梁善慶 李思程 柴媛 傅峰

(中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091)

電熱木質(zhì)功能材料是通過炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉末、金屬纖維等導電物質(zhì)直接形成發(fā)熱元件后與木質(zhì)材料復合形成的一種功能材料。目前發(fā)熱元件主要為金屬電熱線、碳纖維線纜、導電油墨層、碳纖維紙和電熱膜，電熱層可直接與基材疊層膠合或置于基材上的凹槽再與裝飾表板復合制成一體化電熱木質(zhì)制品[1-3]。此類電熱木質(zhì)制品通過電能轉(zhuǎn)換為熱能的形式，具有環(huán)保、舒適、節(jié)能、易安裝維護和潛熱性能好等特點，主要用于冬季室內(nèi)采暖，該類木質(zhì)制品屬于低溫輻射供暖技術(shù)，符合我國電供暖發(fā)展策略和環(huán)保趨勢，且近年極端氣候頻發(fā)，南方電采暖需求增大，為木質(zhì)電熱制品提供了廣闊的市場前景[4-6]。

目前電熱木質(zhì)功能材料代表性制品是內(nèi)置電熱層電采暖木質(zhì)地板(簡稱電熱地板)，該制品是由木質(zhì)基材與封裝其內(nèi)的電熱層(碳纖維紙、電熱膜等)組成，通電后能夠發(fā)熱的木質(zhì)地板，包括內(nèi)置電熱層電采暖實木復合地板(簡稱電熱實木復合地板)和內(nèi)置電熱層電采暖浸漬紙層壓木質(zhì)地板(簡稱電熱強化地板)。部分研究者開展了電熱地板制備工藝、發(fā)熱材料電熱性能以及耐老化方面的研究[7-8]，如利用4種膠黏劑制備竹木復合電熱地板材料，發(fā)現(xiàn)酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂均可作為竹木復合電熱地板材用膠黏劑，但從能耗和制造成本上考慮，酚醛樹脂更合適；而三聚氰胺脲醛樹脂膠則需進行一定的改性，增強耐熱性和韌性[9]。通過三聚氰胺改性脲醛樹脂膠與纖維板基材熱壓制備電熱功能復合板，可知熱壓壓力對電熱功能復合纖維板電阻下降率的影響不顯著，對而施膠量的影響則極顯著[10]。此外，部分研究者開展了木竹電熱材料的老化性能和由杉木集成材薄板制備的電熱地板熱工性能研究，而木質(zhì)電熱功能材料及制品的研究還處于起步階段，在工藝參數(shù)優(yōu)化、電熱性能、耐老化性能、電安全性能等方面有待深入研究和解決[11-13]。

筆者以碳纖維發(fā)熱紙作為發(fā)熱元件，采用三聚氰胺改性脲醛樹脂為膠黏劑，探討工藝參數(shù)對電熱實木復合地板性能的影響，優(yōu)選工藝參數(shù)，并深入分析不同施膠量對電阻性能的影響規(guī)律，為電熱實木復合地板制備技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桉木單板(幅面300×160 mm，厚1.2 mm)、橡木表板(幅面300×160 mm，厚1.8 mm)、櫸木背板(幅面300×160 mm，厚0.8 mm)、桉木地板基材(幅面300×160 mm，厚11 mm)均由浙江某地板有限公司提供。銅箔電極(長180 mm，寬10 mm，厚0.02 mm)和碳纖維紙(長280 mm，寬140 mm，厚0.08 mm，方阻210Ω)購于北京某材料有限公司，粉狀三聚氰胺改性脲醛樹脂膠黏劑購于太爾化工(上海)有限公司。

主要儀器有平板硫化機、萬能力學試驗機、恒溫水浴鍋、鼓風干燥箱、恒溫恒濕箱、數(shù)字萬用表、掃描電鏡(日本日立，Hitachi S4800)、動態(tài)熱機械分析儀(美國TA公司，Q800)。

1.2 試驗設(shè)計

以熱壓時間、熱壓溫度、熱壓壓力和施膠量為試驗因素設(shè)計正交試驗，制備電熱實木復合地板基材。每個因素分別設(shè)置3個水平(表1)，選用L9(34)正交表進行正交試驗設(shè)計最終得到9種不同復合工藝，根據(jù)正交設(shè)計結(jié)果進行工藝參數(shù)優(yōu)選。

1.3 電熱實木復合地板制備

首先拌膠，按m(膠粉)∶m(改性劑)∶m(水)=100∶25∶45將這些材料混合攪拌均勻，然后加入25份固化劑攪拌均勻，靜置待用。分別在桉木地板基材和桉木單板上采用輥涂施膠(單面施膠)，并將碳纖維紙鋪裝在基材和單板之間，放置銅箔電極，然后分別對橡木表板和櫸木背板施膠，與基材、碳纖維紙、單板進行組坯；放置10 min后，使用正交試驗設(shè)計的工藝參數(shù)制備電熱實木復合地板；最后室溫下靜置24 h以上測試理化性能。為研究不同施膠量對熱壓后電阻的影響，根據(jù)正交試驗優(yōu)選的壓力、時間和溫度，采用單面施膠量分別為50、60、70、80、90、100 g/cm2制備電熱實木復合地板，用于測試熱壓前和熱壓后電阻變化，同時采用相同的施膠量涂布在碳纖維紙上，上下覆蓋脫模紙，熱壓獲得碳纖維發(fā)熱膜，用于動態(tài)熱機械分析測試。

表1 正交試驗因素水平

1.4 性能測試

膠合強度參考標準GB/T 9846—2015《普通膠合板》[14]進行測試(按Ⅱ類膠合板)，為獲得碳纖維紙發(fā)熱層的膠合強度，試樣制作如圖1所示。耐濕尺寸穩(wěn)定性和耐熱尺寸穩(wěn)定性按標準LY/T 1700—2007《地采暖用木質(zhì)地板》[15]進行測試；熱壓前使用數(shù)字萬用表測試碳纖維發(fā)熱紙電阻，制備電熱實木復合地板后，靜置24 h，測試其熱壓后的電阻，獲得熱壓前壓后電阻變化值；掃描電鏡(SEM)樣品從3種熱壓壓力制備的電熱實木復合地板內(nèi)截取發(fā)熱層樣品，與未經(jīng)熱壓的碳纖維紙(對照樣)一起置于樣品臺上，進行噴金處理后觀察不同壓力下的碳纖維紙微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)置電壓10 kV；動態(tài)熱機械分析(DMA)樣品取于6種施膠量的碳纖維發(fā)熱膜(長15 mm，寬5 mm)，設(shè)置頻率1 Hz、振幅30 μm、升溫速度為5 ℃/min、溫度為0～250 ℃。

圖1 膠合強度試件示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝因素對膠合強度的影響

電熱實木復合地板由于內(nèi)置了碳纖維紙發(fā)熱層，如工藝參數(shù)選擇不合理，在長期通電冷熱循環(huán)工況下，容易引起發(fā)熱層與木材膠合界面分離，形成脫膠剝離現(xiàn)象，存在短路或局部高溫的電安全隱患，因此發(fā)熱層的膠合強度應(yīng)高于普通膠合板。根據(jù)正交試驗設(shè)計獲得9種工藝的膠合強度見表2。各因素水平的膠合強度均達到GB/T 9846—2015《普通膠合板》Ⅱ類要求，由極差分析可知(見表3)，壓力、時間、溫度和施膠量的極差分別為0.81、0.20、0.56、0.29MPa，因此各因素對膠合強度影響順序從大到小依次為壓力、溫度、施膠量、時間。不同因素的平均膠合強度最大值分別為2.41(k1A)、2.07(k1B)、2.25(k3C)和2.24(k2B)MPa，其中時間的k1和k2相差極小，根據(jù)膠合強度優(yōu)選復合工藝參數(shù)為A1B1C3D2或A1B2C3D2。進一步對膠合強度作方差分析，在顯著水平α=0.01時，壓力對膠合強度具有極顯著性影響(FA=15.646，F(xiàn)C=7.634，F(xiàn)D=4.631，F(xiàn)0.01(3，45)=4.249，F(xiàn)B=1.255)。由方差分析得到的各因素對膠合強度影響主次順序與正交試驗分析相同。

表2 不同工藝參數(shù)電熱實木復合地板理化性能

表3 不同工藝參數(shù)電熱實木復合地板膠合強度極差分析

2.2 工藝因素對尺寸穩(wěn)定性的影響

2.2.1 耐熱尺寸穩(wěn)定性

尺寸穩(wěn)定性是地采暖木質(zhì)地板的關(guān)鍵性指標，電熱實木復合地板使用過程中易出現(xiàn)翹曲變形等現(xiàn)象，可能導致地板內(nèi)部電極脫膠或電源插件接觸不良等問題，引起漏電或短路。表4為耐熱尺寸穩(wěn)定性正交分析結(jié)果，4個因素中長度方向的耐熱尺寸穩(wěn)定性極差差異不明顯，而寬度方向的耐熱尺寸穩(wěn)定性極差分別為0.13、0.18、0.11和0.08，即各因素對寬度耐熱尺寸穩(wěn)定性影響比長度方向明顯。其重要程度從大到小順序為時間、壓力、溫度、施膠量，根據(jù)耐熱尺寸穩(wěn)定性優(yōu)選工藝參數(shù)為A1B2C3D3。各因素對長度方向耐熱尺寸穩(wěn)定性影響極小，僅對寬度方向耐熱穩(wěn)定性進行方差分析，在顯著水平α=0.1時，時間對耐熱尺寸穩(wěn)定性有顯著影響(FB=2.881，F(xiàn)0.1(3，18)=2.42，F(xiàn)A=1.329，F(xiàn)C=0.338，F(xiàn)D=0.474)，各因素對耐熱尺寸穩(wěn)定性影響主次順序與正交試驗分析結(jié)果相同。

表4 不同工藝參數(shù)電熱實木復合地板耐熱尺寸穩(wěn)定性極差分析

2.2.2 耐濕尺寸穩(wěn)定性

表5為耐濕尺寸穩(wěn)定性極差分析結(jié)果，影響長度方向耐濕尺寸穩(wěn)定性因素主次順序為溫度、壓力、時間、施膠量，優(yōu)選工藝參數(shù)為A2B1C1D1或A2B3C1D1；寬度方向耐濕尺寸穩(wěn)定性極差分別為0.03、0.03、0.05和0.13，因素重要性主次順序為施膠量、溫度、時間=壓力，優(yōu)選工藝參數(shù)為A1B1C2D3或A3B1C2D3。因壓力對長度方向穩(wěn)定性影響排第二，對寬度方向影響排最后，因此取A2；時間對長度方向和寬度方向尺寸穩(wěn)定性影響均較小，綜合后優(yōu)選B1；溫度對長度方向穩(wěn)定性影響大于寬度方向，因此選C1，同理施膠量取D3，因此優(yōu)選復合工藝參數(shù)為A2B1C1D3。由方差分析可知，施膠量對耐濕尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響(FD=4.506，F(xiàn)0.05(3，18)=3.16，F(xiàn)A=0.366，F(xiàn)B=0.303，F(xiàn)C=0.731)，進一步說明施膠量優(yōu)選D3的合理性。

綜合膠合強度及尺寸穩(wěn)定性正交結(jié)果分析和方差分析，A因素分別有0.9、1.2 MPa兩個水平達到最優(yōu)。在此基礎(chǔ)上依據(jù)尺寸穩(wěn)定性選擇壓力，壓力對其長度、寬度方向上的尺寸收縮率影響結(jié)果相反，耐熱尺寸穩(wěn)定性中長度方向收縮率減小與寬度方向收縮率增大相仿，而耐濕尺寸穩(wěn)定性中壓力1.2 MPa的長度方向尺寸收縮率減小量明顯大于寬度方向尺寸收縮率增大量，優(yōu)選壓力1.2 MPa。根據(jù)方差分析結(jié)果，膠合強度、耐濕尺寸穩(wěn)定性二者B因素的F值均最小，以耐熱尺寸穩(wěn)定性的方差分析結(jié)果為依據(jù)，選擇時間為6 min；根據(jù)對膠合強度及尺寸穩(wěn)定性正交試驗結(jié)果，C因素分別有100、130 ℃兩個水平最優(yōu)，同時溫度僅對膠合強度具有顯著影響，溫度130 ℃的膠合強度比100 ℃增加了9.2%，優(yōu)選溫度為130 ℃；根據(jù)對膠合強度及尺寸穩(wěn)定性正交試驗分析結(jié)果，施膠量有100、150 g/m2兩個水平達到最優(yōu)，施膠量150 g/m2的膠合強度比100 g/m2增加14.9%，而耐濕尺寸穩(wěn)定性下降12%，由于施膠量100 g/m2的膠合強度完全能滿足標準要求，為提高尺寸穩(wěn)定性優(yōu)選施膠量為100 g/m2。本試驗最終優(yōu)選的工藝參數(shù)為熱壓壓力1.2 MPa，熱壓時間6 min，熱壓溫度130 ℃，施膠量100 g/m2。

表5 不同工藝參數(shù)電熱實木復合地板耐濕尺寸穩(wěn)定性極差分析

2.3 工藝因素對電阻的影響

采用不同工藝參數(shù)制備電熱實木復合地板發(fā)現(xiàn)，碳纖維紙熱壓后電阻均出現(xiàn)不同程度降低(表6)，通過方差分析可知各因素對電阻變化影響的重要程度從大到小順序為施膠量、溫度、壓力、時間(見表7)，方差分析表明施膠量對電阻具有極顯著影響(FD=34.005>F0.01(3、18)=5.09)，主要源于碳纖維紙在熱壓過程中被膠黏劑滲透，形成的膠膜干擾碳纖維之間搭接；同時膠層固化后發(fā)熱層形成致密結(jié)構(gòu)，提高了碳纖維網(wǎng)格的導電性能[10]。此外單位壓力增加使電阻下降幅度增大，主要是由于碳纖維紙經(jīng)熱壓后，碳纖維搭接緊密性增大從而提高了導電性，但熱壓壓力不能過大，過大的壓力易引起碳纖維斷裂，導電通道被阻斷，電阻增大。通過SEM觀察碳纖維發(fā)熱層內(nèi)碳纖維分布情況，在壓力0.9～1.5 MPa范圍內(nèi)，與未熱壓的碳纖維發(fā)熱層相比，熱壓后的碳纖維發(fā)熱層更為密實，膠膜填充發(fā)熱層空隙，使碳纖維搭接更為緊密，同時未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂情況(圖2)。

表6 不同工藝參數(shù)電熱實木復合地板電阻變化Ω

表7 不同工藝參數(shù)電熱實木復合地板電阻變化方差分析

注：F0.01(3，18)=5.09；F0.05(3，18)=3.16；F0.1(3，18)=2.42。** 表示顯著，*** 表示極顯著。

由于施膠量對電阻具有極顯著影響，采用優(yōu)選的工藝參數(shù)(壓力1.2 MPa、時間6 min、溫度130 ℃)，分別使用6種施膠量制備電熱實木復合地板，進一步探討施膠量對電阻變化影響規(guī)律，電阻變化結(jié)果見圖3。在相同的工藝條件下，不同的施膠量熱壓后電阻下降幅度范圍在36.3%～41.3%。施膠量由50 g/m2增加至80 g/m2時，電阻下降呈小幅增加趨勢；當繼續(xù)增加施膠量時，電阻下降率反而呈小幅降低趨勢。施膠量的增加提高了碳纖維發(fā)熱層的密實程度，使碳纖維之間的導電率增加，然而當施膠量繼續(xù)增大后，膠黏劑在熱壓固化過程的滲透對碳纖維搭接形成一定程度的破壞，導致電阻增加，因此在工藝參數(shù)優(yōu)選上需綜合考慮各因素的相互影響。

圖4為不同施膠量的碳纖維發(fā)熱層斷面SEM圖，經(jīng)熱壓后碳纖維發(fā)熱層表面形成較為平整的膠膜，50 g/m2的施膠量碳纖維發(fā)熱層截面上尚存微小空隙。隨施膠量增加，膠黏劑滲透碳纖維紙更充分；當施膠量達到100 g/m2時，截面內(nèi)部充滿膠黏劑說明膠液對整個導電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的滲透充分。同時也表明，在壓力作用下，施膠過多會擠開已搭接的碳纖維，部分破壞原有導電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，一定程度上弱化了壓力作用效果。圖5為碳纖維發(fā)熱膜在不同溫度下的動態(tài)熱機械性能圖譜，可知隨著施膠量增加儲能模量總體呈下降趨勢，說明不同的施膠量對碳纖維發(fā)熱層剛性影響顯著。施膠量的增加導致碳纖維發(fā)熱層的儲能模量下降明顯，即剛性降低脆性增大。碳纖維發(fā)熱層隨溫度的增加儲存能量的分子鏈逐漸開始運動，部分鏈段產(chǎn)生的熱量較多，約220 ℃后儲能模量快速消耗；但僅增加施膠量，發(fā)熱層璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍變幅不大。

a.未經(jīng)熱壓；b.壓力0.9 MPa；c.壓力1.2 MPa；d.壓力1.5 MPa。

圖3 不同施膠量電熱實木復合地板電阻變化

a.斷面宏觀圖；b.施膠量50 g/m2；c.施膠量80 g/m2；d.施膠量100 g/m2。

圖5 不同施膠量碳纖維發(fā)熱膜DMA圖譜

3 結(jié)論

根據(jù)正交試驗設(shè)計獲得9種工藝條件下電熱實木復合地板的膠合強度均滿足標準要求，各因素對膠合強度影響順序從大到小為壓力、溫度、施膠量、時間，顯著水平α=0.01時，熱壓壓力對膠合強度具有極顯著影響；4個因素對長度方向的耐熱尺寸穩(wěn)定性差異不明顯，而對寬度耐熱尺寸穩(wěn)定性影響比長度方向明顯，各因素影響順序從大到小為時間、壓力、溫度、施膠量；耐濕尺寸穩(wěn)定性結(jié)果表明，各因素影響長度方向耐濕尺寸穩(wěn)定性順序從大到小為溫度、壓力、時間、施膠量，寬度方向影響順序為施膠量、溫度、時間=壓力，顯著水平α=0.05時，施膠量對耐濕尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響。綜合膠合強度及尺寸穩(wěn)定性正交結(jié)果分析和方差分析，最終優(yōu)選的工藝參數(shù)為壓力1.2 MPa，時間6 min，溫度130 ℃，施膠量100 g/m2。

制備的電熱實木復合地板熱壓前和熱壓后電阻均出現(xiàn)不同程度降低，方差分析結(jié)果表明各因素對電阻變化影響的重要程度從大到小順序為施膠量、溫度、壓力、時間，顯著水平α=0.01時，施膠量對電阻變化具有極顯著影響。在相同的工藝參數(shù)條件下，施膠量由50 g/m2增加至100 g/m2時，電阻下降幅度范圍在36.3%～41.3%，在實際制備工藝選擇中，應(yīng)重點考慮施膠量對電阻變化的影響。