木粉/酚醛模壓復合材料抗彎強度的影響因素1)

侯國君 劉賢淼 宋偉 張雙保

(木材科學與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京，100083) (國際竹藤中心) (木材科學與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學))

復合材料模壓成型是工業(yè)中一種重要的材料成型工藝，而酚醛樹脂作為優(yōu)良的塑料產品，生產模壓制品是酚醛樹脂的主要用途之一，經壓塑粉通過模壓工藝壓制成型，可用于門把手、開關、日用品及建筑裝飾復合材料等。酚醛樹脂的自身結構導致其脆性大，需要通過其他途徑改善。添加木粉是常用的方法，主要因為成本低、分散性好，而且制備的產品加工性和力學性能好［1］。在前人的研究基礎上［2-4］，通過試驗室條件，以楊木粉為增強材料配以熱固性酚醛樹脂和助劑，通過模壓復合形成一種可用于門把手、開關的建筑裝飾材料。試驗對詳盡的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，通過響應面分析法研究了不同的工藝因子(施膠量、模壓溫度、模壓時間)對抗彎強度的影響，得出最優(yōu)的制備工藝，并對最優(yōu)的工藝參數(shù)進行驗證。通過復合材料的研制為高效利用木質纖維剩余物及有效、合理利用人工林速生材提供參考依據。

1 材料與方法

1．1 材料與設備

材料。楊木粉，河北行唐縣，粒徑80 目;熱固性酚醛樹脂(PF)，黏度0．06 ～0．10 Pa·s，固體質量分數(shù)40%～45%，密度1．195～1．205 g/cm3，紅色透明液體，堿度7．2%～7．7%，產品名稱14L962，北京太爾化工有限公司;油性脫模劑(LR-11)等。

設備與儀器。標準檢驗篩，浙江上虞市公路儀器廠;變頻單行星球磨機，DQM-2L 型，連云港市春龍試驗儀器有限公司;高速萬能粉碎機，LD -Y500A，上海頂帥電器有限公司;快速濕度分析儀，UM2000，意大利意瑪IMAL 公司;人造板萬能試驗機，BY602×2/2 150T，蘇州新協(xié)力機器制造有限公司;模具，北京林業(yè)大學機械廠自制［5］;游標卡尺等。

1．2 方法

制備方法包括模壓料準備、裝模、模壓等工序，如圖1 所示。

參考標準:①模壓工藝，參照GB/T 5471—2008塑料熱固性塑料試樣的壓塑。②彎曲強度，采用GB/T 9341—2008 塑料彎曲性能試驗方法。③抗彎強度性能指標，對比GB/T 24137—2009 木塑裝飾板。

圖1 模壓成型工藝流程

1．3 單因素試驗設計

1．3．1 施膠量對抗彎強度的影響

木粉間作用力較纖維板中纖維間交織力差，欲達到較高力學強度，施膠量比纖維板施膠量多。但如果施膠量過大，酚醛樹脂脆性較大的特性致使復合材料的力學性能較差，試驗設計施膠量在35%～65%范圍內，水平間隔10%。實驗結果表明，抗彎強度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，且在55%施膠量時，抗彎強度達到最好。因此，設置50%～60%施膠量進行響應面優(yōu)化。

1．3．2 模壓時間對抗彎強度的影響

由實驗得出，模壓溫度低于55 ℃時，復合材料抗彎強度隨模壓時間延長而增強，這是由于酚醛樹脂固化程度不斷加深;隨著模壓時間延長，模壓時間取55 s/mm 時抗彎強度最大，之后，抗彎強度略微降低，并趨于穩(wěn)定，可以認為酚醛樹脂基本固化完全，因而模壓時間設置為50～60 s/mm 進行響應面優(yōu)化。

1．3．3 模壓溫度對抗彎強度的影響

從單因素試驗可以看出溫度對酚醛/木粉模壓復合材料的影響，在模壓溫度到達160 ℃以后抗彎強度增加幅度不大。在150 ～160 ℃，抗彎強度有較大幅度上升，故選擇150 ～170 ℃進行響應面法優(yōu)化，水平間隔10 ℃。

1．4 響應面最優(yōu)試驗設計

單因素試驗結果表明，施膠量為55%，模壓時間為55 s/mm，模壓溫度為160 ℃時酚醛/木粉模壓復合材料的性能較好，但各個單因素條件的簡單組合不一定是復合材料模壓的最優(yōu)條件。響應曲面分析法是集數(shù)學和統(tǒng)計學方法于一體的優(yōu)化方法，根據Box-Behnken design(BBD)試驗響應曲面分析法優(yōu)化模壓參數(shù)，通過描繪響應值對考查因素的效應面，從效應面上選擇較佳的效應區(qū)，從而推出自變量取值范圍，即最佳試驗條件［6］。根據單因素試驗結果，通過Box-Behnken 模型以施膠量、模壓時間、模壓溫度為自變量，以抗彎強度為響應值設計響應面試驗擬合自變量與響應值之間的函數(shù)關系。

選用木粉/酚醛樹脂制備模壓材料，確定施膠量范圍50%～60%。模壓溫度范圍150 ～170 ℃，模壓時間范圍50～60 s/mm。試驗范圍和中心點及編碼數(shù)值的取值如表1 所示。

表1 響應面試驗分析的因素和水平

2 結果與分析

2．1 施膠量、溫度、模壓時間對抗彎強度的影響

采用Design Expert 軟件對試驗數(shù)據進行回歸分析［7］，得出17 次試驗響應結果，抗彎強度最大值為45．036 MPa，其因素條件分別為:施膠量55%，溫度160 ℃，時間50 s/mm;抗彎強度最小值33．465 MPa，其因素條件分別為:施膠量60%，溫度150 ℃，時間50 s/mm。平均抗彎強度為40．728 MPa，并求出抗彎強度與各因素變量的二次方程模型為:

式中:A 為施膠量;B 為模壓溫度;C 為模壓時間;Y為抗彎強度。

最大的抗彎強度值在試驗條件為施膠量54．23%，溫度為156．82 ℃，時間為60 s/mm 下取得，預測值為45．35 MPa。

2．2 施膠量、溫度和時間對抗彎強度影響的回歸模型和方差分析

根據表2 可以看出，試驗模型總回歸方程F 檢驗P＜0．000 1，試驗差異極顯著;失擬項P=0．531 3＞0．05，這表示試驗數(shù)據與模型擬合良好。通過對P值檢驗可以看出，A、B、C、BC、A2、B2、C2的P＜0．01(差異極顯著)，AB、AC 的P＞0．05(不顯著)。

表2 響應面二次回歸模型分析

因此，回歸方程可以較好地描述各因素與響應

2．3 響應面分析

通過響應面結果分析，因素之間的作用見圖2—圖4，但僅模壓溫度和模壓時間之間交互作用顯著?？梢钥闯?，當溫度逐漸增加的時候抗彎強度也逐漸增加，但增加幅度逐漸減小，溫度接近170 ℃時試樣的抗彎強度最大。隨著時間的增加抗彎強度逐漸增加，但增加的幅度逐漸減小，模壓時間接近60 s/mm 時，抗彎強度最大。

圖2 施膠量與模壓溫度對抗彎強度的影響

圖3 施膠量與模壓時間對抗彎強度的影響

圖4 模壓時間和模壓溫度對抗彎強度的影響

2．4 最優(yōu)工藝驗證

為了驗證回歸模型的可靠性，以響應面得到的最佳數(shù)值進行驗證試驗［8-9］，施膠量為54．23%，溫度為156．82 ℃，時間為60 s/mm，預測值為45．35 MPa。驗證試驗選取相似條件即施膠量54%、溫度157 ℃、時間60 s/mm，進行5 組平行試驗，取平均值為43．783 MPa，預測結果實測值非常接近，偏差較小，說明二次多項式數(shù)學模型進行等高值之間的真實關系，可以利用該回歸方程確定最佳的酚醛/木粉模壓復合材料的制備工藝?？箯潖姸扔绊懙拇笮∫来螢槭┠z量、溫度、模壓時間。同時，模型的復相關系數(shù)R2=0．996 0，調整后R2=0．990 8?？梢钥闯觯四Ｐ涂梢院芎玫胤从晨箯潖姸扰c施膠量、模壓時間、模壓溫度之間的關系，可以用于對酚醛木粉模壓復合材料抗彎強度進行優(yōu)化分析與預測。線疊加所得到的優(yōu)化區(qū)域符合設計目標，試驗設計和數(shù)學模型具有可靠性和重現(xiàn)性。

3 結論

通過單因素試驗確定了酚醛/木粉模壓復合材料工藝范圍:施膠量為50%～60%，模壓時間0 ～60 s/mm 模壓溫度150～170 ℃。通過Box-Behnken 試驗設計以及響應面分析，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得出較優(yōu)工藝條件為施膠量54%、溫度157 ℃、時間60 s/mm。在此工藝條件下，抗彎強度達到43．783 MPa，達到或超過GB/T 24137—2009 標準要求，并得到抗彎強度與試驗因素變量的二次方程模型，該模型回歸極顯著，對試驗擬合較好。

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