集防火、防水和耐磨為一體的復合膠合板設計與研制*

梁星宇 蔡聰惠 何宇航 張榮卓 谷曉雨 王 正

（1. 南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2. 江蘇善聰木業(yè)有限公司，江蘇 連云港 222505）

在木材加工行業(yè)，膠合板為我國使用最為廣泛且產(chǎn)量增幅最快的人造板產(chǎn)品。近十年，其產(chǎn)量年均增速已達15%。2019年，我國膠合板產(chǎn)量達1.8 億m3，約占全球膠合板產(chǎn)量的60%以上，同時膠合板的消費和國際貿易也穩(wěn)居世界首位[1-3]。膠合板主要是利用速生材原木和小徑級材，經(jīng)旋切成單板，再進行施膠、組坯、加壓等工藝生產(chǎn)而成[4-8]。與實木相比，膠合板具有結構穩(wěn)定、物理力學性能好、變異性小等優(yōu)點，廣泛應用于家具制造、建筑、包裝、室內外裝修、交通等諸多領域[9-14]。

然而，普通膠合板產(chǎn)品很難兼具較高的防火、防水、耐磨性和平整度等功能，較大程度制約了該板材的使用范圍。膠合板的表面木質材料裸露在外，遇到水、火極易發(fā)生干縮濕脹和燃燒，導致板材尺寸變形、腐朽、霉變等。即使后期對膠合板產(chǎn)品進行飾面加工，以增加其防火性能、耐磨性和表面平整度，也會因其表面貼合不好、膠合強度不高，導致其使用壽命有限，且人工成本較高。對于防火性，傳統(tǒng)的阻燃膠合板是通過浸漬阻燃劑的工藝實現(xiàn)，其工藝相對較為復雜，且成本較高[15]。近年來，科研人員通過將阻燃劑與膠黏劑混合形成新的阻燃體系或在膠合板表面涂布阻燃涂料，可有效增強膠合板的防火效果[16-18]。該方法同樣可運用在飾面膠合板中，但會影響其表面涂飾性能，且增加生產(chǎn)投入。膠合板的表面耐磨性能通常通過貼上覆面材料或在表面涂布樹脂的方法實現(xiàn)[19]。然而膠合板產(chǎn)品的工藝條件（如熱壓參數(shù)，基材種類等）多變且復雜，易導致表層的耐磨性能降低，從而影響其使用壽命[20-21]。

考慮到市場的實際需求，目前急需一種同時兼顧防火性，耐磨性以及表面平整度的飾面復合膠合板。因此，本文設計了三種集防火、防水和耐磨為一體的復合膠合板，探究了其制造工藝，并對性能進行了檢測，表明該產(chǎn)品有助于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 復合膠合板的結構設計及生產(chǎn)工藝

1.1 結構設計

如圖1所示，本研究設計了三種集防火、防水和耐磨功能為一體的復合膠合板產(chǎn)品，其尺寸為2 440 mm（長）× 1 220 mm（寬）× 16 mm（厚）。產(chǎn)品的結構大體由芯板層、防火層、找平層和表板層構成，編號分別為S1、S2和S3。其芯板層為厚度12 mm的普通膠合板；找平層為厚度1 mm的中密度纖維板（MDF），起飾面找平作用；防火層為厚度2 mm的葡萄牙軟木板，起防火保溫作用；表板層為厚度1 mm的熱固性樹脂浸漬紙高壓層積板（HPL），起防火和耐磨作用。各層間的膠黏劑采用單組分聚氨酯膠黏劑，具有粘接性強、防水性好和無甲醛釋放等特點。三種產(chǎn)品的具體組成如表1所示。

表1 防火、防水和耐磨復合膠合板結構設計Tab.1 Structural design of composite plywood that integrates fire resistance, water resistance, and wear resistance

圖1 三種防火、防水和耐磨復合膠合板結構圖Fig. 1 Structure diagram of three kinds of composite plywood that integrates fire resistance, water resistance, and wear resistance

1.2 材料與設備

1.2.1 材料

復合結構膠合板的芯板選用意楊（P o p u l u s deltoides）普通膠合板，含水率為8%~12%，氣干密度為589.8 kg/m3。找平層為MDF，含水率為8%~11%，密度為547 kg/m3，吳江區(qū)獅虎木業(yè)有限公司。防火層為葡萄牙軟木板，厚度為2 mm，密度為118 kg/m3，導熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)，比熱≥2.0 J/g/℃，使用溫度范圍為-80~140 ℃，葡萄牙AMRIM ICB公司。面板層為HPL防火板，由耐磨紙、裝飾紙和牛皮紙組成，上海富美家裝飾材料有限公司。

普通膠合板采用酚醛樹脂膠黏劑，酚醛樹脂與面粉比例為4∶1，武漢卡諾斯科技有限公司。芯板層與找平層、找平層與防火層均采用單組分聚氨酯膠黏劑，富樂（中國）粘合劑有限公司。

1.2.2 生產(chǎn)設備

主要設備有磨頭機、涂膠機、接長機、冷壓機、熱壓機、鋸邊機、砂光機等，具體信息如表2所示。

表2 普通膠合板生產(chǎn)主要設備Tab.2 Main equipment for ordinary plywood production

1.3 生產(chǎn)工藝

如圖2所示，防火、防水和耐磨復合膠合板的主要加工流程為：楊木單板分選（基材制造）→單板斜磨→干燥→鋪裝組坯→冷壓熱壓→與薄MDF和HPL復合組坯→冷壓→裁邊、封邊。

圖2 防火、防水和耐磨復合膠合板生產(chǎn)流程圖Fig.2 Production flow chart of composite plywood integrated fire resistance, water resistance and wear resistance

復合膠合板主要生產(chǎn)工序為：

1） 普通膠合板制備工序。將意楊速生材原木旋切成厚度為2 mm的單板單元，經(jīng)斜磨、干燥、分等、施膠、組坯（相鄰層之間紋理垂直）、冷壓（預壓）、熱壓后所得。

2） 開料工序。對養(yǎng)生7~10 d后的膠合板進行鋸裁，砂光定厚和質量分選。

3） 與薄MDF和HPL施膠組坯工序。在30 min內，采用單組分的聚氨酯膠黏劑依次在膠合板表面、薄MDF表面及HPL表面施膠后，組坯鋪裝，施膠量為110~120 g/m2。

4） 冷壓工序。對施膠組坯后的復合膠合板進行高頻冷壓處理，其壓力為1.2 MPa，加壓時間為24 h，養(yǎng)生時間為5 d。

5） 裁邊、封邊工序。裁邊后的板邊應無毛刺；板面平整、無壓痕、無彎曲，其對角線差在2 mm內。

圖3 復合膠合板冷壓工序Fig.3 Cold pressing process of composite plywood

圖4 復合膠合板裁邊工序Fig.4 Edge cutting process of composite plywood

2 復合膠合板的物理力學性能與耐火性能測試

復合膠合板的性能測試參考GB/T 17657--2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》進行[22]，包括靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）、表面膠合強度、表面耐磨性、表面耐龜裂等指標。

2.1 試件制備

對壓制好的復合膠合板試件按測試用的標準尺寸進行鋸切，如表3所示。

表3 試件尺寸及其數(shù)量表Tab.3 Dimension and quantity table of test piece

2.2 測試儀器

MWE-40A液壓式木材萬能試驗機，最大試驗力4 kN，由濟南試驗機廠生產(chǎn)；DHG-9036A電熱恒溫鼓風干燥箱，溫度波動±1 ℃，上海精宏實驗設備有限公司；DB-2AB不銹鋼恒溫數(shù)顯電熱板，溫控范圍50~400 ℃，分辨率為0.1 ℃，濟南森亞實驗儀器有限公司；DC-0550-F低溫恒溫槽，分辨率為0.01 ℃，江蘇奈樂儀器設備制造有限公司；JM-V磨耗儀，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術股份有限公司。丙烷燃料火槍3支，槍管直徑和長度分別為19 mm和60 mm，最大火力溫度約1 300 ℃，由CAMPSOR/凱瑪仕提供。

2.3 測試原理及其主要步驟

2.3.1 物理力學性能測試

采用三點彎試驗方法檢測試件的靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）。表面膠合強度指飾面材料與基材之間的粘結強度，是表面層垂直于板的最大破壞荷載與膠合面積的比值。表面耐磨是利用一對粘有砂布的磨砂輪與旋轉的試件摩擦，設定固定轉數(shù)后，以磨損量的大小衡量表面耐磨性能。表面耐龜裂是觀察試件在70 ℃條件下是否出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，以衡量材料的耐久性能[22]。圖5 為本復合結構的膠合板試件的物理力學性能測試現(xiàn)場照片。

圖5 復合膠合板物理力學性能測試現(xiàn)場Fig. 5 Field test of physical and mechanical properties of composite plywood

2.3.2 耐火性能測試

耐火性能測試采用丙烷燃料火槍定點燒穿復合板材的方法，以燒穿時長作為評價耐火性能的指標[23-24]。如圖6 所示，測試時槍嘴與試件保持固定100 mm距離，以最大火力45°角噴向試件固定位置?；饦岦c火時開始計時，與噴火面相反的板面出現(xiàn)黑?。ㄌ亢冢┍硎驹嚰褵?，此時停止計時。試驗中，使用紅外測溫儀每隔20 s時測試燃燒處面的溫度。由于板材厚度略有差異，測得的耐火時長應結合厚度比例折算成實際時長。

圖6 耐火試驗測試Fig.6 Fire resistance test

3 結果與分析

三種復合膠合板的性能測試結果如表4所示。

表4 復合膠合板物理力學測試結果Tab.4 Physical and mechanical test results of composite plywood

由表4可知，復合膠合板的靜曲強度和彈性模量測試結果均達到GB/T 9846—2015《普通膠合板》[25]的要求，即對于12 mm厚膠合板，規(guī)定靜曲強度≥28 MPa，彈性模量≥5 000 MPa。

表面膠合強度主要衡量復合膠合板的飾面材料和基材的膠合質量。S1結構板的靜曲強度值最大，其結構僅由芯板層、MDF找平層和HPL防火層構成，雙層膠層相較于單層表現(xiàn)出更優(yōu)異的膠合質量。由于軟木板來源于葡萄牙栓皮櫟的樹皮，經(jīng)過打碎自粘形成，其具有耐火保溫性能，但本身相比木材較為松軟。S2結構板由于加入了軟木板，飾面層膠合強度相對較低，結果略低于標準值。

三種復合膠合板均達到了表面耐磨和表面耐龜裂要求，且每100轉的磨損量相似。這是因為，這三種復合膠合板均采用了HPL防火板作為防火層，極大增加了板材的表面耐磨與耐龜裂性能。

對于耐火極限的測試結果，普通膠合板燒穿時間僅為321 s，而S1，S2和S3結構板的耐火時長均遠超過普通膠合板。其中，S1結構板和S3結構板效果最好，時長分別約為普通膠合板的1.75倍和1.94倍。由于找平層MDF助燃的作用，S3結構板的時長略微大于S1結構板。然而，綜合板材表面平整度、表面膠合強度和耐火性能三方面要求，S1結構板則具有更大優(yōu)勢。S2結構板的耐火性能處于普通膠合板和S1結構板、S3結構板之間。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，軟木板在厚度較薄時，空隙明顯，其無法產(chǎn)生耐火性能，空腔中的空氣反而起到了極大的助燃效果，降低了HPL防火板的性能。

圖7和圖8為測試試件耐火極限時的時間溫度曲線。對于普通膠合板，試件在100 s前的背面中心位置的溫度并無顯著變化，之后試件溫度均勻增加，直至試件背面出現(xiàn)碳化變黑時停止。三種復合膠合板結構在160 s前的背面溫度均沒有顯著變化，但之后S2結構板的溫度遞升較為顯著。這是因為此時S2結構板防火層的HPL已被燒穿，火焰已進一步灼燒軟木板。因薄軟木板的空腔空氣起到了一定的助燃作用，反而加快了試件的溫度升高速度。對于S1結構板，因火焰進一步灼燒薄MDF，也起到了一定的助燃作用，加速其溫度的升高。由時間溫度曲線圖得知，S2結構板所對應的曲線更為陡峭，S1結構板次之，而S3結構板因為不具有起到一定助燃效果的中間層，其溫度升高的速率最為緩慢。顯然，S1和S3結構板均有更加穩(wěn)定的升溫速率，能為火災逃生提供更多的時間。其中，S3結構板的防火性能最佳。

圖7 耐火試驗時間-溫度曲線（第一組）Fig.7 Time-temperature curve in fire resistance test (group 1)

圖8 耐火試驗時間-溫度曲線（第二組）Fig.8 Time-temperature curve in fire resistance test (group 2)

為滿足市場需求，進一步對標準尺寸為2 440 mm×1 220 mm的三種復合結構膠合板進行成本經(jīng)濟分析。1 mm厚HPL防火板采購單價為70元，1 mm厚MDF單價為70元，2 mm軟木板單價為60元，單組分聚氨酯膠黏劑價格為58元/kg。相較于普通膠合板，每塊S1、S2和S3結構板的成本分別增加約370、530元和180元，而普通膠合板每塊單價為120元。就成本而言，S3的附加成本投入最低，其次是S1，而S2的成本投入較高。

4 結論

本研究介紹了三種復合膠合板的結構設計和生產(chǎn)工藝，并依據(jù)國家標準對其物理力學性能和耐火性能進行了測試，以評價三種結構在防火、耐磨和表面平整性方面的優(yōu)缺點。結果表明：三種復合結構膠合板的物理力學性能滿足標準要求，其耐火性能遠優(yōu)于普通膠合板要求。其中，S1 結構板的整體物理力學性能最為優(yōu)異。S3 結構板的防火性能最好，且增加的生產(chǎn)成本最低。該板在耐火試驗中的溫度隨時間變化緩慢，但表面平整性和表面膠合強度較弱于S1 結構板。S2結構板中加入的薄軟木板并未起到很好的防火效果，反而使軟木板空腔內的空氣起到一定助燃效果，抑制了HPL的防火性，且成本最高。

綜上，在普通膠合板上，利用單組份聚氨酯膠黏劑膠合HPL防火板可極大地提高本復合結構膠合板的防火性、防水性和耐磨性，并符合飾面平整度要求。其中，S3 結構板的綜合性能較優(yōu)，且成本增加較少，具有較高的應用價值和較好的市場前景。