工藝參數(shù)對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板性能的影響?

李 杉 趙士猛 時(shí)君友 唐朝發(fā)

（1.北華大學(xué)吉林省木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林省吉林市 132013; 2.吉林森工露水河刨花板分

公司， 吉林 白山 134500）

零甲醛添加室內(nèi)用人造板，可從源頭上避免甲醛對(duì)環(huán)境及人體造成危害。無醛生物質(zhì)膠黏劑因“綠色、環(huán)保、循環(huán)”的特點(diǎn)，成為人們研究的熱點(diǎn)[1-9]。大豆蛋白類膠黏劑更是成為膠合板用無醛膠黏劑的研究重點(diǎn)，并且在膠合板生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了良好商業(yè)應(yīng)用[10-15]。但在木質(zhì)刨花板制造領(lǐng)域，大豆蛋白膠黏劑尚處于應(yīng)用研究階段，需要解決刨花板生產(chǎn)中膠黏劑的黏度、固體含量等問題。降低大豆蛋白膠黏劑黏度的方法多種多樣，如通過酸堿降解、加熱、加鹽、表面活性劑，降低固體含量，與尿素、苯酚、酚醛樹脂共聚等處理方法，以破壞大豆蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)、分子間的二硫鍵及氫鍵，同時(shí)產(chǎn)生共聚，提高膠黏劑的耐水性能等[16-18]。此外，還可通過在脫脂大豆粉等與刨花在高速拌膠機(jī)內(nèi)高速混合時(shí)，快速滴加大豆膠改性劑水溶液的施膠方式，有效降低刨花板板坯含水率[19]。在刨花板生產(chǎn)中，利用大豆蛋白基阻燃膠黏劑可制備防腐、阻燃刨花板[20-21]。本文采用以大豆蛋白為主要成分的主劑及以環(huán)氧改性聚酰胺為主要成分的交聯(lián)劑，按一定比例調(diào)制大豆基膠黏劑[22-23]，通過正交試驗(yàn)研究密度、熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板主要物理力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆基膠黏劑[自制，主劑：固體含量37.7%，黏度71 mPa·s（25 ℃）；交聯(lián)劑：固體含量42.9%，黏度588 mPa·s（25 ℃）]；雜木刨花（表層、芯層刨花含水率均為0.5%～0.8%，吉林森工露水河刨花板分公司）；防水劑（石蠟乳液，吉林森工露水河刨花板分公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

自適應(yīng)模糊控制人造板實(shí)驗(yàn)壓機(jī)（中國(guó)林科院木材所），微機(jī)控制電子式木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南試金集團(tuán)），NDJ-1 型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（上海地學(xué)儀器研究所），刨花拌膠機(jī)（自制），電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司），水浴鍋（富華儀器有限公司）等。

1.3 大豆基木質(zhì)刨花板制備

1.3.1 膠黏劑調(diào)制

主劑和交聯(lián)劑以7 ∶3（固體物質(zhì)的量）比例進(jìn)行調(diào)膠，膠黏劑混合均勻后黏度為348 mPa·s （25 ℃）；加入防水劑,與膠黏劑均勻混合，用30%NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5，調(diào)膠后膠黏劑適用期不低于4 h。

1.3.2 刨花板壓制

參照大豆基膠黏劑制備木質(zhì)刨花板的制造工藝[24]，壓制厚度15 mm的木質(zhì)刨花板。考慮成本及施膠時(shí)不產(chǎn)生缺膠因素，表層刨花施膠量為絕干表層刨花質(zhì)量的8%，芯層刨花施膠量為絕干芯層刨花質(zhì)量的6.5%，防水劑用量表、芯層均為絕干刨花質(zhì)量的0.75%。為保證刨花板板坯內(nèi)水分充分排放，熱壓壓力采用分段控制：第一段為高壓壓力，保持時(shí)間占總熱壓時(shí)間的2/3，壓制過程中大豆基木質(zhì)刨花板的密度、熱壓時(shí)間、熱壓溫度、熱壓壓力參數(shù)如表1所示；第二段為低壓壓力0.5MPa，保持時(shí)間占總熱壓時(shí)間的1/3。試驗(yàn)采用L9(34)正交試驗(yàn)表，將定量好的刨花放入刨花拌膠機(jī)中，啟動(dòng)拌膠機(jī)，用噴槍將調(diào)制好的膠黏劑與防水劑均勻地施加到刨花上。在成型框中。按表芯層刨花質(zhì)量比（絕干刨花）為44∶56完成三層結(jié)構(gòu)刨花板板坯鋪裝，板坯經(jīng)預(yù)壓后按試驗(yàn)熱壓工藝壓制成刨花板。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.3 性能檢測(cè)

壓 制 的 刨 花 板 放 置48 h后，按GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》、GB/T 4897—2015《刨花板》分別進(jìn)行密度、靜曲強(qiáng)度(MOR)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)及2 h吸水厚度膨脹率（2 hTS）、平行于板面及垂直于板面的握螺釘力(∥SHC、⊥SHC) 等主要物理力學(xué)性能檢測(cè)[24-25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其主要物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。檢測(cè)結(jié)果表明，大豆基木質(zhì)刨花板的表面結(jié)合強(qiáng)度大于等于1.0 MPa。

表2 正交試驗(yàn)方案與大豆基木質(zhì)刨花板主要性能指標(biāo)Tab.2 Orthogonal test scheme and main performance indexes of soybean-based wood particleboard

2.2 技術(shù)指標(biāo)分析

對(duì)正交試驗(yàn)獲得的大豆基木質(zhì)刨花板主要性能指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.3 Orthogonal test results analysis

對(duì)表3 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析表明，密度對(duì)靜曲強(qiáng)度(MOR)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)及2 h吸水厚度膨脹率（2 h TS）影響最為顯著，極值分別為4.6 MPa、0.31 MPa、1.3%。大豆基膠黏劑分子量大，對(duì)木材的潤(rùn)濕滲透性差，而密度增大提高了刨花與膠黏劑、刨花與刨花間的接觸面積，有利于膠黏劑滲透及流展，進(jìn)而改善刨花板物理力學(xué)性能。

熱壓壓力對(duì)2 h吸水厚度膨脹率、平行于板面及垂直于板面的握螺釘力(∥SHC、⊥SHC)影響顯著，極值分別為1.3%、141 N、224 N；但對(duì)靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響不十分顯著，極值分別為1.8、0.03 MPa。試驗(yàn)中熱壓壓力主要影響壓機(jī)閉合速度，進(jìn)而影響刨花板密度梯度。相同壓力條件下，刨花板密度對(duì)壓機(jī)閉合速度的影響較大，正交試驗(yàn)結(jié)果表明：壓力主要影響刨花板的表層密度，而對(duì)芯層密度的影響較小[20]。此外，密度對(duì)平行于板面（∥SHC）及垂直于板面（⊥SHC）的握螺釘力影響不顯著，極值分別為69、53 N；熱壓溫度和熱壓時(shí)間對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響均不十分顯著，說明試驗(yàn)所選熱壓溫度、熱壓時(shí)間均能保證膠黏劑固化及板坯內(nèi)剩余水分不會(huì)引起分層、鼓泡缺陷。密度為0.75 g/cm3的大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，達(dá)到GB/T 4897—2015 規(guī)定的P4 型 “干燥狀態(tài)下使用的重載型刨花板”的要求。

3 生產(chǎn)性試驗(yàn)

生產(chǎn)性試驗(yàn)在吉林森工露水河刨花板分公司進(jìn)行，壓制厚度為16 mm、密度為0.75 g/cm3的木質(zhì)刨花板，表層施膠量和芯層施膠量分別為8.5%和7%，表芯層防水劑用量0.75%。安全性要求，表芯層刨花含水率控制在0.8%～1.1%。熱壓過程采用定位控制器控制板坯厚度，熱壓溫度介于190～195 ℃之間。由于生產(chǎn)性試驗(yàn)采用的刨花含水率較實(shí)驗(yàn)室偏高，同時(shí)板坯幅面尺寸大，不利于板坯內(nèi)水分的逸出。因此，在試驗(yàn)初期熱壓時(shí)間為6～7 min時(shí)，部分板坯產(chǎn)生分層現(xiàn)象；當(dāng)熱壓時(shí)間達(dá)到7.5～8 min時(shí)，分層現(xiàn)象消失。最后選取熱壓時(shí)間為8 min的工藝進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)。生產(chǎn)性試驗(yàn)產(chǎn)品的主要物理力學(xué)性能見表4，生產(chǎn)的大豆基木質(zhì)刨花板主要物理力學(xué)性能，達(dá)到GB/T 4897—2015 規(guī)定的P2 型“干燥狀態(tài)下使用的家具型刨花板”及P3 型“干燥狀態(tài)下使用的承載型刨花板”的要求。

表4 生產(chǎn)性試驗(yàn)產(chǎn)品的主要物理力學(xué)性能Tab.4 Main physical and mechanical properties of productive test particleboard

4 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)室條件下，密度對(duì)大豆基木質(zhì)刨花板的主要性能影響最為顯著，熱壓壓力次之，熱壓溫度、熱壓時(shí)間的影響不顯著。

2）利用低固體含量大豆基膠黏劑，采用合理的生產(chǎn)工藝參數(shù)，可以在生產(chǎn)線上生產(chǎn)出滿足一定要求的木質(zhì)刨花板。但板坯幅面尺寸大，不利于板坯內(nèi)水分的逸出，因此應(yīng)適當(dāng)增加熱壓時(shí)間。

3）利用單層均質(zhì)刨花板生產(chǎn)線生產(chǎn)的大豆基木質(zhì)刨花板，主要物理力學(xué)性能達(dá)到GB/T 4897—2015 規(guī)定的P2 型、P3 型刨花板標(biāo)準(zhǔn)，完全可以滿足家具、室內(nèi)裝飾墻體板等對(duì)零甲醛添加木質(zhì)基材的要求。

4）生產(chǎn)中，因要求刨花含水率較低，應(yīng)做好刨花干燥過程中的防火問題；此外，由于大豆基膠黏劑固體含量較低，板坯含水率高，熱壓時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致刨花板生產(chǎn)效率降低，這是后續(xù)商業(yè)化應(yīng)用中亟待解決的問題。