孫 萍 張 健 劉紅光 李 黎 羅 斌

（北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

刨花板以價格低廉、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代家具制造、室內(nèi)裝修等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。普通刨花板密度較高，產(chǎn)品密度一般為0.7～0.8 g/cm3，單位體積重量大，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。輕質(zhì)刨花板是指密度低于0.6 g/cm3的刨花板[1]，具有與普通刨花板相似的物理力學(xué)性能和機(jī)械加工性能；可根據(jù)不同用途進(jìn)行定制[2]，以其替代普通刨花板可有效節(jié)約木材資源，降低材料成本和運(yùn)輸成本。

刨花板用膠黏劑主要有脲醛（UF）樹脂[3-5]、酚醛（PF）樹脂[6-8]和異氰酸酯（MDI）[9-11]等。其中脲醛樹脂膠黏劑價格相對低廉，是目前刨花板生產(chǎn)最常用的膠黏劑[12]。研究表明，使用未改性的脲醛樹脂膠黏劑制備的輕質(zhì)刨花板力學(xué)性能較差，不能作為承重材料[13]。聚合異氰酸酯（PMDI）膠黏劑中具有活潑的異氰酸酯基（—NCO），能與木材中的羥基（—OH）反應(yīng)形成聚氨酯鍵結(jié)合。因此，常用異氰酸酯對脲醛樹脂進(jìn)行改性[14-15]。由于脲醛樹脂中含有較多水分，與聚合異氰酸酯的副反應(yīng)較多，因此需要對聚合異氰酸酯進(jìn)行封閉處理，以獲得水分散型封端聚合異氰酸酯，用于脲醛樹脂的改性[16-17]。然而，封閉處理操作復(fù)雜，且其封閉處理過程后期脲醛樹脂用量較少，需使用大量聚合異氰酸酯，固化體系中才會出現(xiàn)聚氨酯鍵[18]。研究表明：在較低熱壓溫度下，輕質(zhì)刨花板的物理力學(xué)性能會隨聚合異氰酸酯用量的增加而提高，但添加量超過一定程度，增強(qiáng)效果并不明顯。因此，可選用脲醛樹脂/聚合異氰酸酯組合膠黏劑[19]生產(chǎn)輕質(zhì)刨花板，采取表、芯層刨花分開施膠，先施加脲醛樹脂，隨后施加聚合異氰酸酯。本文選取脲醛樹脂/聚合異氰酸酯（UF/PMDI）組合膠黏劑與純PMDI膠黏劑制備輕質(zhì)刨花板，研究輕質(zhì)刨花板結(jié)構(gòu)、芯層刨花形態(tài)對輕質(zhì)刨花板物理力學(xué)性能的影響，對兩種用膠情況下制備的輕質(zhì)刨花板性能進(jìn)行對比分析，以期為輕質(zhì)刨花板的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

刨花：以楊木（PopulusL.）為主，摻雜少量其他材種的刨花，含水率約為9%～11%，河北文安某人造板公司提供。刨花形態(tài)不同，分為大、中、小3種刨花。其中，片狀大刨花的規(guī)格為20～30 mm×50～70 mm（寬度×長度），平均厚度為0.81 mm；單板尺寸為300 mm×300 mm×1.5 mm，中刨花寬度為20～40 mm，細(xì)小刨花寬度為5 ～20 mm，如圖1所示。

圖1 刨花與單板形態(tài)對比Fig.1 Morphology comparison of particles and veneer

脲醛樹脂（UF）膠黏劑：固體含量為60%～65%，呈淡黃色液態(tài)，密度為1.25 g/cm3，廣東東莞海龍塑膠經(jīng)營部。

聚合二苯基甲烷二異氰酸酯膠黏劑（PMDI）：黏度360 mPa·s，NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.6%，萬華化學(xué)集團(tuán)有限公司。

1.2 設(shè)備

QD型實(shí)驗熱壓機(jī)，上海人造板機(jī)械廠；BA-100C萬能力學(xué)試驗機(jī)，濟(jì)南耐爾液壓技術(shù)有限公司；自制成型框（300 mm×300 mm）；FGR250滾筒式拌膠機(jī)，德國Siempelcamp公司；SCM-ST4推臺裁板鋸，歐登多（秦皇島）機(jī)械制造有限公司；VHX-6000超景深顯微鏡，日本基恩士公司。

1.3 輕質(zhì)刨花板制備

1.3.1 工藝流程

根據(jù)刨花質(zhì)量，計算相應(yīng)的施膠量，經(jīng)施膠、人工鋪裝、預(yù)壓、熱壓制成輕質(zhì)刨花板，板材冷卻后進(jìn)行裁切，制成試件，測試其性能。工藝流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Production process flow diagram

1.3.2 工藝參數(shù)

設(shè)計輕質(zhì)刨花板的目標(biāo)密度為0.6 g/cm3，板材幅面規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm，厚度采用厚度規(guī)控制。如表1所示，單層結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板的表芯層使用大、中、小3種形態(tài)的刨花（序號1-3）；三層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板表層均為小刨花，而芯層采用不同的刨花形態(tài)（序號4-5）；單板貼面的輕質(zhì)刨花板在單層結(jié)構(gòu)的刨花板表面加貼一層楊木單板，芯層為大、中、小3種刨花形態(tài)（序號6-8）。3種不同結(jié)構(gòu)的板材表芯層刨花分開施膠，施膠順序均為先施加脲醛樹脂，后施加聚合異氰酸酯膠黏劑（PMDI），板坯鋪裝順序為“表層-芯層-表層”依次鋪裝，經(jīng)預(yù)壓后放入熱壓機(jī)熱壓。具體施膠工藝參數(shù)見表1。

表1 輕質(zhì)刨花板施膠工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters for light-weight particleboards

壓機(jī)熱壓板的溫度設(shè)置為160 ℃，熱壓時間為35 s/mm，采用分段熱壓法加壓[20-21]，最高壓力為3 MPa，保壓壓力1.5～2 MPa，具體熱壓工藝參數(shù)的設(shè)置如圖3所示。

圖3 熱壓參數(shù)曲線Fig.3 Hot pressing parameter curve

1.4 性能測試

參照GB/T 4897—2015《刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，分別測試輕型刨花板的靜曲強(qiáng)度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）和吸水厚度膨脹率（TS），選取5個制備試樣，測試結(jié)果取均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 輕型刨花板性能測試結(jié)果

輕質(zhì)刨花板性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 輕質(zhì)刨花板性能測試結(jié)果Tab.2 Performance results of light-weight particleboards

2.2 密度

由圖4可知，3種輕質(zhì)刨花板密度均小于0.6 g/cm3。其中最小密度為組合膠制備的單板貼面、中刨花的輕質(zhì)刨花板，密度僅為0.44 g/cm3，最大密度為0.59 g/cm3，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)定義，試驗所制輕質(zhì)刨花板密度達(dá)標(biāo)。

圖4 輕質(zhì)刨花板的實(shí)際密度Fig.4 Actual density of light-weight particleboards

2.3 靜曲強(qiáng)度

靜曲強(qiáng)度是反映人造板物理力學(xué)強(qiáng)度的重要指標(biāo)。在同樣溫度和壓力條件下，分別用UF/PMDI組合膠與純PMDI膠黏劑制備輕質(zhì)刨花板，組合膠制備的單層小刨花結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度僅為4.32 MPa（圖5），而純PMDI膠黏劑制備的單層小刨花結(jié)構(gòu)板材靜曲強(qiáng)度為8.45 MPa，雖高于UF/PMDI組合膠黏劑制備的板材，但仍未達(dá)到普通刨花板的物理力學(xué)性能要求。同樣的單層中刨花和大刨花結(jié)構(gòu)，采用UF/PMDI組合膠制備輕質(zhì)刨花板，其靜曲強(qiáng)度分別為8.47 MPa和19.47 MPa，單層大刨花結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板達(dá)到了GB/T 4897—2015中家具用刨花板（P2型）的強(qiáng)度要求。在芯層為大刨花與中刨花，表層為細(xì)小刨花的三層結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板中，組合膠制備的板材靜曲強(qiáng)度不足11 MPa。相對于單層與三層板材結(jié)構(gòu)，單板貼面結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度較優(yōu)。采用組合膠制備的單板貼面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板，隨著芯層刨花尺寸的增大，板材的靜曲強(qiáng)度也隨之增大，依次為14.78、17.18 MPa和45.22 MPa，純PMDI膠黏劑制備的3種單板貼面輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度分別為50.04、53.38 MPa和 61.58 MPa，組合膠制備的單板貼面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板與之相比雖不及其強(qiáng)度高，但已經(jīng)達(dá)到干燥狀態(tài)下家具用刨花板（P2型）要求。

圖5 不同板材結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度Fig.5 Static bending strength of light-weight particleboards with different plate structures

從上述分析可知，采用UF/PMDI組合膠制備的3種不同板材結(jié)構(gòu)和刨花形態(tài)的輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度均低于純PMDI膠黏劑制備的板材，但組合膠制備的單板貼面輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度達(dá)到了家具用刨花板的物理力學(xué)性能要求。原因在于，少量PMDI的引入，可以在一定條件下加速UF的固化，PMDI膠黏劑本身良好的粘接性能，與木材之間形成的共價鍵使膠黏劑與刨花之間緊密連接，因此板材靜曲強(qiáng)度提高。同時板材結(jié)構(gòu)對輕質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度具有不同的影響，單層結(jié)構(gòu)與三層結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度無明顯差別，用大刨花制備的輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度明顯優(yōu)于其他兩種較小刨花制備的板材。這是因為刨花形態(tài)不同，大刨花較其他兩種刨花長而薄，長厚比較大，刨花在板中排列有較明顯的縱向特征，單個刨花強(qiáng)度較高，使大片刨花之間結(jié)合更為緊密，膠合性能較強(qiáng)。同時，單板貼面型輕質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度要明顯優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)和三層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板，原因在于刨花板表面所貼的一層單板，在受力時能承載更大的彎曲載荷。

2.4 吸水厚度膨脹率

UF膠黏劑制備的人造板通常耐水性能較差，需要在生產(chǎn)過程中加入防水劑以提高其耐水性能。而PMDI是非極性物質(zhì)，因其具有芳環(huán)等疏水結(jié)構(gòu)[22-24]，與脲醛樹脂中的羥基（—OH）反應(yīng)生成取代脲，這使得固化后的PMDI具有極高的防水耐候性能。圖6所示為采用UF/PMDI組合膠黏劑與純PMDI膠黏劑制備的不同結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率。在均未添加防水劑的情況下，用UF/PMDI組合膠黏劑制備的輕質(zhì)刨花板吸水厚度膨脹率高于純PMDI膠黏劑，尤其是單層結(jié)構(gòu)、中小刨花制備的輕質(zhì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率分別為35.95%和22.68%，高于純PMDI膠黏劑制備的同一結(jié)構(gòu)、相同刨花形態(tài)條件下制得的輕質(zhì)刨花板。

圖6 不同板材結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率Fig.6 2 h thickness swelling of light-weight particleboards with different plate structures

對于三層和單板貼面的板材結(jié)構(gòu)，2種膠黏劑制備的輕質(zhì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率相差不明顯，其中使用UF/PMDI組合膠黏劑制備的三層結(jié)構(gòu)大刨花與中刨花輕質(zhì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率分別為6.24%和10.71%。三層中刨花結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板不能滿足家具用刨花板（8%）的要求，三層結(jié)構(gòu)的板材刨花形態(tài)對吸濕性有較大影響。采用UF/PMDI組合膠制備的單板貼面的3種輕質(zhì)刨花板，其2 h吸水厚度膨脹率相差也不大， 2 h吸水厚度膨脹率分別為7.96%、7.09%和6.15%，能夠滿足干燥狀態(tài)下家具用刨花板（P2型）要求。

為進(jìn)一步探究輕質(zhì)刨花板的防水性能，對其進(jìn)行24 h吸水厚度膨脹率（24 h TS）測試，結(jié)果如圖7所示。隨著時間的延長，UF/PMDI組合膠黏劑制備的單層中刨花和小刨花結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板24 h吸水厚度膨脹率達(dá)到64.83%和31.63%，由于這2種輕質(zhì)刨花板所用刨花尺寸較小，刨花板內(nèi)部空隙較多，板材組織蓬松，與水的接觸面積大，導(dǎo)致吸水厚度膨脹率較大，板材吸濕性強(qiáng)。同樣，UF/PMDI組合膠黏劑制備的三層結(jié)構(gòu)與單板貼面結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板吸水厚度膨脹率也隨時間的增長而提高，不同程度地增加了5%～10%，且單板貼面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板的24 h吸水厚度膨脹率要高于三層結(jié)構(gòu)型的輕質(zhì)刨花板，由于隨著時間的延長，楊木單板本身的吸濕性也隨之增加，這是刨花芯層與楊木單板共同作用的效果。從刨花形態(tài)來看，3種結(jié)構(gòu)板材中，大刨花的吸水厚度膨脹率都要小于中刨花和小刨花，這是因為大尺寸刨花長厚比較大，刨花板內(nèi)部空隙被壓縮，膠黏劑能很好地在刨花表面形成膠結(jié)，從而使刨花吸水后膨脹率較小[25-26]。

圖7 不同板材結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板24 h吸水厚度膨脹率Fig.7 24 h thickness swelling of light-weight particleboards with different plate structures

2.5 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度是反映人造板材膠合質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度越高表明人造板膠合性能越好。內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與板材的膠黏劑種類有關(guān)，UF/PMDI組合膠黏劑對輕質(zhì)刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖8所示，與純PMDI膠黏劑制備的輕質(zhì)刨花板對比表明，刨花形態(tài)與板材結(jié)構(gòu)對輕質(zhì)刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響較大。

圖8 不同板材結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度Fig.8 Effects of UF/PMDI and pure PMDI adhesive on internal bonding (IB) of light-weight particleboards with different plate structures

與純PMDI膠黏劑制備的輕質(zhì)刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度相比，UF/PMDI組合膠黏劑制備的刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度較低，一部分組合膠制備的輕質(zhì)刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度未達(dá)到0.4 MPa，單層結(jié)構(gòu)小刨花輕質(zhì)刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度僅為0.19 MPa，說明刨花形態(tài)與板材結(jié)構(gòu)影響刨花板的膠合強(qiáng)度。3種板材結(jié)構(gòu)中單板貼面結(jié)構(gòu)和單層結(jié)構(gòu)大刨花的輕質(zhì)刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度能滿足家具用刨花板的要求，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度分別為0.40、0.75、0.55 MPa和0.42 MPa。刨花尺寸對板材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度有不同程度的影響，在同等施膠量的條件下，較大尺寸刨花在施膠過程中膠黏劑分布更均勻，在壓力作用下，刨花之間的膠合強(qiáng)度高，因此輕質(zhì)刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也較高。而在組合膠制備的單板貼面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板中，中刨花的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于小刨花和大刨花，其原因在于中刨花相對于大刨花較細(xì)，比較容易壓縮，板材內(nèi)部不分層，故而內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度較大；而小刨花原料過于細(xì)碎，降低了原料本身的結(jié)合強(qiáng)度，使得板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也降低。

2.6 微觀形態(tài)分析

采用超景深顯微鏡對8種結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板的鋸切斷面進(jìn)行觀測，獲得不同刨花形態(tài)與結(jié)構(gòu)條件下輕質(zhì)刨花板的微觀形態(tài)。圖9中1-5號圖分別為序號1-5板材結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板結(jié)構(gòu)斷面，從圖中可見，在三層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板中不同形態(tài)的刨花之間有分層現(xiàn)象，如圖中虛線所示。其中4號圖所示為三層結(jié)構(gòu)中大刨花與小刨花之間的界面，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.32 MPa，5號圖所示為中刨花與小刨花之間的界面，其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.27 MPa，說明大刨花與表層小刨花之間的結(jié)合優(yōu)于中刨花與小刨花，且空隙相對較小。

圖9 序號1-5板材結(jié)構(gòu)斷面微觀分析圖Fig.9 No. 1-5 microstructure analysis diagram of plate structure section

圖10中6～8號圖所示為單板貼面結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板結(jié)構(gòu)斷面，圖中虛線部分表示的是單板與各種不同形態(tài)刨花之間的界面。由8號圖可見，單板與大刨花結(jié)合的組織相對緊密，因此其靜曲強(qiáng)度和吸水厚度膨脹率均優(yōu)于中刨花與小刨花與單板的結(jié)合。單板與小刨花之間的孔隙較大，因此內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度相對較差，單板與中刨花之間的結(jié)合界面要優(yōu)于小刨花與單板的界面結(jié)合，因此其內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度相對較高。

圖10 序號6-8板材結(jié)構(gòu)微觀分析圖Fig.10 No. 6-8 microstructure analysis diagram of plate structure section

3 結(jié)論

本文采用UF/PMDI組合膠黏劑，以先噴涂脲醛樹脂，再噴涂異氰酸酯的施膠工藝，制備8種不同刨花形態(tài)與板材結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板，研究板材結(jié)構(gòu)和刨花形態(tài)對輕質(zhì)刨花板物理力學(xué)性能的影響，并與純PMDI制備的輕質(zhì)刨花板性能進(jìn)行分析對比，得出以下結(jié)論：用UF/PMDI組合膠黏劑制備的單層結(jié)構(gòu)與三層結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)刨花板，其靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、2 h和24 h吸水厚度膨脹率均低于純PMDI制備的輕質(zhì)刨花板，但組合膠黏劑制備的單板貼面結(jié)構(gòu)輕質(zhì)刨花板靜曲強(qiáng)度均大于14 MPa，能滿足GB/T4897—2015家具用刨花板（P2型）強(qiáng)度要求。因此，可考慮降低單板內(nèi)芯層密度，在達(dá)到板材強(qiáng)度要求前提下，確定密度降低的最低值。