響應(yīng)曲面法優(yōu)化連續(xù)輥壓實(shí)木復(fù)合地板的工藝1)

王惠蕓 曹平祥 楊光明 李榮榮 郭曉磊

(南京林業(yè)大學(xué)，南京,210037) (富樂(lè)(中國(guó))黏合劑有限公司) (南京林業(yè)大學(xué))

?

響應(yīng)曲面法優(yōu)化連續(xù)輥壓實(shí)木復(fù)合地板的工藝1)

王惠蕓 曹平祥 楊光明 李榮榮 郭曉磊

(南京林業(yè)大學(xué)，南京,210037) (富樂(lè)(中國(guó))黏合劑有限公司) (南京林業(yè)大學(xué))

為了探討采用聚氨酯膠作為膠黏劑的多層實(shí)木復(fù)合地板快速輥壓生產(chǎn)較優(yōu)工藝，以涂膠量、冷壓時(shí)間、冷壓壓力3個(gè)因素為研究對(duì)象，采用響應(yīng)曲面法分析地板剪切強(qiáng)度并確定較優(yōu)工藝參數(shù)。結(jié)果表明：涂膠量與冷壓時(shí)間對(duì)多層實(shí)木復(fù)合地板膠層剪切強(qiáng)度有顯著影響；冷壓壓力無(wú)顯著影響。較優(yōu)工藝參數(shù)為：涂膠量98 g/m2，冷壓時(shí)間24 s，壓輥下降3 mm即壓力1.2 MPa。

實(shí)木復(fù)合地板；地板加工工藝；快速輥壓；響應(yīng)曲面法

實(shí)木復(fù)合地板因其自然紋路、高度舒適感和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)已成為地板的主導(dǎo)產(chǎn)品，使用量逐年增加[1-5]。膠合質(zhì)量作為實(shí)木復(fù)合地板的重要參數(shù)，直接影響地板質(zhì)量和產(chǎn)量。在傳統(tǒng)的地板生產(chǎn)工藝中，大多采用熱壓技術(shù)，這種生產(chǎn)工藝雖然簡(jiǎn)單，設(shè)備通用性強(qiáng)，但是存在大量能源消耗、溫度梯度導(dǎo)致地板合格率降低、低自動(dòng)化等問(wèn)題；采用脲醛樹(shù)脂膠(UF)和三聚氰胺改性脲醛樹(shù)脂膠(MUF)存在甲醛釋放問(wèn)題，不符合綠色環(huán)保的要求[6-7]。

聚氨酯膠(PUR)的發(fā)展已經(jīng)有20 a余的歷史，因其環(huán)保、高強(qiáng)度、高黏結(jié)力等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近幾年在木材行業(yè)也得以興起應(yīng)用[8-10]。索菲亞家居引進(jìn)反應(yīng)型聚氨酯熱熔膠快速輥壓設(shè)備，用流水式的生產(chǎn)模式代替了傳統(tǒng)的堆垛式冷壓模式，生產(chǎn)效率大大提高；在國(guó)外，基材的貼面加工，已普遍使用PUR熱熔膠，采用快速固化輥壓的方法，產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率都大幅提高[11-12]。由此，反應(yīng)型PUR熱熔膠及其快速輥壓生產(chǎn)技術(shù)具有重大前景，但是國(guó)內(nèi)地板企業(yè)尚未使用這種技術(shù)。

響應(yīng)曲面法(RSM)是一種優(yōu)化生物過(guò)程的統(tǒng)計(jì)學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用該法以建立連續(xù)變量曲面模型，對(duì)影響生物過(guò)程的因子及其交互作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最佳水平范圍，而且所需要的試驗(yàn)組數(shù)量相對(duì)較少，可節(jié)省人力物力，因此該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于各種各樣的生物過(guò)程優(yōu)化中[13-16]。

筆者采用PUR膠黏劑，研究實(shí)木復(fù)合地板涂膠量、冷壓時(shí)間和冷壓壓力對(duì)膠合質(zhì)量的影響，結(jié)合響應(yīng)曲面模型預(yù)測(cè)剪切強(qiáng)度值最終得出較優(yōu)工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)及后續(xù)研究提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)木復(fù)合地板表板和芯板均購(gòu)于大亞江蘇地板有限公司。表板為橡樹(shù)(Oak)，規(guī)格130 mm(長(zhǎng))×915 mm(寬)×2 mm(厚)，含水率6%～8%；芯板為楊木(Poplar)，規(guī)格400 mm(長(zhǎng))×920 mm(寬)×12 mm(厚)，含水率9%～10%。

試驗(yàn)所用膠為PUR膠黏劑，購(gòu)于上海富樂(lè)膠黏劑有限公司，型號(hào)為NP2075T，白色固體，不含甲醛。固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)100%，熔化溫度150～180 ℃，可減少產(chǎn)品的變形和翹曲。

1.2 儀器及設(shè)備

溶膠涂膠機(jī)、冷壓輥壓機(jī)、微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)。

1.3 方法

響應(yīng)曲面法：設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)。采用響應(yīng)曲面中的Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素取3個(gè)水平，以(-1,0,1)編碼。具體工藝參數(shù)和水平如表1所示。

剪切強(qiáng)度的檢測(cè)：剪切強(qiáng)度的檢測(cè)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D905-03取樣，試樣如圖1所示。但因?yàn)閴汉系牡匕搴穸冗_(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，在測(cè)試過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生試樣變形導(dǎo)致剪切應(yīng)力不準(zhǔn)確，即在地板兩側(cè)分別粘一塊金屬板，如圖1所示[17]。每組參數(shù)下測(cè)試試樣3個(gè)，一共17組，試樣總數(shù)為51個(gè)。

表1 工藝參數(shù)及相應(yīng)的編碼水平

注：輥壓機(jī)無(wú)法調(diào)節(jié)壓力，只能調(diào)節(jié)壓輥距離調(diào)節(jié)壓力。1 mm是在壓輥距離為14 mm的基礎(chǔ)上下調(diào)1 mm，以此類推。經(jīng)壓力傳感器計(jì)算，壓輥下降1 mm壓力為0.4 MPa；2 mm壓力0.8 MPa；3 mm壓力1.2 MPa。

a.未粘鐵塊試樣 b.粘鐵塊試樣

圖1 剪切強(qiáng)度地板試樣

2 結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試，連續(xù)輥壓實(shí)木復(fù)合地板的剪切強(qiáng)度值見(jiàn)表2。最左列為軟件生成的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)順序，左邊第二列為實(shí)際試驗(yàn)測(cè)序。試驗(yàn)按照第二列隨機(jī)次序進(jìn)行，避免試驗(yàn)次序?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。

2.1 方差分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。P值為模型及各因素的顯著水平。P值小于0.05表明模型或各因素有顯著影響，P值小于0.01表示影響高度顯著。

從表3中可以看出，模型P值為0.001 3<0.05，表明該模型顯著。另外，A、B、AB也都是顯著的(P值小于0.05)，即采用PUR膠黏劑對(duì)多層實(shí)木復(fù)合地板表板與芯板進(jìn)行膠合時(shí)，膠黏劑涂布量與膠合時(shí)間對(duì)膠層剪切強(qiáng)度的影響顯著。并且模型的R2及調(diào)整的R2相接近，且接近1，說(shuō)明該模型可以很好地預(yù)測(cè)PUR膠黏劑膠層剪切強(qiáng)度。

表2 連續(xù)輥壓實(shí)木復(fù)合地板的剪切強(qiáng)度

注：每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

2.2 回歸模型及模型精度

采用非線性回歸分析的方法，建立了膠黏劑膠層壓縮剪切強(qiáng)度(σ)的二次模型。膠黏劑的回歸模型如下所示。

σPUR=2.83+0.23A+0.2B+0.024C-0.11AB+0.1AC- 0.035BC-0.044A2+0.069B2+0.084C2。

式中：A為涂膠量；B為冷壓時(shí)間；C為壓力；且此模型中A、B、C數(shù)值采用編碼水平值。

表3 剪切強(qiáng)度方差分析

注：R2= 0.94；調(diào)整的R2= 0.87。

模型的精度通過(guò)3組隨機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。剪切強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值采用以上二次模型進(jìn)行計(jì)算。3組驗(yàn)證試驗(yàn)中，模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)的實(shí)際值及誤差值見(jiàn)表4?？梢钥闯?，3組試驗(yàn)的誤差值都較小，此結(jié)果表明通過(guò)響應(yīng)面方法得到的膠層壓縮剪切強(qiáng)度二次模型精度較高，能夠比較精確地預(yù)測(cè)多層實(shí)木復(fù)合地板表板與芯板間膠層壓縮剪切強(qiáng)度。并且模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)的實(shí)際值之間的相關(guān)性如圖2所示。PUR膠黏劑的相關(guān)性系數(shù)分別為0.94。

表4 模型精度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

注：表中負(fù)值為預(yù)測(cè)值大于實(shí)際值。

圖2 壓縮剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)性

2.3 討論

各工藝參數(shù)對(duì)多層實(shí)木復(fù)合地板表板與芯板膠層剪切強(qiáng)度的影響趨勢(shì)如圖3所示。可以看出，在所選參數(shù)區(qū)間內(nèi)，膠層剪切強(qiáng)度隨著涂膠量和冷壓時(shí)間的增加而增大；冷壓壓力對(duì)膠層剪切強(qiáng)度影響不顯著。涂膠量的影響機(jī)理可能為：當(dāng)涂膠量較少時(shí)，因膠黏劑有滲透性，較少的膠黏劑會(huì)滲入木材內(nèi)部，無(wú)法形成連續(xù)的穩(wěn)定膠層，部分位置出現(xiàn)缺膠的現(xiàn)象；隨著涂膠量逐步增加，有足夠的膠黏劑會(huì)在加壓過(guò)程中形成均勻、連續(xù)的膠層，所以膠層剪切強(qiáng)度會(huì)增大；但是隨著涂膠量繼續(xù)增加，過(guò)多的膠黏劑會(huì)形成厚度過(guò)高的膠層，此種膠層較脆，會(huì)影響膠合質(zhì)量，膠層剪切強(qiáng)度也隨之下降。但是所選PUR膠合過(guò)程涂膠量參數(shù)屬于常規(guī)水平，所以未在圖3中看到剪切強(qiáng)度先增大后減小的趨勢(shì)。

圖3 各參數(shù)對(duì)PUR膠層剪切強(qiáng)度的影響趨勢(shì)圖

冷壓時(shí)間作為一個(gè)顯著因素，其影響機(jī)理可能為：隨著冷壓時(shí)間的延長(zhǎng)，膠黏劑滲透時(shí)間越久，會(huì)在板坯內(nèi)形成“膠釘”，膠層剪切強(qiáng)度隨之增大；但是隨著冷壓時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，熱熔的PUR溫度有所降低，影響膠的滲透，膠層剪切強(qiáng)度可能降低。但本研究所選PUR膠合過(guò)程冷壓時(shí)間屬于常規(guī)水平，所以未在圖3中看到剪切強(qiáng)度先增大后減小的趨勢(shì)。

從涂膠量與冷壓時(shí)間交互影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖4、圖5可以看出，多層實(shí)木復(fù)合地板膠合較優(yōu)工藝參數(shù)為：涂膠量98 g/m2，冷壓時(shí)間24 s，壓輥下調(diào)3 mm即壓力1.2 MPa。

3 結(jié)論

涂膠量與冷壓時(shí)間對(duì)多層實(shí)木復(fù)合地板表板與芯板膠層剪切強(qiáng)度有顯著影響；冷壓壓力無(wú)顯著影響。

多層實(shí)木復(fù)合地板表板與芯板膠層剪切強(qiáng)度的大小會(huì)隨著涂膠量和冷壓時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。

圖4 冷壓壓力與涂膠量交互影響響應(yīng)曲面圖

圖5 冷壓壓力與涂膠量交互影響等高線圖

采用響應(yīng)曲面法，建立數(shù)學(xué)模型，該模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到較優(yōu)工藝參數(shù)為: 涂膠量98 g/m2，冷壓時(shí)間24 s，壓輥下調(diào)3 mm及1.2 MPa。

[1] 黃淑芹.我國(guó)實(shí)木復(fù)合地板的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2005,32(9):12-13.

[2] 林板.實(shí)木復(fù)合地板的高速發(fā)展標(biāo)志木地板市場(chǎng)的前途、方向[J].國(guó)際木業(yè),2005(7):19-20.

[3] 陳水合.廣東實(shí)木復(fù)合地板業(yè)在迅速崛起[J]. 中國(guó)人造板,2008(9):37-40.

[4] CHEN Q Q, GUO X L, JI F. Effects of decorative veneer and structure on the thermal conductivity of engineered wood flooring[J]. Bioresources,2015,10(2):2213-2222.

[5] 崔舉慶,張洋,賈翀,等.杉木地板基材表面的浸漬抗菌[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,41(2):86-88.

[6] 黃玲玲,曹平祥,郭曉磊,等.實(shí)木復(fù)合地板連續(xù)冷壓生產(chǎn)工藝的研究[J].木材加工機(jī)械,2010(1):30-32.

[7] 樊孟維,高金貴,姜兆方,等.動(dòng)物蛋白膠對(duì)綠色地板基材性能的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,43(6):113-115.

[8] CLAU? S, GABRIEL J, KARBACH A, et al. Influence of the adhesive formulation on the mechanical properties and bonding performance of polyurethane prepolymers[J]. Holzforschung,2011,65(6):835-844.

[9] CLAU? S, DIJKSTRA D, GABRIEL J, et al. Influence of the filler material on the thermal stability of one-component moisture-curing polyurethane adhesives[J]. Journal of Applied Polymer Science,2011,124(5):3641-3649.

[10] KAGI A, NIEMZ P, MANDALLAZ D. Influence of moisture content and selected technological parameters on the adhesion of one-part polyurethane adhesives under extreme climatical conditions[J]. Holz Roh Werkst,2006,64(4):261-268.

[11] 王海東,劉德見(jiàn),羅興強(qiáng),等.反應(yīng)型聚氨酯熱熔膠快速輥壓技術(shù)的應(yīng)用[J].木材工業(yè),2014,28(1):45-48.

[12] 王海田,葉春香.單組分PUR膠生產(chǎn)實(shí)木復(fù)合地板的成本分析[J].木材工業(yè),2008,22(1):31-33.

[13] 王濤,顏明,郭海波.一種新的回歸分析方法：響應(yīng)曲面法在數(shù)值模擬研究中的應(yīng)用[J].巖性油氣藏,2011,23(2):101-104.

[14] DEMEO M, LAGET M, MATHIEU D. Appliciation of experimental designs for optimization of medium and culture conditions in fermentation[J]. Bioscience,1985,4:99-102.

[15] RAMA P, REDDY M, REDDY G. Production of thermostable pullulanase by Clostridium thermosulfurogenes SV2 in solid-state fermentation: Optimazation of nutrients levels using response surface methodology[J]. Bioprocess Engineering,1999,21(6):497-503.

[16] ESTER R, ALVARO B, ALBERTO C. Optimisation of medium composition for clavulanic acid production by Streptomyces clavuligerus[J]. Biotechnology Letters,2001,23(2):157-161.

[17] LANG E M, BEJO L, SZAILAI J, et al. Orthotropic strength and elasticity of hardwood in relation to composite manufacture. PartI Orthotropy of shear strength[J]. Wood and Fiber Scinece,2000,32(4):502-517.

Continuous Cold-pressing Technology of Engineered Wood Flooring Bonded with PUR by Response Surface Methodology//

Wang Huiyun, Cao Pingxiang
(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China);
Yang Guangming
(H.B. Fuller (China) Adhesive Co.,Ltd); Li Rongrong, Guo Xiaolei
(Nanjing Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(6)：65-68.

Engineered wood flooring; Flooring technology; Continuous cold-pressing； Response surface methodology

王惠蕓，女，1993年2月生，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail：1342830258@qq.com。

曹平祥，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。E-mail:steinc@homagchinagf.com。

2016年12月7日。

TS653

1)林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項(xiàng)目(2015-18)；江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2015006-04)。

責(zé)任編輯：戴芳天。

We studied the effects of parameters (adhesive spread, press time, and press pressure) on the response parameter (shear strength) of engineered wood flooring boned with PUR by response surface methodology. The major factors were adhesive spread and press time, and applied pressure had insignificant effects on shear strength. The optimized parameters were 98 g/m2, 24 s and 1.2 MPa for adhesive spread, press time and press pressure, respectively.