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)

過去，軌道交通工具(動(dòng)車、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，容易開裂、翹曲、皺縮等，存在穩(wěn)定性較差的問題[1]。之后使用普通膠合板替代木材應(yīng)用在列車地板和裝修中，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脂

首先制備初期酚醛樹脂，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脂

向固含量為47.68 %的三聚氰胺改性酚醛樹脂中加入蒸餾水進(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脂膠黏劑中，加入適量乙醇溶液增強(qiáng)樹脂分散性，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(見圖1)，避免了多層膠合板在熱壓過程中易存在的鼓泡、膠層不同步固化等問題。由于膠合板組坯過程中表板含水率高，芯板含水率低，在熱壓過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)，可適用于平板貨車底板、集裝箱底板等方面的應(yīng)用。