唐忠榮 黃健 戴玉玲 豐江拓

(中南林業(yè)科技大學(xué)，長沙，410004)

責(zé)任編輯:戴芳天。

人工林楊樹具有生長速度快、干形好，密度低、材質(zhì)松軟、顏色淺、含水率高且分布不均等特點［1］，我國楊樹總面積達1 010 多萬hm2，其中人工林面積757.23 萬hm2，成為人造板工業(yè)重要原材料［2］。

許多研究也表明，膠黏劑在木材表面的滲透可顯著提高木材的膠合強度［3－5］。膠黏劑滲透對膠合性能的提高已得到廣泛認同，它滲入細胞腔能提高其與木材的機械嵌合作用，同時修復(fù)木材加工過程中被破壞的表面細胞，顯著提高膠合界面的剛性［6］。

微孔處理木材在改變木材滲透/滲入和表面性能方面具有明顯的優(yōu)越性和顯著的作用，并且能有效地改變木材和有機體的復(fù)合特性，將傳統(tǒng)的兩維膠層結(jié)構(gòu)改成三維的膠層結(jié)構(gòu)，且通過微孔的膠黏劑滲入木材內(nèi)部而增加木材的本體強度，有效提高人工復(fù)合木材的力學(xué)性能。本研究采用微孔處理楊木單板，以改變有機或無機體進入木材內(nèi)部的途徑和減小進入阻力，增加楊木單板本體強度和膠合力，改善楊木材質(zhì)松軟、強度低的缺點，并可以根據(jù)木材改性和復(fù)合的要求，進行不同的改性處理，達到復(fù)合材的要求。它是一個具有前瞻性的研究，對工業(yè)速生材的改性及高效優(yōu)質(zhì)利用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 材料

楊木單板規(guī)格為1 260 mm×430 mm×2 mm，湖南湘豐木業(yè)提供。脲醛樹脂膠黏劑的固體質(zhì)量分數(shù)為49.6%，黏度為250 MPa·s。填充劑為食用面粉。固化劑為氯化銨(分析純)。

1.2 主要儀器設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機，SKFG －01，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠;Y33 －50500KN 型四柱油壓機，九州精密壓機有限公司;MWD －W10 萬能力學(xué)測試機，濟南試金集團;打孔機，浸膠容器，吸水容器，涂膠輥等;NDJ－1 型旋轉(zhuǎn)黏度計，上海昌吉儀器有限公司。

1.3 試驗設(shè)計

本研究選取微孔孔徑、孔中心距、單板單面施膠量和熱壓壓力4 個變量，采用響應(yīng)面法，借助Design－expert－7 軟件，進行試驗設(shè)計和分析。試驗因素和水平選擇參見表1。

1.4 試驗步驟

單板準備。將楊木單板裁制成400 mm ×400 mm 規(guī)格，按照試驗設(shè)計要求選取打孔參數(shù)，用坐標紙定位孔中心距，采用微孔機進行穿孔，然后將所有微孔處理單板進行干燥，控制含水率約10%，并密封保存。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平

調(diào)膠施膠。首先調(diào)制質(zhì)量分數(shù)為20%的氯化銨溶液，然后按m(固體脲醛膠)∶ m(面粉)∶ m(固體氯化銨)=100∶ 10∶ 1 配膠，再根據(jù)設(shè)計的施膠量對處理單板進行刷膠、輥膠，并通過稱質(zhì)量法準確控制施膠量大小。且表板和背板只單面施膠。

組坯。施膠后單板開口陳放30 min 后按照膠合板的構(gòu)成原則進行組坯，并要求相鄰層的孔位居中錯開，參見圖1。

圖1 膠合強度檢測試件示意圖

熱壓。熱壓溫度選定105 ℃，熱壓壓力按照試驗設(shè)計選定，保壓時間為6 min，然后在接近零壓力時保壓30 s，最后張開壓機。

檢測。按照GB/T 17657—1999 人造板試驗方法進行試件制作、處理、檢測和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果

根據(jù)響應(yīng)面試驗方案設(shè)計及結(jié)果分析，以x1(微孔孔徑)、x2(孔中心距)、x3(單板單面施膠量)和x4(熱壓壓力)為自變量，以Y(膠合強度)為響應(yīng)值進行響應(yīng)面的分析試驗。共有29 次試驗，其中24 個為分析原因試驗，5 個為中心試驗，用以估計誤差。29 組響應(yīng)面試驗結(jié)果，見表2所示。

2.2 方差分析

根據(jù)表2的試驗結(jié)果對4 個自變量模型單獨存在及交互作用下的方差分析結(jié)果，見表3所示。

通過對試驗結(jié)果進行響應(yīng)面軟件分析，經(jīng)二次回歸擬合后，得到4 個自變量因素與膠合強度之間的模擬方程為:

對回歸方程進行方差分析和顯著性檢驗，結(jié)果顯示該模型回歸顯著(P ＜0.000 1)，且該模型的復(fù)合相關(guān)系數(shù)R2=0.991 5，說明該模型與試驗值擬合較好，可用于微孔處理單板膠合的理論預(yù)測。此模型中x1、x2、x3對響應(yīng)值影響非常顯著(P ＜0.000 1)，x4對響應(yīng)值的影響不顯著，在有交互作用存在的情況下，x1x2、x1x3、x1x4、x2x3和x2x4有顯著影響，而x3x4對響應(yīng)值的影響不顯著。

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

表3 響應(yīng)面試驗方差分析

2.3 響應(yīng)面分析

應(yīng)用Design －expert 軟件，通過模型方程，對表1中試驗結(jié)果做出兩個因素交互作用對楊木單板膠合強度的影響的響應(yīng)面三維圖(見圖2—圖7)。

圖2 孔徑與孔中心距交互作用對膠合強度的影響

圖2表明膠合強度隨著孔徑的加大、孔中心距的減小而增加，這是因為孔徑加大，膠液通過微孔滲入單板內(nèi)部的阻力減小，滲入數(shù)量增加，膠液在微孔內(nèi)直接形成“膠柱”或“膠釘”提高了木材本體強度，進而起到提高木材膠合強度的效果。且隨著孔數(shù)量的增加，膠合強度增加。

圖3 孔徑與施膠量交互作用對膠合強度的影響

圖3表明隨著孔徑和施膠量的增大而膠合強度增加，且孔徑越大，施膠量的影響越明顯。孔徑較大，膠液進入微孔的阻力變小，進入的膠量就多，反之亦然。當(dāng)涂膠量增大時，膠黏劑大量進入微孔內(nèi)及微孔四周的木材內(nèi)，從而有效地提高了膠合強度。

圖4表明隨孔徑的增大，膠合強度增大，但熱壓壓力適中時(0.8 MPa)，其膠合強度最大。這是因為膠合板膠合過程中加壓的目的是使板坯中木材與膠層，x1x2緊密結(jié)合，使膠料部分滲入木材中去，為膠合創(chuàng)造必要條件［7］。在膠合時對板坯施加壓力的目的是使各層單板表面最大限度地接觸。孔徑的加大有利于膠黏劑的滲入，而壓力過大將會使膠黏劑過多滲入單板內(nèi)部，而膠合界面的膠層較少，甚至造成表面缺膠，而壓力太小，則未能形成合適的膠層厚度，膠黏劑滲入木材內(nèi)部的數(shù)量減少，從而降低了膠合強度。

圖4 孔徑與熱壓壓力交互作用對膠合強度的影響

圖5 孔中心距與施膠量交互作用對膠合強度的影響

圖5表明隨著施膠量的增大，孔中心距減小，其膠合強度增大，且施膠量越大，其影響越明顯，在施膠量為最小時，其影響甚微。這是因為施膠量小，沒有多余的膠黏劑滲入孔內(nèi)，膠黏劑大多留在了單板表面，只有在施膠量較大的時候，微孔處理對膠合強度的影響才有明顯效果。

圖6 孔中心距與熱壓壓力交互作用對膠合強度的影響

圖6表明隨著熱壓壓力的增大，膠合強度增強，但當(dāng)熱壓壓力超過0.8 MPa 時強度則下降，并且變化趨勢明顯，因為壓力過小，單板表面接觸不夠充分，且不利于膠液的進一步擴散和滲入;而過大的熱壓壓力，則會將膠液過度擠入單板內(nèi)部或從四周溢出，造成膠合界面膠液不足。因此，合適的熱壓力壓力對膠合強度十分重要。同時還可以看出，微孔中心距的變化對膠合強度也有一定的影響，隨著孔距的加大，膠合強度下降，這是因為孔的密度加大，膠液通過微孔將相鄰兩個膠層面黏合且形成“膠釘”作用，致使膠合強度增大。

圖7 施膠量與熱壓壓力交互作用對膠合強度的影響

圖7表明隨著施膠量的增加，膠合強度直線上升，且在適合的壓力作用下，膠合強度達到最大值，而當(dāng)壓力過大時，強度反而下降。這是因為施膠量越大，滲入單板內(nèi)部的膠黏劑量越多，從而形成的膠釘越多，膠合效果越好。而熱壓壓力過小，不能形成均勻的膠膜或不能有利于膠液滲入單板內(nèi)，因而膠合強度就低，熱壓壓力過大將會造成單板表面少膠或缺膠，膠合強度又會下降。此外還可以看出，熱壓壓力的變化對不同施膠量的單板膠合都具有同樣的影響效果，即適合的熱壓壓力有利于單板膠合。

3 結(jié)論

微孔孔徑、孔距、施膠量、熱壓壓力4 個因素對單板膠合強度具有不同程度的影響:隨著微孔距的減小，膠合強度增加，但小于一定值時，強度反而下降;隨著熱壓壓力的增加，膠合強度增加，當(dāng)壓力超過0.8 MPa 時，膠合強度反而降低;隨著施膠量的增加，膠合強度增加;隨著孔徑的增大，膠合強度增大，超過一定值，膠合強度反而降低。

采用微孔處理單板，膠黏劑在涂膠熱壓過程中，可加大膠黏劑進入單板內(nèi)部的量，有效地增強了楊木單板的本體強度，尤其是垂直板面的抗壓強度;同時，膠黏劑滲穿單板，將相鄰膠層形成一個貫穿的“釘鉚”整體結(jié)構(gòu)，增大了膠合強度。

［1］ 王愷.木材工業(yè)實用大全:木材保護卷［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2002.

［2］ 李堅.木材科學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002:477 －496.

［3］ Brady D E，Kamke F A.Effects of hot-pressing parameters on resin penetration［J］.Forest Products Journal，1988，38(11/12):63－68.

［4］ Collett B M.A review of surface and interfacial adhesion in wood science and related fields［J］.Wood Science and Technology，1972，6(1):1 －42.

［5］ Jakal L.Effect of the penetration of adhesive on the strength of adhesive［J］.Faipar，1984，34(2):59 －60.

［6］ White M S.Influence of resin penetration on the fracture toughness of wood adhesive bonds［J］.Wood Science，1977，10(1):6 －14.

［7］ 孟凡丹，余養(yǎng)倫，祝榮先，等.浸膠量對纖維化竹單板層積材物理力學(xué)性能的影響［J］.木材工業(yè)，2011，25(2):1 －7.