壓力在熱塑性樹脂膠合板制作過程中的作用

劉曉輝

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012)

壓力在熱塑性樹脂膠合板制作過程中的作用

劉曉輝

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012)

以聚乙烯薄膜為膠粘劑，采用先熱壓后冷壓工藝制作熱塑性樹脂膠合板，研究熱壓壓力和冷壓壓力對板材熱壓時間、板材壓縮率和膠合強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：熱壓壓力對板材的膠合強(qiáng)度沒有明顯影響；在板坯含水率較低時，提高熱壓壓力有利于縮短熱壓時間，但在板坯含水率較高時，提高熱壓壓力，不會縮短熱壓時間，反而會使板材壓縮率提高；冷壓壓力是保證板坯膠合強(qiáng)度的關(guān)鍵，在一定范圍內(nèi)提高冷壓壓力有利于提高板材的膠合強(qiáng)度，且不會明顯提高板材的壓縮率。

聚乙烯；熱塑性樹脂；膠合板；熱壓壓力；冷壓壓力；

人造板的甲醛釋放是造成室內(nèi)空氣污染的主要源頭之一，一直困擾著人造板行業(yè)的發(fā)展，采用不含甲醛的膠粘劑材料替代常規(guī)的脲醛樹脂、酚醛樹脂和三聚氰胺甲醛樹脂人造板膠粘劑可從根源上杜絕游離甲醛污染，其中熱塑性樹脂膠粘劑是具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的人造板用無醛膠粘劑之一，目前，熱塑性樹脂膠應(yīng)用最廣的并非傳統(tǒng)人造板領(lǐng)域，而是用作熱熔膠基礎(chǔ)共聚物粘接材料和木塑復(fù)合材料，其中擠出型木塑復(fù)合材料是近些年發(fā)展較快的人造板品種，其產(chǎn)品直接成型、耐水、耐腐，已經(jīng)成為重要的室外用木質(zhì)復(fù)合材料，但是存在生產(chǎn)效率相對低下等問題[1]。將熱塑性樹脂膠粘劑做成膜狀，采用先熱壓后冷壓工藝制作熱塑性樹脂膠合板，因可以利用現(xiàn)有成熟的人造板生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)效率高，使之成為具有較大發(fā)展優(yōu)勢的熱塑性人造板產(chǎn)品[2-4]，目前在熱塑性膠合板的生產(chǎn)工藝參數(shù)上已有許多研究，研究主要集中在熱壓溫度、熱壓時間和樹脂添加量等因素對膠合強(qiáng)度性能的影響，熱壓壓力基本參照普通膠合板，冷壓壓力則沒有太多的研究，如張桂蘭等[5]在松木單板/塑料復(fù)合膠合板制備工藝研究中，根據(jù)常規(guī)膠合板生產(chǎn)中常用熱壓壓力值確定，選定熱壓壓力值為0.7 MPa，冷壓壓力選定為0.5 MPa；常亮等[6]在木塑復(fù)合膠合板熱壓復(fù)合因子研究中熱壓壓力選擇常規(guī)膠合板常用壓力值0.7 MPa；后處理壓力(即冷壓壓力)0.6 MPa；方露等[7]在利用高密度聚乙烯膜制備楊木膠合板研究中熱壓壓力與冷壓壓力均固定為1 MPa，而熱塑性樹脂膠合板與采用熱固性液狀膠粘劑的普通膠合板制作機(jī)理是不同的，壓力對其的影響應(yīng)該也不一樣，如在普通膠合板中較大的壓力，會使液狀膠粘劑過度滲入木材，從而影響膠合性能，而在相同壓力下，非液體狀的熱塑性薄膜則可能不存在此問題；此外熱塑性樹脂膠合板生產(chǎn)工藝大多為熱-冷工藝，除了熱壓壓力還存在冷壓壓力參數(shù)的選擇，目前對這方面的研究還較少，為此本文將樹脂添加量和熱壓溫度固定作為常量，研究不同的熱壓壓力和冷壓壓力對板坯熱壓時間、板材壓縮率和膠合強(qiáng)度的影響，以期為熱塑性樹脂膠合板制作工藝中熱壓壓力和冷壓壓力的優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1材料

桉樹單板：厚度為2.0 mm，尺寸為400 mm×400 mm，福州清芯木業(yè)有限公司提供；聚乙烯膠膜：厚度為0.04 mm，面密度為38.8 g·m-2，由福州翰揚(yáng)環(huán)?？萍加邢薰局谱?。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

KS/100H熱壓機(jī)，東莞市科盛實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，熱壓壓力和溫度由設(shè)備自動控制，表壓力波動<0.5 MPa，溫度波動<3 ℃；QD熱壓機(jī)：上海人造板機(jī)器廠生產(chǎn)，作為冷壓機(jī)使用；TM902C測溫儀；K型感溫探頭，精度0.1 ℃；ASG-X 10KN材料試驗(yàn)機(jī)，島津生產(chǎn)；千分尺，精度0.001 mm。

1.3方法

1.3.1 膠合板的制作 制作規(guī)格400 mm×400 mm的9層膠合板，將鋪裝好的板坯，放入達(dá)到設(shè)定溫度的KS/100 H型熱壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，熱壓結(jié)束后將試件從KS/100 H熱壓機(jī)取出，移至不加熱狀態(tài)的QD熱壓機(jī)中進(jìn)行冷壓，等中間層溫度降至50 ℃左右卸壓。

1.3.2 板坯熱壓過程中溫度和時間測量 在板坯中間層單板上鋸制1條深至中心位置的鋸縫，組坯時將K型感溫探頭固定在鋸隙中并與測溫儀相連，熱壓機(jī)壓板閉合時，開始記錄溫度和時間數(shù)據(jù)。

1.3.3 膠合強(qiáng)度測定 制作好的樣品在陰涼處放置24 h后，根據(jù)GB/T 17657—2013人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[8]的要求，在熱水浸泡后進(jìn)行測試，測試結(jié)果在剔除非正常破壞試件數(shù)據(jù)后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1熱壓壓力對板坯溫度傳導(dǎo)的影響

試驗(yàn)所使用的聚乙烯膠膜的熔融溫度為120～125 ℃，為了保證板坯中每一層的聚乙烯薄膜能在熔融的狀態(tài)下受壓冷卻，在熱壓時，板坯離壓板最遠(yuǎn)的中間層的溫度不能低于125 ℃，本文研究在不同熱壓壓力下(0.6～1.2 MPa)，熱壓溫度為155 ℃時，板坯中間層加熱到125 ℃所需時間，了解熱壓壓力對溫度傳導(dǎo)的影響，因板坯的加熱升溫還與板坯的含水率有關(guān)，而生產(chǎn)中所使用的單板含水率范圍一般在8%～25%左右，為了排除干擾便于比較，選擇實(shí)際含水率為8.6%、23.2% 2個極端含水率板坯進(jìn)行對比，結(jié)果見圖1、圖2。

板坯含水率為8.6%圖1 低含水率板坯熱壓壓力對熱壓時間的影響

板坯含水率為23.2%圖2 高含水率板坯熱壓壓力對熱壓時間的影響

由圖1可知，在板坯含水率較低時，隨著熱壓壓力的加大，所需的熱壓時間有逐漸減少的趨勢，高熱壓壓力(1.2 MPa)，所需的熱壓時間為約15 min，低壓力(0.6 MPa)約為19 min，縮短了近20%；由圖2可知，在板坯含水率較高時，熱壓壓力提高，所需的熱壓時間則沒有明顯差別，高熱壓壓力(1.2 MPa)反而比低壓力(0.6 MPa)所需的時間略長些。上述結(jié)果表明在板坯含水率較低時，增加熱壓壓力，可縮短熱壓時間，而在含水率較高時，則影響不明顯。

為了便于分析上述結(jié)果，本文通過高低2種含水率板坯中間層在不同熱壓壓力的升溫曲線圖(圖3、圖4)觀察熱壓壓力對熱壓時間的影響。從圖3可以看出，低含水率時，高熱壓壓力在升溫的各個階段都快于低熱壓壓力，這可能是因?yàn)樵龃鬅釅簤毫Γ欣趩伟迮c單板貼合更加緊密，增大接觸面積，同時有效降低接觸熱阻，加強(qiáng)了熱量的傳導(dǎo)，同時增大壓力會使板坯的厚度縮小，減少了熱量傳送的距離即導(dǎo)熱熱阻，板坯升溫加快，所以熱壓壓力增大，所需的熱壓時間減少；由圖4可以看出，在含水率較高的狀態(tài)下，在快速升溫階段(室溫～100 ℃)和恒溫階段(100 ℃左右)[9-10]，升溫規(guī)律基本與低含水率時一致，壓力大升溫快，但在進(jìn)入慢速升溫階段(100 ℃以上)，高熱壓壓力(1.2 MPa)升溫速率明顯低于低壓力(0.6 MPa)的升溫速率，且此階段所用時間較長，導(dǎo)致其最終達(dá)到125 ℃所用時間較長。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，可能是因?yàn)樵谳^高的壓力下，高溫高濕的木材易被壓縮，致密的材質(zhì)會使得水蒸氣移動的阻力增加，水分向外排出速度降低，相對于低熱壓壓力下，在單位時間內(nèi)會有更多的水分留在板坯內(nèi)沒有排出，從而導(dǎo)致在后續(xù)的升溫過程中，壓機(jī)的熱量不僅用于加熱木材，還需要將這部分未排出的水分加熱到更高的溫度，導(dǎo)致高熱壓壓力在慢速升溫階段升溫速度小于低熱壓壓力；而在板坯含水率較低時，由于水分總量少，由此造成的升溫速度降低則不明顯。

板坯含水率為8.6%圖3 低含水率板坯不同熱壓壓力下的升溫曲線圖

板坯含水率為23.2%圖4 高含水率板坯不同熱壓壓力下的升溫曲線圖

2.2熱壓壓力對膠合強(qiáng)度和板材壓縮率的影響

在試驗(yàn)中，固定熱壓溫度為155 ℃，冷壓壓力為1.2 MPa，在不同的熱壓壓力下，將2種含水率的板坯中間層加熱到135 ℃后進(jìn)行冷壓，通過對所制作試件的膠合強(qiáng)度和板材壓縮率變化來研究熱壓壓力的影響，結(jié)果見表1。

表1 熱壓壓力對木材壓縮率和膠合強(qiáng)度的影響

從膠合強(qiáng)度上看，板坯含水率較低時，熱壓壓力對膠合強(qiáng)度沒有明顯影響，提高壓力，不會增加膠合強(qiáng)度；在板坯含水率較高時，壓力0.8 MPa以下，膠合強(qiáng)度沒有區(qū)別，熱壓壓力繼續(xù)增大至1.0 MPa以上，膠合強(qiáng)度略有提高。這可能是在高壓下板材被壓縮，單板密度增大，有利于膠合強(qiáng)度的提高。從板材壓縮率上看，含水率較低時，壓力增大對板材壓縮率沒有什么影響，但在含水率高時，木材的塑性較大，在高溫下隨著壓力的提高，板材壓縮率明顯提高，雖然壓縮率提高有利于增加強(qiáng)度，但降低了出材率，增加了板材的重量，從經(jīng)濟(jì)效益上看是不利的。綜上所述，在普通熱塑性膠合板制作中，應(yīng)盡可能選擇較低的熱壓壓力。

2.3冷壓壓力對膠合強(qiáng)度和板材壓縮率的影響

在試驗(yàn)中，固定熱壓壓力為0.6 MPa，熱壓溫度為155 ℃，當(dāng)板坯中間層溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(135 ℃、155 ℃)，停止熱壓，移入冷壓機(jī)，使用不同的冷壓壓力進(jìn)行冷壓，所制備的試件壓縮率和膠合強(qiáng)度的檢測結(jié)果見表2。

表2 冷壓壓力對木材壓縮率和膠合強(qiáng)度的影響

從膠合強(qiáng)度上看，如果冷壓壓力較小時，試件膠合強(qiáng)度也較低，冷壓壓力提高到一定值后，試件的膠合強(qiáng)度才會達(dá)到較大值。其中板坯溫度為135 ℃、壓力從0.6～1.2 MPa，膠合強(qiáng)度都不高，當(dāng)冷壓壓力達(dá)到1.5 MPa時，膠合強(qiáng)度才達(dá)到較大值；而板坯溫度為155 ℃、壓力為0.9 MPa時，膠合強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到較高的值，試驗(yàn)結(jié)果表明冷壓壓力是保證板材膠合強(qiáng)度的關(guān)鍵，冷壓時，如果板坯溫度較低，需要較高的冷壓壓力，板坯溫度較高時，冷壓壓力不需要太大即可達(dá)到較好的膠合強(qiáng)度?？赡苁且?yàn)樵?35 ℃時，熔融的熱塑性樹脂的粘度較大，需要更大的壓力才能使樹脂充分滲入木材的縫隙中，而在155 ℃時熔融熱塑性樹脂粘度較低，在較低的壓力下便可使其流動，與木材表面充分接觸，增加膠接面積，從而保證了膠合強(qiáng)度。從木材壓縮率上看，冷壓壓力對木材壓縮率沒有明顯影響，增大冷壓壓力，不會明顯增加木材壓縮率。綜上所述，在普通熱塑性膠合板制作中，可以選擇較高的冷壓壓力。

2.4采用分段式熱壓工藝對膠合強(qiáng)度和板材壓縮率的影響

圖5 分段式熱壓壓力曲線

在熱塑性膠合板制作中，熱壓時間較長，冷壓所需時間較短。如果采用熱壓—冷壓并聯(lián)方式，冷壓可以跟熱壓同時進(jìn)行，不會增加工藝時間，因此要提高生產(chǎn)率，關(guān)鍵在于縮短熱壓時間。由圖4可知，當(dāng)板坯含水率較高時，大部分熱壓時間和熱量都用于將板坯中的水分氣化并排出，如果能加快水分的排出，就有可能縮短熱壓所需時間。采用分段式熱壓工藝(圖5)，當(dāng)熱壓壓力從高壓力降至低壓力時，產(chǎn)生壓力差應(yīng)會使得內(nèi)部高壓力的水氣更易向外排出。

為此本文對比兩段式熱壓工藝與恒定壓力2種工藝下，將板坯中間層加熱到125 ℃所需時間及其對板材壓縮率和膠合強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表3。其中熱壓溫度固定為155 ℃，兩段式熱壓工藝中高壓壓力(Pmax)為1.0 MPa，低壓壓力(Pmin)為0.4 MPa，板坯實(shí)際含水率為20%左右，高壓段熱壓時間(T1)在試驗(yàn)中定為8 min，此時板坯中間層已升溫至100 ℃，開始進(jìn)入恒溫階段不久，當(dāng)所有試驗(yàn)板坯的中間層加熱至135 ℃時，進(jìn)行冷壓，冷壓壓力統(tǒng)一為1.2 MPa。

表3 分段式加壓工藝與恒壓加壓工藝的比較

由表3可知，從所需時間上看，采用分段式加壓所用的時間比恒壓1.0 MPa工藝和恒壓0.4 MPa工藝時間都短，比恒壓1.0 MPa壓力下所用時間縮短了15%左右，表明采用分段式熱壓工藝可以縮短熱壓時間。試驗(yàn)過程中，降壓時也能直觀地看到大量水汽從板內(nèi)沖出在空氣凝結(jié)的白霧，這個排氣過程比采用恒壓工藝明顯；從板材壓縮率上看，分段式加壓遠(yuǎn)小于高壓恒壓，與低壓恒壓接近，這是因?yàn)樵诜侄问郊訅汗に囅?，板?0%以上的時間都處于低壓狀態(tài)，在高壓狀態(tài)時，板坯正處于從室溫升到100 ℃的過程中，溫度不高，板坯也不易壓縮，最終板材壓縮率較小；從膠合強(qiáng)度上看，這幾種工藝膠合強(qiáng)度測定值沒有明顯區(qū)別，這是因?yàn)闊釅汉蟮陌迮鳒囟群屠鋲簤毫σ恢拢詮?qiáng)度不會有明顯區(qū)別。綜上所述，在板坯含水率較高時，采用多段式熱壓工藝，有利于板坯水分排出，可以縮短熱壓所需時間，而不會明顯影響板材壓縮率和強(qiáng)度。

3 結(jié)論與建議

1)增加熱壓壓力對熱塑性膠合板的膠合強(qiáng)度的提高沒有明顯作用，且在板坯含水率較高時，提高熱壓壓力會明顯增大板材的壓縮率，也不利于縮短熱壓所需時間，因此在普通熱塑性膠合板生產(chǎn)中應(yīng)選擇較低的熱壓壓力，或者采用分段式熱壓工藝，加快水的排出，同時使板坯在熱壓過程中大部分時間處于低壓狀態(tài)，這樣既可以縮短熱壓時間，又不會明顯增加板材壓縮率。

2)冷壓壓力是保證板坯膠合強(qiáng)度的關(guān)鍵，在一定范圍內(nèi)提高冷壓壓力有利于提高板材的膠合強(qiáng)度，而且冷壓壓力大小對板材的壓縮率沒有明顯影響，在其他條件(如：熱壓溫度、樹脂用量)不變情況下，如果需要進(jìn)一步提高強(qiáng)度，可嘗試通過加大冷壓壓力的方式來解決。

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TheInfluenceofPressonThermoplasticResinPlywoodProductionProcess

LIUXiaohui

(FujianAcademyofForestry，F(xiàn)uzhou350012，F(xiàn)ujian，China)

This paper studied the influence of hot-pressing press and cold-pressing press on the hot-pressing time，pressure degree and bonding strength of the thermoplastic resin plywood produced by the hot-cold cycle technique using polyethylene film as adhesive.Results showed that the hot-pressing press had no significant influence on the bonding strength .When the mat moisture content was low，increasing the hot-pressing press would help to reduce the heating time of the mat，and when the mat moisture content was high，it would be not obvious，and even increasing the pressure degree of mat.Cold-pressing press is a critical factor to ensure the bonding strength of the mat，increasing the cold-pressing press in a certain range would be beneficial to improve the bonding strength of the mat，and no increase the pressure degree of mat obviously.

polyethylene；thermoplastic resin；plywood；hot-pressing press；cold-pressing press

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.012

2016-12-24；

： 2017-03-09

福建省省屬公益類科研院所基本科研專項(xiàng)(利用接枝聚乙烯制作無甲醛木質(zhì)裝修材料，2014R1011-1)；國家林業(yè)局南方山地用材林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助

劉曉輝(1972—)，男，福建安溪人，福建省林業(yè)科學(xué)研究院高級工程師，從事人造板加工與工藝學(xué)研究。E-mail：757686353@qq.com。

TS653.3

： A

： 1002-7351(2017)03-0058-05