从椰枣废弃物到可持续建材：UF树脂强化椰枣中脉纤维制备中密度纤维板 (MDF) 的工艺建模与性能表征研究

《Journal of Natural Fibers》：Date Palm Medium Density Fiberboard: Process Modeling, Physical and Mechanical Characterization

本研究利用农业废弃物——椰枣中脉纤维，以脲醛（UF）树脂为粘合剂制备中密度纤维板（MDF），探究了UF树脂含量（0-12.5 wt.%）对板材力学（拉伸、弯曲强度等）与物理性能（吸水率、厚度膨胀）的系统影响，并借助热压传热模型优化了固化工艺。结果表明，高树脂含量显著提升了板材性能，实现了废弃物资源化利用，为非结构内装应用（如家具、室内镶板）提供了可持续材料解决方案。

　　

材料与方法

本研究旨在探索以椰枣中脉纤维作为原料，通过添加尿素-甲醛（UF）树脂作为粘合剂，制备适用于非结构性内部应用的中密度纤维板（MDF）板材。采用了Khalas品种的椰枣中脉纤维作为主要原材料，因其在沙特阿拉伯的丰富性和适用性。纤维首先通过锤磨机机械粉碎，并使用40目筛网筛分以获得尺寸可控的纤维，之后在105°C烘箱中干燥24小时以去除水分。UF树脂按重量百分比（0%， 2.5%， 7.5%， 10%， 12.5%）与干燥后的纤维均匀混合。混合物在模具中冷压预成型后，转移至热压机（YLJ-HP300， MTI Corporation）中，在170°C下热压5.5分钟，制成9毫米厚的板材。热压时间的选择通过一维热传导模型进行验证，该模型基于傅里叶非稳态热传导定律，假设板材热导率为0.2 W/m·K，比热容为1200 J/kg·K。模型预测在10毫米厚度的板材中，芯层达到无酸催化剂下UF树脂缩聚所需的典型热活化温度（~160°C）以上，即165°C，需要5.5分钟，从而确保了树脂在整个板厚内的充分固化。实验设计中，对每个树脂浓度制作了三块板材，并分别取样进行物理和机械性能测试。

物理与机械性能表征

为评估所制备椰枣纤维板的适用性，本研究进行了全面的物理与机械测试，所有测试均依据相关标准进行。机械性能测试包括拉伸强度和弯曲强度，分别依据ASTM D1037标准进行。物理性能测试主要评估了板材的尺寸稳定性，包括根据ASTM D1037标准测量的吸水率和厚度膨胀率。拉伸强度（TS）根据公式 TS (MPa) = F_max/ (w * t) 计算，其中F_max为最大载荷（N），w为试样宽度（mm），t为试样厚度（mm）。弯曲强度（σ_f）根据三点弯曲测试，按公式 σ_f= 3PL / (2bd²) 计算。吸水率（W_A%）按公式 W_A(%) = (W_w– W_d) / W_d× 100 计算；厚度膨胀率（t_s%）按公式 t_s(%) = (t_wet– t₀) / t₀× 100 计算。

结果与讨论

单纤维拉伸性能

单根椰枣中脉纤维的拉伸强度约为70–290 MPa，杨氏模量为几GPa，断裂伸长率约为8–12%。与黄麻、剑麻等天然纤维相比，其强度和刚度适中，但延展性更好。这种特性以及其可再生性和丰富性，使其成为生产环保纤维板板的潜在增强材料。

吸水性

UF树脂含量显著影响板材的吸水性。对照组（0%树脂）吸水性能极差，仅2小时吸水率就超过160%，24小时后达到约185%。添加树脂后，板材的耐水性得到显著改善。随着树脂含量从2.5%增至12.5%，24小时吸水率从约166%逐渐降低至约90%。超过7.5%后，吸水率改善趋于平缓。这一趋势与其他天然纤维复合材料的研究结果一致，表明UF树脂在减少水分吸收方面起着关键作用。

厚度膨胀率

厚度膨胀行为与吸水率变化趋势相似。对照组板材在24小时内厚度膨胀高达177%（几乎达到原始厚度的三倍）。添加UF树脂后，膨胀显著减少。即使只添加2.5%树脂，24小时厚度膨胀也降至约66%。在7.5%树脂含量下，该值进一步降至约33%。树脂含量为10%和12.5%的板材表现出最佳的尺寸稳定性，24小时厚度膨胀分别仅为约26%和22%。膨胀主要发生在前2小时，之后变化趋缓。研究结果印证了文献中的结论：提高树脂含量是减少纤维板厚度膨胀的最有效方法。

弯曲强度

板材的弯曲强度（MOR）和弯曲模量（MOE）随UF树脂含量增加而显著增强。对照组板材的MOR约为2.5 MPa，MOE约为544 MPa。当树脂含量增至12.5%时，MOR达到约14 MPa（约为对照组的五倍），MOE达到约2229 MPa（约为对照组的四倍）。这表明，树脂作为粘合剂有效增强了纤维间的载荷传递和内聚力。在2.5%的低树脂含量下，MOE甚至略低于对照组，这可能是因为极少的树脂破坏了原有纤维间的天然结合（如氢键和机械互锁），但尚未形成足够连续、强劲的新基体。当树脂含量达到7.5%及以上时，形成了充分的连续基质来有效结合纤维，弯曲性能得到显著提升。

拉伸强度

拉伸性能的变化趋势与弯曲数据相似。对照组板材的拉伸强度极低，平均仅为约0.7 MPa。随着树脂含量增加，拉伸强度显著提升。在7.5%树脂含量下，拉伸强度约为2.7 MPa；在10%含量下为4.2 MPa；在12.5%含量下达到约6.0 MPa（约为对照组的六倍）。拉伸杨氏模量（E）也随树脂含量增加而提高，但增幅小于强度。从对照组到12.5%树脂含量，E从约376 MPa增至约640 MPa（提升约50%）。结果表明，无树脂板材在拉伸载荷下纤维间缺乏有效粘结，易发生纤维滑脱。树脂含量达到一定阈值（如7.5%）后，才能形成足够连续的基质，有效传递载荷，显著提升强度。

结论

综上所述，本研究证明，以椰枣中脉废弃物纤维为原料，通过添加适当比例的UF树脂，可以制备出性能显著改善的MDF板材。性能最佳的板材（12.5 wt.%）在机械强度（弯曲和拉伸）方面达到对照组的数倍，同时大幅降低了吸水率和厚度膨胀率。热压传热模型的应用确保了热压工艺参数（如时间）的合理性，保证了树脂的充分固化。该研究为将农业废弃物转化为有价值的建筑材料提供了一条可持续路径，所开发的板材适用于对强度要求适中且需要一定耐湿性的非结构性内部应用，如家具组件和室内镶板。未来研究可着眼于进一步提升板材的可持续性，例如评估甲醛排放、采用生物基或低甲醛粘合剂体系，并通过纤维预处理优化、长期环境性能测试和生命周期评估，推动此类农业废弃物基复合材料在可持续建筑领域的应用。