。

(4)预热的温度、时间与纤维分离的关系

削片预热处理,其目的是提高纤维的塑性,减少磨浆时的动力消耗和缩短研磨的时间以及提高分离纤维的质量。削片经预热处理后,再研 磨具有以下优点:一是热处理有利于植物纤维胞间层木质素的热塑性,使木质素受热软化。既可减少热磨时动力消耗,又可减少纤维损伤,使纤维柔软而完整。二是热磨法分离纤维大都 采用短时间的高温预热处理’热磨机的预热装置和磨室连为一体。这不仅隔绝了与空气中氧 的接触,防止在高温状态下氧对纤维素的损伤,而且高温短时间的处理对纤维形态及化学组 分均不会造成大的破坏,反而提高了木质素的活化程度。

削片的预热处理大致采用3种方法,即常温常压水浸处理,高温高压下蒸汽或热水处理 和加温与化学药剂同时进行的预处理方法。常温常压水热处理和加温化学药剂处理两种方法, 在密度板生产中很少采用,只有对纤维有特殊要求时才采用高温加化学药剂的处理方法。采用高温高压蒸汽或热水处理削片是当今密度板生产采用的主要方法,通常又称加压蒸煮处理, 蒸煮压力和温度及预热时间的长短,直接影响磨浆纤维质量,纤维的得率和纤维分离的动力 消耗。所以选择正确的预热工艺参数十分重要。

①蒸煮温度与原料削片塑化和纤维强度的关系:蒸煮温度越高削片塑性越好,见表:一- 当蒸煮温度由135℃升至175℃时,削片的塑性几乎提高50%。

由实验结果可以看出,当蒸煮温度由1 45℃增加到165℃时,密度板的静曲强度从19.30MPa 提高到27. 60MPa,但温度继续上升到175℃时,则强度下降到25.20MPa。这种现象表明,在 一定范围内随着蒸煮温度的提高,纤维间的结合力削弱,解纤时纤维所受的机械损伤会较小、 纤维形态也较好而有利于纤维之间交结性,故密度板的强度也相应提高。但是,当蒸煮温度过高时,纤维本身将受到严重破坏,机械强度急剧下降,故密度板产品强度也随之下降。

②蒸煮温度与纤维分离的动力消耗关系:蒸煮温度对纤维分离时的动力消耗影响很大,参当蒸煮温度接近100℃时,磨浆动力消耗就有所下降,超过100℃时,随温度升高,则动力消耗开始明显下降,当温度达到160~180℃时,即木质素的热可塑温度160~165℃时, 咆间层被软化,磨浆动力消耗将会急剧下降。此时的削片很容易被分离成纤维,这就是热磨 法分离木材原料时通常选用蒸煮温度为165℃以上时,可以降低磨浆动力消耗的原因所在。当分离非木材削片时,如竹材、小灌木或秸秆类原料则要因材而异,竹材由于结构特点蒸煮温 度可适当提高,而秸秆类原料则可适当的降低蒸煮温度。

观察维分离时饱和蒸汽压力对电能消耗及纤维损失的影响关系,由曲线可以看出,当蒸汽压力为0.6MPa时,可通过增加电能消耗的方法达到节约原料的消耗。

③蒸煮温度、时间与纤维得率的关系:在热磨过程中常用提高蒸煮温度和延长蒸煮时间来改善浆料的纤维质量、减少动力消耗和提高热磨机生产效率,但相应的纤维损失率较高。当木材削片在180 0C左右温度预热蒸煮3min时,削片成分的损失约在8.0%。当蒸煮温度为220℃时,预热3min纤维重量损失将高达30%以上。试验结果也同时表明,在预水 解条件下,温度每升高80℃,水解反应速率就增加一倍。另外,通过结果可以看出,材种不同其蒸煮效果不一,在同样蒸煮条件下纤维得率是随蒸煮温度和时间而变化,阔叶材的水解反应比针叶材敏感,故纤维得率也比针叶材低。

削片经蒸煮后,由于其成分和性 质会发生一系列变化。其中有永久性 的如颜色变化,也有可逆性的如削片 的软化。削片经蒸煮而软化,但冷却后 又很快变硬。因此,削片经蒸煮处理后 应尽快进行纤维分离。削片预热的蒸煮时间也不要长于木质素的软化所需的时间,热磨时削片的预热温度一般 应选择在165--180℃,蒸煮的时间应 在5-lOmin为宜。

削片在蒸煮过程中的重量损失, 主要包括原料中可溶单糖和蒸煮过程 中的半纤维素、纤维素水解生成的可溶性碳水化合物。其中可溶性单糖仅 占原料中的1%-3%,在蒸煮过程中 是必然溶解的。但其他可溶性碳水化 合物则是一种不必要的损失,改变蒸煮条件可以控制这部分损失。一般预热温度采用100℃左右时,所损失部分主要是热水可溶性单糖类,如果在提高温度和延长预热时间,则削片中的化学组成会随温度升高和处理时间加长而加速分解。这不仅降低了纤维得率而且增加密度板 生产原料成本,过多的水溶物通过热磨排出又会造成水质的污染。总之,在选择热磨工艺条 件时,必须根据生产条件,对原料材种、纤维质量、纤维得率、动力消耗、密度板质量和环保等因素加以综合考虑。

(5)热磨法分离纤维的形态特征热磨法分离纤维适于木材和非木材植物纤维原料。一 般工业用木材原料中,针叶材的组织结构比较简单,其中9 5%以上为管胞。而阔叶材的纤维管胞和韧性木纤维共占43%~70%,这也是阔叶材纤维可利用的有效成分,其余则是导管和 薄壁细胞组织。从木材横切面观察,其纤维结构主要部分又可看到3个不同的区域,即胞间层M、初生壁P和次生壁s,在次生 壁s中,又可分为三个折射率不同层次,即Sl、 S2和s3每个层次又是由许多螺旋丝所组成,L为细胞腔。

热磨法是利用木材中胞间层含有占 整个纤维细胞75%的木质素这个特点,原料的削片先经预热使其木质素软化,再进行研磨分离。所以热磨法制得的纤维不仅较完整,而且得率也较高,如图3-12中 (1)为针叶材热磨纤维、(2)为阔叶材热 磨纤维、(3)为草类植物热磨纤维。

经验证明,利用非木材植物纤维作为密度板制造的原料中,农业秸秆类或草类进行热磨时可以采用较低的温度和蒸汽压力预热处理,可以制得比较元 整的纤维。另外,虽然削片经过预热处理,所制得纤维大都完整,但也有部分纤维因受研磨而被压溃,观察被压溃的纤维,从比较完整 的部位可看出初生壁的破裂部分,已露出次生壁中交叉状的螺旋纤维丝,其排列角度约成25度。