陳瑞建 章偉偉 關麗濤 古 今 林衛(wèi)東 胡傳雙

（1.華南農業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642；2.廣東始興縣華洲木業(yè)有限公司，韶關 512500）

三聚氰胺浸漬紙(MIP)是人造板行業(yè)用量最大的飾面材料之一，是一種素色裝飾原紙經氨基樹脂浸漬并干燥到一定程度、具有一定樹脂和揮發(fā)份含量的膠膜紙，經熱壓可與人造板基材相互膠合[1-2]。由于三聚氰胺浸漬紙面積要大于被飾面的人造板，因此熱壓貼合后飾面人造板板材邊緣會產生一定量多余的未貼合的浸漬紙邊角廢料(WMIP)。WMIP含有大量化學物質(膠黏劑、固化劑、脫模劑和交聯(lián)劑等)，不適合普通燃燒處理[3]，并且其中仍有一定量的未完全固化的活性膠黏劑[4]，科技工作者一直在尋找WMIP的有效利用途徑[5-9]。Ba?bo?a等[10]利用MIP廢料粉末作為膠黏劑，成功制造了刨花板，當MIP廢料含量為25%時，其板材物理力學性能可滿足大多數(shù)標準要求。Ba?bo?a等[11]還利用浸漬后的原紙和經過熱壓貼面后的邊角廢料粉末化后分別制備刨花板，兩種類型的粉末對刨花板物理力學性能存在顯著影響，使用原紙粉末的板材力學性能更佳。Cavdar等[12]研究以廢三聚氰胺浸漬紙（WMIP）為填料，對定向刨花板的一些性能進行評價。實驗板材的芯層中粉碎的WMIP顆粒用量最高可達50%。Ayr?lm??等[13]利用錘式粉碎機將WMIP粉碎至2～3 mm，然后與纖維混合制成纖維板。結果表明：添加WMIP可改善板材的力學性能。Alpar等[14]以WMIP粉末為膠黏劑填料制造單層刨花板，對比脲醛樹脂膠黏劑制成的刨花板與WMIP粉末制成的板材，發(fā)現(xiàn)板材性能無顯著差異。Silva等[15]將6 mm長的WMIP以4%、8%、12%的比例添加至刨花板芯層。結果表明：含有4%和8%WMIP的刨花板符合標準要求，但含有12%的刨花板未能達標。以上研究表明：WMIP可作為膠黏劑用于人造板制造，但均需對WMIP進行二次粉碎處理，因而處理成本增加。

本試驗直接將回收的WMIP以原態(tài)形式利用，無需二次粉碎加工，探討原態(tài)WMIP在刨花板制造過程中的膠黏劑替代潛力；以原態(tài)WMIP為原料，按照不同比例與木質粗刨花混合后置于芯層，制備三層結構刨花板，以實現(xiàn)WMIP的全組份高附加值利用。

1 材料與方法

1.1 材料

1）木刨花：含水率為1.1%～2.5%，取自華洲木業(yè)。

2）三聚氰胺浸漬紙邊角廢料（WMIP）：含水率5.8%～7.5%，取自廣東耀東華裝飾材料有限公司。邊角廢料形態(tài)如圖1 所示。

圖1 浸漬紙邊角廢料形態(tài)Fig.1 Morphological features of waste impregnated paper pieces

3）膠黏劑：表層UF膠固體含量為61%，pH值7.4，固化時間72 s，黏度93.9 mPa·s。芯層膠固體含量66%，pH值7.5，固化時間63 s，黏度226.8 mPa·s。取自華洲木業(yè)。

4）防水劑：乳白色石蠟乳液，固體含量44.25%，pH值6.0，黏度16.9 mPa·s。取自華洲木業(yè)。

1.2 設備

試驗主要設備為攪拌機（鎮(zhèn)江戴生食品機械廠），熱壓機（鶴山市沙坪鎮(zhèn)精銘機械廠），萬能力學試驗機（濟南天辰試驗機制造有限公司）等。

1.3 試驗方法

1.3.1 正交試驗設計

表層料中不添加WMIP，根據(jù)預試驗，設計WMIP與芯層刨花的比例分別為5%、10%、20%。 WMIP與芯層刨花混合均勻后，制備復合刨花板，以芯層未添加WMIP的純木刨花板作為對照。

本試驗共設4 個變量為WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度，每個變量分3 個水平，記為1、2、3，采用L9（34）正交試驗，試驗重復次數(shù)為3 次，考察4 個變量對復合刨花板物理力學性能的影響。正交試驗因素與水平見表1，試驗方案如表2 所示。

表1 正交試驗因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2 刨花板制備

設定刨花板密度為0.72～0.79 g/cm3，尺寸500 mm× 500 mm×16 mm（長×寬×厚）。表、芯層料按照配方進行施膠，防水劑添加量0.5%，持續(xù)攪拌3～5 min。手工分三層鋪裝后進行熱壓，使用厚度規(guī)控制厚度。按照正交試驗設計壓制板材，試驗最大熱壓壓力4.0 MPa。每個試驗條件重復次數(shù)為3 次，共計27 塊試驗樣板。

1.3.3 性能測試和評價

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測試板材的物理力學性能（MOR、MOE、IB和2 hTS）[16]。按照GB/T 4897—2015《刨花板》對應指標進行評價[17]。

2 結果與分析

根據(jù)表1 正交試驗因素水平表進行L9（34）正交試驗，各試驗編號樣板的靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）、內結合強度（IB）和2h吸水厚度膨脹率（TS）的檢測結果如表2 所示。對試驗結果進行極差分析，結果如表3 所示。

由于不同因子對不同試驗結果的影響有差異，在不考慮不同因子間交互作用的前提下，由表3 根據(jù)R值的大小可以得出：WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度對復合刨花板靜曲強度（MOR）的影響主次順序為：B＞A＞C＞D；對復合刨花板彈性模量（MOE）的影響主次順序為：A＞B＞D＞C；對復合刨花板內結合強度（IB）的影響主次順序為：A＞D＞B＞C；對復合刨花板2 h吸水厚度膨脹率（TS）的影響主次順序為：D＞A＞B＞C。

表2 正交試驗安排與結果Tab.2 Design and result of orthogonal experiment

表3 正交試驗L9(34)極差分析Tab.3 Range analysis of L9(34) test results

2.1 WMIP添加量對復合刨花板力學性能影響

由于WMIP無定型尺寸，長寬比差異較大，如果在木質刨花中加入的WMIP過多，會導致混料不均勻，且隨后的板坯鋪裝也會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象[18]。因此本試驗的WMIP添加量設置為最大值20%。

如圖2 可知，隨著WMIP添加量的增加，復合刨花板的MOR、MOE和IB呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，TS則呈現(xiàn)降低趨勢。UF膠主要依靠所含有的羥甲基、氨基之間的縮聚反應，形成具有一定強度的固化層[19]。WMIP中含有一定量未反應的活性羥甲基和氨基等官能團，這些官能團能與UF進行二次反應并交聯(lián)固化。因此，增加一定量的WMIP可替代部分UF，提高復合刨花板的力學性能。當WMIP的添加量為20%時，復合刨花板的MOR為18.5 MPa，MOE為3 067 MPa，IB為1.22 MPa，均為所有試驗板力學性能最大值。綜上所述，WMIP添加量為20%時試驗效果最佳。

圖2 WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度對復合刨花板力學性能的影響Fig.2 Effect of WMIP addition amount, adhesive consumption, hot pressing time and temperature on MOR of composite PB board

2.2 施膠量對復合刨花板力學性能影響

施膠量是影響膠合質量的最重要因素之一[20]。施膠量太大，膠層太厚，應力增大，使得膠合強度下降，成本增加[21]。施膠量太小無法形成連續(xù)膠層，也不利于膠液在刨花之間及與WMIP之間轉移，導致施膠拌膠過程中原料表面的膠黏劑量太低，在熱壓后能形成的固化點少，膠合強度不高。由圖2 可知，隨著施膠量的減少，MOR、MOE、IB和TS均出現(xiàn)下降趨勢。施膠量在13%時，復合刨花板的MOR 、MOE 、IB性能指標最高，分別為18.26 、2 994 、1.1 MPa，而施膠量在9%時最低，但仍可完全滿足國標中對干燥狀態(tài)下使用家具型刨花板的要求，說明脲醛樹脂的用量對復合刨花板的各項性能均有顯著影響，雖添加WMIP可替代部分UF作為膠黏劑，但其添加量有限，且UF相較于WMIP對復合刨花板性能的影響更大。綜上所述，施膠量為13%時，試件膠合質量最佳。

2.3 熱壓時間對復合刨花板力學性能影響

控制熱壓時間，主要是使膠黏劑和WMIP中未固化的活性羥甲基和氨基等官能團充分反應，提高固化效率，使得刨花具有一定的塑性，達到所要求的板材厚度，避免板材出現(xiàn)鼓泡分層等工藝缺陷[22]。由圖2 可知，隨著熱壓時間的減少，MOR和MOE呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，IB逐漸上升，TS逐漸下降。熱壓時間為11 min時，板材強度相對較低，這說明熱壓時間過長，同時也會導致高生產能耗和低效率。熱壓時間為7 min時，由于時間較短，表層部分膠黏劑的固化未達到最佳狀態(tài)，因此靜曲強度和彈性模量不高。當熱壓時間為9 min時，復合刨花板的MOR為18.18 MPa，MOE為2 950 MPa，IB為1.07 MPa，均為最優(yōu)力學性能值。綜上所述，熱壓時間為9 min時，試驗結果最佳。

2.4 熱壓溫度對復合刨花板力學性能影響

在熱壓過程中，通常溫度越高，所需的加壓時間越短。在熱壓機中，除使膠黏劑固化外，高溫還可增加木材塑性，便于壓緊板坯[23-24]。由圖2 可知，隨著熱壓溫度的降低，MOR和MOE出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，IB出現(xiàn)逐漸下降趨勢，而TS出現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當熱壓溫度為200 ℃時，膠黏劑受到熱量的作用，黏度下降，表面張力減小，流動性增加，在原料表面的延展性提高，膠合強度較高。但熱壓溫度偏高，會引起能耗增加，而且易導致纖維素大分子降解和膠黏劑的熱分解[25]，使得板材表面變色變味，雖然IB較高，但MOR和MOE下降。而180 ℃的熱壓溫度較低，板坯芯層的膠黏劑固化程度不高，IB相對較低。當熱壓溫度為190 ℃時，復合刨花板的MOR、MOE均為最優(yōu)力學性能值，分別達到17.65、2 989 MPa，而IB為1.04 MPa，2 hTS為4.17%，均低于200 ℃時的IB1.16 MPa，2 hTS7.4%。綜上所述，熱壓溫度為190 ℃時，試驗結果較優(yōu)。

由上述試驗結果分析可知：采用的WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度的較優(yōu)配方為：WMIP添加量為20%，施膠量為13%，熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為9 min。在此配方參數(shù)下制備的復合刨花板具有理想的物理力學性能。

3 結論

將三聚氰胺浸漬紙邊角廢料以原態(tài)方式直接與木質刨花混合制備復合刨花板是完全可行的，對其物理力學性能具有顯著影響，且具備一定的社會經濟價值。

在保證復合刨花板性能達標的情況下，為節(jié)約能源和材料，提高生產效率，綜合分析可得，使用浸漬紙邊角廢料制備復合刨花板優(yōu)化組合工藝為：WMIP 20%，UF施膠量13%，熱壓時間9 min，熱壓溫度190 ℃。制備的復合刨花板平均物理力學性能為MOR18.50 MPa，MOE2 993.75 MPa，IB1.07 MPa，TS4.15%，均滿足GB 4897—2015 中P2 型刨花板的指標要求。