不同熱壓條件下的中溫酚醛樹脂竹膠合板力學(xué)性能比較

劉凱能，韓 健

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

不同熱壓條件下的中溫酚醛樹脂竹膠合板力學(xué)性能比較

劉凱能，韓 健

（中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

對(duì)不同熱壓工藝條件下，以中溫固化酚醛樹脂為膠黏劑，采用“熱進(jìn)熱出”和“冷進(jìn)冷出”熱壓工藝壓制的竹膠合板的主要力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)和比較。研究結(jié)果表明，中溫固化型酚醛樹脂應(yīng)用于竹膠合板生產(chǎn)是可行的，產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、保留強(qiáng)度等力學(xué)性能均達(dá)到或超過了國家建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GJ/T 165-2004）的指標(biāo)，且采用“冷進(jìn)冷出”工藝比“熱進(jìn)熱出”工藝具有更好的效果。經(jīng)比較，確定中溫固化酚醛樹脂竹膠合板的最佳熱壓工藝條件為：熱壓溫度110℃、熱壓時(shí)間70 s/mm、單位壓力3.5 MPa。

中溫固化酚醛樹脂；熱壓工藝；竹膠合板；力學(xué)性能

酚醛樹脂(PF)膠粘劑是室外和結(jié)構(gòu)用人造板的常用膠粘劑。但是酚醛樹脂膠粘劑固化溫度高、固化速度慢使其應(yīng)用受到一定限制，對(duì)此科研工作者進(jìn)行了大量研究[1-3]。采用高反應(yīng)活性物質(zhì)與酚醛樹脂共聚合，是一條提高樹脂固化速度，降低固化溫度的有效途徑[4-6]。目前竹膠合板生產(chǎn)使用的膠黏劑是固化溫度為140～150℃的普通酚醛樹脂（高溫固化型），采用的熱壓工藝是“冷進(jìn)冷出”工藝。采用普通高溫酚醛樹脂和“冷進(jìn)冷出”工藝，會(huì)導(dǎo)致竹膠合板生產(chǎn)熱壓周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，耗水、耗熱量大、生產(chǎn)成本高。為此經(jīng)過多年努力，我們成功研制了一種可在110℃左右快速固化的中溫固化型酚醛樹脂。本文旨在通過以中溫固化型和高溫固化型酚醛樹脂為膠黏劑，以“熱進(jìn)熱出”和“冷進(jìn)冷出”為熱壓工藝，對(duì)生產(chǎn)的竹膠合板的主要力學(xué)性能進(jìn)行比較，從而對(duì)中溫固化型酚醛樹脂在竹膠合板生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

苯酚（C6H5OH）：含量98%，分析純，成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)；

甲醛（HCHO）：含量37～40%，分析純，重慶川東化工有限公司生產(chǎn)；

中溫酚醛樹脂：實(shí)驗(yàn)室自制，主要技術(shù)指標(biāo)：固體含量44.85%，游離酚含量0.63%，游離醛含量0.17%，粘度325 Pa. s（25℃），pH值9.2；

竹簾竹席：竹種為毛竹Phyllostachys pubescens，產(chǎn)自湖南益陽，幅面規(guī)格為400 mm×400 mm。

1.2 主要儀器設(shè)備

BY602×2/2 型微機(jī)控制萬能實(shí)驗(yàn)壓機(jī)、MWD-50型微機(jī)控制萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)、101-3 型電熱恒溫控制箱、ST-85 型數(shù)字式木材測(cè)濕儀、電子分析天平（感量0.1 mg）、涂-4杯粘度計(jì)、游標(biāo)卡尺等。

1.3 試驗(yàn)方法

(1)竹席竹簾干燥。將竹席竹簾置于DHG-9203C型干燥箱中,干燥溫度為120±3℃，干燥后竹席、竹簾含水率為8%～12%。

(2)浸膠。將經(jīng)干燥的竹簾竹席浸入固體含量為25%的酚醛樹脂膠黏劑中1 min，取出后置于101-3 型電熱恒溫控制箱中，在80～85℃條件下干燥到含水率10%～13%。

(3)組坯。板坯結(jié)構(gòu)如圖1所示，竹席為表層材料，竹簾為芯層材料，相鄰層竹簾的纖維方向相互垂直，竹簾共7層，并在上下竹席表面各配置1層浸漬紙[7]。

圖1 竹膠合板結(jié)構(gòu)Fig. 1 Bamboo plywood structure

(4)熱壓工藝

為便于比較，熱壓采用“冷進(jìn)冷出”和“熱進(jìn)熱出”2種工藝，熱壓工藝參數(shù)見表1，熱壓曲線如圖2所示。

圖2 熱壓曲線Fig.2 Hot-pressing curve

表1 熱壓參數(shù)Table 1 Hot-pressing parameters

在4組熱壓工藝參數(shù)中，對(duì)應(yīng)每組熱壓參數(shù)分別壓制3塊竹膠合板，取3塊板力學(xué)性能的平均值作為該組參數(shù)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品的力學(xué)性能。

(5)產(chǎn)品性能檢測(cè)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和產(chǎn)品使用情況，主要檢測(cè)產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度、彈性模量和保留強(qiáng)度[8]。檢測(cè)方法按建設(shè)部建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GJ/T 165-2004）執(zhí)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同熱壓工藝與產(chǎn)品靜曲強(qiáng)度和彈性模量的關(guān)系

不同熱壓條件下“冷進(jìn)冷出”和“熱進(jìn)熱出”工藝生產(chǎn)的竹膠合板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量如圖2和圖3所示，圖例中“R”表示“熱進(jìn)熱出” 、“L”表示“冷進(jìn)冷出” 工藝。

圖3 產(chǎn)品靜曲強(qiáng)度與溫度-時(shí)間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between bending strength and temperature-time

圖4 產(chǎn)品彈性模量與溫度-時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between elasticity modulus and temperature-time

從圖3、圖4可以看出：(1)采用兩種不同的熱壓工藝時(shí)，產(chǎn)品靜曲強(qiáng)度總體上都隨熱壓溫度升高和熱壓時(shí)間延長(zhǎng)而增加，其中采用“冷進(jìn)冷出”工藝的產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度略高于采用“熱進(jìn)熱出”工藝的產(chǎn)品。(2)在相同的溫度條件下，隨熱壓時(shí)間延長(zhǎng)，靜曲強(qiáng)度有所增加。(3)在相同的熱壓時(shí)間內(nèi)，隨熱壓溫度升高靜曲強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)。說明在選定的參數(shù)條件下，升高熱壓溫度和增加熱壓時(shí)間有利于這種酚醛樹脂的固化。選用第四組(編號(hào)Ⅳ)的熱壓參數(shù)時(shí)，壓制的竹膠合板靜曲強(qiáng)度達(dá)到了國家建設(shè)部竹膠合板模板優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（GJ/T 165-2004）。

與產(chǎn)品靜曲強(qiáng)度的變化規(guī)律相似，采用兩種不同的熱壓工藝時(shí)，產(chǎn)品的彈性模量總體上也隨熱壓溫度升高和熱壓時(shí)間延長(zhǎng)而增加，但采用“冷進(jìn)冷出”工藝比采用“熱進(jìn)熱出”工藝的產(chǎn)品的彈性模量略高。從增長(zhǎng)的幅度看，熱壓溫度比熱壓時(shí)間對(duì)彈性模量的影響更明一些。在第三組(編號(hào)Ⅲ)工藝條件下，產(chǎn)品的縱向和橫向彈性模量都達(dá)到最大值，表明在此工藝條件下可獲得理想的彈性模量。

2.2 不同熱壓工藝與產(chǎn)品保留強(qiáng)度及保留彈性模量的關(guān)系

在不同的工藝條件下，按“冷進(jìn)冷出”和“熱進(jìn)熱出”工藝壓制的竹膠合板的保留靜曲強(qiáng)度和保留彈性模量與熱壓工藝參數(shù)之間的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 產(chǎn)品保留強(qiáng)度與溫度-時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between retained bending strength and temperature-time

圖6 產(chǎn)品保留彈性模量與溫度-時(shí)間的關(guān)系Fig. 6 Relationship between retained modulus and elasticity temperature-time

從圖5、圖6可見，不論采用“冷進(jìn)冷出”工藝還是采用“熱進(jìn)熱出”工藝，對(duì)應(yīng)四組不同的熱壓工藝參數(shù)，產(chǎn)品的保留靜曲強(qiáng)度均達(dá)到或超過了建設(shè)部的部頒標(biāo)準(zhǔn)（GJ/T 165-2004）優(yōu)等品的指標(biāo)，表明研制的中溫固化型酚醛樹脂在105～110℃條件，可實(shí)現(xiàn)快速固化，使產(chǎn)品獲得良好的保留強(qiáng)度（建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)保留彈性模量提出要求，檢測(cè)結(jié)果僅作參考）。同時(shí)，由檢測(cè)結(jié)果也可看到，在相同的熱壓條件下，采用“冷進(jìn)冷出”工藝時(shí)，產(chǎn)品的保留靜曲強(qiáng)度和保留彈性模量都略高于采用“熱進(jìn)熱出”工藝的產(chǎn)品，其原因可能是由于“冷進(jìn)冷出”工藝進(jìn)板較早，熱壓板在升溫過程對(duì)板坯有一定的預(yù)熱作用，相對(duì)于“熱進(jìn)熱出”工藝延長(zhǎng)了加熱時(shí)間，特別是當(dāng)熱壓溫度較低時(shí)，對(duì)樹脂的固化影響比較明顯。當(dāng)升高熱壓溫度、延長(zhǎng)熱壓時(shí)間后，升溫階段的預(yù)熱作用對(duì)樹脂固化的影響相對(duì)減小，在第四組（編號(hào)Ⅳ）工藝條件下，兩種工藝壓制的板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量已很接近。此外，“冷進(jìn)冷出”工藝在降溫過程中，板的內(nèi)應(yīng)力大部分得到釋放，板內(nèi)殘余應(yīng)力減小，板的力學(xué)性能相對(duì)較高。通過對(duì)4組不同熱壓工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的保留靜曲強(qiáng)度和保留彈性模量的比較，選用第3組（編號(hào)Ⅲ）工藝條件作為實(shí)際生產(chǎn)的熱壓工藝參數(shù)是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.3 二種酚醛樹脂竹膠合板性能比較

采用第三組熱壓參數(shù)（編號(hào)Ⅲ）壓制的中溫酚醛樹脂竹膠合板與普通（高溫）酚醛樹脂竹膠合板的力學(xué)性能如表2所示。由表2可見，不論采用“冷進(jìn)冷出”或“熱進(jìn)熱出”工藝，中溫酚醛樹脂竹膠合板與普通酚醛樹脂竹膠合板相比較，前者的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、保留強(qiáng)度和保留彈性模量都高于后者，表明在中溫條件下（110℃左右）中溫酚醛樹脂能完全固化，產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能，而普通酚醛樹脂不能完全固化，其產(chǎn)品力學(xué)性能不高。

表2 中溫酚醛樹脂與高溫酚醛樹脂竹膠合板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of intermediate temperature phenolic resin and high temperature phenolic resin bamboo plywood MPa

3 結(jié) 論

綜上所述，可得到如下結(jié)論：

(1)中溫固化酚醛樹脂應(yīng)用于竹膠合板，可在110℃左右的溫度條件下快速固化。

(2)以中溫固化酚醛樹脂為膠黏劑壓制的竹膠合板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、保留強(qiáng)度等力學(xué)性能達(dá)到或超過了國家建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GJ/T 165-2004）的指標(biāo)。

(3)以中溫固化酚醛樹脂作為膠黏劑壓制竹膠合板時(shí)，采用“冷進(jìn)冷出”工藝比“熱進(jìn)熱出”工藝具有更好的力學(xué)性能。

(4)在竹膠合板實(shí)際生產(chǎn)中采用“冷進(jìn)冷出”工藝，熱壓溫度為110℃、單位壓力為3.5 MPa、熱壓時(shí)間為70 s/mm是合適的。

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Mechanical properties of intermediate temperature phenolic resin bamboo plywood under different hot-pressing conditions

LIU Kai-neng, HAN Jian
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ Under different conditions of hot-pressing process, with the intermediate temperature curing phenolic resin as the adhesive,the “heat into heat out”process and “cold into cold out” as hot-pressing processes, the main physical and mechanical properties of bamboo plywood were inspected and compared. The researching results show that it is feasible that intermediate temperature curing phenolic resin was used in plywood production, the mechanical properties such as bending strength, elastic modulus, retained strength,all met or exceeded the National Ministry of Construction Industry Standard (GJ/T 165-2004), and the “cold into cold out” process had better effects than the “hot into hot out”process. By comparison, the best hot-pressing conditions of intermediate temperature phenolic resin bamboo plywood is pressing temperature 110 ℃, pressing time 70 s/mm, unit pressure 3.5 MPa.

∶ intermediate temperature curing phenolic resin；hot-pressing process bamboo plywood；mechanical properties

S784； TS6

A

1673-923X(2012)06-0168-04

2012-01-17

中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

劉凱能（1988—），男，湖北天門人，碩士研究生，研究方向：木材才性及功能性改良；E-mail：lkn532@163.com通訊作者：韓 健（1954—），男，湖南懷化人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要木材加工和人造板生產(chǎn)工藝研究；

E-mail：hanjianwm@163.com

[本文編校：羅 列]