高強度樺木膠合板生產技術及性能分析

何 超，劉 璐，沈佳龍，周 琪，劉鑫榮，劉振東

(1. 吉林省林業(yè)科學研究院，吉林 長春 130033； 2. 中國木材與木制品流通協(xié)會，北京 100040)

過去，軌道交通工具(動車、高鐵)的地板和裝修普遍采用傳統(tǒng)干燥鋸材，由于木材縱向強度高，橫向強度低，遇濕膨脹，遇干收縮，容易開裂、翹曲、皺縮等，存在穩(wěn)定性較差的問題[1]。之后使用普通膠合板替代木材應用在列車地板和裝修中，因為膠合板的橫縱向相對匹配平衡，穩(wěn)定性相對更高。但膠合板也存在強度低、環(huán)保性不高，使用周期較短等問題[2]，導致普通膠合板在軌道交通工具中的應用有減少的趨勢?；诖耍瑢で笠环N強度高、環(huán)保性強的新型膠合板替代干燥鋸材具有重要意義。在此背景下，本文提出高強度樺木膠合板生產技術，通過對膠黏劑以及膠合板生產工藝的改良，提高膠合板的強度及其環(huán)保性能，替代干燥鋸材，推動膠合板在高鐵、動車及集裝箱底板等方面的應用。

1 材料與設備

1.1 試驗材料

試驗材料見表1。

表1 試驗材料

1.2 儀器設備

試驗用儀器設備見表2。

表2 試驗儀器設備

2 試驗方法

2.1 高強度樺木膠合板制備

2.1.1 單板含水率

將樺木單板置于溫度為(60±5)℃的恒溫干燥箱中烘干，表板含水率控制在11 %～12 %，芯板含水率控制在9 %～10 %。

2.1.2 三聚氰胺改性酚醛樹脂

首先制備初期酚醛樹脂，苯酚與甲醛的摩爾比為1︰1.8。再將0.1 mol三聚氰胺緩慢加入其中，使其充分反應得到三聚氰胺改性酚醛樹脂膠黏劑，固含量為47.68 %。

2.1.3 高強度樺木膠合板制備

膠合板采用雙面施膠并按照表板為順紋理方向單板，次表板纖維方向與表板垂直，3、4層和14、15層為兩層順紋理方向單板，5～13層相鄰單板纖維方向相互垂直的結構進行組坯(成品膠合板共17層，厚度控制在17～18 mm)。預壓時間為40 min，壓力為0.8 MPa。預壓完成后再進行熱壓，采用三段熱壓工藝。

2.2 正交試驗設計

采用正交試驗考察高強度樺木膠合板熱壓過程中熱壓壓力、熱壓溫度、熱壓時間以及施膠量對膠合強度的影響，確定其最佳熱壓工藝。L9(34)正交試驗的因素水平如表3所示。

表3 正交試驗設計方案

2.3 玻璃纖維增強高強度樺木膠合板制備

2.3.1 浸漬用三聚氰胺改性酚醛樹脂

向固含量為47.68 %的三聚氰胺改性酚醛樹脂中加入蒸餾水進行稀釋，調制成固含量為30 %的三聚氰胺改性酚醛樹脂膠黏劑。

2.3.2 玻璃纖維布浸漬

將玻璃纖維布浸漬于2.3.1制備的浸漬用三聚氰胺改性酚醛樹脂膠黏劑中，浸漬15 min以上，取出并除去附在表面的膠黏劑，晾干。

2.3.3 膠合板制備

同2.1.3。在次表層放置浸漬的玻璃纖維布(成品膠合板共17層，厚度控制在17～18 mm)。

2.4 表面強化高強度樺木膠合板制備

2.4.1 表板浸漬

在常溫常壓下將表層單板浸漬于2.3.1制備的浸漬用三聚氰胺改性酚醛樹脂膠黏劑中，加入適量乙醇溶液增強樹脂分散性，在攪拌條件下浸漬1 h后預干，在80～100 ℃條件下烘干至含水率為11 %～12 %，再與芯層單板組坯膠壓。

2.4.2 膠合板制備

同2.1.3。由浸漬后的表板和芯板組成，成品膠合板共17層，厚度控制在17～18 mm。

2.5 膠合板性能指標檢測

2.5.1 膠合板物理力學性能檢測

參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》(GB/T 17657—2013)，測定膠合板的膠合強度(參照Ⅰ類膠合板檢測方法，多個膠層檢測取平均值)、彈性模量、靜曲強度和表面耐磨。

2.5.2 甲醛釋放量檢測

參照《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》(GB/T 17657—2013)中干燥器法和1 m3氣候箱法，分別測定膠合板的甲醛釋放量。

3 結果與討論

3.1 高強度樺木膠合板膠合強度及其方差分析

為探究熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力以及施膠量對膠合板膠合強度的影響，設計正交試驗獲得高強度樺木膠合板的最佳熱壓工藝參數。試驗結果如表4所示，方差分析如表5所示。

表4 試驗設計及膠合強度檢測結果

表5 膠合強度正交試驗方差分析

從表4中可以看出，在該試驗水平范圍內，影響高強度樺木膠合板膠合強度因素的主次順序為：熱壓溫度>熱壓壓力>熱壓時間>施膠量。膠合板的最佳熱壓工藝組合為：熱壓溫度140 ℃，熱壓壓力1.5 MPa，熱壓時間20 min，施膠量300 g·m-2。從表5中可以看出，熱壓溫度對膠合強度有著顯著影響。

采用三段熱壓工藝(見圖1)，避免了多層膠合板在熱壓過程中易存在的鼓泡、膠層不同步固化等問題。由于膠合板組坯過程中表板含水率高，芯板含水率低，在熱壓過程中表板形成的水蒸氣會形成高壓氣體進入芯層，提高芯層熱壓溫度，促進芯層固化。短暫的卸壓可將芯層的水蒸氣排除，防止膠合板鼓泡，從而達到膠合板同步固化，增強其膠合強度的目的。

圖1 高強度樺木膠合板熱壓曲線

3.2 高強度樺木膠合板、玻璃纖維增強高強度樺木膠合板及表面強化高強度樺木膠合板理化性能

通過上文對高強度樺木膠合板熱壓工藝的探究，得到高強度樺木膠合板的最佳熱壓工藝。為進一步提高膠合板的物理力學性能，在原有基礎上增加了玻璃纖維布和表板浸漬工藝，分別制得玻璃纖維增強高強度樺木膠合板和表面強化高強度樺木膠合板，并對其性能進行檢測。高強度樺木膠合板、玻璃纖維增強高強度樺木膠合板以及表面強化高強度樺木膠合板性能檢測結果見表6。

表6 性能檢測結果

表6(續(xù))

從表6中可以看出，3組膠合板的膠合強度、靜曲強度、彈性模量及甲醛釋放量均達到國家標準《普通膠合板》(GB/T 9846—2015)相關要求，表面耐磨達到國家標準《浸漬膠膜紙飾面膠合板和細木工板》(GB/T 34722—2017)相關要求。玻璃纖維增強高強度樺木膠合板的物理力學性能較高強度樺木膠合板均有顯著提高，膠合強度提升26.83 %，靜曲強度最高提升48.55 %，彈性模量最高提升37.97 %。表面強化高強度樺木膠合板的物理力學性能較高強度樺木膠合板膠合強度提升28.66 %，靜曲強度最高提升46.38 %，彈性模量最高提升25.49 %。添加玻璃纖維和對表板浸膠處理提高了膠合板靜曲強度和彈性模量，長期使用不易開裂、膨脹[3，4]。較高的靜曲強度和彈性模量保障了木材在受到更大的外力作用時不發(fā)生彎折變形。

從甲醛釋放量的數據可以看出，3組膠合板的甲醛釋放量結果均達到《人造板及其制品甲醛釋放量分級》(GB/T 39600-2021)規(guī)定的E0級環(huán)保標準(≤ 0.050 mg·m-3)。試驗采用三聚氰胺改性酚醛樹脂膠黏劑，由于三聚氰胺具有較多的官能團，能與甲醛產生較多交聯(lián)，提高體系的反應活性，降低膠黏劑中的游離甲醛，從而降低甲醛釋放量[5]。同時三聚氰胺本身又是環(huán)狀結構，具有良好的耐水性、較高的硬度和抗壓強度，增加了樹脂交聯(lián)度，其制得板材的物理力學性能也有明顯提升。

表板強化高強度樺木膠合板在表層力學測試中發(fā)現，表板經過浸膠處理的高強度樺木膠合板的磨耗值可達到45 mg·(100r)-1，350 r后表面無露底現象，較高強度樺木膠合板和玻璃纖維增強高強度樺木膠合板，具有較好的耐磨性能，較高強度樺木膠合板磨耗值降低27.42 %，能夠延長板材的使用年限，提高板材的防腐和耐磨性能。

4 結論

本研究通過增加表板厚度和芯板順紋理層數，采用三段熱壓工藝以及使用三聚氰胺改性酚醛樹脂膠黏劑等一系列生產工藝壓制而成的高強度樺木膠合板，從性能檢測結果中可得出以下結論：

(1)高強度樺木膠合板最佳熱壓工藝條件：熱壓壓力為1.5 MPa；熱壓溫度為140 ℃；熱壓時間為20 min。

(2)玻璃纖維增強高強度樺木膠合板的物理力學性能較高強度樺木膠合板均有顯著提高，膠合強度提升26.83 %，靜曲強度最高提升48.55 %，彈性模量最高提升37.97 %。甲醛釋放量達到E0級，環(huán)保性能顯著提升，可應用于動車地板、家具及裝修中。

(3)表面強化高強度樺木膠合板較高強度樺木膠合板，膠合強度提升28.66 %，靜曲強度最高提升46.38 %，彈性模量最高提升25.49 %，磨耗值降低27.42 %。甲醛釋放量同時也達到E0級，可適用于平板貨車底板、集裝箱底板等方面的應用。