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树种对钙离子浓度和石膏刨花板性能影响的研究
邓玉和, 骆嘉言, 徐了, 王伟
南京林业大学木材工业学院, 南京(210037)
摘 要：应用电子扫描电镜、原子吸收分光光度仪等分析方法，研究了树种、木膏比、柠檬
酸添加量对石膏刨花板的性能的影响。试验结果表明木膏比为 ~，柠檬酸添加量为
%，由杨木、落叶松、杉木制成的石膏刨花板的性能较好；木材冷水抽提物对石膏的凝
结有一定的影响，特别是木薯冷水抽提物有较强的抑制 Ca2+与柠檬酸发生反应的能力，使石
膏的终凝时间延长，石膏与木薯不能很好的结合，因此不适应用于石膏刨花板生产。
关键词：石膏刨花板；木膏比；柠檬酸；木材冷水抽提物
中图分类号：
1. 引言
长期以来，我国石膏产品的开发和应用远远落后于发达国家，作为三大胶凝材料（水泥、
石灰、石膏）之一的石膏，在建筑工程上没有得到充分开发和利用。国外工业发达国家，如
美、日等国用于建筑业的石膏约占总产量的 80%，而我国用于建筑业的石膏仅占 5%[1-3]。研
究不同种类的树种以及缓凝剂的添加量对石膏刨花板性能的影响[4]；水化过程中石膏的结晶
形态；石膏水化过程中钙离子浓度变化的固化机理，对提高石膏刨花板的性能，扩大石膏产
品的品种，使石膏产品在建筑业得到广泛的应用具有重要的意义[5-6]。
2 实验材料与设备
实验材料
木材和刨花：：杉木、落叶松、木薯、杨木；
缓凝剂：柠檬酸（C6H8O7，分析纯和化学纯），扬州市九九生物工程有限公司；
石膏：购于湖北省荆门市磊鑫石膏制品有限公司；
钙标准溶液
浓盐酸（%）。
主要实验设备
扫描电镜（JSM—6360LV）；
微型植物粉碎机（FZ102 型）；
原子吸收分光光度仪（3510）。
3 实验步骤
木粉的制备
首先对杉木、落叶松、木薯、杨木进行剥皮，采用粉碎机等设备将剥皮后的木材磨制成
＞60 目＜40 目木粉。
本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20050298003），国家自然科学基金资助项
目（30371130）
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提取冷水抽提物
根据 -81 标准，将 2g 的木粉放入 320ml 的塑料量杯中，加入 300ml 蒸馏水，
加盖保鲜膜放置 48 小时，并经常摇荡。48 小时后用滤纸过滤，将过滤后的冷水抽提物液体，
移入 320ml 的塑料量杯中，加盖备用。
石膏初凝和终凝时间的测定
依据水膏比 ，将 10g 蒸馏水或木材冷水抽提物和 25g 石膏粉混合，测定石膏的初凝
时间和终凝时间；每一种树种重复三次，取平均值。
石膏刨花板的制备
试验采用的木膏比为 、、、，水膏比 ，缓凝剂的添加量 %[7]， 石
膏刨花板的尺寸为 300mm×300mm×10mm，压制好的板在 45℃的条件下干燥 24 小时。干
燥后的石膏刨花板放在室温条件下养生1周，每一试验条件重复1次。根据LY/T15898-2002[8]
标准测试石膏刨花板的性能，取六个试样测得的平均值。
石膏结晶形态和钙离子浓度分析
将蒸馏水或木材的冷水抽提物分别与石膏混合采用扫描电镜分析石膏结晶形态，原子吸
收分光光度仪测定石膏固化过程中钙离子（Ca2+）浓度。
4 结果分析
木材冷水抽提物对石膏凝结时间的影响
由图 1 可以看出，木材的抽提物对石膏的初凝时间和终凝时间有影响，木材冷水抽提物
与石膏混合的初凝和终凝时间比蒸馏水(空白)与石膏混合物的初凝和终凝时间略长，但对石
膏初凝时间影响的不明显。木薯冷水抽提物对石膏凝结时间的影响最大，与空白试验相比终
凝时间被延迟了 104s 见表 1；而杨木冷水抽提物对石膏凝结时间的影响最小，终凝时间与
空白实验相同。几种木材水抽提物对石膏终凝时间的影响程度为：木薯>落叶松>杉木>杨木。
0
200
400
600
800
1000
1200
蒸馏水 落叶松 木薯 杨木 杉木
时
间
（
s)
初凝时间(s)
终凝时间(s)
图 1 木材冷水抽提物与石膏凝结时间
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表 1 木材水抽提物对石膏初凝和终凝时间的延缓
木
膏比对石膏刨花板性能的影响
从图 2 中可以看出木膏比对石膏刨花板内结合强度（IB）有一定的影响。落叶松、杉木、
杨木随着木膏比的增大[9-10]，板的内结合强度变化的总趋势是逐渐减小，且在木膏比为
时内结合强度相对较大。当木膏比 和 时其内结合强度被明显的降低，这是因为木
膏比过高，石膏所占比例减少，使得木刨花与石膏体之间的实际接触面积减少，不足以形成
连续的结合界面，从而削弱了木刨花增强效果，因此石膏刨花板的内结合强度降低。
0
木膏比
内
结
合
强
度
（
MP
a)
落叶松
杉木
杨木
图 2 木膏比与石膏刨花板的内结合强度
木膏比对石膏刨花板静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）的影响见图 3。在木膏比
范围内，落叶松和杉木刨花制成的石膏刨花板随着木膏比增加的MOR呈上升趋势，
而木膏比在 范围内板的 MOR 随着木膏比增加有所下降。木膏比在 范围，
各种树种的石膏刨花板的 MOE 均随着木膏比增加而降低。但木膏比在 范围内各种
树种的MOR和MOE均达到了LY/T1598-2002石膏刨花板行业标准的要求。当木膏比为
时落叶松和杨木的 MOR 和 MOE 的值低于石膏刨花板行业标准的要求。因为石膏刨花板的
静曲强度与增强材料—刨花的强度以及板内的结合强度有关。在其它外界条件不变的情况
下，随着木膏比的增大，增强材料刨花所占的比例增大，因此，静曲强度开始有所上升（刨
花起主导作用）。但随着木膏比的进一步增大，由于石膏用量的减少，板内的结合强度减小，
因此，静曲强度又开始下降（石膏起主导作用）。
树种 蒸馏水 落叶松 木薯 杨木 杉木
初凝延迟（s） 0 14 10 11 8
终凝延迟（s） 0 45 104 0 11
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1000
2000
3000
4000
5000
6000
弹
性
模
量
（
MP
a)
落叶松
杉木
杨木
3
5
7
9
11
木膏比
静
曲
强
度
（
MP
a)
落叶松
杉木
杨木
图 3 木膏比与石膏刨花板的静曲强度和弹性模量
从图 4 和图 5 可以看出，木膏比对石膏刨花板的吸水率（WA）和吸水厚度膨胀率（TS）
的影响是明显的。无论是 TS 还是 WA 其值均随着木膏比的增大而增大。这是因为刨花是亲
水性物质，随着木膏比的增大，刨花所占的比例增大。当木膏比 时，由于刨花量的增
加和石膏与木刨花胶合不足使石膏刨花板的内结合强度低[11-12]，使得石膏对木刨花吸水膨胀
能力的抑制作用降低，导致刨花的吸水量增加。此外，木膏比增加，板坯的压缩率增大，板
残余应力增大，吸水后，其回弹随之增加，所以随着木膏比的增加，板的 TS 和 WA 增加。
树种对石膏刨花板的 TS 和 WA 也有较为明显的影响，落叶松的密度比杨木和杉木大，其吸
水性能优于杨木和杉木，因此落叶松制成的石膏刨花板的 TS 和 WA 值低于其它两种树种。
在试验过程中，木薯杆不能压制成石膏刨花板。
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10
15
20
25
30
35
40
木膏比
吸
水
率
（
%）
落叶松
杉木
杨木
图 4 木膏比与石膏刨花板的吸水率
0
1
2
3
4
5
6
7
8
木膏比
吸
水
厚
度
膨
胀
率
（
％
） 落叶松杉木
杨木
图 5 木膏比与石膏刨花板的吸水厚度膨胀率
木材冷水抽提物对石膏结晶形态的影响
a
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图 6 不同溶液条件下的石膏结晶形态
a 木薯；b 杉木；c 杨木；d 落叶松；e 蒸馏水
由图 6 可明显看出，除木薯冷水抽提物对石膏结晶形态有一定的影响外，其它的木材冷
水抽提物对石膏结晶形态没有十分明显的影响。蒸馏水混合的石膏晶体形态均匀，呈细长的
针状，细小结晶颗粒少见图 6-e。与各种树种冷水抽提物混合的石膏晶体呈较粗的针状形态，
晶体之间混合了许多细小颗粒见图 6-b，c，d。而木薯水抽提物混合的石膏晶体的有些颗粒
呈长方体，甚至正方体图 6-a。这说明木薯冷水抽提物对石膏晶体的形成有一定有抑制作用，
由于这种抑制作用的存在，石膏晶体中出现了各种形状的晶体颗粒[13]，试验过程中也发现，
木薯刨花与石膏混合物不能很好的形成板状材料，因此木薯不做处理是不能作为刨花板的增
强材料的。
柠檬酸的添加量对石膏水化过程中 Ca2+浓度的影响
由图 7 可以看出，在蒸馏水作为石膏水化溶液的条件下，添加柠檬酸后 Ca2+ 初始浓度
b
c
d
e
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比未添加柠檬酸时略低，这是由于柠檬酸加入后会迅速与 Ca2+反应生成难电离的柠檬酸钙，
消耗了一部分 Ca2+的缘故[14-15]。而木材冷水抽提物作为石膏水化的溶液时，添加柠檬酸后
Ca2+ 初始浓度比未添加柠檬酸时略高见图 7（杨木，杉木、落叶松、木薯），说明木材冷水
抽提物有抑制 Ca2+与柠檬酸以及水发生反应的能力。但柠檬酸添加量的变化对 Ca2+初始浓
度影响不是十分明显。在石膏还未开始初凝阶段 Ca2+浓度随时间的变化基本保持不变，然后
有明显的下降，最后维持稳定；水化过程中出现的骤然下降的转折点是由于石膏开始初凝，
半水石膏迅速水化，大量消耗 Ca2+，从而导致 Ca2+浓度骤然下降。
由图 7（蒸馏水）看出，未添加柠檬酸时，Ca2+浓度在 10min 左右突然降低，当柠檬酸
添加量为 %和 %时，Ca2+浓度在 30-60min 左右突然降低，而当柠檬酸添加量为 %
和 %时，Ca2+浓度在 60-90min 左右突然降低。这说明了石膏初凝时间随着柠檬酸添加量
增加而延长。水化过程中出现的 Ca2+浓度突然下降的转折点是由于石膏开始初凝，半水石
膏迅速水化，大量消耗 Ca2+，从而导致 Ca2+浓度的突然下降。
从图中我们还可以发现水化体系中 Ca2+浓度在过了初凝点后降低缓慢，说明石膏从初
凝到终凝过度。Ca2+浓度下降的速度与缓凝剂柠檬酸的添加量有关，蒸馏水和石膏的溶液
Ca2+浓度下降的速度最快，其次为添加 %、%柠檬酸，添加 %、%缓凝剂溶液
的 Ca2+ 浓度下降速度最慢。
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图 7 不同树种和柠檬酸添加量与 Ca2+浓度的变化
杨木、杉木、落叶松的冷水抽提物与石膏混合时添加不同含量柠檬酸，其石膏水化过程
中 Ca2+ 浓度变化趋势与蒸馏水与石膏混合时添加不同含量柠檬酸，石膏水化过程中 Ca2+
浓度变化趋势基本相同，即添加 %、%缓凝剂混合物在 30，60min 时初凝开始，而添
加 %、%缓凝剂溶液混合物的时初凝开始不是十分的明显。从缓凝剂溶液混合物的 Ca2+
浓度变化可知道缓凝剂的添加量对石膏水化过程中的初凝和终凝有明显的影响。
蒸馏水
300
500
700
900
1100
1300
Ca
2+
浓
度
(p
pm
)
杨木
300
500
700
900
1100
1300
Ca
2+
浓
度
(p
pm
)
杉木
300
500
700
900
1100
1300
Ca
2＋
浓
度
（
pp
m)
落叶松
300
500
700
900
1100
1300
Ca
2+
浓
度
（
pp
m)
木薯
300
500
700
900
1100
1300
0 30 60 90 120
时间(min)
Ga
2+
离
子
浓
度
(p
pm
)
无缓凝剂
%缓凝剂添加量
%缓凝剂添加量
%缓凝剂添加量
%缓凝剂添加量
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柠檬酸添加量对木薯冷水抽提物与石膏混合物的 Ca2+ 浓度变化的影响明显，当大于
%的柠檬酸被添加时，Ca2+ 浓度在 90min 内几乎没有变化。这说明了木薯水抽提物的缓
凝作用比其他几种的要强。%的柠檬酸被添加时，混合液的 Ca2+ 浓度在 60min 开始骤
降，很快趋于稳定，说明木薯冷水抽提物与石膏的混合物很快完成初凝。在试验中也发现，
在柠檬酸添加量 %时，木薯刨花和石膏混合物不能制成满足要求的石膏刨花板。
试验结果说明木材冷水抽提物对石膏有一定的缓凝作用，而木薯水抽提物的缓凝作用最
强。
5. 结论
1、木材的冷水抽提物对石膏的初凝时间虽然有所延迟但影响不明显。而对终凝时间的
影响与树种有关，木薯冷水抽提物使石膏的终凝时间延迟了 104s，其次为落叶松终凝时间
延迟了 45s，而杉木、杨木对石膏的终凝的影响不明显。
2、树种和木膏比对石膏刨花板的物理力学性能有很大的影响。当木膏比≥ 时,由于
刨花表面积过大，石膏与刨花之间不能形成良好的界面胶合，使制成的板性能下降。此外树
种对石膏刨花板的物理力学性能有一定的影响。在木膏比 时杨木制成的石膏刨花板的
物理性能最好。
3、木薯冷水抽提物对石膏结晶形态有一定的影响，石膏结晶体呈长方体，甚至正方体。
而其它木材的冷水抽提物对石膏结晶形态没有十分明显的影响。
4、石膏初凝时间随着柠檬酸添加量增加而延长。水化过程中出现的 Ca2+浓度突然下降
的转折点是由于石膏开始初凝，半水石膏迅速水化，大量消耗 Ca2+，从而导致 Ca2+浓度的
突然下降。Ca2+浓度在过了初凝点后降低缓慢，由于石膏从初凝到终凝过度。
5、试验结果表明木材冷水抽提物对石膏有一定的缓凝作用，而木薯水抽提物的缓凝作
用最强，因此木薯不适合用于石膏刨花板的生产。
参考文献
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Effect of raw wood species on properties of gypsum
particleboard
DENG Yuhe，LUO Jia-yan，XU Liao，WANG Wei
Department of Wood Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing (210037)
Abstract
Some factors (. wood species for particles, wood-to-gypsum ratio, citric acid additives)
affecting properties of gypsum particleboard were studied with SEM and AAS. The result showed
optimum wood-to-gypsum ratio was to , citric acid additives % based on the oven-dry
wood weight. Gypsum particleboard made of poplar, larch and Chinese fir wood separately had good
qualities and properties. Cold water extractives of wood affected curing of gypsum in some extent.
Reaction of Ca2+ ion with citric acid was strongly inhibited by cold water extractives from cassava
stalk, and curing progress of gypsum was extended. The particles made from cassava stalk was not
combine well with gypsum. Conclusion can be got that cassava stalk was not suitable to produce the
particleboard.
Keywords: Gypsum particleboard; wood-to-gypsum ratio; citric acid; Cold water extractives of wood
作者简介：
邓玉和，女，1954 年生，教授，博士生导师，主要研究方向是木材科学与技术、材料科学。
