植物蛋白膠刨花板生產技術

李光榮，辜忠春，李軍章，杜業云

（湖北省林業科學研究院，湖北 武漢 430075）

植物蛋白膠刨花板生產技術

李光榮，辜忠春，李軍章，杜業云

（湖北省林業科學研究院，湖北 武漢 430075）

利用以植物蛋白為主要組分的生物質膠，生產在干燥狀態下使用的家具及室內裝修用刨花板。通過單因素試驗對拌膠的方式和參數等進行研究，通過正交試驗分析熱壓時間、熱壓溫度、熱壓壓力對刨花板物理力學性能的影響。結果表明：用臥式攪拌機在轉速200 r·min-1下攪拌膠5～8 min，熱壓工藝參數為：時間6 min，溫度180℃，壓力2.550 MPa，制備的板材密度為0.74 g·cm-3,靜曲強度為16.8 MPa，內結合強度為0.49 MPa，表面結合強度為1.01 MPa，2 h吸水厚度膨脹率為1.8%，甲醛釋放量為14.0 mg·kg-1，外觀質量、理化性能達到了GB/T 4897.1-2003和GB/T 4897.3-2003的要求，且甲醛釋放量來自于木刨花。該種刨花板新產品的制備工藝是可行的。表5參8

木材科學和技術；植物蛋白膠；刨花板；熱壓工藝參數；甲醛釋放量

刨花板作為人造板三大板材之一，主要應用于室內裝飾裝修、家具生產、飾面人造板生產等領域。目前，刨花板生產所使用的膠黏劑主要是含有游離甲醛的脲醛樹脂膠。游離甲醛釋放是一個緩慢而長期的過程。隨著人們對生活品質要求的提高，對室內空氣質量重視程度的增加，人們對脲醛膠刨花板在室內裝修中的應用頗為忌憚；另外，脲醛樹脂膠和其他兩大類人造板膠黏劑（酚醛樹脂膠、三聚氰胺樹脂膠）都是利用不可再生的化石資源作為原料。隨著不可再生資源的日益消耗和人類對化石資源依賴程度的增加，植物蛋白膠作為一種環保型、可再生的膠黏劑在70多年以后再次被人們提出，應用植物蛋白膠制備刨花板，以求解決脲醛樹脂膠人造板游離甲醛釋放的問題和三醛膠人造板石油資源日益匱乏的問題。本研究利用以植物蛋白膠為主要組分的生物質膠生產刨花板，對發展環保人造板具有重要現實意義。通過植物蛋白膠進行干燥狀態下使用的家具及室內裝修用刨花板研究，研究了工藝對刨花板物理力學性能的影響，制備出理化性能達到GB/T 4897.1-2003［1］和GB/T4897.3-2003［2］要求的刨花板。

1 材料及方法

1.1 材料

刨花：由湖北嘉聚寶森工有限責任公司提供的已干燥、分選好的刨花，刨花的木材主要是松木、柞木和楊木。粗刨花為可以通過3目篩網但不能通過12目篩網的刨花，作為芯層原料，細刨花為可以通過12目但不能通過32目篩網的刨花，作為表層原料，刨花趨于絕干狀態；植物蛋白膠：固含量為35%，加入25%的水后，黏度為1 525 Pa·s，由武漢市帝源黏合劑有限公司提供；防水劑∶自制石蠟乳液，m（石蠟）∶m（水）為2∶3。

1.2 設備

熱壓機（BY50×50/15），推臺鋸，萬能力學試驗機（WDW-100），恒溫水浴鍋（HH.S21-4），穿孔萃取儀，721分光光度計，自制臥式攪拌機1臺（轉速為200 r·min-1），自制鋼模具（410 mm×410 mm），304不銹鋼鋼板2塊（500 mm×510 mm×3 mm），手提式拌膠器等。

1.3 內容與方法

1.3.1 板材目標規格 板材制備的目標密度為0.72 g·cm-3，目標厚度為16 mm，板坯幅面尺寸410 mm×410 mm。表層刨花量∶芯層刨花量為2∶3。

1.3.2 拌膠 國內外刨花板生產中主要采用氣流式、壓力式和旋轉式施膠，拌膠的方法有環式單軸、環式雙軸和滾筒式，脲醛樹脂膠、酚醛樹脂膠等黏度小，流動性好的樹脂膠可以用此方式施膠和拌膠［3］。本研究中所使用的植物蛋白膠黏度大，流動性差。在實驗室內，筆者利用拌膠器將放置時間久的植物蛋白膠通過高速攪拌，攪勻，改善膠的流動性；再將刨花和植物蛋白膠放入攪拌機，用較高的速度攪拌，使膠黏劑均勻地分散到刨花的表面。經前期試驗，板材的施膠量控制在刨花量的30%為宜，由于芯層（粗）刨花與表層（細）刨花比表面不同，芯層刨花施膠量為粗刨花量的28%，表層刨花施膠量為細刨花量的33%。為了提高板材的防水性能，通過預實驗可知：加入刨花量的3%～6%的自制石蠟乳液均可。將稱量的植物蛋白膠與石蠟乳液混合，用拌膠器高速攪拌膠混合液，使之混勻。由于在熱壓過程中熱壓板溫度高，熱壓機閉合需要時間，導致與下加熱板接觸的板坯表層預固化嚴重。通過預試驗可知，在表層的膠液中加入表層刨花量的4.0%～8.6%的水，攪拌混勻，提高表層刨花施膠后的含水率，可以帶來3個方面的益處：①使得壓機在閉合前通過水分蒸發，減緩板坯表層的預固化程度；②可以加快熱量在板坯中傳導的速度，減少熱壓時間［4］；③適當增加水分可以改善該植物蛋白膠的流動性，增強膠黏劑的伸展性，使刨花之間結合更緊湊，提高板材的力學性能［5］。加入水的量為表層刨花量的8.6%。將攪拌好的表層膠液與表層刨花倒入攪拌機中，在200 r·min-1的轉速下攪拌6～8 min，攪勻后倒出密封備用；將攪拌好的芯層膠液與芯層刨花倒入攪拌機中，在200 r·min-1的轉速下攪拌5～7 min，攪勻后倒出密封備用。

1.3.3 鋪裝和預壓 將不銹鋼模具放在不銹鋼板上，稱量拌膠之后的細刨花，手工均勻鋪裝在不銹鋼模具內；將拌膠后的粗刨花均勻的鋪在細刨花之上，蓋上蓋子預壓，預壓的目的是將芯層刨花壓實，以免后續鋪裝的細刨花滲入芯層刨花中，影響板坯的結構，取出蓋子；將表層刨花均勻鋪在芯層刨花之上，后蓋上蓋子，用0.049 MPa力預壓。

1.3.4 熱壓 將預壓好的板坯四周放上厚度規，上方擱置不銹鋼板，一起放于熱壓機熱壓板上，快速閉合，進入熱壓階段。熱壓工藝參數按照正交試驗L9（34）設計試驗（表1），探討熱壓時間、熱壓溫度、熱壓壓力因素對板材理化性能的影響。當板材熱壓時間少于6 min或壓力小于2.550 MPa時，板材內部存在殘余應力，板材冷卻后回彈比較嚴重，物理力學性能達不到國家標準，而熱壓時間的延長和熱壓壓力的增加可以提高刨花之間的膠結力，平衡板內殘余應力。熱壓溫度過低，膠黏劑固化不充分，熱壓溫度過高，蛋白膠和木纖維發生降解，而影響板材的物理力學性能［6］。因此采取如表1所示的時間、溫度、壓力水平，每組試驗平行壓制3塊板。熱壓過程中，當壓力達到設定的p后，使之保持在（p-0.392MPa）～p的范圍內，不宜一直保持在設定的壓力p水平，板材壓力適當降低，會加快水分在板坯內的移動速度，加快熱的傳遞，同時，水分也會蒸發到空氣中一部分，避免最終突然卸壓，板坯內水分全部向外移動而產生板坯 “放炮”現象。

表1 正交試驗因素和水平Table1 Experimental factors and levels

1.3.5 性能測試與評價 最終壓制成的刨花板按照GB/T 4897.1-2003和GB/T 4897.3-2003的要求進行測試，評價指標按照該標準要求執行。

2 結果與討論

2.1 最佳熱壓工藝參數的研究

按照1.3所述的方法壓制的板材，芯層石蠟乳液加入量為刨花量的4.6%，表層石蠟乳液加入量為刨花量的5.8%。板材制備之后養生3 d，主要物理力學性能測試結果和排名如表2所示，總排名為靜曲強度、彈性模量、內結合強度、2 h吸水厚度膨脹率4項性能排名相加得到，由此可得綜合性能最好的一組水平。由此可見，板材的最佳熱壓工藝參數為熱壓時間10 min，熱壓溫度180℃，熱壓壓力26 MPa。該植物蛋白膠所壓制的刨花板在如表1所設計的熱壓參數條件下，只有第1組水平下的靜曲強度沒有達到GB/T 4897.3-2003的要求，其他指標均達到此標準要求。

表2 植物蛋白膠刨花板物理力學性能Table2 Properties of plant protein adhesive particle board

2.2 熱壓參數影響分析

雖然在如表1所設計的熱壓參數條件下，板材主要物理力學性能達到了國家標準，但熱壓過程中，所設計的影響因素和水平對板材主要物理力學性能影響顯著性不同。對測試結果，通過SPSS分析如表3所示。熱壓時間對板材的靜曲強度、彈性模量、內結合強度影響顯著。熱壓溫度對板材靜曲強度、彈性模量影響高度顯著。熱壓壓力對板材的靜曲強度、彈性模量、內結合強度、2 h吸水厚度膨脹率影響不顯著。熱壓時間、熱壓溫度、熱壓壓力對2 h吸水厚度膨脹率的影響均不顯著。張亞慧等［6］研究表明：防水劑對板材2 h吸水厚度膨脹率的影響顯著。本試驗中，芯層石蠟乳液加入量為刨花量的4.6%，表層石蠟乳液加入量為刨花量的5.8%，所研制的刨花板， 板材的2 h吸水厚度膨脹率完全能夠達到國家標準所規定≤8%的要求。因此，考慮到生產成本的問題，可以適當減少石蠟乳液的用量。

但每個熱壓參數對板材各物理力學的影響程度不同，如表4所示。對于靜曲強度和彈性模量而言，熱壓溫度＞熱壓時間＞熱壓壓力，對內結合強度和2 h吸水厚度膨脹率而言，熱壓時間＞熱壓壓力＞熱壓溫度。

2.3 驗證試驗

考慮到板材理化性能、各因素對板材性能的影響和實際生產中的成本，在最佳熱壓工藝參數的基礎上，盡可能減少熱壓時間，降低熱壓溫度，來降低生產成本。選擇熱壓時間為6 min，熱壓溫度對板材主要物理力學性能影響高度顯著；選擇熱壓溫度為180℃，熱壓壓力對板材主要物理力學性能影響不顯著；選擇熱壓壓力為2.550 MPa。通過綜合分析得到最適宜的熱壓工藝參數：熱壓時間6 min，熱壓溫度180℃，熱壓壓力2.550 MPa。另外，考慮到生產成本，加入石蠟乳液的量可以適當降低，芯層加入的石蠟乳液的量為芯層刨花量的3%，表層加入石蠟乳液的量為表層刨花的4%。芯層刨花施膠量為粗刨花量的28%，表層刨花施膠量為細刨花量的33%。由于施膠量不變，而石蠟乳液的減少，使得板坯拌膠之后刨花含水率降低，導致板坯塑性較差，壓縮困難，板材強度低。因此，在芯層膠液中加入1.6%芯層刨花量的水，在表層膠液中加入1.8%表層刨花量的水，可以保證板坯拌膠之后刨花含水率適中，板坯預壓成型好，具有較好的初強度。測得的刨花板性能如表5所示。由此可見，研制的刨花板外觀質量達到了GB/T 4897.1-2003的要求，無斷裂、透裂，無膠斑、石蠟斑、油污等污染點，邊角無殘損，板材修邊時無崩邊現象，表面光滑，理化性能達到了 GB/T 4897.1-2003的要求和GB/T 4897.3-2003在干燥狀態下使用的家具及室內裝修用刨花板要求。

表3 物理力學性能方差分析Table3 Variance analysis of properties

表4 物理力學性能因素極差分析Table4 Extremum analysis of properties

表5 板材理化性能測試值與標準值Table5 Properties of particle board test value and standard value

本次實驗室制備的植物蛋白膠刨花板甲醛釋放量為14 mg·kg-1。甲苯煮沸穿孔法測得不同木材的甲醛釋放量為12～33 mg·kg-1［7］，所以本試驗制備的刨花板甲醛釋放量來源于木材本身所釋放的甲醛。龐媛等［8］研究的大豆蛋白膠麻桿刨花板制備工藝的熱壓時間為25 min；張亞慧等［6］所研究的改性豆基蛋白膠楊木刨花板的制造工藝熱壓時間為14 min。本研究與同類研究相比熱壓時間縮短了很多，節約了板材的生產成本。

3 結論

針對此種黏度大，流動性差的環保型植物蛋白膠，采用自制的臥式攪拌機，在200 r·min-1的轉速下攪拌5～12 min，可以使得膠均勻地分布在刨花表面，而不產生結團現象。芯層刨花施膠量為粗刨花量的28%，表層刨花施膠量為細刨花量的33%；芯層加入的石蠟乳液的量為芯層刨花量的3%，表層加入石蠟乳液的量為表層刨花的4%；芯層膠液中加入1.6%芯層刨花量的水，表層膠液中加入1.8%表層刨花量的水；熱壓工藝參數采用：熱壓時間6 min，熱壓溫度180℃，熱壓壓力2.550 MPa，可以制備出外觀質量和理化性能達到GB/T 4897.1-2003和GB/T 4897.3-2003要求的在干燥狀態下使用的家具及室內裝修用刨花板，用穿孔器法測定的甲醛釋放量僅為14 mg·kg-1，來自于木材本身。本研究中制備刨花板的熱壓時間與同類研究相比，大大縮短了熱壓時間，從而提高了出板率，而降低了板材的生產成本。

［1］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，全國人造板標準化技術委員會.GB/T 4897.1-2003刨花板 第1部分 對所有板型的共同要求［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［2］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，全國人造板標準化技術委員會.GB/T 4897.3-2003刨花板 第3部分 在干燥狀態下使用的家具及室內裝修用板要求［S］.北京：中國標準出版社，2003.

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Plant protein based adhesive for particleboard

LI Guangrong,GU Zhongchun,LI Junzhang,DU Yeyun
（Hubei Academy of Forestry,Wuhan 430075,Hubei,China）

To prepare a plant protein-based,biomass adhesive particleboard for interior fixtures（including furniture）to be used in dry conditions.Through the single factor test,the way and the parameters of the adhesive stired were studied,and the influence of the hot press time,press temperature and pressure on the physical and mechanical properties of the particleboard was studied by orthogonal test.Results indicated that the horizontal mixer design was used to stir the adhesive at 200 r·min-1for 5-8 min,hot process parameters:6 min press time,180℃temperature,and 2.550 MPa pressure.Appearance quality and properties of particleboard met the requirements for GB/T 4897.1-2003 and GB/T 4897.3-2003 standards.Properties of the particleboard:density 0.74 g·cm-3,static bending intensity 16.8 MPa,internal bond strength 0.49 MPa,surface bonding strength 1.01 MPa,2 h absorbing water thickness expansion rate 1.8%,free formaldehyde emission 14.0 mg·kg-1.Additionally,the free formaldehyde emission of the particleboard contained in wood shavings.Thus,it would be feasible to prepare this new particleboard using this technology.［Ch,5 tab.8 ref.］

wood science and technology;plant protein based adhesive;particleboard;hot process parameters; free formaldehyde emission

S784；TS65

A

2095-0756（2015）06-0909-05

浙 江 農 林 大 學 學 報，2015，32（6）：909-913

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.06.013

2015-01-12；

2015-03-05

湖北省林業科學研究院青年基金資助項目（2014YQNJJ03）

李光榮，助理研究員，從事人造板加工技術研究。E-mail:safelgr@126.com。通信作者：杜業云，高級工程師，從事林產化工研究。E-mail:duyeyun@tom.com