酚醛樹脂在竹重組材生產(chǎn)過程控制研究

陳林碧

摘 要：該文對酚醛樹脂膠的生產(chǎn)方法進(jìn)行了論述，對竹重組材生產(chǎn)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)和理化性能的檢測，在自制酚醛樹脂膠和穩(wěn)定生產(chǎn)竹重組材的基礎(chǔ)上，研究了酚醛樹脂膠的儲存時間，烘干過程溫度控制，膠后烘干竹條存放時間和壓制時對不同厚度竹重組材的導(dǎo)熱過程情況影響因素，分析了生產(chǎn)過程中控制和應(yīng)用酚醛樹脂膠的方法，給竹重組材生產(chǎn)企業(yè)提供一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：酚醛樹脂膠；竹重組材；貯存時間；烘干溫度；導(dǎo)熱過程

中圖分類號 TS653 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）20-98-04

酚醛樹脂膠是木材工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的膠種之一，用量僅次于尿醛膠樹脂膠，其具有膠合強(qiáng)度高，耐水，耐高溫，耐候性好，化學(xué)穩(wěn)定強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于戶外人造板中。竹重組材是近10a來興起的一種材料，可用于戶內(nèi)和戶外，用途廣泛，是一種可替代木材的良好材料，具有幅面大，材料強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，不易變形、開裂，耐候性極佳，環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，可取代防腐木。目前主要產(chǎn)品有戶外重竹地板，戶外重竹柵欄，戶外重竹木屋，戶外重竹墻面板，重竹馬廄板，重竹橋梁板等多種產(chǎn)品。竹重組材因使用了酚醛樹脂作為膠黏劑，使得產(chǎn)品的膠合強(qiáng)度高，由于產(chǎn)品本身具備良好的耐候性和高強(qiáng)度的竹纖維等優(yōu)良特性，因而應(yīng)用廣泛。在竹重組材的生產(chǎn)過程中，酚醛樹脂膠對竹重組材的性能起著至關(guān)重要的作用，從酚醛樹脂膠的制備和竹重組材的壓制過程等每個環(huán)節(jié)都是關(guān)鍵的控制點(diǎn)。本文從酚醛膠的制備和竹重組材生產(chǎn)過程中的浸膠、烘干、平衡、壓制等對酚醛樹脂膠的影響進(jìn)行了研究，以期得到竹重組材生產(chǎn)過程中酚醛樹脂膠合理工藝參數(shù)。

1 酚醛樹脂膠的制備及性能

酚醛樹脂的制備有多種配方和生產(chǎn)工藝，本研究根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中的一種制備方法進(jìn)行生產(chǎn)，并對按此工藝制備得到的酚醛樹脂膠，在竹重組材生產(chǎn)過程的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究。

1.1 設(shè)備及原材料 （1）設(shè)備：制膠反應(yīng)釜（5t）設(shè)備一整套，涂4杯，奧豪斯MB35專業(yè)水分測定儀。（2）原材料：苯酚1 200kg（純度99%，上海高橋石油化工公司）、甲醛1 656kg（溶液濃度37%優(yōu)等品，三明三膠化工廠）、氫氧化鈉125kg（純度99%，天宮牌）、三聚氰胺50kg。

1.2 酚醛樹脂合成配方 苯酚（P）∶甲醛（F）（摩爾比）=1∶1.6；苯酚（P）∶氫氧化鈉（NaOH）（摩爾比）=1∶0.24；苯酚（P）∶三聚氰胺（C3N6H6）（摩爾比）=1∶0.03；水量根據(jù)生產(chǎn)酚醛樹脂固含量而定，本配方另外加水200kg。氫氧化鈉將配置成40%左右的水溶液。

1.3 酚醛樹脂的合成工藝 （1）氫氧化鈉水溶液提前12h配好冷卻，使用時最好達(dá)到近氣溫。（2）苯酚在（60±2℃）完成融化。（3）苯酚1 200kg、40%NaOH水溶液300kg，200kg水抽上反應(yīng)釜后，真空冷卻降溫，攪拌10～15min，測pH值9～10左右。（4）待溫度降至45℃左右，進(jìn)行第一次投料，甲醛1 326kg。（5）第一階段反應(yīng)升溫，升溫速度為0.8℃/min，勻速升至86℃，測pH值10～11，開始保溫計(jì)時。（6）高溫保溫溫度控制在90～92℃，時間大概為60min，粘度為16～18s，開真空冷卻至80℃，進(jìn)行第二次投料。（7）第二次投料，先加40%氫氧化鈉溶液150kg，再加甲醛330kg，反應(yīng)升溫。（8）待溫度升至85℃，加入三聚氰胺50kg，繼續(xù)反應(yīng)升溫90℃，開始保溫。（9）90℃保溫20min，開始按標(biāo)準(zhǔn)要求取樣測粘度，每隔5min測一次。（10）當(dāng)酚醛樹脂粘度為40～45s時，開真空冷卻，使反應(yīng)停止，溫度冷卻至55℃即可放膠。

1.4 酚醛樹脂膠的性能指標(biāo) 對所制的酚醛樹酯膠進(jìn)行檢測，檢測性能如表1。

2 竹重組材壓制生產(chǎn)工藝及實(shí)驗(yàn)方法

竹重組材是一種新興的生態(tài)環(huán)保材料，隨著生產(chǎn)工藝及設(shè)備改進(jìn)，產(chǎn)品的開發(fā)也在不斷完善和提高，本文研究根據(jù)福建省永林竹業(yè)有限公司生產(chǎn)的竹重組材在工藝方面對酚醛樹脂膠參數(shù)的控制進(jìn)行了研究。

2.1 制備竹重組材的生產(chǎn)工藝

2.1.1 工藝流程 工藝流程詳見圖1。

2.1.2 竹重組材壓制工藝要求

（1）毛竹：選用4～6a生的毛竹，胸徑大于25.4cm。

（2）裁斷、分片：竹條裁成長度為（1 940±10）mm，竹片寬度為（20±5）mm。

（3）去青、去黃：竹青全部去掉，不帶一點(diǎn)青，竹黃需要刮破，可留少許直徑小于10mm的竹黃。

（4）碾壓：用永林竹業(yè)專利碾壓設(shè)備碾壓，碾壓竹條顆粒應(yīng)小于2mm×4mm，端頭未碾壓部分應(yīng)小于30mm，竹條大小頭對調(diào)率40%～60%，長度小于1 930mm的需要選出來。

（5）碳化：蒸汽碳化，蒸汽壓力為0.32～0.34MPa，碳化爐內(nèi)溫度約150℃，進(jìn)汽時間約30min，保壓時間為120min，悶爐時間為10min。

（6）前烘干：軌道烘房烘干，每架約400kg，每層約30kg，層與層之間的距離大于50mm，烘干過程中要持續(xù)供汽，蒸汽壓大于0.6MPa，烘干溫度為80～90℃，烘干時間為24～36h，竹條含水率控制小于10%，即可下架捆條，20kg/捆。

（7）浸膠：竹條含水率小于12%，膠水水濃度控制為膠∶水=1∶1，即浸膠膠水的密度為1.09～1.099g/cm3，膠水的pH值控制在10～10.5，浸膠時間為15min，膠后竹條瀝干時間為30min，記錄數(shù)據(jù)：浸膠前毛重，竹條凈重，浸膠后毛重，算出上膠固含量。

（8）后烘干：白擺條厚度不大于3根竹條，鏈?zhǔn)胶娣繙囟瓤刂茷?0～65℃，烘干速度為1.2m/min，鏈?zhǔn)胶娣坎荒芡C(jī)，出條含水率為12%～20%范圍內(nèi)。

（9）平衡、養(yǎng)生：平衡房溫度控制于（55±3）℃，平衡時間為18～24h，用竹條含水率用ST-85二檔測量8%～13%，不允許全部接近8%或13%，需大部分點(diǎn)在10%～12%，平衡好后在自然環(huán)境養(yǎng)生48～72h。

（10）組坯：按密度為1.25g/cm3進(jìn)行稱重組坯，控制好大小頭，一層一層均勻擺放，需要進(jìn)行加邊，塞頭。

（11）熱壓：熱壓表壓力為15～17MPa，熱壓溫度為145～152℃，145℃開始保溫保壓計(jì)時，按導(dǎo)熱速度為1min/mm固化速度計(jì)算，保溫時間結(jié)束后，開始冷卻， 冷卻時間與保溫時間同，冷卻表溫度需小于40℃，才可以卸板。

（12）脫模、卸板：卸板時注意板的溫度，觀察板面平整度，是否開裂，鼓泡，密度均勻，及稱重核對與測量板坯4個角厚度是否一致，并將板重量及4個角厚度尺寸都標(biāo)識在板，方可取樣檢驗(yàn)，檢驗(yàn)無異常后入庫。

2.1.3 竹重組材的理化性能 通過以上工藝生產(chǎn)所得的竹重組材，送國家林業(yè)局竹材工程研究開發(fā)中心檢測。檢測標(biāo)準(zhǔn)：《戶外竹重組材》國家標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿，《重組竹地板》GB/T 30364-2013，《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》GB/T 17657-2013，《室內(nèi)裝飾裝修材料 人造板及其制品中甲醛釋放限量》GB 18580-2001，檢測竹重組材的縱向靜曲強(qiáng)度，縱向彈性模量和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。吸水厚度膨脹率的檢測采用將50mm×50mm×20mm的試件在（20±2）℃、相對濕度（65±5）%條件下放至恒定，測試試件中心點(diǎn)厚度后放入pH值為7±1，100℃熱水中浸泡2h后測試其厚度，其吸水厚度膨脹率為浸水前試件厚度減去浸水后試件厚度后除以浸水后試件厚度。檢測的理化性能如表2。

2.2 試驗(yàn)方法 采用單因素試驗(yàn)法，探討了酚醛樹脂膠的存放時間、后烘干溫度控制、膠后竹條放置時間、熱壓溫度傳導(dǎo)等因素等，設(shè)置竹重組材壓制基本參數(shù)為：施膠量15%、含水率10%、密度1.25g/cm3、熱壓溫度145℃。改變單個影響因素，其他影響因素不變：

2.2.1 酚醛樹脂膠的存放時間對生產(chǎn)竹重組材性能的影響 設(shè)計(jì)酚醛樹脂膠存放1d、3d、6d、9d、12d、15d、18d、21d、24d等進(jìn)行浸膠，生產(chǎn)竹重組材，然后對其性能進(jìn)行研究分析。

2.2.2 酚醛樹脂膠于不同烘干溫度對生產(chǎn)竹重組材性能的影響 設(shè)計(jì)浸膠后后烘干溫度為：45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃，生產(chǎn)竹重組材，然后對其性能進(jìn)行研究分析。

2.2.3 烘干后竹條存儲時間對酚醛樹脂膠性能的影響 設(shè)計(jì)后烘干竹條存放1周、2周、3周、4周、5周、6周、7周、8周、10周、10周時間，生產(chǎn)竹重組材，然后對其性能進(jìn)行研究分析。

2.2.4 不同厚度竹重組材在熱壓溫度傳導(dǎo)過程對酚醛樹脂膠固化性能的影響 設(shè)計(jì)壓制竹重組材的厚度為：20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm，生產(chǎn)所得竹重組材，然后對其性能進(jìn)行研究分析。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，得到的檢測結(jié)果取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 酚醛樹脂膠存放時間對生產(chǎn)竹重組材性能的影響 采用生產(chǎn)后存儲不一樣的時間的酚醛膠生產(chǎn)竹重組材，其性能檢測如表3。從表3分析可知，酚醛樹脂膠在前6d用于生產(chǎn)的竹重組材性能無明顯變化，并且各項(xiàng)理化性能都很好，從9d開始后，所生產(chǎn)出來的重竹重組材各項(xiàng)性能開始逐漸降低，特別是竹重組材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和吸水厚度膨脹率變化特別顯著，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中酚醛樹脂膠隨著存儲時間的越長，其粘度也在不斷的增大。說明酚醛樹脂膠內(nèi)部反應(yīng)生成的短鏈分子影響了酚醛樹脂的膠合強(qiáng)度和本身特性，導(dǎo)致酚醛膠緩慢失效，因此，此工藝生產(chǎn)出來的酚醛樹脂膠儲存時間最好不要超過7d。靜曲強(qiáng)度和彈性模量受到的影響較小，由于其竹材本身的強(qiáng)度大，受酚醛樹脂膠逐漸失效影響小。

3.2 酚醛樹脂膠不同烘干溫度對竹重組材性能的影響 后烘干采用不同溫度烘干上膠竹條生產(chǎn)所得竹重組材，其性能檢測如表4。由表4分析可得，低于70℃烘干，酚醛樹脂膠的性能很穩(wěn)定，生產(chǎn)出的竹重組材性能良好，特別是在55℃以下的低溫烘干，所生產(chǎn)出來的竹重組材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度高和吸水厚度膨脹率小。大于75℃時，生產(chǎn)所得的竹重組材內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度開始下降，吸水膨脹率開始上升，當(dāng)達(dá)到90℃時，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為1.5MPa，吸水厚度膨脹率為29.6%，說明酚醛樹脂膠在此溫度下已經(jīng)開始預(yù)固化，活性減小。根據(jù)酚醛樹脂膠的反應(yīng)原理，當(dāng)溫度升高時，酚醛樹脂就開始慢慢反應(yīng)，溫度越高則反應(yīng)越快，如果烘干時酚醛樹脂膠已經(jīng)反應(yīng)，失去了活性，造成所生產(chǎn)的竹重組材不合格。因此，烘干溫度越低，酚醛樹脂膠活性越大，熱壓所得的竹重組材性能指標(biāo)越好。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，還必須兼顧到生產(chǎn)效率，溫度越低，生產(chǎn)效率也就越低，從確保生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量綜合考慮，后烘干最佳溫度為60～65℃。

3.3 烘干后竹條存儲時間對酚醛樹脂膠性能的影響 烘干后竹條平衡養(yǎng)生好，竹條存放時間對酚醛樹脂性能的影響，其中竹條存放條件為：在半成品倉庫中，用纏繞膜將竹條纏繞起來隔絕與空氣接觸，倉庫溫度不高于30℃。其檢測性能如表5。由表5分析可得，烘干后竹條在一定條件下，存放時間對酚醛樹脂膠的性能無明顯影響。烘干后，酚醛樹脂膠已經(jīng)變成粉末附在竹條上，在隔絕空氣、常溫下（即溫度不高于30℃），酚醛樹脂膠很穩(wěn)定，可以很好的存放，因此在生產(chǎn)過程中，遇到特殊情況不能生產(chǎn)，可以把烘干后竹條用纏繞膜包起來密封，放在避光的倉庫中，溫度不高于30℃進(jìn)行存放，至少存放70d，這樣對于生產(chǎn)備料，生產(chǎn)調(diào)整帶來極大的方便。通過3.1的實(shí)驗(yàn)可知道液體酚醛膠不易保存，當(dāng)液體酚醛樹脂失去活性后，可以通過竹條浸膠烘干后進(jìn)行存放，避免酚醛樹脂膠失效。

3.4 不同厚度竹重組材在熱壓溫度傳導(dǎo)過程對酚醛樹脂膠固化性能的影響 在生產(chǎn)過程中由于酚醛樹脂膠固化后成為酚醛樹脂，酚醛樹脂具有耐水、防腐、隔熱的特性，且在135℃以上，酚醛樹脂膠的固化速度只要3～5min，正常的導(dǎo)熱速度是1mm/min，會造成表面固化后，酚醛樹脂形成隔熱層，熱量就很難往內(nèi)部繼續(xù)傳輸。不過酚醛樹脂固化過程是個放熱的反應(yīng)，在沒固化成酚醛樹脂時，又可以加快熱量向板中央的傳輸，因此壓制不同厚度的竹重組材對酚醛樹脂膠固化的影響較大。

由表6分析可得，隨著板坯厚度的增加，竹重組材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量基本無變化，在厚度20～50mm內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和吸水膨脹率無明顯變化，從55℃開始內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和吸水膨脹率開始下降。從酚醛樹脂膠導(dǎo)熱及固化時間判斷，當(dāng)板坯的厚度大于50mm開始，當(dāng)板坯表面膠水固化成酚醛樹脂，形成隔熱層，使熱量很難往板的中間繼續(xù)傳輸，致使板中央處固化不完全，造成板坯的物理力學(xué)性能的下降。因此，正常情況下竹重組材的壓制厚度為20～50mm，當(dāng)超過50mm厚時物理力學(xué)性能開始下降。

4 結(jié)論

（1）酚醛樹脂膠正常溫情況下反應(yīng)緩慢，反應(yīng)生成小分子支鏈，粘度變大，各項(xiàng)性能也下降。通過實(shí)驗(yàn)制得酚醛樹脂膠儲存時間短，大約7d后各項(xiàng)性能開始下降，因此，企業(yè)在生產(chǎn)過程中須保存好酚醛樹脂膠，最好在7d內(nèi)全部用掉，以確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

（2）根據(jù)酚醛樹脂膠的反應(yīng)原理，當(dāng)溫度升高時，酚醛樹脂就開始反應(yīng)，溫度越高則反應(yīng)越快，如果烘干時酚醛樹脂膠已反應(yīng)完全，失去了活性，造成所生產(chǎn)的竹重組材產(chǎn)品質(zhì)量不合格。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：烘干溫度越低，酚醛樹脂膠就越有活性，熱壓所得的竹重組材性能就越好。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，必須考慮到生產(chǎn)效率，溫度越低生產(chǎn)效率也就越低，因此，從確保生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面綜合考慮，后烘干的最佳溫度為60～65℃。

（3）通過實(shí)驗(yàn)表明，后烘干的膠后竹條可以保存很久不變質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，至少可以保存70d。企業(yè)可以根據(jù)此原則，對不易存放的酚醛樹脂膠水，先浸膠烘干后再進(jìn)行保存，可避免酚醛樹脂膠到期帶來的損失。

（4）從酚醛樹脂膠導(dǎo)熱及固化時間判斷，板坯厚度大于50mm開始，當(dāng)板坯表面膠粘劑固化成酚醛樹脂，形成隔熱層，使熱量很難往板的內(nèi)部傳輸，致使板中央處固化不完全，造成板坯的物理力學(xué)性能的下降。因此，正常情況下竹重組材的壓制厚度為20～50mm，當(dāng)超過50mm厚度時物理力學(xué)性能開始降低。

（責(zé)編：張宏民）