大豆膠制備竹刨花板的工藝參數(shù)探究?

彭 順 桂成勝 林新青 蘭從榮 張忠濤

刨花板雖然在中國人造板產(chǎn)品中份額較小，但卻是增長較快的一個板種。我國90%以上的刨花板均是以木材為原料，而且使用的膠黏劑大都是三醛膠[1]。隨著中國天然林禁伐和退耕還林政策的實施，木材供需矛盾日益緊張。而我國竹資源十分豐富，并且竹材具有生長周期短，產(chǎn)量高，強度高，環(huán)保及可再生性等特點。使用竹材作為現(xiàn)代建筑材料也符合國家可持續(xù)發(fā)展要求，還能緩解木材供需矛盾。因此，“以竹代木”是我國木材資源緊缺條件下的重要發(fā)展方向[2]。目前，國內(nèi)與國外對竹子的物理和化學(xué)性能都有很深的研究，但竹材在人造板方面特別是刨花板方面的應(yīng)用還比較少。

竹刨花板是以竹材加工剩余物、小徑竹為主要原料，經(jīng)加工而成的一種竹材人造板，筆者研究的是以無醛大豆膠作為竹刨花的黏合劑，生產(chǎn)出綠色環(huán)保的竹材刨花板，并對制備竹材刨花板的幾個重要工藝因素進(jìn)行了探究，從而得到竹材刨花板的最佳制備工藝，為無醛大豆膠竹刨花板產(chǎn)品的問世提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

竹刨花（福人木業(yè)有限公司），刨花規(guī)格：長25～30 mm，寬2～5 mm，厚度0.4～0.5 mm，含水率3%～4%；脫脂大豆粉(廣州海莎生物科技有限公司)，含水率7%～9%，粗蛋白含量52%～55%；大豆膠改性劑水溶液（寧波中科朝露新材料有限公司）；納米蒙脫土（浙江豐虹新材料股份有限公司）；乳化石蠟型防水劑（寧波漢圣化工有限公司）。

1.2 實驗設(shè)備

平板硫化機（湖州順力橡膠機械有限公司，型號：XLB-D）；筒式攪拌機（張家港市東亞電機制造有限公司，型號：YM3-132M-4）；微機控制人造板萬能力學(xué)測試機（濟(jì)南匯科測試有限公司，型號：MWD-10）；精密推臺鋸（上海堅卓木工機械有限公司）；鼓風(fēng)式電熱干燥箱（寧波市鄞州賽茵儀器有限公司）；鹵素快速水分測定儀（深圳冠亞水分儀科技有限公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 制板流程

竹刨花—干燥—稱量—施膠攪拌—鋪裝—熱壓。

1.3.2 刨花板制備

將脫脂大豆粉與納米蒙脫土混勻作為大豆膠的A組份，大豆膠改性劑水溶液作為大豆膠的B組份。竹刨花使用前置于鼓風(fēng)干燥箱中烘干至含水率為3%～4%（含水率使用鹵素快速水分測定儀檢測），施膠：將竹刨花、A組份置于筒式攪拌機內(nèi)，開啟攪拌，攪拌的同時快速滴加B組份，轉(zhuǎn)速1 400 r/min，共攪拌60 s。將施膠后的表芯層刨花手工鋪裝，置于平板硫化機中熱壓，厚度規(guī)16 mm，制得樣板尺寸400 mm×400 mm×16 mm。

1.3.3 檢測

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》中的要求將樣品鋸成370 mm長、50 mm寬用于測定靜曲強度和彈性模量（試件數(shù)分別為6個），鋸成50 mm×50 mm用于測定內(nèi)結(jié)合強度（試件數(shù)5個）和2 h吸水厚度膨脹率（試件數(shù)3個）。根據(jù)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1842—2009《竹材刨花板》規(guī)定：16 mm厚竹材刨花板的合格標(biāo)準(zhǔn)為：靜曲強度≥14 MPa，彈性模量≥1 700 MPa，內(nèi)結(jié)合強度≥3.5 MPa，2 h吸水厚度膨脹率≤8.0%。

2 結(jié)果分析

2.1 密度對竹材刨花板性能的影響

密度是影響刨花板性能的重要因素，隨著刨花板密度的增加，刨花板的靜曲強度（MOR）、彈性模量（MOE）、內(nèi)結(jié)合強度（IB）、握螺釘力、硬度也隨之提高，可是刨花板的密度越大，生產(chǎn)成本就越高，故在實際生產(chǎn)中，在保持較高力學(xué)性能，生產(chǎn)合格產(chǎn)品的同時，應(yīng)盡量降低刨花板的密度。該研究設(shè)定：表層施膠量為13%，施膠后表層竹刨花的含水率為14%；芯層施膠量為11%，施膠后芯層竹刨花含水率為10%；于210 ℃、3 MPa條件下熱壓5 min（其中高壓4 min，1 MPa下排汽1 min）。根據(jù)前期實驗分別調(diào)整竹材刨花板的密度為675、710、743、777 kg/m3。由圖1可知：當(dāng)密度為710 kg/m3時，刨花板的彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度分別為2 160、0.39 MPa，靜曲強度僅為12.44 MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)要求的≥14 MPa。隨著刨花板密度的增加，刨花板的靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強度都隨之增大，當(dāng)密度＞743 kg/m3時，彈性模量，靜曲強度，內(nèi)結(jié)合強度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著密度的增大，有利于大豆膠的滲透，從而保證刨花板的力學(xué)性能。后續(xù)實驗中，研究設(shè)定刨花板的密度為770 kg/m3左右。

圖1 密度對大豆膠竹材刨花板的影響Fig.1 Influence of density on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.2 表層施膠量對刨花板性能的影響

刨花施膠是利用刨花與大豆膠黏劑之間的吸附作用，將膠黏劑與刨花均勻混合的過程，是保證膠合質(zhì)量的關(guān)鍵因素，另外，膠黏劑的用量也是影響刨花板的一個重要因素，在攪拌設(shè)備內(nèi)，將刨花和大豆膠按照一定的比例混合攪拌均勻。設(shè)定表層施膠后含水率為14%，芯層施膠后含水率為11%，調(diào)整表層施膠量分別為10%、11%、12%、13%。試驗結(jié)果如圖2所示：隨著表層施膠量的增大，刨花板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度也隨之上升。主要原因是隨著施膠量的增大，大豆膠黏劑與刨花的接觸面積會增大，會增加與刨花膠合時所形成的交聯(lián)點，從而提高刨花板的力學(xué)性能[3]。當(dāng)表層施膠量＜12%時，靜曲強度不合格，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,當(dāng)表層施膠量＞12%時，靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著表層施膠量的增大，2 h吸水厚度膨脹率變化不明顯，但是由于沒有添加防水劑，2 h吸水厚度膨脹率均不合格。綜上可知：只有當(dāng)表層施膠量＞12%時，竹材刨花板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。故制作大豆膠竹刨花板的表層施膠量應(yīng)＞12%。

圖2 表層施膠量對大豆膠竹材刨花板的影響Fig.2 Influence of adhesive dosage on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.3 熱壓溫度對大豆膠竹材刨花板性能的影響

在刨花板熱壓過程中，熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間等熱壓三要素直接影響到膠合質(zhì)量。熱壓溫度的主要作用是使大豆膠黏劑固化，增加刨花的塑性，并排除板坯中的水分[4]。該組實驗設(shè)定表層施膠量為13%、熱壓時間4 min、排氣1 min。調(diào)整熱壓溫度分別為180、190、200、210 ℃，試驗結(jié)果如圖3所示：隨著溫度的升高，刨花板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度都有增大的趨勢，主要是因為熱壓溫度越高，刨花的可塑性就越好，另外，會加快膠的固化速度，在熱壓時間一定的情況下，膠黏劑會固化得更加充分，從而提高刨花板的各項物理力學(xué)性能。提高熱壓溫度還有利于傳熱，芯層溫度上升就越快，可以縮短熱壓時間，提高生產(chǎn)效率[5]。當(dāng)熱壓溫度＜190 ℃時，靜曲強度不合格。當(dāng)熱壓溫度＞200 ℃時，刨花板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。2 h吸水厚度膨脹率對溫度升高變化不明顯，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合考慮，優(yōu)選210 ℃作為制造大豆膠竹刨花板的熱壓溫度。

圖3 熱壓溫度對大豆膠竹材刨花板性能的影響Fig.3 Influence of hot press temperature on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.4 熱壓時間對大豆膠竹材刨花板性能的影響

熱壓時間直接影響刨花板的生產(chǎn)效率、板坯含水率與表面質(zhì)量，足夠的熱壓時間主要是保證膠黏劑固化完全，一般和熱壓溫度一起考慮。該組實驗依次設(shè)定熱壓時間為3.5、4、4.5、5 min（其中包含1 min的排氣時間）。由圖4可知：當(dāng)熱壓時間＜5 min時，刨花板的靜曲強度不合格。而當(dāng)熱壓時間＞5 min時刨花板的靜曲強度、彈性模量、內(nèi)結(jié)合強度均合格。綜合考慮，優(yōu)選大豆膠竹材刨花板的熱壓時間為5 min 。

圖4 熱壓時間對大豆膠竹材刨花板性能的影響Fig.4 Influence of hot press time on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.5 防水劑用量對大豆膠竹材刨花板性能的影響

圖5 防水劑用量對大豆膠竹材刨花板性能的影響Fig.5 Influence of water-proofing agent content on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

在之前的試驗中，刨花板的2 h吸水厚度膨脹率大都不合格，主要原因是由于大豆膠的耐水性較差。為保證刨花板的2 h吸水厚度膨脹率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，分別加入0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的防水劑，試驗結(jié)果如圖5所示：隨著防水劑用量的增加，刨花板的2 h吸水厚度膨脹率顯著降低，當(dāng)防水劑用量為0.4%時，刨花板的2 h吸水厚度膨脹率＜8%，已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但是隨著防水劑用量的增加，靜曲強度和彈性模量有下降的趨勢，故應(yīng)在保證2 h吸水厚度膨脹率符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下減少防水劑的加入，綜上所述：優(yōu)選防水劑的加入量為0.4%。

3 結(jié)論

初步探究了制備大豆膠竹刨花板的各項工藝條件，得出以下結(jié)論：

1）刨花板的密度越大，物理力學(xué)性能越好，密度優(yōu)選為740 kg/m3；

2）竹材刨花板的表層施膠量應(yīng)＞12%；

3）最佳熱壓工藝為熱壓溫度210 ℃，熱壓時間5 min；

4）防水劑的添加能大大降低刨花板的2 h吸水厚度膨脹率，最佳添加量為0.4%。

[1] 錢小瑜. 我國刨花板行業(yè)在結(jié)構(gòu)調(diào)整中快速成長[J]. 林產(chǎn)工業(yè),2016, 43(9):6-7.

[2] 陳錦椿. 竹材的特性及其在建筑中的應(yīng)用[D]. 深圳:福田大學(xué),2012.

[3] 桂成勝, 彭順, 劉小青, 等. 關(guān)鍵參數(shù)對大豆膠桉木刨花板性能的影響[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2016, 43(9):19-22.

[4] 桂成勝, 石結(jié)舟, 劉小青, 等. 制備工藝對大豆膠楊木刨花板性能的影響[J]. 粘接, 2016(9):43-46.

[5] 張曉東, 朱一辛, 劉以瓏, 等. 竹材刨花板熱壓工藝的研究[J]. 木材工業(yè), 1996(6):9-11.

[6] 鄭鳳山, 李巖. 刨花板生產(chǎn)熱壓工藝[J]. 中國人造板, 2011(7):17-21.