（廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004）

刨花板是以加工剩余物、小徑木、枝丫材和其他木質(zhì)纖維素材料為原料，經(jīng)刨花制備、刨花干燥、施加膠黏劑和防水劑、在一定的壓力和溫度下熱壓成型的一種板材[1]。它廣泛運(yùn)用于建筑結(jié)構(gòu)用板、集裝箱板、建筑內(nèi)部裝飾板等對承載能力有較高要求的領(lǐng)域，也應(yīng)用于船舶和車廂內(nèi)部裝修、外包裝用板等裝飾用板，由于其表面平整，還能二次加工制成飾面刨花板[2]。鑒于刨花板應(yīng)用的廣泛性以及對加工剩余物的利用，需要加大對刨花板的研究力度，增加刨花板的技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

木質(zhì)素作為天然植物基生物質(zhì)資源，是僅次于纖維素的第二大可再生能源[3]，目前儲量巨大，使用其改性酚醛樹脂可降低石油化工產(chǎn)品苯酚的使用量，降低木材膠黏劑的環(huán)境污染量，可以提高刨花板工業(yè)的環(huán)境友好性。

為此，本研究采用工業(yè)木質(zhì)素酚醛樹脂作為膠黏劑，研究制備工藝對刨花板物理力學(xué)性能的影響，優(yōu)化木質(zhì)素酚醛樹脂制備刨花板工藝過程，為該工藝方法提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考和一定實踐經(jīng)驗。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料

桉木刨花：豐林公司產(chǎn)，平均含水率3%，長細(xì)比為3，其中摻雜木質(zhì)碎屑。

木質(zhì)素改性樹脂（A0-3 樹脂）：廣西鹿寨富民山木質(zhì)素樹脂有限公司產(chǎn)，固含量為43.6%，黏度為336 MPa·s，游離甲醛含量0.04%，固化溫度125℃，pH 值12。石蠟乳液：產(chǎn)自國旭集團(tuán)，固含量45%，白色。氯化銨，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)。

1.1.2 試驗設(shè)備

BY30 型180t 試驗壓機(jī)，公稱壓力1800kN，熱板幅面500mm×500mm，蘇州新協(xié)力機(jī)械制造有限公司產(chǎn)；WDT-10 型微機(jī)控制電子力學(xué)試驗機(jī)，深圳市凱強(qiáng)利試驗儀器有限公司產(chǎn)；LRH-250-GS 型人工氣候箱，廣東省醫(yī)療器械廠產(chǎn)。其他：PC 電動攪拌機(jī)、電熱恒溫干燥箱和電子天平等。

1.2 試驗方法

1.2.1 板坯制作及試驗方案

板坯制作流程：刨花干燥→施膠→施蠟→添加固化劑→5min 攪拌→鋪裝→預(yù)壓→熱壓。其中刨花含水率降至3%，石蠟乳液添加量為2%，固化劑與水以1∶4的比例配成溶液添加。預(yù)壓成型后的板坯厚度約為刨花板的3 倍。根據(jù)工廠生產(chǎn)經(jīng)驗制定熱壓工藝曲線，采用多段式熱壓工藝曲線，壓機(jī)升壓至3.6MPa，多段降壓保壓后卸壓完成熱壓。

刨花板規(guī)格為450mm×450mm×15mm，目標(biāo)密度為0.70～0.75g/cm3，采用四因素三水平正交試驗法，研究熱壓溫度、熱壓時間、施膠量、固化劑添加量這四個因素對刨花板靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、24h吸水厚度膨脹率等物理力學(xué)性能的影響。具體試驗因子和水平如表1 所示。

1.2.2 刨花板物理性能測試

采用WDT-10 型微機(jī)控制電子力學(xué)試驗機(jī)進(jìn)行刨花板力學(xué)性能測試。刨花板靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、吸水厚度膨脹率等物理力學(xué)性能測試方法按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進(jìn)行。對于每一組參數(shù)，靜曲強(qiáng)度和彈性模量測試取6 個試件，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度取10 個試件，24h 吸水厚度膨脹率取10 個試件，試驗結(jié)果取每組所測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果分析

2.1 正交試驗結(jié)果

根據(jù)表1 的正交試驗因素水平表來制定試驗方案，測定刨花板的力學(xué)性能，正交試驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗結(jié)果

由表2 可以看出，7 號試驗各項性能較低，其工藝參數(shù)為：熱壓溫度170℃、熱壓時間360s、施膠量15%、固化劑添加量1%?？梢? 號試驗施膠量大，熱壓時間短，板坯含水率較高，導(dǎo)致膠黏劑固化不完全而強(qiáng)度低；反觀3 號試驗，施膠量15%，熱壓時間較長為600s，各項性能較7 號試驗優(yōu)良，且3 號試驗24h 吸水厚度膨脹率是最小的。

對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到各因素對刨花板性能影響因素主次及最佳方案，如表3 所示。

表3 因素主次及最佳方案

由表3 可知，使用木質(zhì)素改性膠黏劑制備刨花板，其物理力學(xué)性能主要受熱壓時間與施膠量的影響。為了更直觀分析各因素對刨花板性能的影響，根據(jù)極差分析繪制了趨勢圖，如圖1～4 所示。

2.2 各因素對刨花板物理力學(xué)性能的影響

2.2.1 熱壓溫度

由表3 可知，熱壓溫度對木質(zhì)素改性樹脂制備的刨花板性能影響較小。由直觀分析圖可見，隨著熱壓溫度的增加，刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和24h 吸水厚度膨脹率先增大后減小，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度略微下降。

刨花板在熱壓過程中，熱量首先使膠黏劑內(nèi)摩擦力減小，粘度降低，膠黏劑與刨花間接觸增大，隨著溫度繼續(xù)升高，膠黏劑內(nèi)摩擦力迅速增大，膠黏劑完全固化。高溫還可以增加木材的塑性，使板坯更為密實，強(qiáng)度也隨之提高。但是，熱壓溫度過高，會導(dǎo)致板材表面膠黏劑的熱分解和纖維素大分子降解，使刨花板力學(xué)性能下降。溫度升高，若板坯施膠量大，熱壓時間不夠，板內(nèi)水分未排出，水蒸氣壓力高，易產(chǎn)生鼓泡缺陷，以及膠黏劑固化不完全，導(dǎo)致板坯性能降低。

2.2.2 熱壓時間

由表3 可知，熱壓時間對木質(zhì)素改性樹脂制備的刨花板性能影響較大，尤其是靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。由直觀分析圖可見，隨著熱壓時間的延長，刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈上升趨勢，24h吸水厚度膨脹率也得到改善。

由此可見，熱壓時間的延長有利于改善刨花板的性能。隨著熱壓時間延長，芯層內(nèi)較高的蒸汽濃度大于外界蒸汽濃度，蒸汽保持較高的擴(kuò)散通量向外擴(kuò)散，板坯內(nèi)部飽和蒸汽壓力得以降低，內(nèi)應(yīng)力減少。同時，芯層達(dá)到較高溫度，使刨花具有一定的塑性，使板坯內(nèi)膠黏劑的固化率提高，刨花間粘結(jié)更緊密，更有效傳遞破壞力，從而使板材各項物理力學(xué)性能提高。

2.2.3 膠黏劑施加量

由表3 可知，膠黏劑施加量對刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和24h 吸水厚度膨脹率影響較大，對靜曲強(qiáng)度和彈性模量影響較小。由直觀分析圖可見，膠黏劑施加量的增加，刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈下降趨勢，而24h 吸水厚度膨脹率降低。

膠黏劑添加量增大，導(dǎo)致板坯含水率上升，熱壓時板坯內(nèi)部蒸汽過多，氣壓過大，會導(dǎo)致板坯內(nèi)部產(chǎn)生鼓泡分層。同時，木質(zhì)素改性樹脂中木質(zhì)素為大分子，使膠黏劑滲入木材孔隙難度增加[3]，需要消耗更多能量來形成化學(xué)鍵或分子間氫鍵，導(dǎo)致熱壓時間結(jié)束后仍有部分膠黏劑分子未參與反應(yīng)，也使刨花板內(nèi)部有低交聯(lián)狀態(tài)，從而刨花板各項力學(xué)性能降低。但是，膠黏劑具有包裹刨花并阻礙與水分接觸的作用，因此施膠量增加使刨花板耐水性較好。在本試驗條件下，因設(shè)計的熱壓溫度及熱壓時間不足，木質(zhì)素改性樹脂膠黏劑施加量的增大不利于刨花板力學(xué)性能提高。

2.2.4 固化劑添加量

由表3 可知，固化劑添加量對刨花板靜曲強(qiáng)度和彈性模量的影響較大，對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和24h 吸水厚度膨脹率的影響較小。由直觀分析圖可見，隨著固化劑添加量的增加，刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈下降的趨勢，24h 吸水厚度膨脹率先增大后減小。

固化劑的作用是通過縮短膠黏劑熱壓時間或降低熱壓溫度而促進(jìn)固化反應(yīng)，木質(zhì)素改性樹脂pH 為12，在堿性條件下固化，氯化銨水溶液呈弱酸性，會破壞樹脂的固化條件。因此，固化劑的添加反而降低樹脂的固化效果，板材韌性變差。其次，固化劑以配成溶液形式添加，間接地提高了板坯的含水率。由表2 可見，4 號試驗加入固化劑量2%，而且熱壓溫度較低，時間也不充分，導(dǎo)致板坯含水率較高，膠黏劑粘度下降，膠黏劑無法完全固化，因此板坯成型差強(qiáng)度低；另外，由靜曲強(qiáng)度和彈性模量可見，加入固化劑的刨花板強(qiáng)度普遍比未加入固化劑的低。由此可見，氯化銨不適合作為本試驗的固化劑。

2.3 驗證試驗

綜合板坯熱壓溫度、熱壓時間、施膠量和固化劑添加量對刨花板物理力學(xué)性能影響的研究分析，為獲得更優(yōu)的力學(xué)性能，對獲得的最佳工藝方案進(jìn)行驗證。其中最佳工藝參數(shù)為：熱壓溫度160℃、熱壓時間600s、刨花施膠量9%、不添加固化劑。

在此工藝條件下，每個試驗號的靜曲強(qiáng)度和彈性模量各取3 塊試樣、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和吸水厚度膨脹率各取5 塊試樣進(jìn)行檢測，所得結(jié)果取算數(shù)平均值，情況如表4 所示。

表4 較優(yōu)工藝的驗證試驗結(jié)果

由表4 數(shù)據(jù)可知，較優(yōu)工藝條件下制得的刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均有所改善，24h吸水厚度膨脹率仍然很高，分析原因是較優(yōu)工藝條件下施膠量較低，膠黏劑無法包裹木材細(xì)胞壁，導(dǎo)致刨花遇水吸濕膨脹。由于固化劑對靜曲強(qiáng)度和彈性模量影響較大，為了獲取更佳的力學(xué)性能，可不添加氯化銨固化劑。

3 結(jié)語

3.1 刨花板靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度主要受熱壓時間的影響，熱壓時間延長，板坯內(nèi)部溫度更加均勻，膠黏劑固化速率提高，使刨花板整體性能得到提高。

3.2 刨花板24h 吸水厚度膨脹率主要受施膠量的影響。施膠量增加，更有效阻礙刨花與水分接觸，避免吸濕膨脹。

3.3 本試驗的最佳工藝為：熱壓溫度160℃、熱壓時間600s、刨花施膠量9%、固化劑添加量0。在本試驗條件下，由于熱壓溫度和時間的不足，為保證刨花板力學(xué)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，選用低施膠量及不添加氯化銨固化劑。在使用木質(zhì)素膠黏劑制備刨花板時，為提高固化速率，建議更換其他固化劑。