聚乙烯樹(shù)脂制備鋁箔覆面膠合板

劉曉輝

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院、福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350012)

鋁箔覆面膠合板是以普通膠合板為基材，鋁箔為覆面材料制作的一種鋁木復(fù)合板材，鋁箔覆面膠合板保留了木質(zhì)膠合板的主要特性，因表面覆蓋的鋁箔可以隔絕水氣，且鋁箔材料不可燃，使其具有較好的防潮防腐性能和一定的阻燃性能[1]，可用于公共場(chǎng)所、地下室等室內(nèi)裝修工程中對(duì)防潮、防火有要求的場(chǎng)合。目前用于鋁材和木材黏結(jié)的膠黏劑主要有：①溶劑型類(lèi)，包括酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)等；②熱熔膠類(lèi)，如乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)型、聚酰胺類(lèi)、聚酯類(lèi)以及聚氨酯類(lèi)等[2]。聚乙烯樹(shù)脂是一種無(wú)毒、無(wú)味的熱塑性樹(shù)脂，其與金屬具有很好的相容性，能與金屬形成較強(qiáng)的黏結(jié)；普通的聚乙烯樹(shù)脂與木單板相容性一般，但經(jīng)接枝改性[3]，或在木單板上軋孔[4]，能明顯地增加與木單板的黏結(jié)強(qiáng)度，該技術(shù)已應(yīng)用于熱塑性樹(shù)脂膠合板的生產(chǎn)[5]；相比于上述常用的鋁木膠黏劑，聚乙烯樹(shù)脂具有環(huán)保(無(wú)甲醛、無(wú)溶劑揮發(fā))、易于儲(chǔ)存、保質(zhì)期長(zhǎng)、以及用量少等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)此本文將聚乙烯樹(shù)脂薄膜作為膠黏劑用于鋁箔覆面膠合板制備，研究熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力、基材含水率及樹(shù)脂用量等主要工藝參數(shù)對(duì)鋁箔與基材黏結(jié)性能的影響，以期為聚乙烯樹(shù)脂作為膠黏劑在鋁箔覆面人造板上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋁箔：市購(gòu)，厚度0.08 mm；聚乙烯樹(shù)脂薄膜：厚度0.04 mm，面密度：38.8 g·m-2，軟化點(diǎn)約125 ℃，經(jīng)接枝改性處理，由福州翰揚(yáng)環(huán)?？萍加邢薰局谱?；膠合板基材：尺寸：400 mm×400 mm，厚度9 mm，由福建清芯木業(yè)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

KS/100H熱壓機(jī)(東莞市科盛實(shí)業(yè)有限公司)；ASG-X 10KN材料試驗(yàn)機(jī)(島津)；DHG-9070A恒溫烘箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；TM902C測(cè)溫儀(K型感溫探頭)。

1.3 鋁箔覆面膠合板制備工藝

鋁箔覆面可采取2種制作工藝，一種是采用先熱壓后冷壓工藝，即先通過(guò)熱壓將聚乙烯樹(shù)脂加熱至熔融狀態(tài)，然后在一定壓力下使熔融樹(shù)脂冷卻固化將鋁箔和膠合板基材黏結(jié)在一起，該工藝對(duì)膠合板基材含水率要求低，鋁箔膠接性能穩(wěn)定，不易出現(xiàn)鼓泡、分層等缺陷，但需使用可冷熱循環(huán)的壓機(jī)，能耗高、效率低；另一種是采用一次熱壓工藝，即先通過(guò)熱壓將聚乙烯樹(shù)脂加熱至熔融狀態(tài)，熱壓結(jié)束后，熔融樹(shù)脂在無(wú)壓力下自然冷卻固化將鋁箔和膠合板基材黏結(jié)在一起，該工藝使用現(xiàn)有的飾面熱壓機(jī)即可進(jìn)行生產(chǎn)制作，便于推廣應(yīng)用，因此本文采用一次熱壓工藝，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 鋁箔覆面膠合板工藝流程

1.4 樹(shù)脂層溫度測(cè)定

在組坯時(shí)，將K型感溫探頭固定在聚乙烯薄膜與膠合板基材之間并與測(cè)溫儀相連，通過(guò)測(cè)溫儀獲得溫度數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)溫組坯斷面示意圖

1.5 不同含水率膠合板基材的制備

將膠合板基材完全浸泡在水中一段時(shí)間，獲得較高含水率的膠合板基材，放置在通風(fēng)環(huán)境中晾干至表面無(wú)明顯的潮濕感，然后將其放入塑料袋中密封保存；試驗(yàn)時(shí)將膠合板取出，放入溫度為80 ℃的烘箱中，通過(guò)控制膠合板在烘箱中的干燥時(shí)間，來(lái)獲得一組不同含水率梯度的膠合板基材；試驗(yàn)時(shí)，截取部分基材測(cè)量實(shí)際含水率。

1.6 性能測(cè)定

通過(guò)鋁箔耐剝離力評(píng)定鋁箔與膠合板基材黏結(jié)性能，檢測(cè)方法依據(jù)GB/T 17657—2013人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[6]中“耐剝離力測(cè)定”的規(guī)定，試件數(shù)6個(gè)，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱壓溫度

固定參數(shù)為：熱壓壓力0.6 MPa，單層聚乙烯薄膜；同批次膠合板基材，含水率約12%。熱壓機(jī)熱壓溫度與試驗(yàn)設(shè)定溫度相同，當(dāng)測(cè)溫探頭測(cè)得的聚乙烯樹(shù)脂膠層溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)結(jié)束試驗(yàn)；不同熱壓溫度對(duì)鋁箔耐剝離力的影響見(jiàn)圖3。

圖3 熱壓溫度對(duì)鋁箔耐剝離力的影響

從圖3可知，當(dāng)熱壓溫度在125～140 ℃時(shí)，隨著熱壓溫度的升高，鋁箔剝離力明顯提高；當(dāng)熱壓溫度繼續(xù)升高至140 ℃以上，鋁箔耐剝離力提高趨于平緩；溫度升至155 ℃時(shí)，耐剝離力有下降趨勢(shì)。根據(jù)上述現(xiàn)象分析，當(dāng)熱壓溫度較低時(shí)，如125 ℃時(shí)，溫度剛達(dá)到聚乙烯樹(shù)脂的軟化點(diǎn)，此時(shí)熔融樹(shù)脂的黏度較大，流動(dòng)性和滲透性都較差，不能很好地與鋁箔、木單板形成充分接觸，因此耐剝離力較低；隨著溫度提高，聚乙烯樹(shù)脂黏度也逐漸降低，流動(dòng)和滲透性增加，所以鋁箔剝離力明顯增大；當(dāng)熱壓溫度到達(dá)140 ℃以后，熔融的聚乙烯樹(shù)脂在所設(shè)定的熱壓壓力下，已經(jīng)可以充分流平和滲透，此時(shí)鋁箔耐剝離力達(dá)到高值，再繼續(xù)提高熱壓溫度，數(shù)值增加不明顯；當(dāng)熱壓溫度達(dá)到155 ℃后，由于溫度較高時(shí)，熔融的聚乙烯樹(shù)脂需要一定的時(shí)間才能降溫至軟化點(diǎn)下，且由于高溫熔融樹(shù)脂的黏度小，鋁箔與膠合板基材之間的黏結(jié)并不牢固，此時(shí)受到鋁箔、基材2種材料遇冷收縮不一致、以及內(nèi)部水蒸氣外排等因素的影響就會(huì)破壞原有的結(jié)合狀態(tài)，導(dǎo)致鋁箔耐剝離力下降甚至出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象，溫度越高，需要更長(zhǎng)的時(shí)間冷卻到樹(shù)脂軟化點(diǎn)之下，受外力影響的幾率也越大。因此，采用聚乙烯樹(shù)脂等熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，有個(gè)較佳的熱壓溫度，在此溫度下，熔融樹(shù)脂可以與鋁箔及基材充分接觸，并具有一定的黏結(jié)力將鋁箔和基材結(jié)合在一起；當(dāng)停止熱壓后，又能在較短的時(shí)間內(nèi)冷卻至軟化點(diǎn)之下。在本文條件下，較佳的熱壓溫度為140 ℃左右，高于樹(shù)脂軟化點(diǎn)15 ℃左右。

2.2 熱壓壓力

固定參數(shù)為：?jiǎn)螌泳垡蚁┍∧?，膠合板基材含水率約12%，當(dāng)聚乙烯膜層溫度達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)結(jié)束。設(shè)置140 ℃(較佳熱壓溫度)和125 ℃(樹(shù)脂軟化點(diǎn)溫度)2種熱壓溫度，采用不同熱壓壓力時(shí)的鋁箔耐剝離力，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可知，當(dāng)熱壓溫度為140 ℃時(shí)，熱壓壓力對(duì)耐剝離力的影響較小，在較小的熱壓壓力下，鋁箔耐剝離力已可達(dá)到較高值；繼續(xù)提高熱壓壓力，耐剝離力增加不明顯。當(dāng)熱壓溫度為125 ℃時(shí)，當(dāng)熱壓壓力較小時(shí)，則鋁箔耐剝離力也較低；提高熱壓壓力，可以明顯提高鋁箔的耐剝離力。這是因?yàn)闊釅簻囟鹊蜁r(shí)，熔融的聚乙烯樹(shù)脂黏度大，流動(dòng)性較差，則需要較大的壓力，才能使熔融樹(shù)脂流平與鋁箔和基材形成較好的接觸；而熱壓溫度較高時(shí)，熔融狀態(tài)聚乙烯樹(shù)脂的黏度較低，流動(dòng)性好，無(wú)需太大的壓力即可使熔融樹(shù)脂流平。因此采用熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，熱壓壓力與熱壓溫度有關(guān)，熱壓溫度較低時(shí)，則需提高壓力，才能保證一定的耐剝離性能；熱壓溫度越高，所需熱壓壓力越小。本試驗(yàn)條件下，當(dāng)熱壓溫度為140 ℃時(shí)，熱壓壓力設(shè)置在0.6 MPa左右，即可獲得較高的鋁箔耐剝離力。

圖4 熱壓壓力對(duì)耐剝離力的影響

2.3 熱壓時(shí)間

采用熱塑性聚乙烯樹(shù)脂進(jìn)行鋁箔覆面的機(jī)理是將聚乙烯樹(shù)脂加熱至熔融狀態(tài)，在一定壓力下使其與鋁箔和基材形成接觸，冷卻固化后將鋁箔和基材黏合在一起；相比于溶劑型膠黏劑，無(wú)需考慮固化時(shí)間或溶劑揮發(fā)時(shí)間，所需熱壓時(shí)間是根據(jù)聚乙烯樹(shù)脂加熱至終點(diǎn)溫度所需時(shí)間來(lái)確定的，其與聚乙烯樹(shù)脂層的升溫速率有關(guān)。據(jù)研究[7]采用聚乙烯樹(shù)脂作為膠黏劑制作膠合板時(shí)，熱壓溫度和板坯含水率對(duì)樹(shù)脂膠層的升溫速率影響顯著。因此，本文在固定參數(shù)為：熱壓壓力0.6 MPa條件下，研究單層聚乙烯薄膜在不同熱壓溫度下，聚乙烯樹(shù)脂層溫度變化與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖5；以及熱壓溫度為140 ℃下，使用不同的含水率基材，聚乙烯樹(shù)脂層升溫至樹(shù)脂軟化點(diǎn)125 ℃所需時(shí)間見(jiàn)圖6。

圖5 不同熱壓溫度下樹(shù)脂層溫度變化與時(shí)間的關(guān)系

圖6 不同含水率基材樹(shù)脂層達(dá)到125 ℃所用時(shí)間

根據(jù)圖5可知，熱壓溫度越高，達(dá)到終點(diǎn)溫度所需的時(shí)間明顯減少。聚乙烯樹(shù)脂層溫度從室溫升至125 ℃所需的時(shí)間，當(dāng)熱壓溫度為130 ℃時(shí)，用時(shí)約32 s；熱壓溫度為140 ℃時(shí)，用時(shí)約15 s；熱壓溫度為150 ℃時(shí)，用時(shí)僅8 s左右。因此，在制作中采用較高的熱壓溫度，可快速達(dá)到設(shè)定溫度，有利于提高生產(chǎn)效率；從相對(duì)用時(shí)上看，由于鋁箔優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，聚乙烯樹(shù)脂層溫度上升迅速，即使是試驗(yàn)中熱壓溫度較低的130 ℃，其用時(shí)也只有32 s，所需熱壓時(shí)間較短。

從圖6可知，隨著基材含水率增大，升溫用時(shí)增加，但所增加的時(shí)間與基材含水率增加的幅度相比并不明顯。當(dāng)基材含水率為3.2%時(shí)，用時(shí)13 s；含水率為18.2%時(shí)，用時(shí)20 s左右；即使是基材含水率大幅度增加到43.2%時(shí)，也僅用時(shí)37 s。這可能是鋁箔覆面時(shí)聚乙烯樹(shù)脂層的升溫主要受到膠合板基材表層水分的影響，而基材中的大部分水分沒(méi)有直接影響到表層。從圖4的升溫曲線(xiàn)也可以看出，在各熱壓溫度下，樹(shù)脂層溫度達(dá)到100 ℃時(shí)是繼續(xù)升溫的，沒(méi)有明顯的因水分氣化而形成的恒溫階段。說(shuō)明基材表層水分對(duì)升溫影響較小，與熱壓溫度的影響類(lèi)似。由于升溫迅速用時(shí)短，導(dǎo)致從絕對(duì)用時(shí)上看差別不大。因此，可以認(rèn)為基材的含水率對(duì)熱壓時(shí)間的影響并不明顯。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，利用聚乙烯樹(shù)脂進(jìn)行鋁材覆面所需的熱壓時(shí)間較少，在不同熱壓溫度、基材含水率下，都不超過(guò)1 min。遠(yuǎn)低于使用傳統(tǒng)的溶劑型膠黏劑環(huán)氧樹(shù)脂[8]、PVAc改性酚醛樹(shù)脂[8]制作鋁箔覆面人造板所需的熱壓時(shí)間(9～15 min)。

2.4 基材含水率

使用相同工藝條件，熱壓溫度140 ℃，熱壓時(shí)間1 min，熱壓壓力0.6 MPa，單層聚乙烯薄膜，在預(yù)先制備出的不同含水率膠合板基材上進(jìn)行鋁箔覆面，制作出的試樣的鋁箔耐剝離強(qiáng)度見(jiàn)圖7。

圖7 基材含水率對(duì)鋁箔耐剝離力的影響

從圖7可知，基材含水率對(duì)鋁箔耐剝離力影響顯著，隨著基材含水率的提高，鋁箔剝離力降低明顯。從試驗(yàn)過(guò)程上看，當(dāng)基材含水率為12.8%時(shí)，制作的試樣就開(kāi)始出現(xiàn)局部鼓泡現(xiàn)象；含水率繼續(xù)增大，鼓泡的數(shù)量和面積也明顯增加。根據(jù)上述結(jié)果和現(xiàn)象分析，其原因可能是由于熱壓停止時(shí)，熱塑性的聚乙烯樹(shù)脂還處于熔融狀態(tài)，與其它熱固性膠黏劑會(huì)形成牢固膠聯(lián)不同，此時(shí)鋁箔與膠合板基材之間的黏結(jié)力較小，受到少量的水蒸氣沖擊就會(huì)破壞原有的結(jié)合狀態(tài)，導(dǎo)致鋁箔耐剝離力下降；當(dāng)水蒸氣外泄沖擊力超過(guò)鋁箔與基材的黏結(jié)力時(shí)就出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。因此，使用聚乙烯樹(shù)脂進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，基材含水率需控制到較低值；或者在熱壓工藝上采取多段熱壓工藝，通過(guò)分段降壓盡可能將水氣預(yù)先排出。根據(jù)圖7，當(dāng)膠合板基材含水率低于8.9%以后，鋁箔耐剝離力可以達(dá)到相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.5 聚乙烯樹(shù)脂用量

單層聚乙烯樹(shù)脂薄膜面密度為38.8 g·m-2，進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，分別鋪裝1層、2層、3層聚乙烯樹(shù)脂薄膜，則聚乙烯樹(shù)脂用量分別為38.8、77.6、116.4 g·m-2，在熱壓溫度140 ℃，熱壓時(shí)間1 min，熱壓壓力0.6 MPa，聚乙烯樹(shù)脂用量與耐剝離力關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖8 聚乙烯樹(shù)脂用量與耐剝離力的關(guān)系

從圖8可知，在試驗(yàn)條件下，鋁箔耐剝離力隨著聚乙烯樹(shù)脂用量的增加而增大，說(shuō)明使用單層厚度為0.04 mm的聚乙烯樹(shù)脂薄膜，其用量屬于相對(duì)較少；增加樹(shù)脂用量后，較多的樹(shù)脂有利于在鋁箔表面形成連續(xù)、無(wú)空隙的樹(shù)脂層，同時(shí)有利于增加樹(shù)脂滲透到木單板的深度和形成膠釘?shù)哪芰Γ沟娩X箔與木材單板間的交聯(lián)性能明顯提高。與樹(shù)脂用量為38.8 g·m-2時(shí)的鋁箔耐剝離力相比，樹(shù)脂用量為77.6 g·m-2時(shí)，鋁箔耐剝離力提高了近50%；樹(shù)脂用量為116.4 g·m-2時(shí)，鋁箔耐剝離力提高近80%。但樹(shù)脂用量增加也增加了成本，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)性能要求，確定樹(shù)脂的用量，再制作相應(yīng)厚度的聚乙烯樹(shù)脂薄膜，使得性?xún)r(jià)比最高，根據(jù)LY/T 1279—2008聚氯乙烯薄膜飾面人造板[9]規(guī)定的耐剝離力最小值≥40 N、平均值≥45 N的要求，聚乙烯樹(shù)脂用量為77.6 g·m-2時(shí)，性能已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求；聚乙烯樹(shù)脂用量為38.8 g·m-2時(shí)，已基本接近標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，從性?xún)r(jià)比上考慮，本文選擇樹(shù)脂用量為38.8 g·m-2。

2.6 較佳工藝參數(shù)驗(yàn)證

根據(jù)上述各主要工藝參數(shù)研究的結(jié)果，確定較佳的工藝條件為：熱壓溫度140 ℃，熱壓時(shí)間1 min，熱壓壓力0.6 MPa，樹(shù)脂用量38.8 g·m-2(使用單層聚乙烯樹(shù)脂薄膜)，基材烘干至含水率8%左右。采用此工藝條件制備鋁箔貼面膠合板，經(jīng)檢測(cè)，制備的鋁箔貼面膠合板的表面膠合強(qiáng)度平均值1.18 MPa，達(dá)到LY/T 1983—2011銅箔、鋁箔飾面人造板[10]所規(guī)定的表面膠合強(qiáng)度≥1.0 MPa的要求；表面耐剝離力最小值41 N，平均值48 N，達(dá)到LY/T 1279—2008聚氯乙烯薄膜飾面人造板[9]所規(guī)定的耐剝離力最小值≥40 N、平均值≥45 N的要求。驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明通過(guò)本試驗(yàn)確定的較佳工藝，鋁箔與膠合板基材間的黏結(jié)強(qiáng)度即可滿(mǎn)足相關(guān)要求。

3 結(jié)論與討論

1)使用聚乙烯樹(shù)脂作為膠黏劑進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，在工藝參數(shù)為：熱壓溫度140 ℃，熱壓時(shí)間1 min，熱壓壓力0.6MPa，樹(shù)脂用量38.8 g·m-2時(shí)，鋁箔與膠合板基材間的黏結(jié)強(qiáng)度可以滿(mǎn)足相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量要求。

2)使用聚乙烯樹(shù)脂作為膠黏劑進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，聚乙烯樹(shù)脂用量為38.8 g·m-2；而使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，其用量為490～630 g·m-2[11]；使用酚醛樹(shù)脂和聚乙酸乙烯酯混合乳液時(shí)，其用量為200 g·m-2[12]。目前聚乙烯樹(shù)脂的單價(jià)低于環(huán)氧樹(shù)脂、聚乙酸乙烯酯，略高于酚醛樹(shù)脂，由于聚乙烯樹(shù)脂用量較少，實(shí)際用膠成本低于酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等溶劑型膠黏劑；且所需的熱壓時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，聚乙烯樹(shù)脂作為鋁箔覆面用膠黏劑具有較好的成本優(yōu)勢(shì)。

3)使用熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行鋁箔覆面時(shí)，鋁箔與基材的膠接質(zhì)量受基材含水率的影響較大，基材含水率較大時(shí)會(huì)明顯降低鋁箔與基材的膠黏強(qiáng)度，易出現(xiàn)鼓泡和皺褶現(xiàn)象，因此在制作過(guò)程中，需注意基材含水率的控制，或在生產(chǎn)工藝上采取相關(guān)措施，降低熱壓結(jié)束時(shí)水蒸氣的影響。