基于響應(yīng)面法優(yōu)化的竹絲飾面細(xì)木工板熱壓工藝

李 暉，辜忠春，王 宵，杜業(yè)云，楊志斌

（1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075；2.湖北幕阜山竹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，湖北 咸寧 437100）

竹材具有紋理通直、色澤淡雅的視覺特點(diǎn)，給人以質(zhì)樸、典雅、脫俗、自然的感受，迎合了現(xiàn)代人的審美觀，是當(dāng)今社會(huì)大力提倡的天然環(huán)保材料，現(xiàn)已在很多領(lǐng)域得到廣泛推崇，是一種重要的裝飾材料[1-4]。目前常見的竹裝飾類產(chǎn)品主要分為三大類：圓竹類裝飾材料、竹質(zhì)裝飾材料以及竹絲裝飾材。其中，以竹絲為代表的系列產(chǎn)品具有柔韌性優(yōu)異、形式變化多樣的優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于家具和室內(nèi)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有不少家具設(shè)計(jì)者將其作為板式家具和框式家具的飾面材料進(jìn)行過精彩的構(gòu)思[5-9]。然而在消費(fèi)市場卻鮮見該類產(chǎn)品，究其原因主要是在實(shí)際生產(chǎn)加工中通常采用的流體狀或液體狀膠粘劑涂膠操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)涂膠量不易控制和產(chǎn)品透膠、花板的問題。雖然所制的飾面板力學(xué)性能都達(dá)標(biāo)，卻喪失了其最為重要的裝飾效果。為解決這一問題，本研究開發(fā)了一種新型的竹絲飾面細(xì)木工板，以浸漬膠膜紙?zhí)娲黧w狀態(tài)的膠粘劑，解決了以上難題，簡化了生產(chǎn)工藝，提高了勞動(dòng)效率，對(duì)竹木飾面材料生產(chǎn)加工領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

為高效、科學(xué)地獲得該材料的熱壓工藝參數(shù)，本研究采用Box-Behnken design（BBD）設(shè)計(jì)法[10-13]，建立了竹絲飾面細(xì)木工板熱壓工藝的響應(yīng)面模型。通過對(duì)回歸方程的擬合、響應(yīng)曲面、等高線的繪制，預(yù)測和模擬各因素的交互作用，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)方案，為竹絲飾面產(chǎn)品系列化制造提供理論模型和方法指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

飾面材料為竹絲裝飾材，購自浙江安吉，其原料為4年生毛竹Phyllostachys edulis(Carr.) J.Houz，氣干含水率為7%，胸徑為14～16 cm，壁厚為12～16 mm；將其加工成端面為3.2 mm ×1.4 mm（長×寬）的竹絲，橫向編織后背襯無紡布，最終制得300 mm×300 mm×1.4 mm（長×寬×厚）的竹絲裝飾面材。

人造板基材為細(xì)木工板，材質(zhì)為楊木，氣干含水率為7%，厚度為18 mm，購于武漢雙龍木業(yè)發(fā)展有限公司。

三聚氰胺-改性脲醛樹脂（MUF）浸漬膠膜紙，厚度為0.05 mm，紙張定量66 g/m2，預(yù)固化度30%，由湖北鴻連實(shí)業(yè)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將竹絲裝飾材、細(xì)木工板和MUF浸漬膠膜紙按照?qǐng)D1方式組坯。熱壓工藝優(yōu)化試驗(yàn)分為三個(gè)部分：1）對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板的熱壓溫度、時(shí)間和壓力3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，并確定以上因素響應(yīng)面試驗(yàn)的取值范圍；2）在單因素基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面優(yōu)化法得到竹絲飾面細(xì)木工板的最優(yōu)生產(chǎn)工藝；3）根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化方案進(jìn)行竹絲飾面細(xì)木工板工藝驗(yàn)證和膠合性能測試，并將之與響應(yīng)面模型預(yù)測值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其可靠性。

圖1 竹絲飾面細(xì)木工板的組坯方式Fig.1 The construction of bamboo filament decorative blockboard

1.3 表面膠合性能測試

參照GB/ T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中表面膠合強(qiáng)度的測試方法，測試竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

在熱壓時(shí)間6 min、熱壓壓力0.4 MPa的條件下，在120～140 ℃范圍內(nèi)考察熱壓溫度對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響，測試結(jié)果見圖2。

圖2 熱壓溫度對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of hot pressing temperature on surface bonding strength of bamboo filament decorative blockboard

從圖2中可以看出，竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度隨著熱壓溫度的增加而呈現(xiàn)較大幅度的提高。熱壓溫度從120 ℃增加到130 ℃時(shí)，表面膠合強(qiáng)度的增幅為29.92%。當(dāng)溫度達(dá)到130 ℃之后，表面膠合強(qiáng)度變化不大。考慮到在同一生產(chǎn)效率和不降低表面膠合強(qiáng)度的前提下，熱壓溫度越低，能源消耗就越少，越有利于降低生產(chǎn)成本。因此，選擇熱壓溫度為120、130、140 ℃ 3個(gè)水平做響應(yīng)面試驗(yàn)。

在熱壓溫度130 ℃、熱壓壓力0.4 MPa的條件下，考察熱壓時(shí)間對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱壓時(shí)間對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of hot pressing time on surface bonding strength of bamboo filament decorative blockboard

由圖3可以看出，熱壓時(shí)間對(duì)試材表面膠合強(qiáng)度的影響要高于熱壓溫度。在所設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)，表面膠合強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。熱壓時(shí)間設(shè)定為9 min時(shí)的表面膠合強(qiáng)度值比熱壓時(shí)間為3 min時(shí)增加46.05%。通過計(jì)算可知，熱壓時(shí)間在3～6 min區(qū)間內(nèi)，表面膠合性能增幅為64.29 %；在6～9 min區(qū)間內(nèi)，表面膠合性能降幅為11.10%。當(dāng)熱壓時(shí)間為6 min時(shí)，試樣表面膠合性能最好。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)而言，熱壓時(shí)間越短生產(chǎn)效率越高，生產(chǎn)成本越低。在保證產(chǎn)品力學(xué)性能的前提下，一般選擇較短的熱壓時(shí)間。綜上所述，選取熱壓時(shí)間為3、6、9 min 3個(gè)水平做響應(yīng)面試驗(yàn)。

在熱壓溫度130 ℃、熱壓時(shí)間6 min的條件下，考察熱壓壓力對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱壓壓力對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of hot pressing pressure on surface bonding strength of bamboo filament decorative blockboard

通過圖4可以看出，在試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)，隨著熱壓壓力的升高，竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度整體增加74.62%，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。通過計(jì)算可知，熱壓壓力在0.2～0.4 MPa區(qū)間內(nèi)，表面膠合性能增幅為92.90%；在0.4～0.6 MPa區(qū)間內(nèi)，表面膠合性能降幅為9.48%。當(dāng)熱壓壓力為0.4 MPa時(shí)，試樣表面膠合性能最好。因此，選取熱壓壓力為0.2、0.4、0.6 MPa 3個(gè)水平做響應(yīng)面試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

采用Box-Behnken（BBD）進(jìn)行3因素3水平的三元二次響應(yīng)面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以熱壓溫度(X1)、熱壓時(shí)間(X2)和熱壓壓力(X3) 3個(gè)因素為自變量，表面膠合強(qiáng)度(Y)為響應(yīng)值，其因素水平見表1，其所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 Box-Behnken 因素水平Table 1 Factors and levels for Box-Behnken design

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and results

利用Design-Expert 11軟件對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合和二次項(xiàng)擬合，得到以表面膠合強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程。

為檢驗(yàn)方程的有效性，對(duì)表面膠合強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，該模型的F值為36.73，P值小于0.000 1，說明該回歸模型方差達(dá)到極顯著水平；失擬項(xiàng)為0.112 7＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，說明試驗(yàn)誤差較小，模型擬合度較高。因此，該回歸方程模型成立，可以用來對(duì)表面膠合強(qiáng)度進(jìn)行分析和預(yù)測。

因素X1熱壓溫度的P值＞0.05，表現(xiàn)為不顯著；X3熱壓壓力的P值＜0.05，表現(xiàn)為顯著；X2熱壓時(shí)間的P值＜0.000 1，表現(xiàn)為極顯著。交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3的P值分別為0.045 5、0.025 3、0.795 0。其中X1X2、X1X3的P值＜0.05，X2X3的P值＞0.05，這說明熱壓溫度與熱壓時(shí)間、熱壓溫度與熱壓壓力的交互作用對(duì)表面膠合強(qiáng)度影響顯著，熱壓時(shí)間與熱壓壓力的交互作用不顯著。二次項(xiàng)X12、X22、X32的P值均＜0.05，說明影響顯著。通過對(duì)各因素線性、二次及交互作用的探討，得出各因素對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響大小順序?yàn)閄2＞X3＞X1，即熱壓時(shí)間＞熱壓壓力＞熱壓溫度。

表3 表面膠合強(qiáng)度回歸方程方差分析?Table 3 Analysis of variance for developed regression equation for surface bonding strength

2.3 工藝因素交互作用分析

響應(yīng)面圖形是響應(yīng)值對(duì)各試驗(yàn)因素值所構(gòu)成的一個(gè)三維空間在二維水平面上的等高圖。兩因素交互作用對(duì)表面膠合強(qiáng)度影響的響應(yīng)面和等高線如圖5～7所示。

圖5 熱壓溫度和時(shí)間對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響Fig.5 Response surface and contour plot for hot pressing temperature and time on surface bonding strength of bamboo filament decorative blockboard

圖6 熱壓溫度和壓力對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響Fig.6 Response surface and contour plot for hot pressing temperature and pressure on surface bonding strength of bamboo filament decorative blockboard

由圖5可以看出，響應(yīng)面圖（圖5a）在所選的水平范圍內(nèi)有頂點(diǎn)，說明最佳值在所選的范圍內(nèi)，且等高線（圖5b）表現(xiàn)為橢圓形，說明熱壓溫度和熱壓時(shí)間這兩個(gè)因素交互作用明顯[14]。其中，熱壓溫度與表面膠合強(qiáng)度呈曲線相關(guān)，曲線走勢較為平緩。在所設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，隨著熱壓溫度的增加，表面膠合強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出先增加再緩慢減小的趨勢，且約在130 ℃時(shí)達(dá)到最大響應(yīng)值。這是由于熱壓溫度較低時(shí)膠粘劑固化不充分，膠結(jié)能力較弱，隨著溫度逐漸升高，達(dá)到了三聚氰胺改性脲醛樹脂膠粘劑的理想固化溫度，膠結(jié)性能提升。然而，當(dāng)熱壓溫度過高時(shí)，會(huì)使膠粘劑中的水分流失，喪失流動(dòng)性，無法有效進(jìn)入膠結(jié)材料形成牢固的界面層[15-17]。從熱壓時(shí)間對(duì)板材表面膠合性能的影響曲線可看出該曲線較為陡峭，這表明該因素對(duì)響應(yīng)值的影響顯著，也是呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，約在7 min時(shí)出現(xiàn)最大響應(yīng)值。這說明熱壓時(shí)間不宜太短，否則不能保證膠層完全固化，但熱壓時(shí)間過長不僅會(huì)導(dǎo)致膠層固化過度而降低膠合性能，還會(huì)造成熱壓能耗的增加和生產(chǎn)效率的降低[18-21]。

圖7 熱壓時(shí)間和壓力對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響Fig.7 Response surface and contour plot for hot pressing time and pressure on surface bonding strength of bamboo filament decorative blockboard

圖6為在熱壓時(shí)間設(shè)定為4 min時(shí)，熱壓溫度與熱壓壓力的響應(yīng)面3D圖和等高線圖。由圖6可以看出，響應(yīng)面圖（圖6a）和等高線圖（圖6b）在所選的水平范圍內(nèi)出現(xiàn)頂點(diǎn)，等高線表現(xiàn)為橢圓形且較為緊密，這說明最佳工藝參數(shù)值在所選的范圍內(nèi)且熱壓溫度和熱壓時(shí)間這兩個(gè)因素的交互作用顯著。其中，熱壓溫度所表現(xiàn)的規(guī)律與圖5一致，曲線仍然平緩地先上升后下降且最高點(diǎn)在130℃左右；而表面膠合強(qiáng)度與熱壓壓力的變化曲線則表現(xiàn)得較為陡峭，且在0.5 MPa左右出現(xiàn)響應(yīng)值的最高點(diǎn)。這表明在一定的熱壓時(shí)間和熱壓溫度范圍內(nèi)，熱壓壓力對(duì)表面膠合強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)壓力設(shè)定過小時(shí)，浸漬膠膜紙層與面材、基材表面結(jié)合不夠緊密，不能形成牢固的界面；而壓力過大會(huì)使細(xì)木工板表面的楊木單板及竹絲層因二次壓縮而變得更為致密，從而破壞膠液的滲透空隙，造成膠液難以滲入。因此，在宏觀上體現(xiàn)為表面膠合強(qiáng)度先增加后減小[22-24]。

由圖7可以看出，熱壓時(shí)間和壓力都與表面膠合強(qiáng)度呈曲線關(guān)系，都是先上升后下降的趨勢。其中壓力-表面膠合強(qiáng)度曲線表現(xiàn)得相對(duì)平緩，熱壓壓力對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響較熱壓時(shí)間小。從等高線圖（圖7b）可以看出，其等高線較為松散，這說明熱壓時(shí)間及壓力這兩個(gè)因素交互作用不顯著[25]。

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化工藝的驗(yàn)證

利用Design-Expert 11優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)為：熱壓溫度128.425 ℃，熱壓時(shí)間6.968 min，熱壓壓力0.425 MPa，且此工藝下制得的竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度預(yù)期值為1.89 MPa。但考慮到工藝實(shí)施的可操作性，將實(shí)驗(yàn)最佳參數(shù)修正為：熱壓溫度128 ℃，熱壓時(shí)間7 min，熱壓壓力0.43 MPa。

為了驗(yàn)證預(yù)測優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)修正后的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，所得竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度測試結(jié)果與預(yù)測值對(duì)比見表4。

表4 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證Table 4 Comparison and verification of response surface optimization results

由表4可知，根據(jù)修正后的最佳工藝參數(shù)所制備的竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度為1.86 MPa，接近于預(yù)測值，其相對(duì)誤差不超過5 %。以上結(jié)果說明利用響應(yīng)面法得到的回歸模型與實(shí)際情況擬合良好，所建模型正確，可良好預(yù)測響應(yīng)值。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

采用Design Expert 11軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面法，探究熱壓溫度、熱壓時(shí)間和熱壓壓力對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響，并對(duì)熱壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化及驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

基于響應(yīng)面法建立的竹絲飾面人造板表面膠合強(qiáng)度的二次響應(yīng)面回歸方程模型為Y=0.681 65X1+0.971 17X2+10.817 50X3-0.003 00X1X2-0.052 50X1X3-0.016 67X2X3-0.002 49X12-0.040 44X22-4.100 00X32-47.647 50。

根據(jù)P值可以看出，在試驗(yàn)設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，熱壓三要素對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度影響大小為：熱壓時(shí)間＞熱壓壓力＞熱壓溫度。熱壓溫度和熱壓壓力的交互作用對(duì)竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度影響最大，熱壓溫度和熱壓時(shí)間的交互作用次之，熱壓時(shí)間和熱壓壓力的交互作用對(duì)表面膠合強(qiáng)度影響最小。

利用響應(yīng)面法優(yōu)化后的竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的最佳工藝參數(shù)為：熱壓溫度128 ℃，熱壓時(shí)間7 min，熱壓壓力0.43 MPa，且在該工藝下制備的竹絲飾面細(xì)木工板的表面膠合性能為1.86 MPa，與預(yù)測值的相對(duì)誤差低于5%，該模型具有良好的準(zhǔn)確性和預(yù)測性。

3.2 討 論

本研究側(cè)重于考察熱壓工藝對(duì)本色竹絲飾面細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度的影響，而在熱壓所造成的竹絲裝飾面材表面性能變化方面并未涉及，存在一定的局限性，今后還應(yīng)深入開展此方面的研究。此外，竹絲飾面細(xì)木工板是一種新型的竹木復(fù)合材料，目前尚無相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，在今后的研究中還應(yīng)結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡快構(gòu)建該類材料的性能評(píng)價(jià)體系，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以利于產(chǎn)品質(zhì)量控制和市場推廣應(yīng)用。