PVC薄膜與桉木單板制備復合膠合板的工藝優(yōu)化

吳藝輝

摘要：通過正交試驗研究了熱壓工藝參數(shù)對木塑復合膠合板膠合強度的影響，再用單因素法進一步優(yōu)化單板含水率對復合膠合板力學性能的影響。結果表明：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時間50 s/mm，單板含水率為14%時，PVC薄膜復合膠合板的膠合強度可達到0.78 MPa，與未開孔PVC薄膜的復合膠合板相比膠合強度提高了6.85%，橫紋和順紋的靜曲強度、橫紋和順紋的彈性模量分別提高了4.14%、3.97%、8.31%、11.14%。適當提高單板含水率有利于提高木塑膠合板的膠合強度，PVC薄膜開孔預處理有利于提高復合膠合板的傳質(zhì)傳熱效率，改善復合膠合板橫紋的彈性模量。

關鍵詞：熱壓工藝;膠合強度;含水率;開孔預處理

Abstract： The paper uses orthogonal experiments to study the effect of hot pressing process on the bonding strength of wood-plastic composite plywood， the single factor method was used to further optimize the influence of veneer moisture content on the mechanical properties of composite plywood. The results show that the hot pressing pressure is 1.0 MPa， the hot pressing temperature is 175℃， the hot pressing time is 50 s/mm， and the moisture content of the veneer is 14%， the bonding strength of the PVC film composite plywood can reach 0.78 MPa， compared to wood-plastic composite plywood with non-perforated PVC film， the bonding strength is increased by 6.85%. At the same time，the modulus of rupture parallel to grain and? vertical to grain， and the modulus of elasticity parallel to grain and vertical to grain increased by 4.14%， 3.97%，8.31%，11.14%， respectively. It is concluded that increasing the moisture content of the veneer is beneficial to increase the bonding strength of wood-plastic plywood， and the PVC film opening pretreatment is beneficial to improve the mass and heat transfer efficiency of the composite plywood， and improve the modulus of elasticity of the composite plywood .

Key words： Hot pressing process; PVC film; moisture content; opening pretreatment;composite plywood ; eucalyptus veneer

木塑復合材（Wood plastics composites， WPC）主要是利用聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）及聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）等與植物纖維原料復合而成的板材[1-3]。WPC具有塑料防水、耐腐蝕、穩(wěn)定性好且綠色無污染的優(yōu)點，是制造家具、辦公用品和室內(nèi)裝飾用材的優(yōu)良材料[4～6]。

木塑復合膠合板是我國大力研發(fā)的環(huán)境友好型材料，具有廣闊的市場發(fā)展前景[6-8]，木塑膠合板可用于室內(nèi)地板和家具、包裝材料、公園長椅、花盆花架、露天走廊等[7]。一些研究者通過對木材或者塑料改性的方法來提高木塑膠合板的膠合性能[8]。目前對于木塑復合膠合板的研究主要通過化學的方法對單板進行預處理來進一步提高單板與塑料間界面相容性的問題[9～12]。雖然化學處理法制備膠合板性能較好，但是化學方法不僅具有操作復雜的缺點，而且在會產(chǎn)生一定的污染，成本高。很少有學者采用物理方法改善單板與薄膜的膠合效果，單板與PVC塑料薄膜之間的膠合作用主要是在一定壓力下，由于單板板坯水分形成水蒸汽不斷向板坯的芯層傳遞，無孔熱塑型塑料薄膜的存在阻礙了熱量的傳遞，延長了熱壓時間，導致生產(chǎn)效率下降，能源消耗增加，生產(chǎn)成本也進一步增加[12]。因此，用物理方法處理PVC塑料薄膜來提高塑料薄膜與木材單板之間的結合能力具有廣泛的研究前景[13-16]。

本文主要以桉木單板和PVC薄膜為原料制備木塑復合膠合板，采用物理方法對PVC薄膜均勻打孔，解決無孔熱塑型塑料薄膜阻礙熱量傳遞的問題，讓芯層的PVC薄膜在短時間內(nèi)完全熔化，有利于提高傳熱效率，更易形成膠釘。采用正交試驗法研究熱壓工藝對PVC薄膜/桉木單板復合膠合板膠合強度的影響，通過單因素法研究單板含水率對復合膠合板膠合強度的影響，并且與未打孔預處理的PVC薄膜復合膠合板進行比較，進一步分析打孔預處理對膠合板力學性能的影響。

1. 材料與方法

1.1 試驗材料

桉木單板幅面尺寸為450×450×1.5（mm），含水率8%～16%。PVC薄膜規(guī)格450×450×0.1（mm）[17]。

1.2 主要儀器及設備

1.3 試驗方法

1.3.1 木塑復合膠合板的制備

首先對PVC薄膜打孔預處理，孔徑5 mm，孔距2 cm，將桉木單板放入恒溫恒濕箱中控制含水率為12%，取出密封冷卻12 h，按每隔一層單板鋪裝一層PVC薄膜（PVC薄膜添加量124 g/m2），每塊復合板由5層單板和4層PVC薄膜組成。鋪裝完畢之后，進行熱壓、冷壓。重復上述步驟以制備不同熱壓工藝下的PVC薄膜復合膠合板。

1.3.2 正交試驗設計

采用L9（34）設計正交試驗，考察熱壓壓力、熱壓溫度及熱壓時間對PVC薄膜桉木復合膠合板膠合強度的影響。L9（34）正交試驗的因子水平如表2所示。

參照GB/T 9846-2015普通膠合板標準要求[17]，對于不同熱壓工藝的復合板分別鋸制12片尺寸為100 mm×25 mm的試件，分別測試膠合強度并且求平均值作為該熱壓工藝條件下的PVC復合膠合板膠合強度值，分析熱壓工藝對膠合性能的影響。

1.3.3 制備不同單板含水率的薄膜膠合板

在優(yōu)化熱壓工藝條件下，重復1.3.1的制備工藝制備含水率分別為8%、10%、12%、14%及16%的復合膠合板，對于不同含水率的復合板分別鋸制3片尺寸為100 mm×25 mm的試件，分別測試膠合強度并且求平均值作為該單板含水率條件下的PVC復合膠合板膠合強度值，分析含水率對膠合性能的影響[18-20]。

1.3.4 薄膜打孔前后壓制的膠合板的性能對比

在優(yōu)化熱壓工藝及單板含水率條件下，參照1.3.1的制備工藝制備PVC薄膜打孔后的復合膠合板和PVC薄膜未打孔的復合膠合板，分別測試并比較兩種膠合板的膠合強度、靜曲強度及彈性模量。

2. 結果與分析

2.1熱壓工藝對PVC桉木單板復合膠合板膠合強度的影響

通過前期單因素探索性試驗發(fā)現(xiàn)，熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力與復合膠合板的膠合強度密切相關，為了獲得最優(yōu)熱壓工藝，按表2 的因子水平安排正交試驗，不同熱壓工藝對PVC薄膜桉木單板復合膠合板的膠合性能結果如表3所示。

2.2 正交試驗結果的極差分析

根據(jù)表3膠合強度的測試數(shù)據(jù)，試驗結果的極差分析如表4所示。Kij表示i因素j水平對應的性能的平均值，R表示i因素j水平對應的性能的最大平均值與最小平均值的差。

由表4膠合強度的極差分析結果可知，熱壓壓力、溫度、時間均對板材的力學性能均有一定的影響。熱壓溫度的極差值最大，對復合膠合板的膠合強度影響最大，其次是熱壓壓力，熱壓時間的極差值最小，得出較優(yōu)水平組合：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時間50 s/mm。

從圖1可以看出：熱壓壓力從0.8 MPa增加到1.2 MPa，膠合強度先增加后減少，當熱壓壓力為1.0 MPa時，膠合強度達到最大值0.74 MPa。在一定范圍內(nèi)，膠合強度隨著熱壓溫度和熱壓時間的增加逐漸減少[21-24];其中，熱壓溫度從170℃升到180℃，膠合強度下降較明顯，原因是溫度過高導致PVC薄膜變性，熱壓時間從65 s/mm增加到80 s/mm時，膠合強度下降相對較大，原因是PVC薄膜打孔可以加快單板之間的傳熱速率，縮短芯層薄膜熱熔時間，如果熱壓時間過長導致芯層溫度過高，從而使薄膜變性。通過復合膠合板膠合強度的直觀分析得出：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時間50 s/mm 時復合膠合板的膠合性能最佳。

2.3 熱壓工藝參數(shù)對膠合強度的方差分析

試驗檢測結果見下表5。

從表5復合膠合板膠合強度的方差分析得出：熱壓溫度對膠合強度的影響極顯著;熱壓壓力對膠合強度的影響相對較顯著，這主要是因為PVC薄膜在一定溫度范圍內(nèi)受熱熔化，更有利于滲入到單板內(nèi)部，待溫度逐漸冷卻以后熱塑性PVC薄膜固化成型而形成膠釘，在壓力的作用下將單板緊密粘合在一起，從而對復合膠合板的膠合強度起到重要作用[25-26]。

綜合考慮不同因素以及不同水平對PVC單板復合膠合板的膠合性能的影響得出：較優(yōu)的工藝參數(shù)組合是：熱壓壓力1.0 MPa，熱壓溫度160℃，熱壓時間50 s/mm。

2.4 單板含水率對復合膠合板膠合強度的影響

采用正交試驗優(yōu)化出的熱壓溫度（160℃）、時間（50 s/mm）、壓力（1.0 MPa），PVC薄膜添加量124 g/m2，進一步分析單板含水率對復合膠合板膠合強度的影響如圖2所示。

含水率對復合膠合板膠合強度的影響如圖2所示：隨著單板含水率從8%增加到14%，膠合強度從0.68 MPa逐漸增加到0.78 MPa，增加了14.71%，說明適當?shù)脑黾雍视欣谔岣邌伟鍩釅哼^程中的傳質(zhì)傳熱效率。繼續(xù)增加單板含水率，復合膠合板的膠合強度反而降低，原因是單板含水率較高時，熱壓過程中蒸發(fā)消耗較多的熱量，從而降低熱壓效率。所以得出：單板含水率對復合膠合板的膠合強度有重要影響，在熱壓溫度、時間和壓力分別為160℃、50 s/mm和1.0 MPa，PVC薄膜添加量124 g/m2時，單板含水率為14%時復合膠合板的膠合強度達到最大值。

2.5 PVC薄膜打孔前后壓制的膠合板的性能對比

在熱壓溫度、時間和壓力分別為160℃、50 s/mm和1.0 MPa，PVC薄膜添加量124 g/m2，單板含水率為14%時，進一步對比分析PVC薄膜打孔對復合膠合板力學性能的影響如表6所示。

未打孔的PVC薄膜和打孔的PVC薄膜制備的復合膠合板的力學性能測試結果如表6所示。從表中可以得出：復合膠合板-1和復合膠合板-2的膠合強度分別為0.73 MPa和0.78 MPa，但是打孔處理的薄膜制備的復合膠合板膠合強度明顯高于標準要求。復合膠合板-1和復合膠合板-2橫紋和順紋的靜曲強度以及順紋的彈性模量均滿足標準要求，與復合膠合板-1相比，復合膠合板-2的橫紋和順紋的靜曲強度、橫紋和順紋的彈性模量分別提高了4.14%、3.97%、8.31%、11.14%。此外PVC薄膜經(jīng)過開孔處理之后，可以明顯改善復合膠合板橫紋的彈性模量。

綜上，PVC薄膜開孔處理能夠加快單板熱壓過程中的傳質(zhì)傳熱效率，加快PVC薄膜的熔融并滲入單板內(nèi)部形成膠釘，從而提高復合膠合板的膠合強度。

3. 結論

（1） 通過研究熱壓工藝對木塑復合膠合板膠合強度的影響得出，當PVC薄膜添加量124 g/m2，復合膠合板的優(yōu)化熱壓工藝為：熱壓溫度為160℃、熱壓時間50 s/mm、熱壓壓力1.0 MPa。PVC薄膜復合膠合板的膠合強度可以達到0.78 MPa，相比較未處理的木塑復合膠合板，膠合強度提高了6.85%。滿足GB/T 9846?2015普通膠合板國家Ⅰ類標準要求。

（2） 通過對比單板含水率對復合膠合板的膠合強度的影響得出：含水率為14%時復合膠合板的膠合強度達到最大值0.78 MPa，說明適當提高單板含水率可以進一步提高復合膠合板的膠合強度。

（3） 對比PVC薄膜未開孔復合膠合板和薄膜開孔預處理的復合膠合板的力學性能得出：PVC薄膜經(jīng)過開孔處理之后，各項性能均有提高，此外PVC薄膜開孔預處理可以明顯改善復合膠合板橫紋的彈性模量。

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