以杉木樹(shù)皮為填充劑的PF膠制造膠合板的工藝研究＊

張是勛

（尤溪鴻圣林業(yè)有限公司，福建尤溪365100）

以杉木樹(shù)皮為填充劑的PF膠制造膠合板的工藝研究＊

張是勛

（尤溪鴻圣林業(yè)有限公司，福建尤溪365100）

利用杉木樹(shù)皮替代面粉作為酚醛樹(shù)脂的填充劑生產(chǎn)膠合板，通過(guò)正交試驗(yàn)明確了熱壓工藝參數(shù)，研究了杉木樹(shù)皮用量對(duì)膠合板的膠合強(qiáng)度影響，并獲取最優(yōu)工藝。研究結(jié)果表明：當(dāng)杉木樹(shù)皮用量為9%，熱壓壓力1.2MPa，熱壓溫度為140℃，熱壓時(shí)間為1.2 min/mm時(shí)，得到最優(yōu)膠合板膠合強(qiáng)度為1.12MPa。

膠合板；膠合強(qiáng)度；熱壓工藝；杉木樹(shù)皮用量

根據(jù)國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)膠合板產(chǎn)量達(dá)到1.3725億m3，其中膠合板的膠黏劑用量按55kg/m3計(jì)算，膠黏劑使用量約為750萬(wàn)t。由于大多數(shù)酚醛樹(shù)脂膠和脲醛樹(shù)脂膠都因初粘性差、易透膠、固化速度較慢等原因，需要加入6-10%面粉、豆粉等填充劑進(jìn)行調(diào)膠，因而需要一定量的面粉、豆粉等填充劑，給全球糧食供需增加壓力，而樹(shù)皮因結(jié)構(gòu)多樣和化學(xué)組分復(fù)雜，在全球范圍樹(shù)皮至今未被充分利用，特別是針葉樹(shù)樹(shù)皮的多酚類含量高,尤其杉木樹(shù)皮資源約占杉木生物量的11.5%。杉木樹(shù)皮含有木質(zhì)素為43.57%、綜纖維素為43.53%、苯醇抽提物為木材的3倍多且達(dá)到14.13%、1%NaOH抽出物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木材且達(dá)至55%，含有較多的樹(shù)脂酸、多酚類物質(zhì)和低相對(duì)分子質(zhì)量的糖類和木質(zhì)素等堿溶性物質(zhì)[1]。

由于杉木樹(shù)皮中存在木質(zhì)素、酚酸等多酚類物質(zhì)可以經(jīng)過(guò)堿降解作為酚醛樹(shù)脂的原料[2]。因此，應(yīng)加大樹(shù)皮利用研發(fā)力度，并通過(guò)其他途徑全方位多角度改善膠合板產(chǎn)品質(zhì)量。福建省是杉木的產(chǎn)銷大省，每年消耗了大量的杉木，而產(chǎn)生的樹(shù)皮全被丟棄或焚燒，沒(méi)有得到利用。若能夠利用杉木樹(shù)皮替代面粉、豆粉等作為膠料填充劑，不僅能節(jié)約糧食，同時(shí)也能減少環(huán)境污染。

改善膠合板質(zhì)量的方法眾多，通過(guò)不同單板的使用及處理[3-4]，膠黏劑與施膠工藝的改進(jìn)，熱壓工藝的改善等[5-9]途徑，最終提高膠合板的整體性能，其中膠合強(qiáng)度是評(píng)價(jià)膠合板質(zhì)量的重要指標(biāo)。而本文旨在研究利用杉木樹(shù)皮替代面粉作為酚醛樹(shù)脂的填充劑，采用正交試驗(yàn)，通過(guò)比較熱壓工藝及杉木樹(shù)皮用量對(duì)膠合板的膠合強(qiáng)度影響，并獲取最優(yōu)工藝，以達(dá)到改善膠合板的性能。

1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

松木單板（平均含水率9.3%，厚度2.0mm）、杉木樹(shù)皮（80-100目）、酚醛樹(shù)脂（pH值為10.8，固含量為48%，粘度為350 mPa·s）。

1.2 儀器設(shè)備

BY302×2/15微機(jī)控制試驗(yàn)壓機(jī)：蘇州新協(xié)力機(jī)械制造有限公司；60W JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器：常州市華普達(dá)教學(xué)儀器有限公司；MWD-10B木材萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南金力試驗(yàn)儀器有限公司；DHG-9623A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；MJ104A手動(dòng)進(jìn)料木工圓鋸機(jī)：上海木工機(jī)械廠。

2 試驗(yàn)方法

2.1 制備工藝

首先將松木樹(shù)皮烘干、粉碎，過(guò)篩備用→將一定量的樹(shù)皮粉末和酚醛樹(shù)脂均勻混合→單板涂膠→組坯→陳化→預(yù)壓→熱壓→冷卻→裁邊→砂光→成品（檢測(cè)）。

本試驗(yàn)壓制九層結(jié)構(gòu)松木膠合板，研究采用的固定工藝：?jiǎn)伟咫p面涂膠量280 g/m2，陳化30min，預(yù)壓壓力1.0 MPa。對(duì)杉木樹(shù)皮用量以及熱壓工藝參數(shù)進(jìn)行L9（34）正交方案進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)研究過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的查閱的工藝技術(shù)條件，采用L9（34）正交試驗(yàn)進(jìn)行膠合板的制備。主要考察以下因素：熱壓壓力、熱壓時(shí)間、熱壓溫度及杉木樹(shù)皮用量（占酚醛樹(shù)脂膠的百分比），具體因素水平如表1所示。

表1 因素水平

3 結(jié)果與分析

按表1的因素水平進(jìn)行正交試驗(yàn)L9（34）安排，各試驗(yàn)序號(hào)進(jìn)行3次重復(fù)，樣品的膠合強(qiáng)度檢測(cè)參照國(guó)標(biāo)GB/T 9846-2004膠合板要求的方法進(jìn)行[10]，結(jié)果取平均值如表2所示。各因子對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的直觀分析如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果的極差分析如表3所示。由于本試驗(yàn)采用的L9（34）正交設(shè)計(jì)無(wú)空列，四列均排滿因子，進(jìn)行方差分析將離差平方和最小的因子作為誤差項(xiàng)進(jìn)行分析[11]，方差分析如表4所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

3.1 杉木樹(shù)皮用量對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響

由直觀分析圖1中可知，膠合板的膠合強(qiáng)度隨著杉木樹(shù)皮粉末用量的增大而提高，結(jié)合表3-4可知，杉木樹(shù)皮粉末用量對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度影響顯著。由于杉木樹(shù)皮中含有大量的單寧、木質(zhì)素等多酚物質(zhì)，在堿性條件下降解，具有酚羥基、羥基、甲氧基、羰基等多種活性基團(tuán)。由于膠合板生產(chǎn)用的PF膠通常為堿性，本試驗(yàn)所用PF膠的pH值為10.8，為杉木樹(shù)皮的化學(xué)組分的堿性降解創(chuàng)造良好的條件。在膠合板熱壓固化過(guò)程中，杉木樹(shù)皮粉經(jīng)降解增加了活性基團(tuán)，有效促進(jìn)酚醛樹(shù)脂的固化反應(yīng)，提高膠合強(qiáng)度。但隨著樹(shù)皮用量的逐步加大，膠黏劑的粘度變大，單板涂膠就越不易，當(dāng)樹(shù)皮用量超過(guò)9%后，涂膠就不易操作。由此可知，試驗(yàn)中最優(yōu)的杉木樹(shù)皮用量為9%。

3.2 熱壓壓力對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響

由直觀分析圖1中可知，熱壓壓力從1.0MPa提高到1.2MPa時(shí)，膠合板膠合強(qiáng)度上升趨勢(shì)明顯；當(dāng)熱壓壓力從1.2MPa提高到1.4MPa時(shí)，膠合強(qiáng)度上升趨于平緩。結(jié)合表3-4可知，熱壓壓力對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度有一定的影響，壓力的作用是保證單板之間膠接面緊密接觸，增加分子間引力和分子擴(kuò)散，提高膠合板膠合強(qiáng)度。

熱壓壓力和膠合板的膠合強(qiáng)度在理論上是呈正比例的關(guān)系，熱壓壓力越大，膠合板的膠合強(qiáng)度也就越大。但試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著熱壓的壓力不斷增大，膠合板的膠合強(qiáng)度的提升逐漸變緩，而熱壓壓力過(guò)大，造成板坯壓縮率大，從而浪費(fèi)了木材。因此，一般熱壓壓力會(huì)取臨界點(diǎn)，在保證膠合板膠合強(qiáng)度的情況下，最大化的利用木材資源。由此試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)熱壓壓力1.2 MPa。

3.3 熱壓溫度對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響

由直觀分析圖1中可知，當(dāng)熱壓溫度從130℃升到140℃時(shí)，膠合板膠合強(qiáng)度隨著溫度的升高而升高；而當(dāng)熱壓溫度從140℃升到150℃時(shí)，膠合強(qiáng)度反而降低。從表3-4可知，熱壓溫度在130-150℃范圍內(nèi)，對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度影響較低。當(dāng)溫度從130-140℃逐步上升時(shí)，膠黏劑隨著溫度的升高而更易于滲入木材的縫隙中，同時(shí)促進(jìn)了杉木樹(shù)皮粉末的降解與膠體的固化，穩(wěn)步提高膠合板的膠合強(qiáng)度；但當(dāng)溫度140-150℃時(shí)，可能由于溫度過(guò)高，破壞了膠體的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)降解，同時(shí)提高了膠合板內(nèi)應(yīng)力，反而降低了膠合板的膠合強(qiáng)度。因此，最優(yōu)熱壓溫度為140℃。

圖1 各因子對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響趨勢(shì)

3.4 熱壓時(shí)間對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響

由直觀分析圖1中可知，膠合板的膠合強(qiáng)度隨著熱壓時(shí)間的增加迅速增大，當(dāng)熱壓時(shí)間從1.0 min/mm增加到1.2min/mm膠合強(qiáng)度的上升幅度更大。結(jié)合表3-4可知，熱壓時(shí)間對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響較小。但是，由于木材的熱傳導(dǎo)性較差，熱量傳導(dǎo)到單板內(nèi)部需要一定時(shí)間，同時(shí)膠黏劑的固化也需要一定的時(shí)間。當(dāng)熱壓時(shí)間為0.8-1.0 min/mm時(shí)，膠黏劑固化效率較低；當(dāng)熱壓時(shí)間為1.0-1.2 min/mm時(shí)，由于時(shí)間的增加，板材內(nèi)部溫度均接近熱壓溫度，膠黏劑固化效率和膠層質(zhì)量提高，膠合強(qiáng)度得到提升；但時(shí)間過(guò)長(zhǎng)影響生產(chǎn)效率。因此最佳的熱壓時(shí)間為1.2 min/mm。

3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果得出的最佳工藝最佳組合：杉木樹(shù)皮用量為9%，熱壓壓力1.2 MPa，熱壓溫度為140℃，熱壓時(shí)間為1.2 min/mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并檢測(cè)產(chǎn)品主要物理力學(xué)性能為膠合強(qiáng)度為1.12 MPa、含水率為8.7%，均達(dá)到GB/T9846.3-2004普通膠合板和GB/T17656.3-2008混凝土模板用膠合板規(guī)定的膠合強(qiáng)度指標(biāo)和含水率要求[12]。

4 小結(jié)

當(dāng)杉木樹(shù)皮用量為9%，熱壓壓力1.2MPa，熱壓溫度為140℃，熱壓時(shí)間為1.2min/mm時(shí)，所壓制的膠合板膠合強(qiáng)度為1.12MPa，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的膠合強(qiáng)度的要求。采用杉木樹(shù)皮能夠替代工業(yè)面粉作為PF膠的填充劑用于松木膠合板的生產(chǎn)是可行的，而且與熱壓工藝組合能夠很好地改善膠合板的膠合強(qiáng)度，不僅節(jié)約了面粉的用量、降低生產(chǎn)成本，而且可有效地利用樹(shù)皮資源，達(dá)到變廢為寶的目的。

在試驗(yàn)研究過(guò)程中，杉木樹(shù)皮用量9%為最佳，若繼續(xù)增大其用量，對(duì)于單板的涂膠過(guò)程中有一定的影響。此外，試驗(yàn)所用杉木樹(shù)皮加工成80-100目粉末，其他粒徑的樹(shù)皮粉末使用效果有待進(jìn)一步研究，杉木樹(shù)皮與面粉作為填充劑的效果對(duì)比也有待實(shí)驗(yàn)分析。目前采用UF膠生產(chǎn)的人造板產(chǎn)量較多，下階段可將杉木樹(shù)皮作為UF膠的填充劑進(jìn)行深入研究，為拓展杉木樹(shù)皮的利用提供參考。

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責(zé)任編輯/葉忠華

Plywood Production Technique by Using PF Glue with Filler of Chinese-fir Bark

Zhang Shixun
（Fujian Hongsheng Forestry Co.Ltd,Youxi,Fujian 365100,China）

TS653.3

：A

：1003-4382（2015）08-0027-04

2015-5-20

：2015-7-6

張是勛（1973-），男，福建尤溪人，工程師，主要從事木材加工研究。