活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭掺入脲醛胶粘剂对欧松板性能的影响

　　木材是一种首选的建筑和工程材料，因为它具有良好的绝缘体、易于加工、美观、在使用期间和使用寿命后不会对人类或环境造成任何伤害等特性。添加粘合剂可将木材屑转化为欧松板和刨花板等产品。欧松板的诞生是为了利用大量木料，例如锯末、刨花，以及其他木材工业产生的工厂残留物。它广泛用于制造家具、橱柜和各种结构制品。目前，欧松板行业已不能满足市场的需求。因此，人们开始使用填充材料，既可以节省原材料，又可以在不同领域使用人造板。本研究调查了不同比例的活性炭(0%、1.5%、4.5%、7.5%)对欧松板性能的影响。

　　欧松板生产

　　从欧松板工厂获得的木片生产单层欧松板。在涂胶之前，将木片干燥至含水量1%至3%，并储存在密封塑料袋中以防止暴露在空气中。本研究采用固含量为65%的超滤。基于粘合剂的干物质含量，将活性炭以1.5%、4.5%和7.5%的浓度掺入粘合剂中，并将混合物在600rpm下搅拌30分钟。22℃时粘合剂的粘度为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。使用转鼓混合器内的粘合剂喷枪进行粘合剂涂覆。随后，使用木质摊铺模具进行手工摊铺过程，将板组件放入尺寸为400×400×12mm的热压机中。每组生产三块欧松板。压制过程结束后，将所得板材冷却并调节至相对湿度65±5%和温度20±2℃，以达到平衡水分含量。然后提取样品用于测定板材特性。

　　活性炭的添加情况

　　随着欧松板中活性炭含量的增加，它起到填充材料的作用，填充材料内的空隙或孔隙。这可以作为屏障，阻止水在欧松板内的运动，从而起到阻止水的进入和吸收的作用，从而减少水份。另一方面，活性炭颗粒与木材颗粒形成结合，形成更防水的基质并降低WA。活性炭的加入有可能改变欧松板的整体结构和密度分布。这些修改影响了水在整个材料中的吸收和分布方式，导致TS和WA值发生变化。据称，在木质复合材料中，玻璃棉和碳纤维的疏水性导致WA值和厚度膨胀比下降。另一方面，在MDF中添加活性炭导致 24 小时后的溶胀率范围为15.7%至22.4%，WA值范围为88%至75%。Akin 和 Boyaci (2021) 发现，用超滤和活性炭生产的 MDF 的 TS 比和 WA 值分别在 19.46% 和 22.01% 和 45% 和 53% 之间。

　　颜色测量在评估木质材料的颜色特性和监测颜色变化方面发挥着至关重要的作用。这种方法对于保持材料的美观性和确保生产过程中的质量控制至关重要。图1中可以观察到不同活性炭添加比例生产的欧松板的颜色变化。

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

　　根据数据可以看出，欧松板的颜色特性受到AC含量比例的影响。随着活性炭含量比例的增加，亮度(L)和黄蓝色成分(b)下降。结果表明，与对照组(0%活性炭)相比，活性炭的添加减少了红绿分量(a)。色差 (ΔE) 也随着活性炭含量比例的增加而增加，表明随着添加更多的活性炭，欧松板变得更暗且黄色更少(图2d)。当活性炭添加到复合材料中时，会导致复合材料的颜色发生变化。因此，在使用活性炭作为添加剂时，应考虑欧松板的功能和美观特性之间的权衡。

　　使用扫描电子显微镜(SEM)在×500放大倍率下检查欧松板的微观结构，如图2所示。

　　图2：欧松板放大倍数为500倍的SEM图像：(a)0.0%，(b)1.5%，(c)4.5%，(d)7.5%。

　　活性炭增强欧松板的SEM分析表明，活性炭均匀分布在欧松板基质和粘合剂内(图2a-d)。随着活性炭百分比的增加，活性炭颗粒开始填充木片之间的间隙(图2d)。但没有因活性炭用量而出现结块现象，也没有影响欧松板的机械性能。在复合材料中添加填料通过填充聚合物链中的空隙来增强复合材料的机械性能和表面质量。

　　欧松板的热性能

　　欧松板的低导热率是室内应用所需的重要特性之一。用于通过瞬态热丝法获得欧松板的导热系数。活性炭增强欧松板的导热系数如图3所示。

　　图3：活性炭增强欧松板的导热率值。图3中的字母(a和b)表示具有同等重要性的样本组聚集在一起。

　　结果表明，欧松板的导热系数随着活性炭量的增加而降低。添加4.5%活性炭的欧松板的导热系数最低(0.2155)，比不含活性炭的欧松板(0.3479)低约38%。这些结果表明，活性炭通过减少材料的热传递来提高欧松板的隔热性能。7.5%活性炭的欧松板的导热系数(0.2177)高于4.5%活性炭的欧松板。材料的导热率与其密度成正比。先前的研究报告了具有不同类型填料的其他颗粒复合材料的类似趋势，例如石墨、氮化铝和铝。然而，本研究中含有活性炭的欧松板的导热系数低于所报道的具有相似填料含量的其他复合材料的导热系数。活性炭是一种良好的热隔离体，具有大孔和微孔结构。活性炭的热导率在0.05W/mK和0.10W/mK之间变化。人造板的导热率受到多种因素的影响，例如木片的堆积密度、木片尺寸和方向、原材料木材种类、板材密度、含水量、层数和孔隙率。此外，在确定热导率时，测试方法和环境温度等因素也会影响所获得的值。因此，预计商业生产的层状欧松板与实验室制造的单层欧松板相比将表现出不同的导热率值，从而产生更均匀的结构。在本研究中，通过与不含活性炭的欧松板进行比较，研究了活性炭的效果。

　　活性炭掺入脲醛胶粘剂对欧松板性能的影响，我们的分析表明，4.5%的最佳活性炭浓度可带来增强物理性能(包括耐水性和尺寸稳定性)的最佳结果。添加活性炭导致总颜色变化(ΔE)高达7.72%，因此在美观很重要的情况下应用活性炭时必须小心。添加4.5%活性炭和添加7.5%活性炭时的IB、MOR和MOE性能没有统计学差异。与参考欧松板相比，添加7.5%活性炭使欧松板的IB、MOR和MOE值分别提高了约41%、28%和21%。欧松板的热性能随着活性炭含量的增加而增强。

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