UF/PMDI與PMDI膠黏劑制備輕質刨花板性能對比研究?

孫 萍 張 健 劉紅光 李 黎 羅 斌

（北京林業(yè)大學材料科學與技術學院，北京 100083）

刨花板以價格低廉、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)代家具制造、室內裝修等領域占據(jù)重要地位。普通刨花板密度較高，產品密度一般為0.7～0.8 g/cm3，單位體積重量大，使其在實際應用中受到一定限制。輕質刨花板是指密度低于0.6 g/cm3的刨花板[1]，具有與普通刨花板相似的物理力學性能和機械加工性能；可根據(jù)不同用途進行定制[2]，以其替代普通刨花板可有效節(jié)約木材資源，降低材料成本和運輸成本。

刨花板用膠黏劑主要有脲醛（UF）樹脂[3-5]、酚醛（PF）樹脂[6-8]和異氰酸酯（MDI）[9-11]等。其中脲醛樹脂膠黏劑價格相對低廉，是目前刨花板生產最常用的膠黏劑[12]。研究表明，使用未改性的脲醛樹脂膠黏劑制備的輕質刨花板力學性能較差，不能作為承重材料[13]。聚合異氰酸酯（PMDI）膠黏劑中具有活潑的異氰酸酯基（—NCO），能與木材中的羥基（—OH）反應形成聚氨酯鍵結合。因此，常用異氰酸酯對脲醛樹脂進行改性[14-15]。由于脲醛樹脂中含有較多水分，與聚合異氰酸酯的副反應較多，因此需要對聚合異氰酸酯進行封閉處理，以獲得水分散型封端聚合異氰酸酯，用于脲醛樹脂的改性[16-17]。然而，封閉處理操作復雜，且其封閉處理過程后期脲醛樹脂用量較少，需使用大量聚合異氰酸酯，固化體系中才會出現(xiàn)聚氨酯鍵[18]。研究表明：在較低熱壓溫度下，輕質刨花板的物理力學性能會隨聚合異氰酸酯用量的增加而提高，但添加量超過一定程度，增強效果并不明顯。因此，可選用脲醛樹脂/聚合異氰酸酯組合膠黏劑[19]生產輕質刨花板，采取表、芯層刨花分開施膠，先施加脲醛樹脂，隨后施加聚合異氰酸酯。本文選取脲醛樹脂/聚合異氰酸酯（UF/PMDI）組合膠黏劑與純PMDI膠黏劑制備輕質刨花板，研究輕質刨花板結構、芯層刨花形態(tài)對輕質刨花板物理力學性能的影響，對兩種用膠情況下制備的輕質刨花板性能進行對比分析，以期為輕質刨花板的工業(yè)化生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

刨花：以楊木（PopulusL.）為主，摻雜少量其他材種的刨花，含水率約為9%～11%，河北文安某人造板公司提供。刨花形態(tài)不同，分為大、中、小3種刨花。其中，片狀大刨花的規(guī)格為20～30 mm×50～70 mm（寬度×長度），平均厚度為0.81 mm；單板尺寸為300 mm×300 mm×1.5 mm，中刨花寬度為20～40 mm，細小刨花寬度為5 ～20 mm，如圖1所示。

圖1 刨花與單板形態(tài)對比Fig.1 Morphology comparison of particles and veneer

脲醛樹脂（UF）膠黏劑：固體含量為60%～65%，呈淡黃色液態(tài)，密度為1.25 g/cm3，廣東東莞海龍塑膠經營部。

聚合二苯基甲烷二異氰酸酯膠黏劑（PMDI）：黏度360 mPa·s，NCO質量分數(shù)為31.6%，萬華化學集團有限公司。

1.2 設備

QD型實驗熱壓機，上海人造板機械廠；BA-100C萬能力學試驗機，濟南耐爾液壓技術有限公司；自制成型框（300 mm×300 mm）；FGR250滾筒式拌膠機，德國Siempelcamp公司；SCM-ST4推臺裁板鋸，歐登多（秦皇島）機械制造有限公司；VHX-6000超景深顯微鏡，日本基恩士公司。

1.3 輕質刨花板制備

1.3.1 工藝流程

根據(jù)刨花質量，計算相應的施膠量，經施膠、人工鋪裝、預壓、熱壓制成輕質刨花板，板材冷卻后進行裁切，制成試件，測試其性能。工藝流程如圖2所示。

圖2 生產工藝流程圖Fig.2 Production process flow diagram

1.3.2 工藝參數(shù)

設計輕質刨花板的目標密度為0.6 g/cm3，板材幅面規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm，厚度采用厚度規(guī)控制。如表1所示，單層結構輕質刨花板的表芯層使用大、中、小3種形態(tài)的刨花（序號1-3）；三層結構的輕質刨花板表層均為小刨花，而芯層采用不同的刨花形態(tài)（序號4-5）；單板貼面的輕質刨花板在單層結構的刨花板表面加貼一層楊木單板，芯層為大、中、小3種刨花形態(tài)（序號6-8）。3種不同結構的板材表芯層刨花分開施膠，施膠順序均為先施加脲醛樹脂，后施加聚合異氰酸酯膠黏劑（PMDI），板坯鋪裝順序為“表層-芯層-表層”依次鋪裝，經預壓后放入熱壓機熱壓。具體施膠工藝參數(shù)見表1。

表1 輕質刨花板施膠工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters for light-weight particleboards

壓機熱壓板的溫度設置為160 ℃，熱壓時間為35 s/mm，采用分段熱壓法加壓[20-21]，最高壓力為3 MPa，保壓壓力1.5～2 MPa，具體熱壓工藝參數(shù)的設置如圖3所示。

圖3 熱壓參數(shù)曲線Fig.3 Hot pressing parameter curve

1.4 性能測試

參照GB/T 4897—2015《刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，分別測試輕型刨花板的靜曲強度（MOR）、內結合強度（IB）和吸水厚度膨脹率（TS），選取5個制備試樣，測試結果取均值。

2 結果與分析

2.1 輕型刨花板性能測試結果

輕質刨花板性能測試結果如表2所示。

表2 輕質刨花板性能測試結果Tab.2 Performance results of light-weight particleboards

2.2 密度

由圖4可知，3種輕質刨花板密度均小于0.6 g/cm3。其中最小密度為組合膠制備的單板貼面、中刨花的輕質刨花板，密度僅為0.44 g/cm3，最大密度為0.59 g/cm3，根據(jù)歐洲標準定義，試驗所制輕質刨花板密度達標。

圖4 輕質刨花板的實際密度Fig.4 Actual density of light-weight particleboards

2.3 靜曲強度

靜曲強度是反映人造板物理力學強度的重要指標。在同樣溫度和壓力條件下，分別用UF/PMDI組合膠與純PMDI膠黏劑制備輕質刨花板，組合膠制備的單層小刨花結構輕質刨花板靜曲強度僅為4.32 MPa（圖5），而純PMDI膠黏劑制備的單層小刨花結構板材靜曲強度為8.45 MPa，雖高于UF/PMDI組合膠黏劑制備的板材，但仍未達到普通刨花板的物理力學性能要求。同樣的單層中刨花和大刨花結構，采用UF/PMDI組合膠制備輕質刨花板，其靜曲強度分別為8.47 MPa和19.47 MPa，單層大刨花結構輕質刨花板達到了GB/T 4897—2015中家具用刨花板（P2型）的強度要求。在芯層為大刨花與中刨花，表層為細小刨花的三層結構輕質刨花板中，組合膠制備的板材靜曲強度不足11 MPa。相對于單層與三層板材結構，單板貼面結構的輕質刨花板靜曲強度較優(yōu)。采用組合膠制備的單板貼面結構輕質刨花板，隨著芯層刨花尺寸的增大，板材的靜曲強度也隨之增大，依次為14.78、17.18 MPa和45.22 MPa，純PMDI膠黏劑制備的3種單板貼面輕質刨花板靜曲強度分別為50.04、53.38 MPa和 61.58 MPa，組合膠制備的單板貼面結構輕質刨花板與之相比雖不及其強度高，但已經達到干燥狀態(tài)下家具用刨花板（P2型）要求。

圖5 不同板材結構輕質刨花板靜曲強度Fig.5 Static bending strength of light-weight particleboards with different plate structures

從上述分析可知，采用UF/PMDI組合膠制備的3種不同板材結構和刨花形態(tài)的輕質刨花板靜曲強度均低于純PMDI膠黏劑制備的板材，但組合膠制備的單板貼面輕質刨花板靜曲強度達到了家具用刨花板的物理力學性能要求。原因在于，少量PMDI的引入，可以在一定條件下加速UF的固化，PMDI膠黏劑本身良好的粘接性能，與木材之間形成的共價鍵使膠黏劑與刨花之間緊密連接，因此板材靜曲強度提高。同時板材結構對輕質刨花板的靜曲強度具有不同的影響，單層結構與三層結構輕質刨花板的靜曲強度無明顯差別，用大刨花制備的輕質刨花板靜曲強度明顯優(yōu)于其他兩種較小刨花制備的板材。這是因為刨花形態(tài)不同，大刨花較其他兩種刨花長而薄，長厚比較大，刨花在板中排列有較明顯的縱向特征，單個刨花強度較高，使大片刨花之間結合更為緊密，膠合性能較強。同時，單板貼面型輕質刨花板的靜曲強度要明顯優(yōu)于單層結構和三層結構的輕質刨花板，原因在于刨花板表面所貼的一層單板，在受力時能承載更大的彎曲載荷。

2.4 吸水厚度膨脹率

UF膠黏劑制備的人造板通常耐水性能較差，需要在生產過程中加入防水劑以提高其耐水性能。而PMDI是非極性物質，因其具有芳環(huán)等疏水結構[22-24]，與脲醛樹脂中的羥基（—OH）反應生成取代脲，這使得固化后的PMDI具有極高的防水耐候性能。圖6所示為采用UF/PMDI組合膠黏劑與純PMDI膠黏劑制備的不同結構輕質刨花板2 h吸水厚度膨脹率。在均未添加防水劑的情況下，用UF/PMDI組合膠黏劑制備的輕質刨花板吸水厚度膨脹率高于純PMDI膠黏劑，尤其是單層結構、中小刨花制備的輕質刨花板2 h吸水厚度膨脹率分別為35.95%和22.68%，高于純PMDI膠黏劑制備的同一結構、相同刨花形態(tài)條件下制得的輕質刨花板。

圖6 不同板材結構輕質刨花板2 h吸水厚度膨脹率Fig.6 2 h thickness swelling of light-weight particleboards with different plate structures

對于三層和單板貼面的板材結構，2種膠黏劑制備的輕質刨花板2 h吸水厚度膨脹率相差不明顯，其中使用UF/PMDI組合膠黏劑制備的三層結構大刨花與中刨花輕質刨花板2 h吸水厚度膨脹率分別為6.24%和10.71%。三層中刨花結構輕質刨花板不能滿足家具用刨花板（8%）的要求，三層結構的板材刨花形態(tài)對吸濕性有較大影響。采用UF/PMDI組合膠制備的單板貼面的3種輕質刨花板，其2 h吸水厚度膨脹率相差也不大， 2 h吸水厚度膨脹率分別為7.96%、7.09%和6.15%，能夠滿足干燥狀態(tài)下家具用刨花板（P2型）要求。

為進一步探究輕質刨花板的防水性能，對其進行24 h吸水厚度膨脹率（24 h TS）測試，結果如圖7所示。隨著時間的延長，UF/PMDI組合膠黏劑制備的單層中刨花和小刨花結構的輕質刨花板24 h吸水厚度膨脹率達到64.83%和31.63%，由于這2種輕質刨花板所用刨花尺寸較小，刨花板內部空隙較多，板材組織蓬松，與水的接觸面積大，導致吸水厚度膨脹率較大，板材吸濕性強。同樣，UF/PMDI組合膠黏劑制備的三層結構與單板貼面結構的輕質刨花板吸水厚度膨脹率也隨時間的增長而提高，不同程度地增加了5%～10%，且單板貼面結構輕質刨花板的24 h吸水厚度膨脹率要高于三層結構型的輕質刨花板，由于隨著時間的延長，楊木單板本身的吸濕性也隨之增加，這是刨花芯層與楊木單板共同作用的效果。從刨花形態(tài)來看，3種結構板材中，大刨花的吸水厚度膨脹率都要小于中刨花和小刨花，這是因為大尺寸刨花長厚比較大，刨花板內部空隙被壓縮，膠黏劑能很好地在刨花表面形成膠結，從而使刨花吸水后膨脹率較小[25-26]。

圖7 不同板材結構輕質刨花板24 h吸水厚度膨脹率Fig.7 24 h thickness swelling of light-weight particleboards with different plate structures

2.5 內結合強度

內結合強度是反映人造板材膠合質量的一個重要指標，內結合強度越高表明人造板膠合性能越好。內結合強度與板材的膠黏劑種類有關，UF/PMDI組合膠黏劑對輕質刨花板內結合強度的影響如圖8所示，與純PMDI膠黏劑制備的輕質刨花板對比表明，刨花形態(tài)與板材結構對輕質刨花板的內結合強度影響較大。

圖8 不同板材結構輕質刨花板內結合強度Fig.8 Effects of UF/PMDI and pure PMDI adhesive on internal bonding (IB) of light-weight particleboards with different plate structures

與純PMDI膠黏劑制備的輕質刨花板內結合強度相比，UF/PMDI組合膠黏劑制備的刨花板內結合強度較低，一部分組合膠制備的輕質刨花板內結合強度未達到0.4 MPa，單層結構小刨花輕質刨花板的內結合強度僅為0.19 MPa，說明刨花形態(tài)與板材結構影響刨花板的膠合強度。3種板材結構中單板貼面結構和單層結構大刨花的輕質刨花板內結合強度能滿足家具用刨花板的要求，其內結合強度分別為0.40、0.75、0.55 MPa和0.42 MPa。刨花尺寸對板材內結合強度有不同程度的影響，在同等施膠量的條件下，較大尺寸刨花在施膠過程中膠黏劑分布更均勻，在壓力作用下，刨花之間的膠合強度高，因此輕質刨花板的內結合強度也較高。而在組合膠制備的單板貼面結構輕質刨花板中，中刨花的內結合強度優(yōu)于小刨花和大刨花，其原因在于中刨花相對于大刨花較細，比較容易壓縮，板材內部不分層，故而內結合強度較大；而小刨花原料過于細碎，降低了原料本身的結合強度，使得板材的內結合強度也降低。

2.6 微觀形態(tài)分析

采用超景深顯微鏡對8種結構輕質刨花板的鋸切斷面進行觀測，獲得不同刨花形態(tài)與結構條件下輕質刨花板的微觀形態(tài)。圖9中1-5號圖分別為序號1-5板材結構的輕質刨花板結構斷面，從圖中可見，在三層結構的輕質刨花板中不同形態(tài)的刨花之間有分層現(xiàn)象，如圖中虛線所示。其中4號圖所示為三層結構中大刨花與小刨花之間的界面，其內結合強度為0.32 MPa，5號圖所示為中刨花與小刨花之間的界面，其內結合強度為0.27 MPa，說明大刨花與表層小刨花之間的結合優(yōu)于中刨花與小刨花，且空隙相對較小。

圖9 序號1-5板材結構斷面微觀分析圖Fig.9 No. 1-5 microstructure analysis diagram of plate structure section

圖10中6～8號圖所示為單板貼面結構的輕質刨花板結構斷面，圖中虛線部分表示的是單板與各種不同形態(tài)刨花之間的界面。由8號圖可見，單板與大刨花結合的組織相對緊密，因此其靜曲強度和吸水厚度膨脹率均優(yōu)于中刨花與小刨花與單板的結合。單板與小刨花之間的孔隙較大，因此內結合強度相對較差，單板與中刨花之間的結合界面要優(yōu)于小刨花與單板的界面結合，因此其內結合強度相對較高。

圖10 序號6-8板材結構微觀分析圖Fig.10 No. 6-8 microstructure analysis diagram of plate structure section

3 結論

本文采用UF/PMDI組合膠黏劑，以先噴涂脲醛樹脂，再噴涂異氰酸酯的施膠工藝，制備8種不同刨花形態(tài)與板材結構的輕質刨花板，研究板材結構和刨花形態(tài)對輕質刨花板物理力學性能的影響，并與純PMDI制備的輕質刨花板性能進行分析對比，得出以下結論：用UF/PMDI組合膠黏劑制備的單層結構與三層結構的輕質刨花板，其靜曲強度、內結合強度、2 h和24 h吸水厚度膨脹率均低于純PMDI制備的輕質刨花板，但組合膠黏劑制備的單板貼面結構輕質刨花板靜曲強度均大于14 MPa，能滿足GB/T4897—2015家具用刨花板（P2型）強度要求。因此，可考慮降低單板內芯層密度，在達到板材強度要求前提下，確定密度降低的最低值。