大豆基膠黏劑木質(zhì)刨花板的研究?

李 杉 趙士猛 丁子峰 唐朝發(fā) 時(shí)君友

大豆基膠黏劑早期在人造板生產(chǎn)中主要作為膠合板用膠黏劑，其耐潮、耐水等性能較差。后來(lái)隨著合成樹(shù)脂類膠黏劑的發(fā)展，大豆基膠黏劑逐步被脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等取代，合成樹(shù)脂因其具有良好的性能，使用方便、價(jià)格低廉等特性，是目前人造板生產(chǎn)中主要使用的膠黏劑。但因目前人造板生產(chǎn)所使用的合成樹(shù)脂主要是含醛膠黏劑，不可避免地存在甲醛污染。近年隨著人們對(duì)綠色環(huán)保室內(nèi)裝飾材料的需求逐漸增加，使用異氰酸酯、API、大豆基等無(wú)醛膠黏劑生產(chǎn)的人造板不斷增多。其中大豆因生長(zhǎng)周期短、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、可再生等優(yōu)點(diǎn)，是理想的制膠原料。目前以脫脂大豆為主要原料的耐水性改性大豆基膠黏劑在膠合板生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。但因其黏度大，固體含量低等問(wèn)題，在刨花板生產(chǎn)中主要處于研究階段[1-3]。

該研究以大豆基膠黏劑制備木質(zhì)刨花板，主要針對(duì)密度、施膠量、防水劑用量對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板的主要性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定主要生產(chǎn)工藝參數(shù)。大豆基膠黏劑主要由以大豆蛋白為主要成分的主劑及以環(huán)氧改性聚酰胺為主要成分的交聯(lián)劑組成，使用時(shí)按一定比例調(diào)制即可，在一定溫度條件下，交聯(lián)劑中的活性基團(tuán)氮雜環(huán)丁烷基與主劑中大豆蛋白的氨基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使膠黏劑固化。

1 主要試驗(yàn)儀器設(shè)備及試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

自適應(yīng)模糊控制人造板實(shí)驗(yàn)壓機(jī)；微機(jī)控制電子式木材萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；刨花拌膠機(jī)；電熱鼓風(fēng)干燥箱；水浴鍋等。

1.2 試驗(yàn)材料

大豆基膠黏劑[自制，主劑：固體含量38.4%，黏度74 mPa·s（25 ℃）；交聯(lián)劑：固體含量42.5%，黏度615 mPa·s（25 ℃）]；雜木刨花（表層、芯層刨花含水率均＜1%，吉林森工露水河刨花板分公司）；防水劑（石蠟乳液，吉林森工露水河刨花板分公司）。

2 大豆基木質(zhì)刨花板制造

2.1 膠黏劑調(diào)制

按照主劑∶交聯(lián)劑=7∶3（以主劑、交聯(lián)劑內(nèi)固體物質(zhì)的量）的比例進(jìn)行調(diào)膠，膠黏劑混合均勻后其黏度為346 mPa·s（25 ℃），加入試驗(yàn)要求的防水劑與膠黏劑混合均勻，調(diào)膠后膠黏劑適用期不低于4 h。

2.2 刨花板壓制

首先確定熱壓工藝條件，壓制刨花板厚度15 mm，因大豆基膠黏劑固體含量偏低，導(dǎo)致拌膠后板坯含水率較高，經(jīng)初步試驗(yàn)，當(dāng)表芯層刨花含水率＜1%時(shí)，確定熱壓溫度為175～180 ℃；熱壓時(shí)間為420 s（其中第一段高壓時(shí)間為300 s，第二段低壓時(shí)間為120 s）；熱壓壓力分兩段，第一段為3.0 MPa，第二段為0.5 MPa。其次確定制品密度、表芯層施膠量、防水劑用量，采用L9(34)正交試驗(yàn)表，依據(jù)初步試驗(yàn)，確定密度、表芯層施膠量、防水劑用量各因素水平，見(jiàn)表1。將定量好的刨花放入刨花拌膠機(jī)中，啟動(dòng)拌膠機(jī)，用噴槍將調(diào)制好的膠黏劑與防水劑均勻地施加到刨花上。在成型框中按表芯層刨花質(zhì)量比（絕干刨花）44∶56（表層∶芯層∶表層=22∶56∶22）的比例完成三層結(jié)構(gòu)刨花板板坯鋪裝，板坯經(jīng)預(yù)壓后按試驗(yàn)熱壓工藝壓制成刨花板。每一試驗(yàn)號(hào)刨花板壓制不低于3塊。因大豆基膠黏劑固體含量較低，為了降低施膠后刨花含水率，使板坯含水率滿足熱壓要求，除采取降低刨花含水率（＜1%）的措施外，在刨花施膠時(shí)，刨花的溫度控制在40～50 ℃，在刨花施膠的過(guò)程中，使膠黏劑中的水分蒸發(fā)掉一部分。試驗(yàn)表明，采用上述措施，成型后板坯的含水率＜12%。板坯熱壓時(shí)，為了使板坯中的水分排出，縮短熱壓時(shí)間，熱壓后段采用較低的單位壓力，此時(shí)膠黏劑已基本完成固化，主要是使板坯含水率滿足工藝要求，防止產(chǎn)生分層、鼓泡等缺陷。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

3 結(jié)果與分析

壓制的刨花板放置48 h后，按GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》、GB/T 4897—2015《刨花板》進(jìn)行主要物理力學(xué)性能檢測(cè)，其中靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、2 h吸水厚度膨脹率檢測(cè)結(jié)果平均值及分析見(jiàn)表2；其他檢測(cè)結(jié)果為：大豆基木質(zhì)刨花板的表面結(jié)合強(qiáng)度≥1.2 MPa，板面握螺釘力＞1 200 N，板邊握螺釘力＞800 N，彎曲彈性模量≥1 800 MPa，24 h吸水厚度膨脹率＜15%[4,5]。

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，刨花板密度對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響極顯著，芯層施膠量對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響顯著，此結(jié)果比較符合密度、芯層施膠量對(duì)刨花板力學(xué)性能影響的規(guī)律。因密度、表芯層施膠量、防水劑用量各因素的交互影響，對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板2 h吸水厚度膨脹率的影響相對(duì)比較復(fù)雜， 一般認(rèn)為，刨花板密度增大，木材的壓縮變形增加，當(dāng)其含水率增大時(shí)，因恢復(fù)變形能力大會(huì)導(dǎo)致厚度增加。因GB/T 17657—2013規(guī)定，刨花板2 h吸水厚度膨脹率的厚度檢測(cè)位置是測(cè)量試件中心點(diǎn)厚度，當(dāng)刨花板密度增加到一定數(shù)值后，木材被壓密，水分向試件內(nèi)部擴(kuò)散阻力增大，在一定時(shí)間內(nèi)試件測(cè)量位置的含水率增加幅度有限，測(cè)量點(diǎn)厚度增加不大，使2 h吸水厚度膨脹率降低；同樣道理，因隨著施膠量、防水劑用量的增加，被堵塞的刨花間空隙量增多，截?cái)嗔怂謧鬟f的渠道，同時(shí)，木質(zhì)刨花表面吸附防水劑中憎水物質(zhì)石蠟顆粒后，可降低吸附作用，進(jìn)一步阻止水分的擴(kuò)散，使刨花板防水性能增加，2 h吸水厚度膨脹率進(jìn)一步降低。理論上隨著防水劑用量的增加，憎水物質(zhì)增加，會(huì)阻礙刨花之間的膠合，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，因該試驗(yàn)防水劑用量不大，從試驗(yàn)結(jié)果看，在該試驗(yàn)用量范圍內(nèi)，其對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響不大，隨著用量的增加，2 h吸水厚度膨脹率呈下降趨勢(shì)，防水劑用量可選1%。施膠量對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板的性能影響較大，不同密度應(yīng)選用不同的施膠量，在保證大豆基木質(zhì)刨花板性能的前提下，降低施膠量不但可以降低生產(chǎn)成本，還可以有效降低板坯的含水率，為壓制優(yōu)良的制品創(chuàng)造條件[6]。

表2 大豆基木質(zhì)刨花板主要物理力學(xué)性能Tab.2 Main physical and mechanical properties of soybean based wood particleboard

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)芯層刨花施膠量為6%，表層刨花施膠量為8%；壓制出的密度為0.65 g/cm3的大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、2 h吸水厚度膨脹率達(dá)到GB/T 4897—2015標(biāo)準(zhǔn)P2型要求；當(dāng)芯層刨花施膠量≥6%，表層刨花施膠量≥8%；壓制出的密度為0.7 g/cm3的大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、24 h吸水厚度膨脹率達(dá)到GB/T 4897—2015標(biāo)準(zhǔn)P3型要求。當(dāng)芯層刨花施膠量≥6%，表層刨花施膠量≥8%；壓制出的密度為0.75 g/cm3的大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、24h吸水厚度膨脹率達(dá)到GB/T 4897—2015標(biāo)準(zhǔn)P4型要求。

4 結(jié)論

1）采用一定的生產(chǎn)工藝參數(shù)，用低固體含量大豆基膠黏劑可生產(chǎn)出滿足要求的木質(zhì)刨花板。

2）為有效降低板坯的含水率，采用大豆基膠黏劑生產(chǎn)木質(zhì)刨花板的表芯層刨花含水率應(yīng)小于1%。

3）芯層刨花施膠量≥6%，表層刨花施膠量≥8%，防水劑用量為1%時(shí)，壓制出的密度為0.65～0.75 g/cm3的大豆基木質(zhì)刨花板的主要物理力學(xué)性能分別達(dá)到GB/T 4897—2015標(biāo)準(zhǔn)的不同使用要求。

[1]龐久寅, 王發(fā)鵬, 沈文豪, 等. 大豆蛋白-丙烯酸醋復(fù)合膠黏劑的研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2013, 40(1):25-27.

[2]桂成勝, 吳頔, 周俊, 等. 大豆基無(wú)醛膠黏劑應(yīng)用拓展概述[J]. 中國(guó)人造板, 2015(4):20-24.

[3]唐朝發(fā), 劉彥龍, 李杉, 等. 低成本水性高分子異氰酸酯膠黏劑的研究[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2003, 30(2):27-29.

[4]GB/T 17657—2013 人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2013.

[5]GB/T 4897—2015 刨花板 [S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2015.

[6]周定國(guó). 人造板工藝學(xué)[M]. 北京:中國(guó)林業(yè)出版社, 2011.