活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　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，因為它具有良好的絕緣體、易于加工、美觀、在使用期間和使用壽命后不會對人類或環境造成任何傷害等特性。添加粘合劑可將木材屑轉化為歐松板和刨花板等產品。歐松板的誕生是為了利用大量木料，例如鋸末、刨花，以及其他木材工業產生的工廠殘留物。它廣泛用于制造家具、櫥柜和各種結構制品。目前，歐松板行業已不能滿足市場的需求。因此，人們開始使用填充材料，既可以節省原材料，又可以在不同領域使用人造板。本研究調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

　　從歐松板工廠獲得的木片生產單層歐松板。在涂膠之前，將木片干燥至含水量1%至3%，并儲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。使用轉鼓混合器內的粘合劑噴槍進行粘合劑涂覆。隨后，使用木質攤鋪模具進行手工攤鋪過程，將板組件放入尺寸為400×400×12mm的熱壓機中。每組生產三塊歐松板。壓制過程結束后，將所得板材冷卻并調節至相對濕度65±5%和溫度20±2℃，以達到平衡水分含量。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，填充材料內的空隙或孔隙。這可以作為屏障，阻止水在歐松板內的運動，從而起到阻止水的進入和吸收的作用，從而減少水份。另一方面，活性炭顆粒與木材顆粒形成結合，形成更防水的基質并降低WA。活性炭的加入有可能改變歐松板的整體結構和密度分布。這些修改影響了水在整個材料中的吸收和分布方式，導致TS和WA值發生變化。據稱，在木質復合材料中，玻璃棉和碳纖維的疏水性導致WA值和厚度膨脹比下降。另一方面，在MDF中添加活性炭導致 24 小時后的溶脹率范圍為15.7%至22.4%，WA值范圍為88%至75%。Akin 和 Boyaci (2021) 發現，用超濾和活性炭生產的 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材料的顏色特性和監測顏色變化方面發揮著至關重要的作用。這種方法對于保持材料的美觀性和確保生產過程中的質量控制至關重要。圖1中可以觀察到不同活性炭添加比例生產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%。

　　根據數據可以看出，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)和黃藍色成分(b)下降。結果表明，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)。當活性炭添加到復合材料中時，會導致復合材料的顏色發生變化。因此，在使用活性炭作為添加劑時，應考慮歐松板的功能和美觀特性之間的權衡。

　　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構，如圖2所示。

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

　　活性炭增強歐松板的SEM分析表明，活性炭均勻分布在歐松板基質和粘合劑內(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結塊現象，也沒有影響歐松板的機械性能。在復合材料中添加填料通過填充聚合物鏈中的空隙來增強復合材料的機械性能和表面質量。

　　歐松板的熱性能

　　歐松板的低導熱率是室內應用所需的重要特性之一。用于通過瞬態熱絲法獲得歐松板的導熱系數。活性炭增強歐松板的導熱系數如圖3所示。

　　圖3：活性炭增強歐松板的導熱率值。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。

　　結果表明，歐松板的導熱系數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熱系數最低(0.2155)，比不含活性炭的歐松板(0.3479)低約38%。這些結果表明，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熱系數(0.2177)高于4.5%活性炭的歐松板。材料的導熱率與其密度成正比。先前的研究報告了具有不同類型填料的其他顆粒復合材料的類似趨勢，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熱系數低于所報道的具有相似填料含量的其他復合材料的導熱系數。活性炭是一種良好的熱隔離體，具有大孔和微孔結構。活性炭的熱導率在0.05W/mK和0.10W/mK之間變化。人造板的導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、層數和孔隙率。此外，在確定熱導率時，測試方法和環境溫度等因素也會影響所獲得的值。因此，預計商業生產的層狀歐松板與實驗室制造的單層歐松板相比將表現出不同的導熱率值，從而產生更均勻的結構。在本研究中，通過與不含活性炭的歐松板進行比較，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物理性能(包括耐水性和尺寸穩定性)的最佳結果。添加活性炭導致總顏色變化(ΔE)高達7.72%，因此在美觀很重要的情況下應用活性炭時必須小心。添加4.5%活性炭和添加7.5%活性炭時的IB、MOR和MOE性能沒有統計學差異。與參考歐松板相比，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。

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