意楊木材層積塑料制造工藝研究

肖 飛， 蒲湘云， 付祥飛， 關(guān)明杰*

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院， 江蘇 南京 210037； 2.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004)

意楊木材層積塑料制造工藝研究

肖 飛1， 蒲湘云2， 付祥飛1， 關(guān)明杰1*

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院， 江蘇 南京 210037； 2.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004)

用低分子量酚醛樹脂膠對意楊旋切單板進行浸漬處理，采用單因素試驗法，探討了熱壓壓力對產(chǎn)品性能的影響，分析各壓力水平下板材的密度、含水率、順/橫紋抗彎彈性模量、沖擊韌性等物理力學性能，得出符合要求的熱壓工藝參數(shù)。結(jié)果表明： 在熱壓單位壓力3.5 MPa，熱壓溫度150 ℃，熱壓時間5 min/mm條件下，板材的力學性能和尺寸穩(wěn)定性能最佳。

意楊旋切單板； 木材層積塑料； 低分子量酚醛樹脂

木材層積塑料板是用浸漬有酚醛樹脂膠的薄單板，經(jīng)組坯后，在高壓下，通過熱的作用而壓制成的一種層壓材料[1]。木材是一種多孔性的膠質(zhì)體，經(jīng)樹脂浸漬后，樹脂向木材內(nèi)部滲透，在高壓和熱的作用下，木材本身發(fā)生塑化，樹脂膠和木材之間發(fā)生物理化學變化，使這種層壓材料成為不可逆反應(yīng)的堅實材料，具有很高的力學強度和電絕緣性能，在大氣相對濕度變化條件下，尺寸穩(wěn)定性好，且具有耐腐蝕性，可用作建筑、機械、船舶、航空、電氣工業(yè)的材料[2]。我國生產(chǎn)木材層積塑料的歷史較短，但近年產(chǎn)量有所增加。從國內(nèi)外生產(chǎn)木材層積塑料所用樹種來看，主要是用闊葉材種中的散孔材，即樺木、榆木等[3-4]。而今樺木供應(yīng)不足，所以尋找代用樹種，對我國木材層積塑料的發(fā)展具有重要意義。

我們以蘇北意楊作為研究對象，以低分子量酚醛樹脂膠(PF膠)浸漬意楊旋切單板，采用單因素試驗法，壓制木材層積塑料板，并檢測其物理力學性能，為意楊單板制造客車車廂底板用高密度耐磨耐腐面層材料提供技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1 楊木采集和試件加工 試驗用意楊(Populusspp.)木材產(chǎn)于江蘇省灌南縣，由連云港南方木業(yè)有限公司提供，木材采集和試件加工按照國家標準GB1929-40-91進行。

1.1.2 低分子量浸漬型酚醛樹脂的制備 以工業(yè)苯酚和工業(yè)甲醛為原料，在氫氧化鈉(分析純)催化作用下，以各組分物質(zhì)的量比為n(苯酚P)∶n(甲醛F)∶n(氫氧化鈉NaOH)=1∶2.1∶0.1，在實驗室條件下合成[5]。

酚醛樹脂固化物含量、粘度(涂-4杯法)等指標均按照國家標準GB/T 14074-2006[6]木材膠粘劑及其樹脂檢驗方法進行檢測，其各項性能指標見表1。

表1 浸漬型酚醛樹脂各項性能指標Tab 1 Thepropertiesofimpregnatedphenolicresin樹脂pH值NaOH(%)固含量(%)粘度(s)浸漬型9 238 844 721

1.2試驗設(shè)備

JA5003電子分析天平(上海天平儀器廠)；三口燒瓶、水浴鍋、攪拌器、冷凝管、鐵架臺、涂-4杯、燒結(jié)玻璃過濾器(No.3)、試劑瓶、量筒、定量瓶、自制浸膠槽、比重計、平板硫化機、電圓鋸機、萬能力學試驗機、沖擊韌性試驗機。

1.3試驗方法

1.3.1 單板浸漬 采用常溫常壓浸漬，浸膠槽為自制浸膠槽。在固含量44. 7%的膠液加入蒸餾水，調(diào)制成固含量30%、密度約為1.1 g/m3的酚醛樹脂溶液，加入適量乙醇，增強樹脂的分散性。

將單板進行分等編號分組，對每組5張單板進行稱重，每次5張單板一組共3組置于浸膠槽內(nèi)，每層單板間用薄木片隔開，并用攪拌器攪拌膠液，以便膠液能在單板間循環(huán)流動，每隔30min翻動單板，增強浸漬效果，浸漬4 h后，取出滴膠瀝干30 min后，至于50 ℃干燥箱中干燥2 h，直至浸膠單板的含水率控制在6%～8%。每浸漬完一批單板，用比重計測定膠液密度，適度添加固含量44.7%的膠溶液，使膠液密度與初次浸漬時相同，減少浸漬過程造成的實驗誤差。本次實驗采用稱重增重率估算控制浸膠單板的含水率[7-12]。預(yù)備實驗測算得出浸漬4 h后單板的增重率約為25%，計算公式如下：

1.3.2 熱壓 采用5層單板交錯組坯壓制高密度木材層積塑料樹脂層。熱壓工藝參數(shù)：參考相關(guān)文獻確定采用單因素試驗法，溫度為145～150 ℃；熱壓時間5 min/mm；熱壓壓力確定3個水平： 3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa。達到規(guī)定的熱壓時間后，立即關(guān)閉加熱開關(guān)，自然冷卻至少2 h，待壓機溫度在90 ℃以下后，分段緩慢降壓卸板，并立即將卸出板用口字形重物壓好陳放。

1.3.3 物理力學性能測定 依據(jù)國家標準LY/T 1401-2013木質(zhì)層積塑料專業(yè)標準[13]，并參照國家標準GB-T 17657-2013人造板及飾面人造板理化性能試驗方法[14]進行測定。主要對高密度木材層積塑料層的密度(D)、極限吸水率、24 h吸水厚度膨脹率(TS)、線膨脹率、抗彎彈性模量(MOE)、沖擊韌性等指標進行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1板材物理力學性能檢測結(jié)果

由表2可以看出，不同的熱壓壓力對板材物理力學性能有一定的影響，設(shè)定3個水平熱壓壓力的板材，其單板密度、含水率、24 h吸水率、24 h吸水厚度膨脹率、極限吸水率、順紋抗彎彈性模量、橫紋抗彎彈性模量、沖擊韌性、各方向線膨脹率等物理力學性能均有所不同。

2.2各壓力水平下板材基本物性對比

從圖1可以看出，各單位壓力水平下，板材的密度均超過了1.0 g/cm3，楊木單板在高壓下得以密實化，達到國家行業(yè)標準要求[13]，適于用作非對稱結(jié)構(gòu)客車車廂底板的高密度面層材料；隨著單位壓力的增加，板材密度呈遞增趨勢，但增長幅度不是很明顯。

表2 板材物理力學性能Tab 2 Thephysicalandmechanicalpropertiesoftheboard熱壓壓力水平(MPa)密度(g/cm3)含水率(%)24h吸水率(%)24h吸水厚度膨脹率(%)極限吸水率(%)抗彎模量(MPa)順紋橫紋沖擊韌性(kJ/m2)各方向線膨脹率(%)長度寬度厚度3 01 037 716 26 140 810510436054 10．140 377．413 51 076 714 15 838 412330545065 60．160 368．734 01 138 512 14 133 28580518072 30．210 3710．03

圖1 密度對比Fig.1 Comparison of density

圖2 含水率對比Fig.2 Comparison of moisture content

從圖2可以看出，隨著單位壓力增加，板材的含水率呈不規(guī)則的變化，單位壓力3.5 MPa壓力下含水率最小，這是由于單板浸漬后進壓機前旋切單板含水率應(yīng)控制6%～8%，而由于單板浸漬量的差異，無法準確控制每組單板的含水率，因此熱壓陳放后各壓力水平下的板材含水率稍有差異，但均低于國家標準，符合本次試驗的要求。

2.3各壓力水平下板材吸水性能對比

圖3所示板材的24 h吸水率，隨著單位壓力的增大呈遞減趨勢，其值對比普通楊木LVL膠合板，降幅達50%。其原因是由于熱壓壓力增大，導(dǎo)致板材密實化，細胞腔空間變小，加上浸漬注入細胞腔的酚醛樹脂膠固化占據(jù)大部分細胞間隙，隨著單位壓力增加，水分愈難滲透，24 h吸水率降低。

圖3 24 h吸水率對比Fig.3 Comparison of water absorption in 24 h

圖4所示板材極限吸水率，隨著單位壓力的增加呈遞減趨勢。這與板材24 h吸水率變化規(guī)律基本一致。極限吸水率是板材浸泡在20±5 ℃水中30天以上的質(zhì)量變化率，單位壓力越大，細胞壁間相互接觸越緊密，細胞腔細胞間隙被PF膠填充粘合，抵抗水平滲透能力越強，極限吸水率越低，性能越好。

圖4 極限吸水率對比Fig.4 Comparison of limit water absorption

2.4各壓力水平下板材尺寸穩(wěn)定性能對比

圖5所示板材的24 h吸水厚度膨脹率，在各壓力水平下，隨著單位壓力的增大呈遞減趨勢，單位壓力愈大，吸水厚度膨脹率越小。這3個壓力水平下吸水厚度膨脹率值均不超過6.1%，說明板材經(jīng)PF膠浸漬高壓后，細胞間隙和細胞腔被填充粘合回彈空間越小，板材尺寸穩(wěn)定性越好。

圖5 24 h吸水厚度膨脹率對比Fig.5 Comparison of thickness swelling in 24 h

從圖6可以看出，各壓力水平下板材3個方向的線膨脹率，長度方向和寬度方向線膨脹率極小，只有百分之零點幾，厚度方向的線膨脹最大是前二者的幾十倍；隨著單位壓力增大，板材長度和厚度方向的線膨脹率呈遞增趨勢，寬度方向線膨脹率基本持平。木材是各向異性材料，各個方向吸水膨脹變形率是不同的(縱向最小0.1%，徑向次之4%～8%，弦向最大8%)。由于板材為交錯組坯的5層結(jié)構(gòu)，長度方向主紋理為木材順紋方向，線膨脹率很小(≤0.25%)；寬度方向本為木材弦向，但由于順橫紋交錯紋理，線膨脹率下降(≤0.40%)；厚度方向為木材徑向，線膨脹率最大。可以看出，經(jīng)PF浸漬高壓的木材層積塑料板材，各壓力水平下長寬方向的線膨脹率相近，板材各向異性差異小，穩(wěn)定性好。

圖6 各方向線膨脹率對比Fig.6 Comparison of line expansion rate

2.5各壓力水平下板材力學性能對比

由圖7可以看出，各壓力水平下板材的順紋MOE值(順紋彈性模量)呈不規(guī)則變化，在壓力3.5 MPa情況下順紋MOE值比壓力3.0 MPa有較大幅度增長；當單位壓力為4.0 MPa時，順紋MOE值卻出現(xiàn)更大幅度降低。其原因可能是由于在單板壓縮極限內(nèi)，隨著單位壓力的增加，壓縮率增大，板材的順紋MOE值也增大；板材的抗彎彈性模量代表板材抵抗外力改變其形狀的能力，板材經(jīng)PF浸漬處理后，其數(shù)值有隨著密度增加而增加的趨勢，但過高的壓縮率可造成板材被壓潰，自身強度不增反而減低，經(jīng)過PF浸漬熱壓后，孔隙率下降，彈性減弱，脆性增加，順紋MOE值下降。因此當單位壓力為3.5 MPa時，板材順紋MOE值達到最大為12.3 GPa，高于國家標準，力學性能最佳。

圖7 順紋MOE對比Fig.7 Comparison of longitudinal MOE

圖8所示板材橫紋MOE值，由于板材是縱橫交錯組坯的5層結(jié)構(gòu)，主要受力層為兩層順紋單板，故各壓力水平下橫紋MOE值遠小于順紋MOE值；同樣在壓縮極限范圍內(nèi)，橫紋MOE值隨單位壓力增加而增大，當壓力為3.5 MPa時橫紋MOE值為5.4 GPa，壓力變?yōu)?.0 MPa后，由于板材被壓潰，力學性能下降，橫紋MOE值變小。

圖8 橫紋MOE對比Fig.8 Comparison of tangential MOE

圖9 沖擊韌性對比Fig.9 Comparison of impact toughness

從圖9可以看出，隨著單位壓力的增大，板材沖擊韌性呈遞增趨勢，在3.5 MPa和4.0 MPa兩個壓力水平下，沖擊韌性值均大于國家標準(59kJ/m2)。材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力較強，板材沖擊韌性好[15]，說明經(jīng)過PF膠浸漬熱壓的意楊膠合板，并未完全塑化，兼具木材和塑料的雙重優(yōu)點，具有較好的力學性能和尺寸穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與討論

本研究通過單因素試驗確定了意楊木材層積塑料最佳熱壓工藝參數(shù)為：熱壓單位壓力3.5 MPa，熱壓溫度150 ℃，熱壓時間5 min/mm。利用最佳熱壓工藝壓制的木材層積塑料，密度1.07 g/cm3、含水率6.7%、24 h吸水率14.1%、24 h吸水厚度膨脹率5.8%、順紋抗彎模量12.3 GPa、橫紋抗彎模量5.4 GPa、沖擊韌性65.6 kJ/m2，長度和寬度方向線膨脹率極小且?guī)缀跸嗤?，各向異性小，具有較好的物理力學性能和尺寸穩(wěn)定性能。

該方法制備的楊木木材層積塑料板，在物理力學性能及尺寸穩(wěn)定性方面比普通楊木膠合板具有較大程度的改善，適于用做客車車廂底板用非對稱結(jié)構(gòu)膠合板高耐磨耐腐的面層材料，是速生木材的一種新的利用方式，具有廣闊的應(yīng)用前景及市場潛力。

[1] 李強.膠合板生產(chǎn)工藝技術(shù)與質(zhì)量驗收標準規(guī)范實務(wù)全書[M].合肥:安徽文化音像出版社, 2005．

[2] 袁東言.毛白楊木材層積塑料制造工藝研究[J].林業(yè)科學,1964(2):182-187.

[3] 夏志遠.酚醇(低縮合酚醛樹脂)木材層積塑料制造工藝的研究[J].林業(yè)科學,1963, 8(2):161-166.

[4] 余先純,孫德林, 吳瑛.浸漬用酚醛樹脂的合成研究[J].遼寧化工,2008(4):239-241.

[5] 李文定,張洋, 阮重堅, 等. 楊木單板的壓縮與樹脂浸漬處理對膠合板性能的影響[J].林產(chǎn)工業(yè),2010, 37(6):10-13.

[6] GB/T 14074-2006, 木材膠粘劑及其樹脂檢驗方法[S].

[7] 陳波,張玉玲, 范鵬輝, 等.低分子酚醛樹脂處理楊木物理力學性能測試[J].遼寧林業(yè)科技,2009(6):18-21.

[8] 吳盛富.我國楊木資源與膠合板工業(yè)的發(fā)展[J].中國人造板,2008(5):24-28.

[9] 關(guān)明杰,儲文龍, 趙青, 等. 楊木單板層積材復(fù)合裝飾結(jié)構(gòu)型材的制造及性能[J].林產(chǎn)工業(yè),2012, 39(2):17-18.

[10] 肖飛,饒文彬, 魏娟, 等. 軟化處理對楊木刨切單板性能的影響[J].林業(yè)科技開發(fā),2013, 27(4):65-67.

[11] 韋益民,王體科, 張亞池.體育器材用木質(zhì)層積塑料生產(chǎn)工藝的研究[J].林產(chǎn)工業(yè),1994, 21(2):16-18.

[12] 陳桂華,余運通.楊木膠合板模板工藝研究[J].林產(chǎn)工業(yè),2002, 29(3):18-20.

[13] LY/T 1401-2013, 木質(zhì)層積塑料國標[S].

[14] GB/T 17657-2013, 人造板及飾面人造板理化性能試驗方法[S].

[15] 黃曉東.速生意大利楊木單板在水泥模板中的應(yīng)用[J].林產(chǎn)工業(yè),1999, 26(1):28-30.

(文字編校：張 珉)

Manufacturingprocessofpoplarlaminatedwoodplastics-compreg

XIAO Fei1, PU Xiangyun2, FU Xiangfei1, GUAN Mingjie1*

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

The performance of laminated wood plastics-compreg made by peeled poplar veneer impregnated with low-molecular weight phenolic resin was researched. Density, moisture content, modulus of elasticity (MOE) and impact toughness were tested.And the optimum parameters were obtained by single factor design in the experiment. The results showed that, when hot-pressing pressure was 3.5 MPa, hot-pressing temperature was 150 ℃ and hot-pressing time was 5 min/mm, the mechanical properties and dimension stability of the board were the best.

poplar peeled veneer; laminated wood plastics-compreg; low-molecular weight phenolic resin

2014-05-23

蘇北科技發(fā)展計劃——科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項目(BC2012428)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程項目(PAPD)。

肖 飛(1988-)，男，湖南省邵陽市人，在讀碩士，主要從事木質(zhì)復(fù)合材料的研究。

*為通訊作者。

TS 653.3

A

1003-5710(2014)04-0035-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2014. 04. 008