松桉輕質(zhì)刨花板內(nèi)結(jié)合強度及其破壞模式對比

秦理哲，黃騰華，雷福娟，胡拉，王軍鋒*，宋戀環(huán)

(1. 廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，南寧530002；2. 廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南寧 530008)

人造板的“輕質(zhì)化”有利于節(jié)約木質(zhì)資源，降低產(chǎn)品加工能耗和運輸成本，是近期我國木材加工行業(yè)的重要發(fā)展方向之一[1-2]。近年來，國內(nèi)刨花板的市場需求隨著我國定制家居行業(yè)的快速發(fā)展而大幅增加[3]。目前，市場上家具用刨花板產(chǎn)品的密度大多為620～720 kg/m3，密度較高，因此，進一步降低刨花板密度，開發(fā)出輕質(zhì)產(chǎn)品，將有力促進我國刨花板行業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

局限于桉木(基本密度360～880 kg/m3)[4]、楊木(基本密度290～430 kg/m3)[5]和松木(基本密度350～636 kg/m3)[6]等主要刨花原料的木材自身密度以及脲醛、酚醛等膠黏劑較高的密度(>1 000 kg/m3)，在目前常用的刨花板生產(chǎn)工藝條件下難以制備力學(xué)性能滿足家具等產(chǎn)品使用要求的輕質(zhì)刨花板產(chǎn)品[7-8]。為此，采用低密度原料、膠黏劑發(fā)泡和引入輕質(zhì)填料等成為提高輕質(zhì)刨花板力學(xué)強度的主要手段[9]。其中，膠黏劑發(fā)泡是選用發(fā)泡型酚醛樹脂或聚氨酯膠黏劑，借助發(fā)泡過程中產(chǎn)生的壓力使刨花與膠黏劑之間形成良好的接觸，從而保證了必要的膠合強度，而膠黏劑內(nèi)部形成的孔隙結(jié)構(gòu)則起到有效降低板材密度的作用[10-11]。這種方式的優(yōu)點在于可以直接利用現(xiàn)有的刨花板生產(chǎn)原料，具有較好的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究主要涉及工藝條件優(yōu)化及性能評價，而鮮有關(guān)于力學(xué)性能及其破壞模式的深入分析報道。本研究以松木和桉木兩個樹種的刨花為原料，選用聚氨酯發(fā)泡膠黏劑，制備平均密度為540 kg/m3的輕質(zhì)刨花板，對比分析3種不同原料組成的輕質(zhì)刨花板的內(nèi)結(jié)合強度及破壞模式，為輕質(zhì)刨花板的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

松木刨花和桉木刨花分別取自馬尾松(Pinusmassoniana)和巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)，氣干密度分別為525和580 kg/m3，由山東省臨沂市費縣金利旋切機械廠提供。將兩個樹種的刨花分別篩分為細刨花和粗刨花，其中細刨花長度主要為2.50～6.50 mm，寬度主要為0.30～0.90 mm，厚度主要為0.24～0.65 mm；粗刨花長度主要為3.70～11.50 mm，寬度主要為0.50～2.00 mm，厚度主要為0.23～0.89 mm。將刨花干燥至含水率為3%以下備用。

雙組分發(fā)泡型聚氨酯(PU)，購自萬華化學(xué)集團股份有限公司。組分A為棕色液體，黏度150～250 mPa·s(25 ℃)，異氰酸酯根含量(質(zhì)量分數(shù))30.5%～32.0%，密度1.22～1.25 g/cm3(25 ℃)；組分B為聚酯多元醇、聚醚多元醇、發(fā)泡劑等混合物。

1.2 試驗方法

以細刨花為表層原料，粗刨花為芯層原料，設(shè)定板材目標厚度為18 mm，表層、芯層、表層的厚度比為1∶3∶1，平均密度為540 kg/m3。表層只施加PU中的組分A，芯層施加PU的配比為m(組分A)∶m(組分B)=3∶1，表芯層施膠量均為6%。

以不同樹種刨花為變量因子，按照全松木、全桉木、松桉混合(質(zhì)量比1∶1)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行稱量、施膠、鋪裝，試板幅面為400 mm×400 mm。熱壓溫度180 ℃，熱壓時間5 min，使用厚度規(guī)控制板材厚度，熱壓后冷卻陳放7 d。共壓制3組刨花板，每組試驗條件重復(fù)5次。

1.3 性能測試

1)內(nèi)結(jié)合強度：參照GB/T 4897—2015《刨花板》測定不同原料組成的刨花板IB。

2)破壞模式：保留破壞后的試樣，用體式顯微鏡觀察試樣破壞面，根據(jù)破壞部位總結(jié)破壞模式。

3)斷面形貌：切取3種刨花板的破壞斷面，經(jīng)噴金處理后固定于鋁制托盤，用掃描電子顯微鏡(Zeiss Sigma 300)觀測微觀尺度上的斷面形貌、破壞位置，觀測電壓為5 kV。為量化不同類型刨花板破壞斷面上木材破壞區(qū)域的占比，每種類型刨花板挑選5個試樣，每個試樣選取10個位置進行SEM拍攝，拍攝倍數(shù)為100倍，運用Image Pro Plus圖像分析軟件測量木材破壞區(qū)域的面積，其與總拍攝區(qū)域面積之比即為破壞斷面上木材破壞區(qū)域的占比。為量化不同樹種刨花板破壞斷面的平整度，采用能直觀反映表面三維形貌的非接觸式光學(xué)成像技術(shù)[12]——光學(xué)輪廓儀(Bruker Countor GT K 3D)，對全松木刨花板和全桉木刨花板破壞斷面的面粗糙度進行測定分析。每種類型刨花板挑選3個試樣，每個試樣選取3個位置進行測試，每個測試區(qū)域為1 mm×1 mm，以測試區(qū)域的算術(shù)平均粗糙度值(Ra)評價面粗糙度。

4)表面接觸角：采用靜態(tài)液滴法，在恒溫恒濕[溫度(20±1)℃、相對濕度(65±5)%]條件下對松木刨花和桉木刨花進行表面接觸角測量，測試設(shè)備為承德鼎盛試驗機檢測設(shè)備有限公司JY-82B型接觸角測試儀，測試介質(zhì)為蒸餾水。每個樹種刨花各測試3個試樣，每個試樣重復(fù)測試3次，試驗每次注射液滴3 μL，以液滴脫落針尖開始計時，讀取第5 s時液滴的左右接觸角，計算平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)結(jié)合強度(IB)

3種由不同原料組成的刨花板IB如圖1所示。由圖1可知，全桉木輕質(zhì)刨花板與松桉混合輕質(zhì)刨花板的IB無顯著差異，分別為0.38和0.35MPa，均顯著高于全松木輕質(zhì)刨花板，達到GB/T 4897—2015中干燥狀態(tài)下使用的家具型刨花板(P2型)要求(0.35 MPa)。而全松木輕質(zhì)刨花板的IB最低，為0.26 MPa，僅達到GB/T 4897—2015中干燥狀態(tài)下使用的普通型刨花板(P1型)要求(0.24 MPa)。

注：大寫字母表示LSD顯著性檢驗(α=0.05)的分組結(jié)果，其中，相同字母表示差異不顯著，不同字母表示差異顯著。圖1 3種輕質(zhì)刨花板的IBFig. 1 Internal bond strength of three kinds of lightweight particleboard samples

2.2 破壞模式

破壞模式包括破壞區(qū)域及破壞形態(tài)，不僅能直觀反映刨花板在破壞時的薄弱區(qū)域，還能間接體現(xiàn)刨花板的力學(xué)性能。3種類型的刨花板IB試樣破壞截面如圖2所示。由圖2可知，全松木、全桉木、松桉混合輕質(zhì)刨花板均從試樣中部附近發(fā)生破壞，說明刨花板的薄弱區(qū)域在中間層。這是因為刨花板在壓制過程中，表層刨花易于軟化和壓縮，密度較高，而中心處密度較低。同時，內(nèi)結(jié)合強度測試過程中，應(yīng)力主要集中在中心層。

圖2 3種輕質(zhì)刨花板IB試樣破壞截面Fig. 2 The failure cross sections of three kinds of lightweight particleboard IB samples

從宏觀尺度看，3種類型刨花板的破壞斷面均較為平整，大部分區(qū)域均保持刨花原有形態(tài)，偶見被撕扯的細條狀木材纖維殘留(圖3)。其中刨花形態(tài)保持完好的破壞模式歸納為膠層完全剪切破壞，而出現(xiàn)細條狀木纖維區(qū)域的破壞模式歸納為膠層完好，木材本身發(fā)生破壞。綜合而言，3種類型刨花板均表現(xiàn)為膠層和木材混合的破壞模式。

注：圖中箭頭所指為木材破壞區(qū)域。圖3 3種輕質(zhì)刨花板IB試樣破壞斷面及局部放大圖Fig. 3 The failure surfaces and partial enlarged details of three kinds of lightweight particleboard IB samples

2.3 破壞斷面

全松木刨花板在進行拉伸破壞時，由于內(nèi)結(jié)合強度較低，主要表現(xiàn)為膠層內(nèi)的剝離破壞，破壞斷面較為平整，如圖4a和c所示，木材破壞區(qū)域占比為(18.3±16.3)%，管胞及木射線細胞壁上及其細胞腔內(nèi)可見大量且連續(xù)的膠黏劑(圖4b)。小范圍區(qū)域表現(xiàn)為管胞細胞與管胞細胞之間的剝離破壞，同時可見滲透至管胞細胞腔中的膠黏劑(圖4d)。說明全松木刨花板的破壞區(qū)域發(fā)生在膠層及其附近，即松木刨花與膠層之間的界面處。

注：圖b、d分別為a、c中方框所示位置的放大。下同。圖4 全松木刨花板破壞斷面顯微照片F(xiàn)ig. 4 The failure surface micrographs of pine particleboard IB samples

圖6 刨花板破壞斷面粗糙度Fig. 6 The failure surface roughness of particleboard IB samples

全桉木刨花板的破壞斷面凹凸不平，大范圍呈現(xiàn)膠層破壞與木材破壞交錯的瓦楞狀形態(tài)，如圖5a、c所示，斷面上可見撕裂的纖維細胞、導(dǎo)管細胞、射線薄壁組織細胞以及滲透至這些細胞腔中的膠黏劑，如圖5b、d所示。與全松木刨花板相比，全桉木刨花板破壞斷面上木材破壞區(qū)域占比較大，為(60.9±24.9)%。說明桉木刨花與膠黏劑之間的結(jié)合力強于松木刨花，與全桉木刨花板內(nèi)結(jié)合強度優(yōu)于全松木刨花板的結(jié)果吻合。

圖5 全桉木刨花板破壞斷面顯微照片F(xiàn)ig. 5 The failure surface micrographs of eucalyptus particleboard IB samples

從細胞構(gòu)成看，纖維細胞是桉木的主要組成細胞，其直徑小于松木的管胞組織[13-14]，使得單位面積內(nèi)膠黏劑在桉木刨花中形成的膠釘數(shù)量多于松木刨花，并且桉木的射線薄壁組織較松木發(fā)達，更利于膠黏劑在木材中的滲透，闊葉樹木材多樣的細胞構(gòu)成使得其破壞形態(tài)更為復(fù)雜。從材性看，桉木的密度和硬度均大于松木，并且不含阻礙膠合的松脂等內(nèi)含物，更有利于與膠黏劑形成較強的結(jié)合[15]，破壞強度更高。

經(jīng)SEM觀察發(fā)現(xiàn)，全松木刨花板和全桉木刨花板在破壞斷面平整度上存在差異，進一步采用光學(xué)輪廓儀對這兩種刨花板的破壞斷面平整度進行定量表征，反映其表面形貌的顏色高度圖如圖6所示。通過圖像中顏色的分布可直觀評價斷面的平整程度，其中全松木刨花板的顏色分布較為均勻，Ra值為(2.60±0.75)μm，而全桉木刨花板的顏色變化起伏較大，其Ra值顯著高于全松木刨花板，為(12.75±4.98)μm，說明全桉木刨花板破壞斷面的粗糙度較大，與上述SEM觀察結(jié)果吻合。

松桉混合刨花板由于同時摻雜了松木刨花與桉木刨花，其破壞斷面上木材破壞區(qū)域占比、破壞形態(tài)均介于全松木刨花板和全桉木刨花板之間，其中木材破壞區(qū)域占比為(44.3±26.7)%，破壞形態(tài)包含全松木刨花板和全桉木刨花板的破壞形態(tài)，破壞位置發(fā)生在松木刨花與松木刨花、桉木刨花與桉木刨花，以及松木刨花與桉木刨花之間。當(dāng)破壞位置發(fā)生在松木刨花與松木刨花之間時，斷面較為平整，其中一片松木刨花形態(tài)保持完好，表面可見大量且連續(xù)的膠黏劑，另一片松木刨花表層的管胞呈撕裂狀(圖7a)；當(dāng)破壞位置發(fā)生在桉木刨花與桉木刨花之間時，刨花搭接處膠層完好，桉木細胞呈撕裂狀(圖7b)；當(dāng)破壞位置發(fā)生在松木刨花與桉木刨花之間時，桉木刨花形態(tài)保持完好，桉木刨花表面可見連續(xù)的膠黏劑以及發(fā)生剝離破壞的松木管胞(圖7c)。

圖7 松桉混合刨花板破壞斷面顯微照片F(xiàn)ig. 7 The failure surface micrographs of pine/eucalyptus particleboard IB samples

2.4 刨花潤濕性能

刨花潤濕性對刨花板內(nèi)部刨花之間的粘接性能有重要影響，一般通過測試介質(zhì)在刨花表面形成的接觸角來評價[16]。接觸角越小，表明刨花的表面潤濕性越好，反之亦然。蒸餾水在不同樹種刨花表面形成的接觸角測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 松木刨花和桉木刨花表面接觸角Fig. 8 Surface contact angles of pine and eucalyptus particles

由圖8可知，松木刨花和桉木刨花的表面接觸角分別為(96.52±5.08)°和(75.43±8.11)°，方差分析結(jié)果顯示，樹種對刨花表面接觸角有顯著影響。說明桉木刨花的潤濕性優(yōu)于松木刨花，這是不同樹種之間的化學(xué)性質(zhì)差異引起的[17]。松木樹脂含量高，不僅影響膠黏劑在刨花表面的潤濕、流動、鋪展，還可能改變膠黏劑的特性，從而影響固化[18]。與松木相比，桉木所含影響膠合的物質(zhì)較少，導(dǎo)致同等條件下桉木對膠黏劑的親和力較好，這是桉木刨花板破壞斷面木材破壞區(qū)域占比高于松木刨花板的重要原因。

3 結(jié) 論

1)平均密度為540 kg/m3的3種輕質(zhì)刨花板中，全桉木刨花板的平均IB(0.38 MPa)最大，與松桉混合刨花板(0.35 MPa)均達到GB/T 4897—2015中的P2型要求，而全松木刨花板的平均IB(0.26 MPa)最小，僅達到P1型要求。

2)內(nèi)結(jié)合強度測試中，全桉木刨花板的木材破壞區(qū)域占比最大，為(60.9±24.9)%；全松木刨花板最小，為(18.3±16.3)%；松桉混合刨花板介于兩者之間，為(44.3±26.7)%。全桉木刨花板的破壞斷面平整度較小，Ra值為(12.75±4.98)μm；全松木刨花板的破壞斷面平整度較大，Ra值為(2.60±0.75)μm。

3)3種刨花板均表現(xiàn)為膠層和木材混合的破壞模式，但在破壞斷面平整度、木材破壞區(qū)域占比上具有明顯差異，這是其內(nèi)結(jié)合強度表現(xiàn)出差異的重要原因。