桉木單板/聚丙烯薄膜復(fù)合材料的性能評(píng)價(jià)

韋文榜 宋偉 張雙保

【摘 要】本文分析聚丙烯組、聚乙烯組、酚醛組復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，同時(shí)達(dá)到了I類膠合板與II類膠合板的要求，而脲醛組復(fù)合材料的物理力學(xué)性能值達(dá)到了II類膠合板的要求；總體而言，聚丙烯組的物理力學(xué)性能明顯優(yōu)于聚乙烯組與脲醛組，并與酚醛組復(fù)合材料相當(dāng)。

【關(guān)鍵詞】吸水厚度膨脹率 靜曲強(qiáng)度與彈性模量 力學(xué)性能

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2018）06C-0185-03

一、不同膠黏劑所制備膠合板吸水厚度膨脹率的對(duì)比

如圖1（a）所示，四組復(fù)合材料的吸水厚度膨脹在1到7天期間，隨時(shí)間增加。結(jié)果表明，塑料薄膜組復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率低于甲醛樹脂組。塑料薄膜組中，聚丙烯組的吸水厚度膨脹率低于聚乙烯組；甲醛樹脂組中，酚醛組低于脲醛組。上述順序在7天之內(nèi)一直如此。對(duì)于膠合板類復(fù)合材料，厚度膨脹描述了板子吸水后引起的膨脹。通常，較低吸水厚度膨脹率，反映了潮濕環(huán)境中較高的尺寸穩(wěn)定性。

與甲醛樹脂組復(fù)合材料相比，塑料薄膜組的吸水厚度膨脹率較低，與所用膠黏劑的性質(zhì)有關(guān)。甲醛基樹脂的分子結(jié)構(gòu)中，存在豐富的親水基團(tuán)，如氨基、羥基等；但是，聚丙烯、聚乙烯塑料的分子結(jié)構(gòu)中，一般只有烷基等疏水基團(tuán)。因此，塑料薄膜形成的膠層，比甲醛樹脂形成的膠層更加疏水，有助于減少復(fù)合材料的吸水與厚度膨脹行為。

塑料薄膜組中，聚丙烯組的吸水厚度膨脹率低于聚乙烯組；甲醛樹脂組中，酚醛組低于脲醛組。該結(jié)果可能與熱壓條件有關(guān)。高的熱壓溫度能夠降低原材料中親水基團(tuán)的含量，有助于降低復(fù)合材料的吸水與厚度膨脹行為。本研究中的熱壓溫度，聚丙烯組高于聚乙烯組，而酚醛組則高于脲醛組。

二、不同膠黏劑所制備膠合板靜曲強(qiáng)度與彈性模量的對(duì)比

如圖1（c）和（d）所示，聚丙烯組與酚醛組復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量，高于聚乙烯組與脲醛組。此外，酚醛組的靜曲強(qiáng)度和彈性模量高于聚丙烯組，脲醛組的結(jié)果高于聚乙烯組。

對(duì)于膠合板類復(fù)合材料，靜曲強(qiáng)度反映了它們的抗斷裂的能力，而彈性模量則反應(yīng)了它們的抗變形剛度。通常，較高的靜曲強(qiáng)度和彈性模量，反映了復(fù)合材料的更好的力學(xué)性能和更有效的應(yīng)力傳遞。靜曲強(qiáng)度與彈性模量結(jié)果之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，這是可以理解的，因?yàn)殪o曲強(qiáng)度與彈性模量都是由相同的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得出的。

對(duì)于塑料薄膜組復(fù)合材料，聚丙烯組的靜曲強(qiáng)度與彈性模量高于聚乙烯組；而對(duì)于甲醛樹脂組的復(fù)合材料，酚醛組的靜曲強(qiáng)度與彈性模量高于脲醛組。這一結(jié)果與粘接性能有關(guān)。據(jù)報(bào)道，聚丙烯的物理力學(xué)性能普遍高于聚乙烯，而酚醛樹脂的物理力學(xué)性能普遍高于脲醛樹脂。

總的來說，塑料薄膜組復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度與彈性模量，均低于甲醛樹脂組復(fù)合材料，這與熱壓條件和粘接界面有關(guān)。對(duì)于熱壓條件方面，熱壓溫度越高，塑料薄膜組復(fù)合材料的熱壓溫度更高，會(huì)增加原材料的脆性、降低膠合板類復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度。對(duì)于粘接界面方面，疏水性塑料薄膜與親水性木材單板的相容性較低。這種差異會(huì)使塑料薄膜組復(fù)合材料的界面上，出現(xiàn)較多的縫隙，比甲醛樹脂組更為嚴(yán)重。這會(huì)導(dǎo)致塑料薄膜組復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞較差，從而導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度較低。

三、不同膠黏劑所制備膠合板I類膠合強(qiáng)度與II類膠合強(qiáng)度的對(duì)比

圖1（e）和（f）分別代表材料的I類和II類膠合強(qiáng)度。聚丙烯組復(fù)合材料的兩種膠合強(qiáng)度的結(jié)果高于聚乙烯組，但低于酚醛組。脲醛組的II類膠合強(qiáng)度高于聚乙烯組，但由于水煮時(shí)板子發(fā)生開膠，脲醛組的I類膠合強(qiáng)為0。

對(duì)于膠合板類復(fù)合材料，I類膠合強(qiáng)度與II類膠合強(qiáng)度描述的是膠接接頭對(duì)剪切破壞的抵抗力，在人工加速老化后測定。通常，較高的膠合強(qiáng)度反映出更加牢固的膠接接頭以及更高的耐老化性。相比II類膠合強(qiáng)度，I類膠合強(qiáng)度結(jié)果較低，這老化與處理的條件有關(guān)。對(duì)于II類膠合強(qiáng)度，其老化處理包括沸水煮和高溫爐干63℃；對(duì)于II類膠合強(qiáng)度，其老化處理則為63 ℃中浸泡。

酚醛組的I類膠合強(qiáng)度、II類膠合強(qiáng)度均較高，這與膠黏劑性質(zhì)、粘接界面有關(guān)。在膠黏劑性能方面，酚醛樹脂具備高度穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，使得膠接接頭強(qiáng)度高、耐老化。在界面上，酚醛樹脂（比塑料薄膜）與木材具有較高的界面相容性，其界面可以通過化學(xué)反應(yīng)形成。

雖然脲醛組復(fù)合材料的界面也可以通過化學(xué)反應(yīng)形成，但脲醛樹脂被公認(rèn)為不耐老化；因此，脲醛組較高的II類膠合強(qiáng)度與極低的I類膠合強(qiáng)度，便是可以理解的。

對(duì)于塑料薄膜組復(fù)合材料而言，I類膠合強(qiáng)度與II類膠合強(qiáng)度的差別不是很大。這一結(jié)果與塑料薄膜的疏水性有關(guān)。然而，塑料薄膜組的I類膠合強(qiáng)度低于酚醛組，而塑料薄膜組中聚乙烯組的II類膠合強(qiáng)度低于脲醛組。這一結(jié)果與疏水性塑料膜與親水性木材單板的低界面相容性有關(guān)。此外，聚丙烯組復(fù)合材料的兩種膠合強(qiáng)度高于聚乙烯組，這與膠黏劑性能有關(guān)。據(jù)報(bào)道，聚丙烯的物理力學(xué)性能普遍高于聚乙烯。

四、不同膠黏劑所制備膠合板甲醛釋放量的對(duì)比

如圖1（b）所示，塑料薄膜組復(fù)合材料的甲醛釋放量，低于甲醛樹脂組。塑料薄膜組中，聚丙烯組低于聚乙烯組；甲醛樹脂組中，酚醛組低于脲醛組。

由于聚丙烯、聚乙烯等塑料薄膜中沒有甲醛，塑料薄膜組復(fù)合材料表現(xiàn)出的較低的甲醛釋放量可能是由木材引起的，因?yàn)榧兹┦且环N木材中自然產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)，木材本身會(huì)包含并釋放極少量、但仍可檢出的游離甲醛。

甲醛樹脂組復(fù)合材料的甲醛釋放量較高，主要是由于膠粘劑的影響。林產(chǎn)品行業(yè)已經(jīng)公認(rèn)，甲醛基樹脂膠黏劑是增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料甲醛釋放的重要原因。據(jù)報(bào)道，甲醛樹脂的釋放行為主要與樹脂合成時(shí)過量添加甲醛有關(guān)，但也與樹脂的水解和老化有關(guān)。

對(duì)于塑料薄膜組復(fù)合材料，聚丙烯組的甲醛釋放量低于聚乙烯組；對(duì)于甲醛樹脂組復(fù)合材料，酚醛樹脂組低于脲醛樹脂組。這一結(jié)果可能與熱壓條件有關(guān)。據(jù)報(bào)道，木單板經(jīng)過高溫處理后，其吸附位點(diǎn)會(huì)受到影響，采用該單板制備膠合板時(shí)，甲醛釋放量會(huì)下降。在本研究中，聚丙烯組的熱壓溫度高于聚乙烯組，而酚醛組的熱壓溫度高于脲醛組。

五、不同膠黏劑所制備膠合板與各種膠合板標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

中國是人造板最大的生產(chǎn)、消費(fèi)和貿(mào)易國。中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9846（2015）將膠合板分為幾類，其中的I類膠合板要求必須有彎曲強(qiáng)度高于32 MPa、彎曲模量高于5.5 GPa、I類膠合強(qiáng)度高于0.7 MPa，其中的II類膠合板要求必須有彎曲強(qiáng)度高于32 MPa、彎曲模量高于5.5 GPa、II類膠合強(qiáng)度高于0.7 MPa。關(guān)于甲醛釋放量，日本標(biāo)準(zhǔn)JAS 233（2008）最近在評(píng)價(jià)膠合板的甲醛釋放值時(shí)，越來越受到關(guān)注。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，膠合板的甲醛釋放量可分為F*（甲醛釋放量<5 mg/L）、F**（甲醛釋放量<1.5 mg/L）、F***（甲醛釋放量<0.5 mg/L）、F****（甲醛釋放量<0.3 mg/L）。目前，F(xiàn)****被公認(rèn)為是世界上非常高的要求。

聚丙烯組、聚乙烯組、酚醛組復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，同時(shí)達(dá)到了I類膠合板與II類膠合板的要求，而脲醛組復(fù)合材料的物理力學(xué)性能值達(dá)到了II類膠合板的要求。總體而言，聚丙烯組的物理力學(xué)性能明顯優(yōu)于聚乙烯組與脲醛組，并與酚醛組復(fù)合材料相當(dāng)。對(duì)于甲醛釋放的結(jié)果，脲醛組與酚醛組復(fù)合材料，只是分別達(dá)到了F*與F**的要求。相比之下，聚丙烯組與聚乙烯組復(fù)合材料都達(dá)到了F****的要求，其中聚丙烯組甚至比聚乙烯組還要更低。

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【作者簡介】韋文榜，博士，廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，高級(jí)工程師，研究方向：木質(zhì)復(fù)合材料與膠黏劑研；張雙保，研究方向：木質(zhì)復(fù)合材料與膠黏劑；宋 偉，研究方向：木質(zhì)復(fù)合材料與膠黏劑。

（責(zé)編 丁 夢）