吳藝輝

摘要：通過(guò)正交試驗(yàn)研究了熱壓工藝參數(shù)對(duì)木塑復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響，再用單因素法進(jìn)一步優(yōu)化單板含水率對(duì)復(fù)合膠合板力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時(shí)間50 s/mm，單板含水率為14%時(shí)，PVC薄膜復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度可達(dá)到0.78 MPa，與未開(kāi)孔PVC薄膜的復(fù)合膠合板相比膠合強(qiáng)度提高了6.85%，橫紋和順紋的靜曲強(qiáng)度、橫紋和順紋的彈性模量分別提高了4.14%、3.97%、8.31%、11.14%。適當(dāng)提高單板含水率有利于提高木塑膠合板的膠合強(qiáng)度，PVC薄膜開(kāi)孔預(yù)處理有利于提高復(fù)合膠合板的傳質(zhì)傳熱效率，改善復(fù)合膠合板橫紋的彈性模量。

關(guān)鍵詞：熱壓工藝;膠合強(qiáng)度;含水率;開(kāi)孔預(yù)處理

Abstract： The paper uses orthogonal experiments to study the effect of hot pressing process on the bonding strength of wood-plastic composite plywood， the single factor method was used to further optimize the influence of veneer moisture content on the mechanical properties of composite plywood. The results show that the hot pressing pressure is 1.0 MPa， the hot pressing temperature is 175℃， the hot pressing time is 50 s/mm， and the moisture content of the veneer is 14%， the bonding strength of the PVC film composite plywood can reach 0.78 MPa， compared to wood-plastic composite plywood with non-perforated PVC film， the bonding strength is increased by 6.85%. At the same time，the modulus of rupture parallel to grain and? vertical to grain， and the modulus of elasticity parallel to grain and vertical to grain increased by 4.14%， 3.97%，8.31%，11.14%， respectively. It is concluded that increasing the moisture content of the veneer is beneficial to increase the bonding strength of wood-plastic plywood， and the PVC film opening pretreatment is beneficial to improve the mass and heat transfer efficiency of the composite plywood， and improve the modulus of elasticity of the composite plywood .

Key words： Hot pressing process; PVC film; moisture content; opening pretreatment;composite plywood ; eucalyptus veneer

木塑復(fù)合材（Wood plastics composites， WPC）主要是利用聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）及聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）等與植物纖維原料復(fù)合而成的板材[1-3]。WPC具有塑料防水、耐腐蝕、穩(wěn)定性好且綠色無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，是制造家具、辦公用品和室內(nèi)裝飾用材的優(yōu)良材料[4～6]。

木塑復(fù)合膠合板是我國(guó)大力研發(fā)的環(huán)境友好型材料，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景[6-8]，木塑膠合板可用于室內(nèi)地板和家具、包裝材料、公園長(zhǎng)椅、花盆花架、露天走廊等[7]。一些研究者通過(guò)對(duì)木材或者塑料改性的方法來(lái)提高木塑膠合板的膠合性能[8]。目前對(duì)于木塑復(fù)合膠合板的研究主要通過(guò)化學(xué)的方法對(duì)單板進(jìn)行預(yù)處理來(lái)進(jìn)一步提高單板與塑料間界面相容性的問(wèn)題[9～12]。雖然化學(xué)處理法制備膠合板性能較好，但是化學(xué)方法不僅具有操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，而且在會(huì)產(chǎn)生一定的污染，成本高。很少有學(xué)者采用物理方法改善單板與薄膜的膠合效果，單板與PVC塑料薄膜之間的膠合作用主要是在一定壓力下，由于單板板坯水分形成水蒸汽不斷向板坯的芯層傳遞，無(wú)孔熱塑型塑料薄膜的存在阻礙了熱量的傳遞，延長(zhǎng)了熱壓時(shí)間，導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降，能源消耗增加，生產(chǎn)成本也進(jìn)一步增加[12]。因此，用物理方法處理PVC塑料薄膜來(lái)提高塑料薄膜與木材單板之間的結(jié)合能力具有廣泛的研究前景[13-16]。

本文主要以桉木單板和PVC薄膜為原料制備木塑復(fù)合膠合板，采用物理方法對(duì)PVC薄膜均勻打孔，解決無(wú)孔熱塑型塑料薄膜阻礙熱量傳遞的問(wèn)題，讓芯層的PVC薄膜在短時(shí)間內(nèi)完全熔化，有利于提高傳熱效率，更易形成膠釘。采用正交試驗(yàn)法研究熱壓工藝對(duì)PVC薄膜/桉木單板復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響，通過(guò)單因素法研究單板含水率對(duì)復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響，并且與未打孔預(yù)處理的PVC薄膜復(fù)合膠合板進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析打孔預(yù)處理對(duì)膠合板力學(xué)性能的影響。

1. 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

桉木單板幅面尺寸為450×450×1.5（mm），含水率8%～16%。PVC薄膜規(guī)格450×450×0.1（mm）[17]。

1.2 主要儀器及設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 木塑復(fù)合膠合板的制備

首先對(duì)PVC薄膜打孔預(yù)處理，孔徑5 mm，孔距2 cm，將桉木單板放入恒溫恒濕箱中控制含水率為12%，取出密封冷卻12 h，按每隔一層單板鋪裝一層PVC薄膜（PVC薄膜添加量124 g/m2），每塊復(fù)合板由5層單板和4層PVC薄膜組成。鋪裝完畢之后，進(jìn)行熱壓、冷壓。重復(fù)上述步驟以制備不同熱壓工藝下的PVC薄膜復(fù)合膠合板。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用L9（34）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，考察熱壓壓力、熱壓溫度及熱壓時(shí)間對(duì)PVC薄膜桉木復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響。L9（34）正交試驗(yàn)的因子水平如表2所示。

參照GB/T 9846-2015普通膠合板標(biāo)準(zhǔn)要求[17]，對(duì)于不同熱壓工藝的復(fù)合板分別鋸制12片尺寸為100 mm×25 mm的試件，分別測(cè)試膠合強(qiáng)度并且求平均值作為該熱壓工藝條件下的PVC復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度值，分析熱壓工藝對(duì)膠合性能的影響。

1.3.3 制備不同單板含水率的薄膜膠合板

在優(yōu)化熱壓工藝條件下，重復(fù)1.3.1的制備工藝制備含水率分別為8%、10%、12%、14%及16%的復(fù)合膠合板，對(duì)于不同含水率的復(fù)合板分別鋸制3片尺寸為100 mm×25 mm的試件，分別測(cè)試膠合強(qiáng)度并且求平均值作為該單板含水率條件下的PVC復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度值，分析含水率對(duì)膠合性能的影響[18-20]。

1.3.4 薄膜打孔前后壓制的膠合板的性能對(duì)比

在優(yōu)化熱壓工藝及單板含水率條件下，參照1.3.1的制備工藝制備PVC薄膜打孔后的復(fù)合膠合板和PVC薄膜未打孔的復(fù)合膠合板，分別測(cè)試并比較兩種膠合板的膠合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度及彈性模量。

2. 結(jié)果與分析

2.1熱壓工藝對(duì)PVC桉木單板復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響

通過(guò)前期單因素探索性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力與復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度密切相關(guān)，為了獲得最優(yōu)熱壓工藝，按表2 的因子水平安排正交試驗(yàn)，不同熱壓工藝對(duì)PVC薄膜桉木單板復(fù)合膠合板的膠合性能結(jié)果如表3所示。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

根據(jù)表3膠合強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果的極差分析如表4所示。Kij表示i因素j水平對(duì)應(yīng)的性能的平均值，R表示i因素j水平對(duì)應(yīng)的性能的最大平均值與最小平均值的差。

由表4膠合強(qiáng)度的極差分析結(jié)果可知，熱壓壓力、溫度、時(shí)間均對(duì)板材的力學(xué)性能均有一定的影響。熱壓溫度的極差值最大，對(duì)復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度影響最大，其次是熱壓壓力，熱壓時(shí)間的極差值最小，得出較優(yōu)水平組合：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時(shí)間50 s/mm。

從圖1可以看出：熱壓壓力從0.8 MPa增加到1.2 MPa，膠合強(qiáng)度先增加后減少，當(dāng)熱壓壓力為1.0 MPa時(shí)，膠合強(qiáng)度達(dá)到最大值0.74 MPa。在一定范圍內(nèi)，膠合強(qiáng)度隨著熱壓溫度和熱壓時(shí)間的增加逐漸減少[21-24];其中，熱壓溫度從170℃升到180℃，膠合強(qiáng)度下降較明顯，原因是溫度過(guò)高導(dǎo)致PVC薄膜變性，熱壓時(shí)間從65 s/mm增加到80 s/mm時(shí)，膠合強(qiáng)度下降相對(duì)較大，原因是PVC薄膜打孔可以加快單板之間的傳熱速率，縮短芯層薄膜熱熔時(shí)間，如果熱壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致芯層溫度過(guò)高，從而使薄膜變性。通過(guò)復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的直觀分析得出：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時(shí)間50 s/mm 時(shí)復(fù)合膠合板的膠合性能最佳。

2.3 熱壓工藝參數(shù)對(duì)膠合強(qiáng)度的方差分析

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)下表5。

從表5復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的方差分析得出：熱壓溫度對(duì)膠合強(qiáng)度的影響極顯著;熱壓壓力對(duì)膠合強(qiáng)度的影響相對(duì)較顯著，這主要是因?yàn)镻VC薄膜在一定溫度范圍內(nèi)受熱熔化，更有利于滲入到單板內(nèi)部，待溫度逐漸冷卻以后熱塑性PVC薄膜固化成型而形成膠釘，在壓力的作用下將單板緊密粘合在一起，從而對(duì)復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度起到重要作用[25-26]。

綜合考慮不同因素以及不同水平對(duì)PVC單板復(fù)合膠合板的膠合性能的影響得出：較優(yōu)的工藝參數(shù)組合是：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時(shí)間50 s/mm。

2.4 單板含水率對(duì)復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響

采用正交試驗(yàn)優(yōu)化出的熱壓溫度（160℃）、時(shí)間（50 s/mm）、壓力（1.0 MPa），PVC薄膜添加量124 g/m2，進(jìn)一步分析單板含水率對(duì)復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響如圖2所示。

含水率對(duì)復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響如圖2所示：隨著單板含水率從8%增加到14%，膠合強(qiáng)度從0.68 MPa逐漸增加到0.78 MPa，增加了14.71%，說(shuō)明適當(dāng)?shù)脑黾雍视欣谔岣邌伟鍩釅哼^(guò)程中的傳質(zhì)傳熱效率。繼續(xù)增加單板含水率，復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度反而降低，原因是單板含水率較高時(shí)，熱壓過(guò)程中蒸發(fā)消耗較多的熱量，從而降低熱壓效率。所以得出：?jiǎn)伟搴蕦?duì)復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度有重要影響，在熱壓溫度、時(shí)間和壓力分別為160℃、50 s/mm和1.0 MPa，PVC薄膜添加量124 g/m2時(shí)，單板含水率為14%時(shí)復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2.5 PVC薄膜打孔前后壓制的膠合板的性能對(duì)比

在熱壓溫度、時(shí)間和壓力分別為160℃、50 s/mm和1.0 MPa，PVC薄膜添加量124 g/m2，單板含水率為14%時(shí)，進(jìn)一步對(duì)比分析PVC薄膜打孔對(duì)復(fù)合膠合板力學(xué)性能的影響如表6所示。

未打孔的PVC薄膜和打孔的PVC薄膜制備的復(fù)合膠合板的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表6所示。從表中可以得出：復(fù)合膠合板-1和復(fù)合膠合板-2的膠合強(qiáng)度分別為0.73 MPa和0.78 MPa，但是打孔處理的薄膜制備的復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)要求。復(fù)合膠合板-1和復(fù)合膠合板-2橫紋和順紋的靜曲強(qiáng)度以及順紋的彈性模量均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與復(fù)合膠合板-1相比，復(fù)合膠合板-2的橫紋和順紋的靜曲強(qiáng)度、橫紋和順紋的彈性模量分別提高了4.14%、3.97%、8.31%、11.14%。此外PVC薄膜經(jīng)過(guò)開(kāi)孔處理之后，可以明顯改善復(fù)合膠合板橫紋的彈性模量。

綜上，PVC薄膜開(kāi)孔處理能夠加快單板熱壓過(guò)程中的傳質(zhì)傳熱效率，加快PVC薄膜的熔融并滲入單板內(nèi)部形成膠釘，從而提高復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度。

3. 結(jié)論

（1） 通過(guò)研究熱壓工藝對(duì)木塑復(fù)合膠合板膠合強(qiáng)度的影響得出，當(dāng)PVC薄膜添加量124 g/m2，復(fù)合膠合板的優(yōu)化熱壓工藝為：熱壓溫度為160℃、熱壓時(shí)間50 s/mm、熱壓壓力1.0 MPa。PVC薄膜復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度可以達(dá)到0.78 MPa，相比較未處理的木塑復(fù)合膠合板，膠合強(qiáng)度提高了6.85%。滿足GB/T 9846?2015普通膠合板國(guó)家Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2） 通過(guò)對(duì)比單板含水率對(duì)復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度的影響得出：含水率為14%時(shí)復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度達(dá)到最大值0.78 MPa，說(shuō)明適當(dāng)提高單板含水率可以進(jìn)一步提高復(fù)合膠合板的膠合強(qiáng)度。

（3） 對(duì)比PVC薄膜未開(kāi)孔復(fù)合膠合板和薄膜開(kāi)孔預(yù)處理的復(fù)合膠合板的力學(xué)性能得出：PVC薄膜經(jīng)過(guò)開(kāi)孔處理之后，各項(xiàng)性能均有提高，此外PVC薄膜開(kāi)孔預(yù)處理可以明顯改善復(fù)合膠合板橫紋的彈性模量。

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