解俊英　肖生苓

摘?要：為研究不同老化條件對稻殼-木刨花外包裝箱板內結合強度和熱穩(wěn)定性的影響，分別采用WCAMA六循環(huán)老化法和紫外老化法，對兩種老化后試件的內結合強度進行測試和熱重分析。結果表明：經(jīng)歷WCAMA六循環(huán)老化，稻殼-木刨花外包裝箱板內結合強度保留率僅剩45.9%，老化使得木刨花中纖維素、半纖維素和木質素被大量分解，失重率為63.04%，酚醛樹脂全部水解，異氰酸酯部分水解;而經(jīng)歷1 500 h紫外老化，稻殼-木刨花外包裝箱板的內結合強度保留率為87.46%，木刨花中的纖維素、半纖維素和木質素部分分解，失重率為49.19%，只有小部分酚醛樹脂發(fā)生光化降解，異氰酸酯幾乎未受到影響。從而得到，不同的老化處理方式對稻殼-木刨花外包裝箱板內結合強度和熱穩(wěn)定性都有影響，但WCAMA六循環(huán)老化法影響更大。

關鍵詞：WCAMA六循環(huán)老化;紫外老化;稻殼-木刨花復合板;外包裝箱板;內結合強度;熱穩(wěn)定性

中圖分類號：TS653?文獻標識碼：A???文章編號：1006-8023（2019）04-0043-08

Effect of Aging Treatment on IB and Thermal Stability

of Rice Husk-Wood Shaving Box

XIE Junying， XIAO Shengling*

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：In order to study the effects of different aging conditions on the bond strength and thermal stability of the rice husk-wood shaving box， the internal bond strength of the two aging specimens was tested and thermogravimetric analyzed using WCAMA six-cycle aging method and UV aging method， respectively. The results showed： After WCAMA six-cycle aging， the internal binding strength retention rate of the husk-wood shavings outside the box is only 45.9%. The aging caused the cellulose， hemicellulose and lignin in wood shavings to be decomposed in a large amount， the weight loss rate is 63.04%， the phenolic resin is completely hydrolyzed， and the isocyanate is partially hydrolyzed. After 1 500 h UV aging， the internal bond strength retention rate of the rice husk-wood shaving box is 87.46%. The cellulose， hemicellulose and lignin in the wood shavings are partially decomposed， and the weight loss rate is 49.19%. Only a small part of the phenolic resin is photochemically changed. Isocyanate is almost unaffected. Conclusion： different aging treatment methods have an effect on the bonding strength and thermal stability of the rice husk-wood shaving box， but the WCAMA six-cycle aging method have a greater influence.

Keywords：WCAMA six cycle aging; ultraviolet aging; rice husk-wood shavings composite board; outer box board; IB; thermal stability

0?引言

隨著物流的不斷發(fā)展，木質包裝材料作為一種環(huán)境協(xié)調性材料，具有綠色包裝材料的特點，受到人們越來越多的重視。我國是少林國家，木材供需矛盾尖銳。以廢棄農(nóng)林生物質資源制備包裝材料具有廣闊發(fā)展前景[1-2]。外包裝箱用復合板常用于室外，會受到各種不利因素的影響，如紫外線照射、溫濕度變化和鹽霧侵蝕等，這些因素會使復合板的力學性能降低，縮短外包裝箱的使用壽命，因此復合板應具有良好的耐老化性能[3-4]。

耐老化性能是評價復合板在使用的過程中抵抗熱、水和光等環(huán)境因素的承受能力的一項重要指標，能夠反映出材料優(yōu)劣程度[5]?？梢酝ㄟ^耐老化性能的好壞，優(yōu)化復合板的制備工藝。我國在人造板耐老化性能研究方面比國外起步晚，且系統(tǒng)的研究較少，絕大多數(shù)的研究都采用ASTMD 1037、DIN8676（V100）和BS5669等常用加速老化試驗方法，來評定人造板的耐老化性，研究的板材多為刨花板。謝新峰[6]采用ASTM D1037和BS5669兩種加速老化試驗方法，分別對酚醛樹脂膠和脲醛樹脂膠楊木膠合板（3層），在不同施膠量、不同組坯方式條件下進行了老化試驗。黃小真[7]采用3種人工加速老化方法（ASTM D 1037、BS EN1087-1、EuroPeanAFNORV313）對戶外竹材重組板材進行老化處理，通過分析認為BS EN1087一是研究竹材重組材耐老化性能較優(yōu)的人工加速老化處理方法。但是對新型木質包裝材料的耐老化性能的研究幾乎沒有。

本研究以農(nóng)業(yè)剩余物稻殼和林業(yè)剩余物木刨花作為主要原料，以酚醛樹脂（PF）和異氰酸酯（PAPI）作為膠黏劑，在熱壓工藝條件下制備稻殼-木刨花外包裝箱復合板，探討WCAMA六循環(huán)老化處理和紫外老化處理方式對其性能的影響。

1?實驗材料與方法

1.1?實驗材料與設備

1.1.1?實驗材料

稻殼，黑龍江省五常市當年產(chǎn)水稻脫殼制得，研磨，粒度為8～20目，干燥，含水率10%以下;木刨花，黑龍江省好家木業(yè)有限責任公司，尺寸為3～5 mm，10～20 mm，含水率6%以下;膠黏劑，酚醛樹脂膠（PF），固體質量分數(shù)45.3%，游離甲醛含量小于0.3%，市售工業(yè)品;異氰酸酯（PAPI），固含量100%，市售工業(yè)品;石蠟乳液防水劑，固含量35%，市售工業(yè)品。

1.1.2?實驗設備

萬能力學試驗機，UTM-10T-PL，日本;恒溫水箱，BK-53，日本;干燥箱，DX-58，日本，美國;熱重分析儀，（SDT）Q600，美國;紫外老化試驗箱，上海邁捷。

1.1.3?稻殼-木刨花外包裝箱板的制備

稻殼-木刨花復合板，其結構如圖1所示。表層為施加PF的木刨花，芯層為施加PAPI的稻殼，各層質量比為：表層∶芯層∶表層=20∶60∶20[8-11]，采用三段式熱壓法進行熱壓，熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間25 s/mm。制備工藝流程如圖2所示。復合板幅面尺寸為405 mm×405 mm，每張復合板裁切出50 mm×50 mm×16 mm試件18個，做3組測試，共需要3張板，每個性能指標取6個試件的平均值作為檢測結果。參照《GBT 4897—2015 刨花板》對復合板的性能指標進行檢測和評價。

1.2?實驗方法

1.2.1?WCAMA六循環(huán)老化

美國西海岸膠粘劑協(xié)會（The West Coast Adhesive Manufactures Association， WCAMA）[12]的研究人員通過對ASTM D 1037六循環(huán)老化法的研究，發(fā)現(xiàn)每個循環(huán)中的溫水浸泡處理改用沸水處理后，效果會更好，且冷凍對老化結果影響小，并于1968年提出了一種新的WCAMA六循環(huán)老化法。這種老化法與ASTM老化法以及室外老化五年所得的結果幾乎沒有差別，WCAMA六循環(huán)老化法只需6 d就可完成試驗，比ASTM老化法節(jié)約了一半時間。WCAMA老化法的內容為：

（1）浸泡（19～27 ℃，真空度9.33 kPa）30 min。

（2）煮沸（100 ℃）3 h。

（3）干燥（105 ℃）20 h。

1.2.2?紫外老化

將試件置于QUV紫外老化箱中，采用ASTM標準對復合板進行紫外加速老化試驗。老化過程中的一個周期是12 h，其中包括紫外照射8 h和冷凝4 h兩個階段，第一階段是模擬大氣環(huán)境中太陽光的降解作用，這個過程是利用波長為340 nm的紫外線對復合板照射8 h，實驗箱內的溫度控制在50 ℃，刨花板經(jīng)過紫外光照射后進入4 h的冷凝循環(huán)，這個過程是模擬大氣環(huán)境中露水的作用，通過底面加熱管的加熱作用使水分蒸發(fā)，水蒸氣在上升的過程中遇到試件后冷凝結成水滴附在復合板的表面，此時實驗箱內的溫度控制在60 ℃[13-15]。對試件分別進行500、1 000、1 500 h的紫外老化。

1.2.3?變異系數(shù)計算

變異系數(shù)是用來衡量數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計量，計算公式為：變異系數(shù)C.V.=標準偏差/平均值，它不僅受數(shù)據(jù)離散程度的影響，還受數(shù)據(jù)平均值大小的影響。變異系數(shù)越小，變異（偏離）程度越小，風險也就越小;反之，變異系數(shù)越大，變異（偏離）程度越大，風險也就越大。

2?結果與分析

2.1?WCAMA六循環(huán)老化對復合板性能的影響

2.1.1?WCAMA六循環(huán)老化對復合板內結合強度的影響

內結合強度反映了復合板內部刨花之間、稻殼之間、刨花與稻殼之間的膠合作用，研究表明，復合板內結合強度的大小和板內膠接點的數(shù)目有關，膠接點越多，物料之間黏結越緊密，復合板能承受的內應力作用越大;膠接點數(shù)目越少，復合板的內結合強度越小，越容易發(fā)生分層或開裂等現(xiàn)象。老化后試件的內結合強度與未老化試件內結合強度的比值，稱為內結合強度保留率，它表明老化后試件強度的變化情況。

圖3為WCAMA六循環(huán)老化試件內結合強度保留率的變化曲線。從圖3可以看出，隨著老化循環(huán)的增加，內結合強度總體呈下降趨勢。在試件老化

處理過程中，第一個循環(huán)結束后，內結合強度的保留率為58.96%，下降了41.04%;第二個循環(huán)結束后，內結合強度的保留率為53.91%，和第一個循環(huán)相比下降了5.05%。前兩個循環(huán)內結合強度下降比較嚴重，下降率為46.09%（下降率=1-保留率），這是因為前兩個循環(huán)過程中，試件影響條件劇烈變化，導致其內部的各種應力（干縮濕脹、膠粘劑固化時的收縮應力等）一起釋放。隨著老化循環(huán)的進行，從第三循環(huán)到第六循環(huán)內結合強度下降速度變緩，保留率依次為52.73%、51.95%、50.60%和45.90%，下降率為6.83%。試件經(jīng)過六個循環(huán)的老化，內結合強度下降了54.1%，WCAMA六循環(huán)老化能對復合板內結合強度產(chǎn)生較大影響。這是因為WCAMA六循環(huán)老化中的水和熱加速了酚醛樹脂膠黏劑的水解，使得木刨花之間的膠黏作用減弱，膠合層產(chǎn)生裂紋，更多的水分子進入復合板，使得粘接稻殼的異氰酸酯膠黏劑也發(fā)生水解，板內的膠接點數(shù)目減少，稻殼之間粘結不再緊密，刨花、稻殼之間的縫隙越來越大，復合板變得蓬松易散，從而導致復合板的內結合強度降低。

表1為第一至第六循環(huán)（U1～U6）內結合強度保留率變異系數(shù)分析表，從表1中的內結合強度保留率變異系數(shù)可以看出，第一個循環(huán)到第二個循環(huán)變異系數(shù)減小，且差異很大，下降了18.42%，說明環(huán)境的劇烈變化，不同試件應力的釋放不同，導致內結合強度差異偏大，變異系數(shù)偏大;從第二循環(huán)到第六循環(huán)變異系數(shù)逐漸變大，且差異很小，增長率為0.55%～1.31%，說明隨著老化循環(huán)的進行，試件對環(huán)境的適應，試件內結合強度的離散程度變小，且內結合強度逐漸減小，變異系數(shù)變大。從而證明了在老化過程中，前兩個循環(huán)對試件的影響較大，內結合強度下降嚴重，而后四個循環(huán)內結合強度下降平緩，驗證了試驗結果的準確性。

2.1.2?WCAMA六循環(huán)老化對復合板熱穩(wěn)定性及組分的影響

熱重分析是在程序控制溫度下測量待測樣品的質量與溫度變化關系的一種熱分析技術，用來研究材料的熱穩(wěn)定性和組分。材料的熱穩(wěn)定性好，說明試件在老化過程中不易分解，具有較好的耐老化性能。同時也可以定量分析經(jīng)過老化后試件內組分的變化。

圖4和圖5為木刨花在升溫速率為10℃/min下的熱失重和微分熱重曲線。由圖4和圖5可知，隨著溫度升高，樣品進入熱解失水階段，失重速率先增大后減小[16-19]。在100℃時熱損失率在8%左右，200℃時半纖維素開始受熱分解，且隨著溫度升高而呈現(xiàn)出分解速率加快的趨勢，260℃時纖維素和木質素開始分解，直到385℃所有組分已基本分解，此階段失重率占樣品熱解失重的50%～63%左右。樣品在385～700 ℃時，殘余木質素持續(xù)熱降解，并最終生成炭和灰分，此階段熱損失率較小，約為10%～20%。

從表2可以看出，經(jīng)歷六個循環(huán)的樣品失重率最大為63.04%，只經(jīng)歷一個循環(huán)的樣品失重率最小，隨著循環(huán)次數(shù)增加，樣品中被氧化老化的纖維含量升高，纖維更容易被熱解，使樣品在同一溫度下的質量殘留率降低，這個階段DTG曲線也發(fā)生了變化，失重率先增大后減小，從樣品DTG曲線中可以看出，峰值大小從經(jīng)歷六個循環(huán)至經(jīng)歷一個循環(huán)依次降低，說明在熱解過程中經(jīng)歷過六循環(huán)老化的樣品失重最快，纖維中的大分子含量少，也說明了樣品在經(jīng)過一個循環(huán)后的熱穩(wěn)定性較好，同時曲線中只有一個峰，說明老化條件十分劇烈導致表層的酚醛樹脂全部被水解。

在熱解碳化階段，TG曲線隨溫度升高變化趨于平緩，DTG曲線熱解速率接近于0，反應結束后殘余物為少量固體碳化物和不可分解的灰分;從TG曲線可以看出，第一循環(huán)殘余量最多，第六循環(huán)最少，說明經(jīng)過一循環(huán)后木刨花內部的纖維素、半纖維素和木質素被分解的最少，有較好的熱穩(wěn)定性，隨著老化程度的加深，被分解的越來越多，熱穩(wěn)定性逐漸減弱。

圖6和圖7是稻殼在升溫速率為10℃/min下的熱失重和微分熱重曲線。由圖7可知，隨著溫度的升高，失重速率先增大后減小，當溫度為60℃時，失重率出現(xiàn)第一個峰值，是試件內水分的蒸發(fā)，之后稻殼開始燃燒，隨著溫度的升高，失重率逐漸增加，當溫度升到350℃左右時，失重率最大，隨后逐漸下降，接著膠黏劑開始燃燒，在溫度達到400℃左右時，失重速率再次先增大后減小。在老化的過程中，水和熱充分和試件表面接觸，施加在表層木刨花上的酚醛樹脂被完全分解，隨著老化程度的加深，水和熱進入試件內部，開始水解稻殼和異氰酸酯。

第三個峰的出現(xiàn)，說明試件內部粘接稻殼的異氰酸酯并未被全部分解，試件具有一定的耐老化性能。從圖6中可以看出，六個循環(huán)的變化趨勢相同，第一循環(huán)殘余量最多，第六循環(huán)最少，說明在老化過程中第一循環(huán)稻殼中的纖維素、半纖維素和木質素被分解的最少，熱穩(wěn)定性最好。

2.2?紫外加速老化對復合板性能的影響

2.2.1?紫外加速老化對復合板內結合強度的影響

圖8為試件在不同紫外老化時間內結合強度保留率的變化曲線。從圖8中可以看出，試件在老化過程中，隨著老化時間的增加，內結合強度保留率逐漸降低，經(jīng)過500 h的紫外老化，內結合強度的保留率為97.87%，下降了2.13%;經(jīng)過1 000 h的紫外老化，內結合強度的保留率為93.62%，和老化500 h相比下降了4.25%;老化1 500 h后，內結合強度的保留率為87.46%，內結合強度較老化1 000 h下降了6.16%。這是因為酚醛樹脂在紫外光的照射下發(fā)生光化降解反應，較長的分子鏈斷裂形成了短的分子鏈，斷裂的分子鏈在力的作用下向兩端收縮，從而形成了較大的裂縫，紫外線和水分子通過裂縫進入到更深層次作用，進一步加速了異氰酸酯膠黏劑的降解，異氰酸酯的降解導致稻殼之間的粘接作用減小，內結合強度降低。經(jīng)過1 500 h的老化，內結合強度保留率下降了12.54%，說明紫外光對復合板內結合強度的影響并不大。原因可能是：一方面，紫外光的照射只是 使小部分大分子發(fā)生斷裂，大部分膠黏劑分子并沒有發(fā)生改變，稻殼、木刨花之間的粘接作用基本沒有發(fā)生變化;另一方面，紫外光照射時間不夠長，如果增加紫外光的照射時間，會有更多的分子發(fā)生反應，老化效果會疊加。

表3為紫外老化內結合強度保留率變異系數(shù)分析表，從表3中可以看出隨著老化時間的增加，內結合強度保留率的變異系數(shù)逐漸變大，且差異不大，說明紫外老化對試件的影響程度不大，使得每組試驗的內結合強度變化不大，離散程度小，而內結合強度在逐漸減小，變異系數(shù)增大。和實驗結果相一致，從而驗證了試驗的準確性。

2.2.2?紫外加速老化對復合板熱穩(wěn)定性及組分的影響

圖9和圖10為試件紫外老化后木刨花的TG和DTG曲線，表4為試件紫外老化處理后樣品各階段失重率。從圖9中看出，試件在經(jīng)過500、1 000、1 500 h的紫外老化后，TG曲線基本重合，340℃后曲線開始有明顯差別，這是因為試件經(jīng)歷的老化時間不同，表面發(fā)生化學反應的分子數(shù)量不同，老化時間越長，發(fā)生化學反應的分子數(shù)越多。在熱重燃燒中可燃燒物質和可揮發(fā)成分越少，且木刨花的質量損失率變小，成炭量增加，揮發(fā)物減少，炭化程度變高。

從表4中可以看出，在160℃之前主要是水分的蒸發(fā)，160～340℃樣品迅速熱解，在這個階段，DTG曲線也會發(fā)生變化，失重率逐漸增加，占整個熱解的53.66%～56.08%。此后隨著溫度的升高，熱解速度逐漸變慢，失重率為11.64%～15.15%。從圖10中可以看出，經(jīng)歷紫外老化1 500 h試件的峰值最高，熱解速率最快，這是因為隨著老化時間的增加，紫外光破壞了半纖維素、纖維素和木質素的非結晶區(qū)，其中半纖維素在老化過程中被降解，紫外光破壞了單糖基團間的糖苷鍵，使半纖維素分解成更多小分子，導致老化過程中半纖維素熱穩(wěn)定性不斷下降;纖維素在紫外光照射下長鏈發(fā)生斷裂，生成小分子化合物，同時還能生成許多揮發(fā)性的產(chǎn)物;木質素中有吸收紫外光的芳香族結構，在紫外光作用下木質素化學鍵斷裂，形成低分子碎片[20]。而從TG曲線中可以看出，500 h殘余量最多，說明木刨花中被分解的纖維素、半纖維素和木質素最少。試件經(jīng)過紫外老化后，TG曲線沒有明顯差異，只是燃燒后的剩余物有略微不同，說明紫外光的照射使復合板內少部分物質發(fā)生變化，對復合板穩(wěn)定性的影響很小。

當溫度達到400℃，DTG曲線開始出現(xiàn)第三個峰值，這是因為酚醛樹脂的燃燒，在紫外老化過程中，只有部分酚醛樹脂發(fā)生了降解反應。老化1 500 h的峰值明顯高于老化1 000 h和老化500 h，這是因為在紫外線的照射下，酚醛樹脂中的大分子斷裂成小分子更容易被燃燒分解。第三個峰值的出現(xiàn)，說明粘接木刨花的酚醛樹脂未被全部分解，而第三個峰值1 500 h明顯高于500 h，說明酚醛樹脂只是由大分子變成了小分子，但還存在于試件中。

圖11和圖12為試件紫外老化后稻殼的TG和DTG曲線。從圖11中可以看出，隨著老化時間的增加，燃燒剩余物逐漸減少，且經(jīng)歷500 h老化剩余物明顯比經(jīng)歷1 000 h和經(jīng)歷1 500 h多，從圖12中還可以看出，當溫度150～350℃時，稻殼中的半纖維素、纖維素和木質素開始分解，老化1 500 h峰值最大，失重率最大，說明紫外光進入內部最多。經(jīng)過500、1 000、1 500 h老化，無論TG曲線還是DTG曲線，變化趨勢相同，說明只有少量紫外光進入試件內部，使粘接稻殼的異氰酸酯發(fā)生反應，異氰酸酯和稻殼中的纖維素、半纖維素和木質素幾乎沒有受到影響。

3?結論

（1）WCAMA六循環(huán)老化使得內結合強度呈下降趨勢，老化時間越長，內結合強度下降越嚴重。內結合強度的降低是因為水和熱的長時間接觸導致粘接木刨花的膠黏劑酚醛樹脂水解，使得更多的水分進入試件內部。六個循環(huán)結束后試件內結合強度的保留率在50%左右。紫外老化是因為酚醛樹脂在紫外光的照射下發(fā)生光化降解反應，分子鏈斷裂。1 500 h后試件內結合強度的保留率在85%以上，說明紫外光老化產(chǎn)生的化學變化只發(fā)生在試件表面，試件內部的大分子并未發(fā)生大的變化，紫外光對試件內結合強度產(chǎn)生的影響比人工加速老化產(chǎn)生的影響小。

（2）WCAMA六循環(huán)老化對復合板的材料組分有明顯的影響，表層木刨花經(jīng)過六個循環(huán)老化后的失重率最大，只經(jīng)歷一個循環(huán)的失重率最小，隨著循環(huán)次數(shù)增加，樣品中被氧化老化的纖維含量升高，由于試驗的劇烈導致酚醛樹脂膠黏劑被全部水解，而芯層中粘接稻殼的異氰酸酯在經(jīng)過六個循環(huán)的老化后還有剩余，說明復合板具有一定的耐老化性能。在紫外老化過程中，稻殼中纖維的含量隨著老化時間的增加而減少，且酚醛樹脂大量存在，稻殼和異氰酸酯含量幾乎未受到影響，說明紫外老化對復合板的影響很小。

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