何 超，劉 璐，沈佳龍，周 琪，劉鑫榮，劉振東

(1. 吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033； 2. 中國(guó)木材與木制品流通協(xié)會(huì)，北京 100040)

過(guò)去，軌道交通工具(動(dòng)車(chē)、高鐵)的地板和裝修普遍采用傳統(tǒng)干燥鋸材，由于木材縱向強(qiáng)度高，橫向強(qiáng)度低，遇濕膨脹，遇干收縮，容易開(kāi)裂、翹曲、皺縮等，存在穩(wěn)定性較差的問(wèn)題[1]。之后使用普通膠合板替代木材應(yīng)用在列車(chē)地板和裝修中，因?yàn)槟z合板的橫縱向相對(duì)匹配平衡，穩(wěn)定性相對(duì)更高。但膠合板也存在強(qiáng)度低、環(huán)保性不高，使用周期較短等問(wèn)題[2]，導(dǎo)致普通膠合板在軌道交通工具中的應(yīng)用有減少的趨勢(shì)?；诖?，尋求一種強(qiáng)度高、環(huán)保性強(qiáng)的新型膠合板替代干燥鋸材具有重要意義。在此背景下，本文提出高強(qiáng)度樺木膠合板生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)對(duì)膠黏劑以及膠合板生產(chǎn)工藝的改良，提高膠合板的強(qiáng)度及其環(huán)保性能，替代干燥鋸材，推動(dòng)膠合板在高鐵、動(dòng)車(chē)及集裝箱底板等方面的應(yīng)用。

1 材料與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 儀器設(shè)備

試驗(yàn)用儀器設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

2 試驗(yàn)方法

2.1 高強(qiáng)度樺木膠合板制備

2.1.1 單板含水率

將樺木單板置于溫度為(60±5)℃的恒溫干燥箱中烘干，表板含水率控制在11 %～12 %，芯板含水率控制在9 %～10 %。

2.1.2 三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂

首先制備初期酚醛樹(shù)脂，苯酚與甲醛的摩爾比為1︰1.8。再將0.1 mol三聚氰胺緩慢加入其中，使其充分反應(yīng)得到三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑，固含量為47.68 %。

2.1.3 高強(qiáng)度樺木膠合板制備

膠合板采用雙面施膠并按照表板為順紋理方向單板，次表板纖維方向與表板垂直，3、4層和14、15層為兩層順紋理方向單板，5～13層相鄰單板纖維方向相互垂直的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組坯(成品膠合板共17層，厚度控制在17～18 mm)。預(yù)壓時(shí)間為40 min，壓力為0.8 MPa。預(yù)壓完成后再進(jìn)行熱壓，采用三段熱壓工藝。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)考察高強(qiáng)度樺木膠合板熱壓過(guò)程中熱壓壓力、熱壓溫度、熱壓時(shí)間以及施膠量對(duì)膠合強(qiáng)度的影響，確定其最佳熱壓工藝。L9(34)正交試驗(yàn)的因素水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.3 玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板制備

2.3.1 浸漬用三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂

向固含量為47.68 %的三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂中加入蒸餾水進(jìn)行稀釋，調(diào)制成固含量為30 %的三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑。

2.3.2 玻璃纖維布浸漬

將玻璃纖維布浸漬于2.3.1制備的浸漬用三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑中，浸漬15 min以上，取出并除去附在表面的膠黏劑，晾干。

2.3.3 膠合板制備

同2.1.3。在次表層放置浸漬的玻璃纖維布(成品膠合板共17層，厚度控制在17～18 mm)。

2.4 表面強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板制備

2.4.1 表板浸漬

在常溫常壓下將表層單板浸漬于2.3.1制備的浸漬用三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑中，加入適量乙醇溶液增強(qiáng)樹(shù)脂分散性，在攪拌條件下浸漬1 h后預(yù)干，在80～100 ℃條件下烘干至含水率為11 %～12 %，再與芯層單板組坯膠壓。

2.4.2 膠合板制備

同2.1.3。由浸漬后的表板和芯板組成，成品膠合板共17層，厚度控制在17～18 mm。

2.5 膠合板性能指標(biāo)檢測(cè)

2.5.1 膠合板物理力學(xué)性能檢測(cè)

參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》(GB/T 17657—2013)，測(cè)定膠合板的膠合強(qiáng)度(參照Ⅰ類(lèi)膠合板檢測(cè)方法，多個(gè)膠層檢測(cè)取平均值)、彈性模量、靜曲強(qiáng)度和表面耐磨。

2.5.2 甲醛釋放量檢測(cè)

參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》(GB/T 17657—2013)中干燥器法和1 m3氣候箱法，分別測(cè)定膠合板的甲醛釋放量。

3 結(jié)果與討論

3.1 高強(qiáng)度樺木膠合板膠合強(qiáng)度及其方差分析

為探究熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力以及施膠量對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)獲得高強(qiáng)度樺木膠合板的最佳熱壓工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，方差分析如表5所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及膠合強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表5 膠合強(qiáng)度正交試驗(yàn)方差分析

從表4中可以看出，在該試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，影響高強(qiáng)度樺木膠合板膠合強(qiáng)度因素的主次順序?yàn)椋簾釅簻囟?熱壓壓力>熱壓時(shí)間>施膠量。膠合板的最佳熱壓工藝組合為：熱壓溫度140 ℃，熱壓壓力1.5 MPa，熱壓時(shí)間20 min，施膠量300 g·m-2。從表5中可以看出，熱壓溫度對(duì)膠合強(qiáng)度有著顯著影響。

采用三段熱壓工藝(見(jiàn)圖1)，避免了多層膠合板在熱壓過(guò)程中易存在的鼓泡、膠層不同步固化等問(wèn)題。由于膠合板組坯過(guò)程中表板含水率高，芯板含水率低，在熱壓過(guò)程中表板形成的水蒸氣會(huì)形成高壓氣體進(jìn)入芯層，提高芯層熱壓溫度，促進(jìn)芯層固化。短暫的卸壓可將芯層的水蒸氣排除，防止膠合板鼓泡，從而達(dá)到膠合板同步固化，增強(qiáng)其膠合強(qiáng)度的目的。

圖1 高強(qiáng)度樺木膠合板熱壓曲線

3.2 高強(qiáng)度樺木膠合板、玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板及表面強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板理化性能

通過(guò)上文對(duì)高強(qiáng)度樺木膠合板熱壓工藝的探究，得到高強(qiáng)度樺木膠合板的最佳熱壓工藝。為進(jìn)一步提高膠合板的物理力學(xué)性能，在原有基礎(chǔ)上增加了玻璃纖維布和表板浸漬工藝，分別制得玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板和表面強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板，并對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)。高強(qiáng)度樺木膠合板、玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板以及表面強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 性能檢測(cè)結(jié)果

表6(續(xù))

從表6中可以看出，3組膠合板的膠合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度、彈性模量及甲醛釋放量均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通膠合板》(GB/T 9846—2015)相關(guān)要求，表面耐磨達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《浸漬膠膜紙飾面膠合板和細(xì)木工板》(GB/T 34722—2017)相關(guān)要求。玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板的物理力學(xué)性能較高強(qiáng)度樺木膠合板均有顯著提高，膠合強(qiáng)度提升26.83 %，靜曲強(qiáng)度最高提升48.55 %，彈性模量最高提升37.97 %。表面強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板的物理力學(xué)性能較高強(qiáng)度樺木膠合板膠合強(qiáng)度提升28.66 %，靜曲強(qiáng)度最高提升46.38 %，彈性模量最高提升25.49 %。添加玻璃纖維和對(duì)表板浸膠處理提高了膠合板靜曲強(qiáng)度和彈性模量，長(zhǎng)期使用不易開(kāi)裂、膨脹[3，4]。較高的靜曲強(qiáng)度和彈性模量保障了木材在受到更大的外力作用時(shí)不發(fā)生彎折變形。

從甲醛釋放量的數(shù)據(jù)可以看出，3組膠合板的甲醛釋放量結(jié)果均達(dá)到《人造板及其制品甲醛釋放量分級(jí)》(GB/T 39600-2021)規(guī)定的E0級(jí)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)(≤ 0.050 mg·m-3)。試驗(yàn)采用三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑，由于三聚氰胺具有較多的官能團(tuán)，能與甲醛產(chǎn)生較多交聯(lián)，提高體系的反應(yīng)活性，降低膠黏劑中的游離甲醛，從而降低甲醛釋放量[5]。同時(shí)三聚氰胺本身又是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，具有良好的耐水性、較高的硬度和抗壓強(qiáng)度，增加了樹(shù)脂交聯(lián)度，其制得板材的物理力學(xué)性能也有明顯提升。

表板強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板在表層力學(xué)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，表板經(jīng)過(guò)浸膠處理的高強(qiáng)度樺木膠合板的磨耗值可達(dá)到45 mg·(100r)-1，350 r后表面無(wú)露底現(xiàn)象，較高強(qiáng)度樺木膠合板和玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板，具有較好的耐磨性能，較高強(qiáng)度樺木膠合板磨耗值降低27.42 %，能夠延長(zhǎng)板材的使用年限，提高板材的防腐和耐磨性能。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)增加表板厚度和芯板順紋理層數(shù)，采用三段熱壓工藝以及使用三聚氰胺改性酚醛樹(shù)脂膠黏劑等一系列生產(chǎn)工藝壓制而成的高強(qiáng)度樺木膠合板，從性能檢測(cè)結(jié)果中可得出以下結(jié)論：

(1)高強(qiáng)度樺木膠合板最佳熱壓工藝條件：熱壓壓力為1.5 MPa；熱壓溫度為140 ℃；熱壓時(shí)間為20 min。

(2)玻璃纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度樺木膠合板的物理力學(xué)性能較高強(qiáng)度樺木膠合板均有顯著提高，膠合強(qiáng)度提升26.83 %，靜曲強(qiáng)度最高提升48.55 %，彈性模量最高提升37.97 %。甲醛釋放量達(dá)到E0級(jí)，環(huán)保性能顯著提升，可應(yīng)用于動(dòng)車(chē)地板、家具及裝修中。

(3)表面強(qiáng)化高強(qiáng)度樺木膠合板較高強(qiáng)度樺木膠合板，膠合強(qiáng)度提升28.66 %，靜曲強(qiáng)度最高提升46.38 %，彈性模量最高提升25.49 %，磨耗值降低27.42 %。甲醛釋放量同時(shí)也達(dá)到E0級(jí)，可適用于平板貨車(chē)底板、集裝箱底板等方面的應(yīng)用。