不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板的基本特性

黃成建，包永潔，李 能，肖瑞崇，吳再興，陳玉和

（國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州310012）

不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板的基本特性

黃成建，包永潔，李 能，肖瑞崇，吳再興，陳玉和

（國家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州310012）

利用酚醛樹脂（PF），三聚氰胺改性脲醛樹脂（MUF），水性高分子異氰酸酯膠黏劑（API）和環(huán)氧樹脂（EP）等4種常用膠黏劑，制備竹木復(fù)合電熱地板材料，對(duì)比研究其基本物理力學(xué)性能與電熱特性。結(jié)果表明：PF竹木復(fù)合電熱地板材浸漬無剝離情況，靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）最高，分別為68.25 MPa和5 670.57 MPa；耐濕熱尺寸穩(wěn)定性均符合標(biāo)準(zhǔn)；電阻值下降率最大，為50.77%；升降溫速度最快。API板材浸漬剝離強(qiáng)度不合格；MUF板材的MOR和MOE最低，分別為36.37 MPa和4 458.72 MPa；MUF與API板材耐濕/熱尺寸穩(wěn)定性不合格；EP竹木復(fù)合電熱地板材電阻下降率最小，為26.66%；20 min為竹木復(fù)合電熱地板材的快速升降溫區(qū)間，PE板材的升溫速度最快，API板材的降溫速度最慢。利用酚醛樹脂制備竹木復(fù)合電熱地板是一種可行的途徑。圖6表1參15

木材科學(xué)與技術(shù)；膠黏劑；竹木復(fù)合；電熱地板；碳纖維

人類冬季供暖方式經(jīng)歷了燃火取暖到現(xiàn)代的空調(diào)、地?zé)岬劝l(fā)展歷程。傳統(tǒng)的采暖方式利用的是導(dǎo)熱和對(duì)流的原理，室內(nèi)溫度的分布不能達(dá)到理想狀態(tài)，而地?zé)岵膳捎玫氖菬彷椛涞脑恚覂?nèi)溫度由下至上逐步降低，讓人感覺很舒適［1－2］。地?zé)岵膳夹g(shù)早在20世紀(jì)20年代就開始應(yīng)用，主要是以鋼管或者銅管為加熱管進(jìn)行熱輻射供暖，但易腐蝕且成本高［1］，電纜、熱水逐步應(yīng)用于地?zé)岵膳?，鋼管或銅管易腐蝕的問題得到了很好的解決［3－5］。近年來，導(dǎo)電油墨［6］、碳纖維材料的快速發(fā)展和應(yīng)用，使得地?zé)岵膳〉昧碎L足的發(fā)展，碳晶［7］和碳纖維與絕緣膜復(fù)合制成電熱膜片逐步應(yīng)用于室內(nèi)地?zé)岵膳姛徂D(zhuǎn)化效率較高，同時(shí)能夠輻射出有益人類身體健康的遠(yuǎn)紅外線，具有保健殺菌的作用，但是由于與地板分開安裝，占用了居住空間，也在一定程度上增加了安裝成本。目前，采用短切碳纖維與植物纖維經(jīng)造紙工藝制成的面狀碳纖維紙發(fā)熱材料［8－9］，厚度只有0.08 mm，可通過控制碳纖維的含量調(diào)控發(fā)熱功率，是一種理想的地?zé)岵膳牧稀Ｌ祭w維紙中大量的植物纖維與木竹材是同質(zhì)材料，有利于與木竹材膠合，同時(shí)碳纖維紙通電電熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到97%［10］以上，比熱水采暖節(jié)能［11］，能夠輻射出有益人類身體健康的遠(yuǎn)紅外線。因此，碳纖維紙?jiān)诘責(zé)岵膳I(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景，但是相關(guān)研究相對(duì)較少［12－13］，需要對(duì)竹木復(fù)合電熱地板進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本研究采用4種常用的不同類型膠黏劑，制備了4種不同的竹木復(fù)合電熱地板材料，通過對(duì)其基本的物理力學(xué)性能和電熱性能進(jìn)行檢測分析，研究不同膠合體系在電熱采暖領(lǐng)域的適用性。

1 試驗(yàn)材料

刨切竹單板，厚度為2 mm，購置于浙江某竹木業(yè)有限公司；地板基材，厚度為13 mm，購置于浙江某公司。

碳纖維紙（PAN基），厚度為0.02 mm，克質(zhì)量40 g·m－2，方阻210 Ω·m－2，購于北京某特種材料公司。

酚醛樹脂膠黏劑（PF），黏度為77.5 mPa·s，固含量56.01%，購于太爾膠黏劑（廣東）有限公司；三聚氰胺改性脲醛樹脂 （MUF），粉狀固體，固化劑為粉紅色氨基樹脂固化劑，pH 1.5～3.5，購于太爾膠黏劑（上海）有限公司；水性高分子異氰酸酯膠黏劑（API），主劑為乳白色液體，pH 6.0～8.0，黏度為8 000～25 000 mPa·s（25℃），固化劑為異氰酸酯化合物，深棕色液體，pH 6.0～8.0，黏度為150～250 mPa·s，購于山東東營市盛基環(huán)保工程有限公司；環(huán)氧樹脂膠黏劑（EP），型號(hào)為E-44，環(huán)氧當(dāng)量為210～250 g·eq－1，購于南通星辰合成材料有限公司；固化劑為酚醛胺 （室溫固化劑），紅棕色液體，胺值（KOH）為450～550 mg·g－1，購于南通星辰合成材料有限公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 竹木復(fù)合電熱地板制備

刨切單板與地板基材鋸切成規(guī)格為400 mm×150 mm×15 mm的試樣，在地板基材兩端鉆出孔徑為7 mm的孔，放置調(diào)溫調(diào)濕箱內(nèi)調(diào)整含水率約為7%后備用，碳纖維紙裁剪成幅面為380 mm×140 mm的試樣備用。如圖1所示：竹木復(fù)合電熱地板均采用面層為薄竹，背板為地板基材，芯層為導(dǎo)電發(fā)熱單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓貼復(fù)合。

對(duì)刨切單板試樣和地板基材試樣均采用單面手工施膠方法。PF添加體積分?jǐn)?shù)為15%的填料（面粉），混合均勻后施膠，施膠量為150 g·m－2，施膠后開口陳放15～20 min，直接進(jìn)行熱壓。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（135±5）℃，熱壓時(shí)間為1 min·mm－1。

圖1 竹木復(fù)合電熱地板結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic of bamboo/wood composite electro-thermal plywood

MUF先進(jìn)行膠液配制，將膠粉（4638），改性劑（5930）和水進(jìn)行預(yù)混，m（4638膠粉）∶m（5930改性劑）∶m（水）=100∶25∶46，預(yù)混液與固化劑共混配置成膠液，配制比例為m（預(yù)混液）∶m（固化劑）=100∶12，配制完成后施膠，施膠量為200 g·m－2，施膠后開口陳放20～30 min。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（110±5）℃，熱壓時(shí)間為1 min·mm－1。

API按照m（主劑）∶m（固化劑）=100∶5的比例調(diào)制均勻成膠液后施膠，施膠量為200 g·m－2，熱施膠后開口陳放15～20 min。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（110±5）℃，熱壓時(shí)間為1 min·mm－1。

EP按照m（主劑）∶m（稀釋劑）∶m（固化劑）=100∶50∶30進(jìn)行調(diào)膠，混合均勻后施膠，施膠量為150 g·m－2，施膠后開口陳放20～30 min。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（38±2）℃，熱壓時(shí)間為1 min·mm－1；制備后的板材放置48 h以上備用。

2.2 竹木復(fù)合電熱地板性能測試

2.2.1 物理力學(xué)性能 竹木復(fù)合電熱地板浸漬剝離強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度（MOR）和彈性模量（MOE）性能測試試樣制備和測試參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18103－2013《實(shí)木復(fù)合地板》中的參數(shù)和方法進(jìn)行。竹木復(fù)合電熱地板耐濕、耐熱尺寸穩(wěn)定性測試試樣制備和測試參考林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1700－2007《地采暖用木質(zhì)地板》中的參數(shù)和方法進(jìn)行。

2.2.2 電熱特性 測試碳纖維紙?jiān)嚇拥碾娮鑂0和制備成的4種膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板材的電阻R1，精確精確至0.01 kΩ，計(jì)算4種膠合體系下碳纖維紙的電阻下降率，按照下列公式計(jì)算，精確至0.01%：ΔR=［（R1－R0）/R0］×100。其中：ΔR為電阻下降率，%；R0為碳纖維紙?jiān)嚇与娮瑁琸Ω；R1為竹木復(fù)合電熱地板板材電阻，kΩ。對(duì)不同膠黏劑制成的竹木復(fù)合電熱地板進(jìn)行通電，間隔20 min測試板材表面的溫度，分析竹木復(fù)合電熱地板的升溫特征；測試結(jié)束后斷開電源，間隔20 min測試板材表面溫度，分析竹木復(fù)合電熱地板的降溫特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 物理力學(xué)性能

試驗(yàn)通過測試浸漬剝離強(qiáng)度，分析4種膠黏劑的膠合性能。表1顯示出API制備的電熱地板材試樣的浸漬剝離強(qiáng)度均不合格，出現(xiàn)了較大的開裂情況。PF和MUF制備的板材試樣的膠合性能較為優(yōu)秀，未出現(xiàn)剝離情況，PE和MUF黏度低，浸潤性與滲透性更好，與碳纖維紙的膠合更好一些，因此浸漬剝離強(qiáng)度比其他2種膠更好。EP制備的板材試樣出現(xiàn)少量剝離。API主劑黏度高，浸潤性相對(duì)較差一些，因此在浸漬過程中，水分會(huì)通過碳纖維紙內(nèi)部纖維滲透到板材內(nèi)部，使得API板材的浸漬剝離強(qiáng)度較低。

圖2是4種膠黏劑制備的電熱地板材MOR和MOE對(duì)比圖。可以看出：PF制成的試樣MOR和MOE最高，分別為68.25 MPa和 5 670.57 MPa。API和 EP制成的試樣MOR和MOE較為接近，MUF制成的試樣MOR和MOE最低，分別為 36.37 MPa和4 458.72 MPa。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)木復(fù)合地板耐熱尺寸變化率長度標(biāo)準(zhǔn)值為0.30%，寬度標(biāo)準(zhǔn)值為0.40%，耐濕尺寸變化率長度標(biāo)準(zhǔn)值為0.20%，寬度標(biāo)準(zhǔn)值為0.30%。圖3中所示的耐熱尺寸變化率，長度方向上MUF地板材超出標(biāo)準(zhǔn)值，達(dá)到0.32%，其他3種地板材變化率均合格，其中API地板材變化率最低，為0.18%，因此可以看出：三聚氰胺改性脲醛樹脂用在電熱地板上時(shí)需要對(duì)其耐熱性進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。在寬度方向上4種地板材的變化率均符合標(biāo)準(zhǔn)，PF地板材變化率最低，為0.24%，EP地板材變化率為0.34%要高于其他3種地板材。在圖4顯示的耐濕尺寸變化率上，API地板材長度變化率為0.25%，超出標(biāo)準(zhǔn)要求，其他3種板材變化率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，API主劑的黏度較高，浸潤性相對(duì)其他3種膠較弱，水分子易通過碳纖維紙內(nèi)部纖維滲透到板材內(nèi)部，導(dǎo)致長度尺寸變化大。4種地板材寬度上變化率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求值0.30%。

表1 不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板的浸漬剝離試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of glue bond tests for bamboo/wood composite electrothermal plywood made of different adhesives

圖2 不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量Figure 2 MOR and MOE of bamboo/wood composite electrothermal plywood made of different adhesives

圖3 不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板耐熱尺寸穩(wěn)定性Figure 3 Heat-resistant dimensional stability of bamboo/ wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

3.2 電熱特性

對(duì)4種膠黏劑制備的電熱地板材料的電阻下降率和升降溫特性研究發(fā)現(xiàn)：膠黏劑對(duì)竹木電熱地板材料的電學(xué)特性有一定的影響。在制備電熱地板材料之前：碳纖維紙的電阻均為0.76 kΩ，但是經(jīng)過壓制成板材時(shí)，其電阻值出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象。如圖5所示：PF壓制的電熱材料阻值下降率最大，為50.77%，MUF次之，為46.85%，而EP壓制的電熱材料電阻下降率最小，達(dá)到了26.66%。根據(jù)梁云等［14］的研究，在制備竹木電熱地板材時(shí)，壓板壓力使得碳纖維紙厚度減小，密度增大，因此碳纖維紙內(nèi)部的碳纖維緊密結(jié)合，導(dǎo)電通路的密度增大，導(dǎo)電性能提升，因此碳纖維紙的導(dǎo)電率出現(xiàn)降低。PF黏度低，浸潤性好，施膠后能夠很好地浸潤到木竹材中，使得碳纖維紙?jiān)跓釅哼^程中能夠與木竹材接觸面更廣，碳纖維結(jié)合更緊密，因此導(dǎo)電率下降更多。

圖4 不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板耐濕尺寸穩(wěn)定性Figure 4 Humidity-resistant dimensional stability of bamboo/ wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

圖5 不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板電阻下降率Figure 5 Decrease rate of resistance for bamboo/wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

圖6 不同膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板升降溫曲線Figure 6 Curve of heating/cooling for bamboo/wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

圖6所示的為4種膠黏劑竹木復(fù)合電熱地板材在通電和斷電條件下的升溫與降溫情況。升溫過程和降溫過程中，均是在20 min內(nèi)升/降溫速度較快，能夠快速升溫至30℃以上或者快速降溫至30℃以下，20 min以后升降溫速度逐漸降低。研究結(jié)果顯示：PF電熱地板材料升降溫速度最快，在相同時(shí)間內(nèi)，升溫達(dá)到的溫度相比其他3種地板材溫度更高，在20 min內(nèi)溫度升至35.04℃，降溫達(dá)到的溫度相比其他3種地板材溫度更低，20 min內(nèi)降溫至23.52℃。梁云等［15］研究結(jié)果顯示：碳纖維密度增加，碳纖維紙的導(dǎo)電性能就會(huì)增加，酚醛膠電阻下降最大，導(dǎo)電性能最好，因此發(fā)熱速度就會(huì)更快，轉(zhuǎn)換的熱量就更高。API與EP地板材的升溫過程比較相似，尤其是在20 min后升溫較為一致，但是API地板材的降溫過程最為緩慢，20 min只降至29.08℃。

4 小結(jié)

PF與MUF制備的板材無剝離情況，API板材浸漬剝離強(qiáng)度不合格。PF竹木復(fù)合電熱地板材MOR和MOE最高，分別為68.25 MPa和5 670.57 MPa，而MUF板材最低，分別為36.37 MPa和4 458.72 MPa。MUF與API板材耐濕/熱尺寸穩(wěn)定性不合格。PF竹木復(fù)合電熱地板材電阻值下降率最大，為50.77%，EP板材最小，為26.66%。20 min為竹木復(fù)合電熱地板材的快速升降溫區(qū)間，PF板材的升降溫速度最快，API與EP升溫速度相似，API降溫速度最慢。

酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂均可作為竹木復(fù)合電熱地板材用膠黏劑，但從能耗和制造成本上來看，酚醛樹脂是更為合適的選擇。三聚氰胺改性脲醛樹脂膠則需要進(jìn)行一定的改性，增強(qiáng)耐熱性和韌性。

電熱地板是一種新的采暖方式，能夠快速滿足采暖需求，節(jié)能便捷，同時(shí)能夠起到殺菌保健的作用。利用碳纖維制備竹木復(fù)合電熱地板具有很大的創(chuàng)新性，極大地增強(qiáng)了木竹材產(chǎn)品的附加值，是一種木竹材創(chuàng)新利用得有效途徑。

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Adhesives used to make bamboo/wood composite electro-thermal plywood

HUANG Chengjian,BAO Yongjie,LI Neng,XIAO Ruichong,WU Zaixing,CHEN Yuhe
（China National Bamboo Research Center,Hangzhou 310012,Zhejiang,China）

To compare basic physical and mechanical properties and electric heating properties of bamboo/wood composite electro-thermal plywood,four kinds of common adhesives:phenol-formaldehyde（PF）,melamine-urea-formaldehyde（MUF）,aqueous polymer isocyanate（API）,and epoxy（EP）,were applied.The bamboo/wood composite electro-thermal plywood treated by four kinds of adhesives were tested according to the China national standard and industrial standard:GB/T 18103－2013,LY/T 1700－2007.Results showed that the plywood treated by PF did not peel after the immersion test,and its modulus of rupture（MOR）（68.25 MPa）and modulus of elasticity（MOE）（5 670.57 MPa）were highest.The damp and hot dimensional stability of PF plywood was better than standard requirements,and the decreasing rate of resistance was maximal at 50.8%.Also,the heating and cooling rates with PF plywood were fastest.In contrast,all plywood treated by API peeled after the immersion test,and the MOR（36.37 MPa）and MOE（4 458.72 MPa）of MUF plywood were lowest.The damp and hot dimensional stability with both MUF plywood and API plywood failed.The decreasing rate of resistance for EP treated plywood reached 26.7%,which was the lowest among the four adhesives used;the rapid heating and cooling period of bambool wood composite electro-thermal plywood was 20 min.In general,the heating rate of PF plywood was the fastest,and the cooling rate for API plywood was the slowest.Overall,the phenolic resin（PF）was a suitable adhesive to make bamboo/wood composite electro-thermal plywood.［Ch,6 fig.1 tab.15 ref.］

wood science and technology;adhesives;bamboo/wood composite materials;electro-thermal plywood;carbon fiber

TS653；S781.9

A

2095-0756（2017）02-0369-05

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.02.023

2016-04-27；

2016-06-30

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201404505）；浙江省重大科技專項(xiàng)（2014NM009）；浙江省竹子高效加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（2014F10047）

黃成建，研究實(shí)習(xí)員，從事竹材工業(yè)化利用研究。E-mail：hcj5236@yeah.net。通信作者：陳玉和，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，從事竹木高效利用研究。E-mail：yuhec@sina.com