竹炭板貼面工藝及性能研究

邵遠超，林錦添，陳 杰，張文標(biāo)，詹先旭，沈煜燕

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州311300；2.德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，浙江 德清313200）

竹炭（BC）是一種具有吸附、遠紅外效應(yīng)和電磁屏蔽等性能的生物質(zhì)炭［1－2］。聚氯乙烯（PVC）是一種極性、非結(jié)晶的熱塑性聚合物，具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)、良好的力學(xué)性能、電絕緣性和阻燃性，廣泛應(yīng)用于建筑材料、工業(yè)制品和日用品等領(lǐng)域［3］。在竹炭產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展下，BC／PVC復(fù)合材料研究也成為熱點，以塑料為基體的新型炭塑復(fù)合材料（以下簡稱竹炭板），憑借生物炭儲量高、可再生的特點，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男鹿δ懿牧现唬?－5］；BC顯著增強了復(fù)合材料的阻燃防煙性能，有效減少燃燒過程HCL生成，降低煙氣毒性［6］；在PP樹脂中加入BC可顯著降低復(fù)合材料的體積電阻率，當(dāng)BC含量達60%時，表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性［7］。但竹炭板的美觀性較差、色彩單一，在室內(nèi)使用時難以滿足人們觸覺和視覺的心理需求，制約了在建筑裝飾裝修和家居制造方面的應(yīng)用［8－9］。竹炭板表面經(jīng)過貼面，不僅美觀耐用，還可改善其物理力學(xué)性能，是未來家居行業(yè)應(yīng)用的方向［10］。

采用異氰酸酯雙組份膠黏劑，選用科技木皮、竹皮、浸漬紙進行竹炭板貼面試驗，并以表面膠合強度，浸漬剝離等性能為評價指標(biāo)，獲得最優(yōu)的涂膠量、預(yù)固化時間等工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

竹炭板基材：麗水錦福板業(yè)有限公司生產(chǎn)，規(guī)格尺寸1 220 mm×2 440 mm×5 mm，含水率1.0% ～1.1%，無劃痕、非工藝性凹凸不平；加工成150 mm×150 mm×5 mm以備試驗用。

貼面材料：取自德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，科技木皮、竹皮、浸漬紙，厚度分別為0.31、0.59、0.10 mm。貼面膠黏劑：異氰酸酯雙組份，固含量為50%。

試驗儀器：XLB-D 500×500壓力成型機，浙江湖州東方機械有限公司制造；INSTRON萬能力學(xué)試驗機，美國英斯特朗公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；SHG9203C全自動電腦干燥箱，杭州藍天儀器有限公司；SETH-Z-042R恒溫恒濕箱，上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司制造；NICOLET 6700傅立葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料加工 將科技木皮、浸漬紙、竹皮分別裁切成與竹炭板相同大小尺寸；按100∶14的比例混合膠黏劑和固化劑，放入燒杯中充分攪拌均勻。準備好涂膠所用的工具和電子天平等器材，進行涂膠試驗，待涂抹均勻后覆蓋上貼面材料［11］。

1.2.2 貼面的工藝 考慮到PVC軟化或熔融溫度在75～90℃范圍［12］，實驗采用冷壓貼面工藝。貼面材料（科技木皮、竹皮、浸漬紙）、涂膠量（A）、預(yù)固化時間（B）、冷壓時間（C）、冷壓壓力（D）5個因素對板表面膠合強度等其他物理性能的影響，經(jīng)過預(yù)實驗及貼面工藝文獻［13－17］，選擇試驗涂膠量：90～130 g·m－2，預(yù)固化時間：5～10 h，冷壓時間：1.5～3.5 h，冷壓壓力：1～2 MPa。由于試驗中影響實驗的因素和變量的取值太多，4個因素每個取3個值需要“34”次試驗，考慮采取正交試驗法，可有效地縮短試驗的周期和提高試驗的精度［18］。

根據(jù)正交試驗法，并列出表1正交試驗表。

表1 正交試驗表Tab.1 Orthogonal experimental design

1.3 紅外光譜測試

將竹炭板、貼面及固化后的膠黏劑試樣進行采樣，用刀片在標(biāo)本上刮取1～2 mm長、0.2 mm后，與溴化鉀比例100∶1混合研磨完成，并在FTIR-OMNI采樣器固定鈕壓緊樣品進行掃描，計算機采集樣本的衰減全反射紅外光譜圖譜文本文件和圖形文件。每個試樣取樣6次，重復(fù)實驗6次，紅外光譜圖取其平均圖譜［19］。

1.4 理化性能測試

目前竹炭板沒有行業(yè)、國家標(biāo)準，所以其含水率、吸水厚度膨脹、抗彎強度、表面膠合強度和浸漬剝離等指標(biāo)參照國家標(biāo)準GB／T 24137－2009《木塑裝飾板》、GB／T 17657－2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》規(guī)定進行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 確定最優(yōu)的工藝條件

通過測試出科技木皮、浸漬紙、竹皮的浸漬剝離和表面膠合強度2個性能可分析出貼面工藝中4個影響因素對貼面工藝的影響次序，然后確定出最優(yōu)的工藝條件之后再進行其他物理性能的測量。用極差分析來確定4個影響因素的因素主次及最優(yōu)組合，并記錄于正交試驗結(jié)果表（表2）。

表2 正交試驗結(jié)果表（科技木皮）Tab.2 Orthogonal test results of the technological wood veneer

通過表2的試驗數(shù)據(jù)，9個試驗組中浸漬剝離長度最長的為第7試驗組49 mm；第1組、第5組、第7組剝離長度均大于25 mm，沒有達到GB／T 24137－2009國家標(biāo)準技術(shù)要求；其余試驗組屬于輕微剝離符合。

通過極差分析，R1越大說明該列因素對浸漬剝離的影響越大，表2可以看出影響科技木皮貼面浸漬剝離的因素次序為：冷壓壓力＞預(yù)固化時間＞冷壓時間＞涂膠量。

下面分析4個因素對表面膠合強度的影響，9個試驗組中第2組、第5組、第7組表面膠合強度小于0.6 MPa，未達到GB／T 24137－2009國家標(biāo)準技術(shù)要求，其余試驗組均符合。

通過極差分析，R2越大說明該因素對表面膠合強度的影響越大，通過圖1可以更加直觀的看出四個因素對表面膠合強度影響的主次為：冷壓時間＞涂膠量＞冷壓壓力＞預(yù)固化時間。

圖1 4個因素對表面膠合強度的影響趨勢（科技木皮）Fig.1 Influence trend of four factors on surface bonding strength of bamboo charcoal board with technological wood veneer

下面使用同種方法與工藝進行竹皮貼面和性能測試和分析，如表3正交試驗結(jié)果表（竹皮）所示。

表3 正交試驗結(jié)果表（竹皮）Tab.3 Orthogonal test results of the bamboo veneer

同樣，使用上述所說分析方法進行分析竹皮貼面的工藝。首先可看出9組試驗組中，浸漬剝離長度最長的為第5組54 mm；第1、3、4、5、7、8組剝離長度均大于25 mm，不符合GB／T 24137－2009國家標(biāo)準，其余試驗組均符合國家標(biāo)準。

通過極差分析R1的大小，可以看出4個因素影響浸漬剝離的次序為：預(yù)固化時間＞冷壓壓力＞涂膠量＞冷壓時間。

結(jié)合表面膠合強度進行分析，9組試驗中第1、2、4、5、8組表面膠合強度小于0.6 MPa未達到GB／T 24137－2009國家標(biāo)準，其余試驗組符合國家標(biāo)準。

根據(jù)表3可以畫出圖2，通過圖2可以看出4個因素影響表面膠合強度的主次為：預(yù)固化時間＞涂膠量＞冷壓壓力＞冷壓時間。

圖2 4個因素對表面膠合強度的影響趨勢（竹皮）Fig.2 Influence trend of four factors on surface bonding strength of bamboo charcoal board with bamboo veneer

下面使用同種方法與工藝進行竹皮貼面和性能測試和分析，如表4正交試驗結(jié)果表（浸漬紙）所示。

表4 正交試驗結(jié)果表（浸漬紙）Tab.4 Orthogonal test results of theimpregnated paper

9組試驗組通過浸漬剝離性能試驗后，由于浸漬紙為紙質(zhì)材料，貼面后置于水中會完全剝離，所以浸漬紙貼面直接通過表面膠合強度來確定最優(yōu)工藝。

9組試驗中第3組表面膠合強度小于0.6 MPa未達到GB／T 24137－2009國家標(biāo)準，其余試驗組均符合國家標(biāo)準。通過極差分析R1的大小，可以看出4個因素影響表面膠合強度的次序為：涂膠量＞預(yù)固化時間＞冷壓壓力＞冷壓時間。如圖3所示。

圖3 4個因素對表面膠合強度的影響趨勢（浸漬紙）Fig.3 Influence trend of four factors on surface bonding strength of bamboo charcoal board with impregnated paper

2.2 性能測試

竹炭板及貼面竹炭板的性能指標(biāo)測試結(jié)果見表5。

表5 性能測試結(jié)果Tab.5 Performance test results

含水率：科技木皮、浸漬紙貼面后與未貼面竹炭板含水率相同均為1%，竹皮貼面后含水率稍微增長為1.4%，3種貼面后竹炭板含水率均符合GB／T 24137－2009要求。3種貼面材料中竹皮吸水性能優(yōu)于木皮與浸漬紙［20］，所以竹皮貼面竹炭板的含水率大于其他2種貼面竹炭板。

抗彎強度與抗彎彈性模量：未貼面竹炭板抗彎強度與抗彎彈性模量分別為20 MPa、2 940 MPa，3種材料貼面后的竹炭板抗彎強度與抗彎彈性模量提升較為明顯，均符合GB／T 24137－2009要求。3種貼面材料中竹皮強度大于木皮與浸漬紙［21］，所以竹皮貼面竹炭板的抗彎強度與彈性模量均大于其他2種貼面竹炭板，分別為33.6 MPa、4 960 MPa。

尺寸穩(wěn)定性：貼面前后竹炭板尺寸穩(wěn)定性變化不大，均符合GB／T 24137－2009要求。尺寸穩(wěn)定性主要由素板本身決定，所以3種貼面竹炭板之間尺寸穩(wěn)定性相差不大。

吸水厚度膨脹率：貼面前后竹炭板吸水厚度膨脹率變化不大，均符合GB／T 24137－2009要求。竹皮與木皮貼面竹炭板吸水厚度膨脹率相同，由于浸漬紙貼面竹炭板吸水厚度膨脹率測試中浸漬紙會完全脫落所以無法計算其吸水厚度膨脹率；3種貼面材料中浸漬紙吸水厚度膨脹率測量結(jié)果表示為10.6%±0.4%［22］，高于竹皮與木皮，所以浸漬紙貼面竹炭板吸水厚度膨脹率大于其他2種貼面竹炭板。

2.3 紅外光譜分析

3種貼面材料科技木皮、竹皮、浸漬紙與結(jié)合后的膠合板紅外光譜圖依次如下。

圖4 3種貼面材料（科技木皮、竹皮、浸漬紙）與結(jié)合后的膠合板紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of bamboo charcoal board with technological wood veneer，bamboo veneer and impregnated paper

圖譜明顯區(qū)分處3個譜帶區(qū)域，4 000～2 700 cm－1，2 700～1 800 cm－1，1 800～600 cm－1。2 700～1 800 cm－1區(qū)域木材幾乎沒有吸收峰。4 000～2 700 cm－1區(qū)域主要有2個明顯的吸收峰，一個處于3 420 cm－1附近，另一個處于在2 920 cm－1附近。由此可知，3 420 cm－1處為－OH的伸縮振動峰，2 920 cm－1處為－CH2－的反對稱伸縮振動峰［23］。1 800～600 cm－1區(qū)域為指紋區(qū)。1 740 cm－1處為C＝0伸縮振動峰，1 560 cm－1處為苯環(huán)骨架振動，1 450 cm－1處是－CH3的反對稱變形振動，1 250 cm－1處為C－O的伸縮振動，800～900 cm－1有吸收峰，說明有對二取代的苯基存在。

由于竹炭板與貼面后的膠合板的峰值無差異，所以可得出竹炭板與異氰酸酯膠黏劑無化學(xué)反應(yīng)；其次，木皮、竹皮的峰值與膠合板的峰值也無差異，可得到木皮、竹皮與膠黏劑無化學(xué)反應(yīng)；而浸漬紙中由于存在1 560 cm－1的峰值，最后得到的結(jié)合材料并沒有出現(xiàn)1 560 cm－1的峰值，1 450 cm－1處的峰值也發(fā)生了變化，所以可以得出浸漬紙與膠黏劑發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

膠接界面的結(jié)合包括物理結(jié)合和化學(xué)結(jié)合。機械結(jié)合理論：膠黏劑浸透到被粘物表面的空隙中，固化后就像許多小鉤和榫頭把膠黏劑和被粘物連接在一起；化學(xué)鍵理論：膠黏劑和被粘物之間除存在范德華力，還可以形成化學(xué)鍵，對提高膠合強度和耐久性都具有重要意義［24－26］。從紅外光譜圖中可以看出，竹炭板與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，木皮、竹皮與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，而浸漬紙和膠黏劑發(fā)生了化學(xué)結(jié)合。

3 結(jié)論

科技木皮貼面最優(yōu)工藝條件：涂膠量110 g·m－2、預(yù)固化時間10 h、冷壓時間1.5 h、冷壓壓力2 MPa；貼面后含水率為1%，抗彎強度為32.7 MPa，彈性模量為4 290 MPa，抗彎強度與彈性模量相對貼面前的竹炭板提升較為明顯，尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率與含水率相對貼面前的素板相差不大。

竹皮貼面最優(yōu)工藝條件：涂膠量130 g·m－2、預(yù)固化時間10 h、冷壓時間2.5 h、冷壓壓力1 MPa；貼面后含水率為1.4%，抗彎強度為33.6 MPa，彈性模量為4 960 MPa，抗彎強度與彈性模量相對貼面前的竹炭板提升較為明顯，尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率與含水率相對貼面前的素板相差不大。

浸漬紙貼面，試驗組中最優(yōu)工藝條件：涂膠量130 g·m－2、預(yù)固化時間5 h、冷壓時間3.5 h、冷壓壓力1.5 MPa；貼面后含水率為1%，抗彎強度為32.1 MPa，彈性模量為3 810 MPa，抗彎強度與彈性模量相對貼面前的竹炭板提升較為明顯，尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率與含水率相對貼面前的素板相差不大。

通過紅外光譜分析得出，竹炭板與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，木皮、竹皮與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，而浸漬紙和膠黏劑發(fā)生了化學(xué)結(jié)合。異氰酸酯膠黏劑與浸漬紙的化學(xué)結(jié)合，證明在膠合方面具有一定的應(yīng)用價值。