異氰酸酯膠黏劑壓制刨花板的力學(xué)性能

趙 艷，高 珣，林 琳，唐朝發(fā)，龐久寅

(北華大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132013)

合成樹脂膠黏劑的出現(xiàn)推動了木材工業(yè)的發(fā)展，但同時也帶來了因游離甲醛和游離酚造成的嚴(yán)重環(huán)境污染問題.目前，盡管我國在人造板生產(chǎn)中使用的膠黏劑為低毒性脲醛樹脂膠黏劑，但仍不能徹底解決游離甲醛釋放的問題(比如在濕熱條件下，脲醛樹脂分子之間的醚鍵(—CH2—O—CH2)容易破裂釋放出游離甲醛).因此，木材加工用非甲醛系合成樹脂膠黏劑的開發(fā)與利用備受關(guān)注.異氰酸酯樹脂膠黏劑屬非甲醛系合成樹脂膠黏劑[1-2]，它在人造板生產(chǎn)上的應(yīng)用將徹底解決甲醛釋放問題.雖然價格較高，但因不存在甲醛污染，且膠接性能優(yōu)良、施膠量極低、熱壓周期短、使用刨花含水率范圍廣、膠合耐水性和耐久性遠(yuǎn)優(yōu)于脲醛樹脂膠黏劑等優(yōu)點(diǎn)[3-8]，受到了普遍關(guān)注.隨著我國化學(xué)工業(yè)的不斷發(fā)展，其價格也將會逐漸下降，在人造板生產(chǎn)上的應(yīng)用也將不斷增加.

正交試驗(yàn)法廣泛用于含有多個變量的試驗(yàn)分析，該方法是從大量的試驗(yàn)點(diǎn)中挑選適量的具有代表性的點(diǎn)[9-10]，通過少量試驗(yàn)確定最優(yōu)工藝條件.本次研究利用正交試驗(yàn)法，考察施膠量、熱壓溫度、熱壓時間3個變量對人造板力學(xué)性能的影響.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

聚醚多元醇(N220)、甲苯二異氰酸酯(TDI)、丙酮、二羥甲基丙酸(DMPA)、三乙胺(TEA)、非離子性乳化劑(OP)、聚乙烯醇(PVA1799).

1.2 主要試驗(yàn)儀器和設(shè)備

數(shù)顯全自動升降恒溫水浴鍋、電動攪拌器、電子分析天平、三口玻璃燒瓶、溫度計(jì)、酸堿指示劑、膠頭滴管、旋轉(zhuǎn)粘度儀、恒溫鼓風(fēng)干燥箱、平板硫化機(jī)、人造板萬能試驗(yàn)機(jī).

1.3 異氰酸酯膠黏劑制備

稱取一定量N220試劑加入三口瓶中，固定安裝在試驗(yàn)臺上.攪拌器攪拌速度300～400 r/min，升溫至75 ℃，再滴加一定量TDI，恒溫1 h；加入一定量DMPA，待反應(yīng)3 h后將三口瓶中的溶液倒入燒杯中；溫度降低到40 ℃時再滴加TEA并攪拌，配置10%OP溶液加入高速攪拌的燒杯中.

1.4 異氰酸酯樹脂膠黏劑的黏接機(jī)理

異氰酸酯樹脂膠黏劑中的游離異氰酸基與木材表面的活性點(diǎn)(如羥基)反應(yīng)形成化學(xué)鍵膠接(Wood-OH + HOOC-NHR-NHCOOROOCNH2= Wood-OOC-NHR-NHCOOROOCNH-NHR-OOC -Wood).同時，異氰酸酯樹脂膠黏劑具有較多的強(qiáng)極性基團(tuán)，能產(chǎn)生第二化學(xué)鍵，如亞氨基等.

1.5 固含量測定

將錫紙杯放在分析天平上稱重并記錄；用膠頭滴管取適量膠液，逐滴滴在錫紙杯上，記錄樹脂與錫紙杯的質(zhì)量，并將其放入恒定溫度120 ℃的干燥箱內(nèi)烘干，3 h左右后停止干燥.室溫冷卻后取出并稱重記錄，取3次數(shù)值算數(shù)平均值[11].

1.6 黏度測定

按測量要求的精度準(zhǔn)確控制被測液體溫度為25 ℃，選擇并安裝64號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為30 r/min，保持轉(zhuǎn)子在待測液體中勻速旋轉(zhuǎn)，時間控制在20～30 s.讀數(shù)時一般在指針為30～90分度之間為佳，否則可變換轉(zhuǎn)子號和轉(zhuǎn)速達(dá)到這個要求[12].

1.7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在影響刨花板力學(xué)性能的研究中考察的因素和變量主要包括施膠量(170，190，210 g/m2)、熱壓溫度(170，175，180 ℃)及熱壓時間(400，425，450 s).故以此為3因素，以刨花板各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)為考核指標(biāo)，初步確定正交試驗(yàn)中的因素及水平，見表1，試驗(yàn)方案見表2.只需9次試驗(yàn)，就能全面考察3個因素3個水平以及試驗(yàn)誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響.

表1 正交試驗(yàn)因素及水平Tab.1 Factors and levels of the orthogonal design

表2 正交試驗(yàn)方案Tab.2 Scheme of orthogonal design

1.8 刨花板制備與檢測工藝流程

以N220，TDI為原材料，在實(shí)驗(yàn)室制取水性異氰酸酯膠黏劑，取出倒入燒杯中待用.取粉碎并干燥好的刨花與膠黏劑攪拌均勻，熱壓，測試性能.工藝流程見圖1.

圖1 刨花板制備與檢測工藝流程Fig.1 Preparation and testing process flow of particleboard

1.9 力學(xué)性能檢測

測試的力學(xué)性能指標(biāo)為靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等，按刨花板國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 4897—2003)測定.每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測試4次，取算術(shù)平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 固含量與黏度

黏度是膠黏劑的重要技術(shù)指標(biāo).黏度高則初黏力大，當(dāng)初黏力大于1.8 N/15 mm時，不會產(chǎn)生皺紋、“隧道”等問題；黏度低上膠量少，涂膠均勻，但往往溶劑含量高，浪費(fèi)資源，污染空氣.因此，溶劑型膠黏劑有一個適宜的黏度.本次試驗(yàn)制備的異氰酸酯膠黏劑平均黏度為16 163.33 mPa·s，符合企業(yè)用標(biāo)準(zhǔn).此外，異氰酸酯膠黏劑的固含量對其黏度也有較大影響，固含量越大，黏度越高.異氰酸酯膠黏劑的固含量、黏度分別見表3、表4.

表3 固含量Tab.3 Solid content of measurement data

表4 黏度Tab.4 Viscosity of test results

2.2 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

通過對比刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度對應(yīng)的極差R的大小判斷刨花板制備條件，即施膠量、熱壓溫度和熱壓時間對刨花板質(zhì)量影響的主次關(guān)系.由表5可知：施膠量、熱壓溫度和熱壓時間對應(yīng)的極差R值分別是0.193，0.107和0.140.顯然，施膠量對應(yīng)的R值最大，熱壓時間次之，熱壓溫度最低，即施膠量>熱壓時間>熱壓溫度.由于正交試驗(yàn)中的最優(yōu)試驗(yàn)組合很有可能沒在正交表所列的試驗(yàn)組合中，所以，要對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行位級趨勢分析.通過施膠量、熱壓溫度和熱壓時間3個因素對刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度效果的位級趨勢分析可知:刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨著施膠量、熱壓溫度和熱壓時間增加呈逐漸增大趨勢(圖2).施膠量對刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響最顯著，熱壓時間次之，熱壓溫度最弱，最優(yōu)的試驗(yàn)組合為A3B3C3.綜合分析施膠量、熱壓溫度和熱壓時間的關(guān)系可知：刨花板最優(yōu)制備工藝為施膠量210 g/m2、熱壓溫度180 ℃、熱壓時間450 s，此時內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.51 MPa，符合ISO 9247：1989 A刨花板標(biāo)準(zhǔn).

表5 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度極差分析Tab.5 Range analysis of intuitive internal bond strength

圖2 刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度極差分析Fig.2 Range analysis of the internal bond strength

2.3 靜曲強(qiáng)度

由表6可知：施膠量對應(yīng)的R最大，熱壓時間次之，熱壓溫度最低，即施膠量>熱壓時間>熱壓溫度.通過對刨花板靜曲強(qiáng)度效果的位級趨勢分析(圖3)可知：刨花板靜曲強(qiáng)度隨著施膠量、熱壓溫度和熱壓時間的增加呈逐漸增大趨勢.施膠量對刨花板靜曲強(qiáng)度影響最顯著，熱壓時間次之，熱壓溫度最弱，即該理論最優(yōu)的試驗(yàn)組合為A3B3C3.綜合分析施膠量、熱壓溫度和熱壓時間的關(guān)系，得出刨花板最優(yōu)制備工藝為施膠量210 g/m2、熱壓溫度180 ℃、熱壓時間450 s.此時靜曲強(qiáng)度為22.4 MPa.根據(jù)ISO 9247：1989，在潮濕狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)用板要求，板面厚度小于13 mm，靜曲強(qiáng)度≥16 MPa，符合ISO 9247：1989A類刨花板標(biāo)準(zhǔn).

表6 靜曲強(qiáng)度極差分析Tab.6 Range analysis of static bending strength

圖3 刨花板靜曲強(qiáng)度極差分析Fig.3 Range analysis of static bending strength

3 小 結(jié)

異氰酸酯膠黏劑具有膠接性能優(yōu)良、熱壓周期短、使用刨花含水率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，且不存在甲醛污染問題，已受到國內(nèi)外研究者的普遍關(guān)注.本次研究分析了異氰酸酯膠黏劑刨花板的壓制工藝及對各項(xiàng)性能的影響.結(jié)果表明：異氰酸酯膠黏劑黏度、固含量適中，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可大規(guī)模推廣使用.利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了施膠量、熱壓溫度和熱壓時間對刨花板力學(xué)性能的影響.結(jié)果顯示：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，壓制的刨花板靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度均隨著施膠量、熱壓溫度和熱壓時間的增加呈增大趨勢.其中，施膠量對刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響最顯著，熱壓時間次之，熱壓溫度最弱.刨花板最優(yōu)制備工藝為施膠量210 g/m2、熱壓溫度180 ℃、熱壓時間450 s，此時內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度與靜曲強(qiáng)度分別為0.51 MPa和22.4 MPa.