低密度聚乙烯膜膠合板制備工藝研究?

孫耀星 劉 宇 王瀚文 李春風 劉明利

[吉林省木質(zhì)材料科學與工程重點實驗室（北華大學），吉林 132013]

無甲醛釋放人造板用膠黏劑的開發(fā)成為行業(yè)研究熱點。目前已開發(fā)的環(huán)保型膠黏劑包括水性聚氨酯膠黏劑[1-4]、豆基膠黏劑[5-9]和淀粉改性膠黏劑[10-13]等，但均存在一定的缺點，如成本高、耐水性差、生產(chǎn)可操作性差等。熱塑性樹脂是一種不含甲醛的聚合物，將其作為木材膠黏劑使用，制備木塑復合材等木質(zhì)復合材料，國內(nèi)已經(jīng)有比較成熟的技術[14-16]。關于熱塑性樹脂與木材單板直接復合，制備熱塑性樹脂膠合板（又稱木塑復合膠合板）的技術研究還不夠成熟，在制備工藝和設備研發(fā)等方面，尚需進一步研究。聚乙烯膜復合膠合板的研發(fā)，是推動制備零添加甲醛膠合板的新途徑之一[17-18]。

本研究以楊木單板為基材，低密度聚乙烯（LDPE）薄膜為膠黏劑，采用不同的熱壓溫度、改性劑、不同LDPE薄膜用量，通過熱壓方式制備膠合板。由于LDPE為非極性材料，不能與極性材料木材發(fā)生化學反應，因此采用改性劑對楊木單板表面進行改性，以降低木材表面的極性，提高木材的滲透性[19-21]。制得的木塑復合膠合板膠合強度符合GB/T 9846—2015《普通膠合板》中Ⅱ類膠合板要求[22]。

1 材料與方法

1.1 材料

楊木(Populus davidiana Dode)單板： 1 240 mm(長)× 2 450 mm(寬)，厚度2.0～2.2 mm, 敦化森泰木業(yè)有限責任公司；低密度聚乙烯薄膜，軟化點105～120 ℃，熔點為140 ℃，熔融溫度160～170 ℃，厚度0.025 mm，卷狀，20.16 g/m2，蘇州裕信宏塑料包裝有限公司。

硅烷偶聯(lián)劑KH-550，無色液體，含量≥99%，密度:0.946 g/mL[ 25 ℃(lit.)]，昆山晟安生物科技有限公司；二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），白色或淺黃色固體，含量≥99%，密度1.19 g/cm3，南通潤豐石油化工有限公司；順丁烯二酸酐（MA），白色片狀結(jié)晶，江蘇正旭化工有限公司；無水乙醇，無色透明液體，含量≥95%，濟南宏巨化工有限公司；冰醋酸液，含量36%，濟南金泉化工有限公司。

1.2 設備

液壓式木材萬能力學試驗機：MWE-40A，濟南試驗機廠；平板硫化機：XLB-D，湖州順力橡膠機械有限公司；裁板鋸：JC0016-3，青島佳程木工機械；電熱干燥箱：101-1，滄州科達利試驗儀器有限公司；靜態(tài)接觸角測量儀：JC2000C1，上海中晨數(shù)字技術設備有限公司。

1.3 板材制備工藝

楊木單板表面改性分別采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550、MDI、MA；基于以往研究的試驗參數(shù)，分別采用40.25、80.5 g/m2和121 g/m2LDPE薄膜作為膠黏劑層；根據(jù)LDPE的熔點及熔融溫度，熱壓溫度分別選擇120、140、150、160、170 ℃，在熱壓時間為8 min、壓力2.0～2.2 MPa條件下制備三層結(jié)構木塑復合膠合板。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 Flow chart of production process

1.4 檢測方法

膠合強度：根據(jù)GB/T 9846—2015《普通膠合板》標準進行檢測，每組12 個試件。接觸角：將樣品制成寬度為5～10 mm 的正方形試件，連接并安裝儀器，啟動軟件，選擇3 個不同點，每次滴加5 μL液體，測量接觸角，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 LDPE用量對膠合強度的影響

在預試驗中采用了3 種薄膜用量，分別以40.25、80.5 g/ m2和121 g/ m2LDPE薄膜作為膠合板制備的膠黏劑層。參考LDPE溫度特性，熱壓溫度選取120～140 ℃，熱壓時間8 min。由于LDPE以膠釘?shù)姆绞竭B接木材，因此單位壓力確定2.0～2.2 MPa，改性劑質(zhì)量為單板質(zhì)量的2%。經(jīng)檢測，制得的板材存在開膠現(xiàn)象，膠合強度達不到標準要求。其原因在于LDPE的單位面積質(zhì)量太小，或者LDPE滲透性差，沒有形成有效的膠釘。

以往研究表明，利用硅烷偶聯(lián)劑可以提高木質(zhì)纖維的表面活性[23]。因此研究采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550和固化劑MDI處理楊木單板，分別與LDPE薄膜進行復合組坯，熱壓制備木塑復合膠合板。并采用使LDPE形成熔融的溫度。試驗結(jié)果表明：熱壓溫度為160 ℃，熱壓時間8 min,熱壓壓力為2.0～2.2 MPa， 采用121 g/m2LDPE薄膜得到的木塑復合膠合板膠合強度為0.82 MPa，達到國家Ⅱ類膠合板標準。因此下面試驗中采用LDPE薄膜用量為121 g/m2。

2.2 改性劑種類對膠合強度影響

用冰醋酸將95%的無水乙醇溶液的pH調(diào)至3～3.5，邊攪拌邊加入改性劑，配制不同改性劑溶液，使其質(zhì)量濃度為4%。將配制好的溶液均勻涂刷于單板表面，單板在室溫條件下晾置12 h，然后放入干燥箱，在120 ℃干燥處理1 h，使含水率達到5%～7%，停止干燥。本研究采用的改性劑為硅烷偶聯(lián)劑KH-550 和固化劑MDI，用量分別為單板質(zhì)量的2%，同時以MA(2%)、MDI(1%)、未改性組作為對照組進行試驗。其熱壓工藝為溫度160 ℃，時間8 min,熱壓壓力2.0～2.2 MPa，采用 121 g/ m2LDPE薄膜作為膠黏劑層。制得的板材膠合強度如表1 所示。

表1 改性劑對膠合強度的影響Tab.1 Effect of modifier on bonding strength

由表1 可知，經(jīng)過表面改性的楊木單板制備的膠合板，其膠合強度優(yōu)于未改性處理單板制備的膠合板。且用2% KH550 處理的楊木單板制備的膠合板膠合強度最大。

2.3 熱壓溫度對膠合強度的影響

根據(jù)以上試驗結(jié)果，采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550 處理楊木單板，LDPE薄膜用量121 g/m2，熱壓時間8 min，熱壓壓力2.0～2.2 MPa，依據(jù)LDPE的熔點及熔融溫度，熱壓溫度分別選擇140、150、160、170 ℃。在該工藝條件下測得的膠合強度如表2 所示。

2.4 改性劑對單板表面接觸角的影響

固體潤濕的程度，通常以液體對固體表面的接觸角表示，接觸角越小，固體就容易被液體潤濕[24]。表3 及圖2 反映了不同改性劑對楊木單板表面接觸角的影響。

表2 熱壓溫度對膠合強度的影響Tab.2 Effect of hot pressing temperature on bonding strength

從表2 中可以看出，隨著熱壓溫度的提高，其膠合強度先增加后降低。在熱壓溫度達到160 ℃時，膠合強度值最高，其原因可能在于LDPE的熔融溫度為160 ℃左右，在該溫度下LDPE能較好地形成流動狀態(tài)，因而具有較好的膠合作用。而溫度過高LDPE容易分解且薄膜發(fā)脆[24]。

表3 不同改性劑對單板表面接觸角的影響Tab.3 Effect of different modifiers on contact angle of veneer

圖2 改性與未改性處理的楊木單板表面接觸角Fig.2 Contact angle of treated and untreated poplar veneer surface

從表3 和圖2 中看出，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550 改性處理的單板,其親水性明顯增強[25]，與其他改性劑處理過的單板及未處理單板表面相比，其接觸角明顯變小。改性單板表面的接觸角從小到大（即單板的潤濕性從強到弱）的順序依次為：KH-550 ＜未處理＜MA＜MDI(1%)＜MDI(2%)。試驗結(jié)果表明：KH550 對單板的潤濕性較好。

3 結(jié)論

采用不同的改性劑、熱壓溫度和LDPE用量制備三層木塑復合膠合板，并對其膠合強度進行檢測，得出以下結(jié)論：

1）單板表面改性處理效果從強到弱依次為硅烷偶聯(lián)劑KH-550、未處理、順丁烯二酸酐、固化劑MDI(1%)以及固化劑MDI(2%)，硅烷偶聯(lián)劑KH-550 改性的單板潤濕性最好，接觸角最小。

2）經(jīng)過表面改性的楊木單板制備的膠合板，其膠合強度優(yōu)于未改性單板制備的膠合板。且用2% KH550 處理的楊木單板制備的膠合板膠合強度最大。

3）以KH-550 為楊木單板表面改性劑（用量2%),采用121 g/m2LDPE薄膜 ，在熱壓溫度160 ℃、熱壓時間8 min、熱壓壓力2.0～2.2 MPa工藝條件下制得的木塑復合膠合板，其膠合強度達到0.93 MPa，符合國家標準GB/T 9846—2015《普通膠合板》中Ⅱ類膠合板標準。