水杉基3 層結構實木復合地板的制備及其導熱聲學性能的研究

魯旭榮 李 權 林 輝

（1.凱里學院，貴州 凱里 556011；2.寧德師范學院化學與材料學院，福建 寧德 352100；3.福建省特色生物化工材料重點實驗室，福建 寧德 352100）

水杉（Metasequoia glyptostroboides）木材心、邊材區(qū)別明顯，密度小，紋理通直而不勻，結構粗，材質輕而軟。我國中部及南方地區(qū)的水杉、泡桐等鄉(xiāng)土樹種資源豐富，蓄積量和種植面積均較大。水杉木材作為一種低質材，如何進行高質化利用是學界一直在研究的課題。近年來相關學者從板材的加工利用，林產化工等方面對水杉的高質化利用做了大量研究[1]。王宏斌等[2]對水杉板材加工成自然凹凸紋理木質裝飾幅面材料的方法作了研究，結果發(fā)現H2SO4溶液對水杉細胞壁的腐蝕明顯，溫度對腐蝕率有一定影響。Xie等[3]對烯丙基烷基咪唑離子液體水杉木材液化試驗結果表明，在100 ℃的溫度下40 min 內的水杉木材在離子液體中可液化。Bajpai 等[4]對水杉的乙酸乙酯濃縮提取物進行色譜分析，分離出雙環(huán)類二萜、紫杉醇等生物活性成分，可用作食品工業(yè)的抗菌劑，以抑制某些食源性病原體的生長。

近年來因人們崇尚自然居住環(huán)境的心理需求，木地板成為了目前為止市場普及率最高的地板種類之一。實木復合地板由于克服了實木地板單體收縮、容易起翹開裂的不足，具有較高的尺寸穩(wěn)定性，還有著與實木地板相同的典雅自然外觀、腳感舒適、保溫性能好[5?6]，使用感受良好的特點而受到大眾的歡迎。實木復合地板由不同樹種的板材交錯層壓而成，中間層的基材被包裹。本實驗設計則是利用水杉木材質軟的特點將其用于實木復合地板的芯板（基材）以實現低質材水杉材的高效利用。在有限的木材資源供給條件下，不斷拓寬木材原材料的途徑，加大利用國內南方地區(qū)優(yōu)良的鄉(xiāng)土樹種，尤其是少有被開發(fā)利用的水杉木材，對緩解國內木材資源供需矛盾，減輕對國外木材的依賴度具有現實意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

水杉，樹齡25 a，購買自貴陽市林產品市場。水杉心材紫紅，材質細密輕軟，可供建筑、板料、造紙等使用。膠粘劑：改性脲醛樹脂膠，固含量60%，粘度230 mPa·s；水杉基3 層結構實木復合地板：表板為柞木（Xylosma racemosum），厚5 mm，含水率8.5%；芯板為水杉，厚10 mm，含水率9.5%；底板為楊木，厚3 mm，含水率7%。對照用的多層實木復合地板（表板為柞木，背板為楊木（Populussp.），芯層基材為楊木、桉木制作的多層膠合板）和3 層實木復合地板（表板為柞木、背板為楊木、芯層基材為杉木短木條拼接）均購買自貴陽市林產品市場，2 種對照產品的尺寸規(guī)格均為900 mm×90 mm×15 mm。

試樣采用熱壓機BY214×8/60（8）ZRC，總壓力：6 000 kN，熱壓板幅面尺寸：1 370 mm×2 700 mm（上海秋林機械有限公司，中國）。MTS/CMT 萬能力學試驗機（精度10N，美斯特試驗機有限公司，中國）。駐波管吸聲系數測量儀AWA6290Z（上海何亦儀器儀表有限公司，中國），TC?3001 準穩(wěn)態(tài)法導熱系數測試儀（上海依陽實業(yè)有限公司，中國）。

1.2 實驗方法

1.2.1 表板、底板和水杉芯板施膠

木單板采用涂膠方式，用涂膠輥將脲醛樹脂膠液均勻涂刷到單板的表面，單板單面涂膠量為200 g/m2（涂刷2 次）左右。

1.2.2 組坯

表板柞木，芯層為水杉，加工拼接后規(guī)格為800 mm×90 mm×10 mm（長×寬×厚），楊木底板。配上相應的5 層膠合板作為底板榫槽結合部分結構，試驗壓制產品規(guī)格為900 mm×125 mm×15 mm（長×寬×厚）的3 層結構實木復合地板，設計的具體尺寸見表1。

表1 水杉用作3 層結構實木復合地板組坯尺寸Table 1 The size of three-layer structure parquet with M.glyptostroboides base material mm

1.2.3 熱壓

根據前期試驗研究結果，采用優(yōu)化后的熱壓三要素條件制備水杉基3 層結構實木復合地板（如圖1），設置熱壓溫度96 ℃，熱壓時間6.7 min，熱壓壓力8 kg/cm2。

圖1 水杉基3 層結構實木復合地板的構造Fig.1 The construction of three-layer parquet with M.glyptostroboides base material

1.2.4 試件性能測試

1）按照GB/T 18103—2013[7]、GB 18580—2017[8]以及GB/T 17657—2013[9]對制備的實木復合地板尺寸偏差、理化指標進行檢測和分析。雖然國內外有大量木地板甲醛釋放量、耐磨強度、耐酸堿、拼接離縫等常規(guī)指標的檢測和分析[10?11]，但決定木地板舒適度的導熱性能檢測分析研究不多。

2）準穩(wěn)態(tài)法導熱系數測量儀測量熱流密度按下式計算：

式中：qc為熱流密度，I為加熱器電流，V為加熱器電壓，F為試件截面尺寸。

導熱系數按下式計算：

式中：λ為導熱系數，δ為試件厚度，Δt為準穩(wěn)態(tài)時的溫差（熱面與冷面溫度之差）。

3）水杉基3 層結構實木復合地板、多層及3 層結構實木復合地板在鋪裝過程中，不需要使用龍骨，因此在測量過程中采用方式是貼實測量。采用駐波管法對制備得到的水杉基3 層結構實木復合地板和市場購買的2 種木地板吸聲系數進行測量，在0.2～2 kHz 范圍內0.2、0.25、0.315、0.4、0.5、0.63、0.8、1、1.25、1.6、2 kHz 共11 個頻率得到聲壓級的極大值和極小值，計兩者之差為聲壓極差（Lp），按公式（3）計算吸聲系數（α0）。

2 結果與分析

2.1 尺寸偏差、理化性能檢測

由表2 可知，水杉基3 層結構實木復合地板的厚度偏差中公稱厚度與平均厚度之差絕對值均≤0.5 mm，厚度最大值與最小值之差≤0.5 mm。直角度≤0.2 mm。邊緣直度≤0.3 mm/m。翹曲度中寬度方向≤0.20%，長度方向≤1.00%。拼接離縫平均值≤0.15 mm，最大值≤0.2 mm。均滿足國家標準相關要求。

表2 3 種實木復合地板理化性能檢測結果Table 2 Physical and chemical properties of 3 kinds of parquet

理化性能測試表明，水杉基3 層結構實木復合地板的最終含水率為10.7%，甲醛釋放量為0.112 mg/m3，3 種木地板試件均沒有出現浸漬剝離現象。雖然3 種木地板的表板和背板的樹種一致，總厚度均相同，但3 種實木復合地板的芯層材料卻各不相同，水杉基3 層結構實木復合地板芯層部分用料是水杉木材，相比其他兩種地板的芯層材料質量更小、密度更低。最終制得的水杉基3 層結構實木復合地板的甲醛釋放量為0.112 mg/m3與多層實木復合地板的0.104 mg/m3和3 層實木復合地板的0.117 mg/m3相比差異不大，均小于國家標準要求的低于0.124 mg/m3的標準限量。

2.2 導熱系數檢測

試驗測定了3 種實木復合地板的導熱系數，結果見表3。

表3 3 種實木復合地板的熱流密度及導熱系數Table 3 Heat flux density and thermal conductivity of 3 kinds of parquet

試驗用的3 種實木復合地板含水率分別為10.2%、11.1%、10.7%，導熱系數檢測結果有較好的可比性。木材是一種多孔性材料，導熱系數較小，是熱的不良導體。3 種實木復合地板主要是在芯層部分存在著結構和材料的差異，而實木復合地板的導熱系數是各組分導熱系數綜合作用的結果，多層實木復合地板、3 層實木復合地板、水杉基3 層結構實木復合地板的導熱系數分別為0.307 W/(m·K)、0.204 W/(m·K)、0.188 W/(m·K)，其中水杉基3 層結構實木復合地板的導熱系數最低，屬于絕熱材料，其保溫隔熱性能好的主要原因是地板芯層部分的水杉木材結構疏松、密度低導致其導熱系數低，使得地板整體的保溫隔熱性增大[12]。

2.3 吸聲系數檢測

木材的吸聲效率是用它對某一頻率的吸聲系數來衡量。由圖2 可知，水杉基3 層結構實木復合地板的吸聲系數隨著聲音頻率的增加而呈增大趨勢，吸聲系數均要好于在同種頻率下的其他兩種實木復合地板，但差別不明顯。吸聲系數越大，吸聲效果越好[13]。3 種實木復合地板的吸聲性能主要歸結于其復合吸聲結構，即兼具多孔吸聲結構與共振型吸聲結構的特點。3 種實木復合地板的吸聲性能與其微觀構造有著緊密的聯(lián)系[14]，木材構造的特點是大量內外連通的孔隙，聲波入射時，切面的微孔可引起摩擦和空氣粘滯消耗，從而將聲能轉化為熱能。其吸聲頻率特性對中高頻吸聲系數影響較大，低頻較小。影響因素包括材料的孔隙率、厚度、密度、濕度等。從3 種實木復合地板芯層材料的密度、空隙特征等因素來分析，水杉是三者中密度最小，其孔隙度與多層膠合板、杉木相比更多[15?16]，因此，水杉木材的平均吸聲系數較大，使得地板的整體吸聲效果較其他2 種地板更好。3 種實木復合地板的含水率差別不大，但吸濕后木材的間隙和小孔中的空氣會被水分所代替，使空隙率降低，導致對中高頻的吸聲系數降低[17]，因此不適合在高濕條件下使用。增加木地板的厚度，可以增加對中、低頻聲的吸收，但對高頻聲的吸聲性能影響較小。厚度增加到一定程度時，對吸聲系數的影響不明顯。曹倚中[18]發(fā)現木材隨著厚度的增加其吸聲系數有所改善，在一定范圍內樹種對膠合板吸聲系數影響顯著。另外，徐偉[19]研究的漆膜厚度對云杉屬木材吸聲性能的影響中的吸聲系數是隨著漆膜厚度的增加而增加，即漆膜厚度越小，鋼琴音板的吸聲性能越差。本實驗用到的3 種實木復合地板的漆膜飾面使得其表面透氣性差，會降低其吸聲系數。

圖2 3 種實木復合地板的聲壓級差與吸聲系數Fig.2 Sound pressure level difference and sound absorption coefficient of 3 kinds of parquet

3 結論

制備和檢測了水杉基3 層結構實木復合地板，將其與市場上購買的多層和3 層結構實木復合地板在與人體舒適性相關的指標（常規(guī)理化指標、導熱系數、吸聲系數等）方面做了對比分析，并得出以下結論：

1）水杉基3 層結構實木復合地板含水率為10.7%、密度0.52 g/cm3、甲醛釋放量0.112 mg/m3、浸漬剝離合格，常規(guī)理化性能指標與其他兩種木地板差別不大。

2）水杉基3 層結構實木復合地板的導熱系數為0.188 低于其他兩種木地板，在建筑工程材料中屬于絕熱材料。木地板導熱系數隨材料的含水率增大而增大，材料一旦受潮，其保溫性能降低。

3）水杉基3 層結構實木復合地板在0.2～2 kHz 頻率范圍的吸聲系數均要高于相同頻率條件下其他2 種木地板。3 種實木復合木地板的表面涂飾對其吸聲效果不利。