三聚氰胺浸漬紙邊角廢料制造復(fù)合刨花板工藝研究?

陳瑞建 章偉偉 關(guān)麗濤 古 今 林衛(wèi)東 胡傳雙

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510642；2.廣東始興縣華洲木業(yè)有限公司，韶關(guān) 512500）

三聚氰胺浸漬紙(MIP)是人造板行業(yè)用量最大的飾面材料之一，是一種素色裝飾原紙經(jīng)氨基樹脂浸漬并干燥到一定程度、具有一定樹脂和揮發(fā)份含量的膠膜紙，經(jīng)熱壓可與人造板基材相互膠合[1-2]。由于三聚氰胺浸漬紙面積要大于被飾面的人造板，因此熱壓貼合后飾面人造板板材邊緣會產(chǎn)生一定量多余的未貼合的浸漬紙邊角廢料(WMIP)。WMIP含有大量化學(xué)物質(zhì)(膠黏劑、固化劑、脫模劑和交聯(lián)劑等)，不適合普通燃燒處理[3]，并且其中仍有一定量的未完全固化的活性膠黏劑[4]，科技工作者一直在尋找WMIP的有效利用途徑[5-9]。Ba?bo?a等[10]利用MIP廢料粉末作為膠黏劑，成功制造了刨花板，當(dāng)MIP廢料含量為25%時，其板材物理力學(xué)性能可滿足大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。Ba?bo?a等[11]還利用浸漬后的原紙和經(jīng)過熱壓貼面后的邊角廢料粉末化后分別制備刨花板，兩種類型的粉末對刨花板物理力學(xué)性能存在顯著影響，使用原紙粉末的板材力學(xué)性能更佳。Cavdar等[12]研究以廢三聚氰胺浸漬紙（WMIP）為填料，對定向刨花板的一些性能進(jìn)行評價。實驗板材的芯層中粉碎的WMIP顆粒用量最高可達(dá)50%。Ayr?lm??等[13]利用錘式粉碎機(jī)將WMIP粉碎至2～3 mm，然后與纖維混合制成纖維板。結(jié)果表明：添加WMIP可改善板材的力學(xué)性能。Alpar等[14]以WMIP粉末為膠黏劑填料制造單層刨花板，對比脲醛樹脂膠黏劑制成的刨花板與WMIP粉末制成的板材，發(fā)現(xiàn)板材性能無顯著差異。Silva等[15]將6 mm長的WMIP以4%、8%、12%的比例添加至刨花板芯層。結(jié)果表明：含有4%和8%WMIP的刨花板符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但含有12%的刨花板未能達(dá)標(biāo)。以上研究表明：WMIP可作為膠黏劑用于人造板制造，但均需對WMIP進(jìn)行二次粉碎處理，因而處理成本增加。

本試驗直接將回收的WMIP以原態(tài)形式利用，無需二次粉碎加工，探討原態(tài)WMIP在刨花板制造過程中的膠黏劑替代潛力；以原態(tài)WMIP為原料，按照不同比例與木質(zhì)粗刨花混合后置于芯層，制備三層結(jié)構(gòu)刨花板，以實現(xiàn)WMIP的全組份高附加值利用。

1 材料與方法

1.1 材料

1）木刨花：含水率為1.1%～2.5%，取自華洲木業(yè)。

2）三聚氰胺浸漬紙邊角廢料（WMIP）：含水率5.8%～7.5%，取自廣東耀東華裝飾材料有限公司。邊角廢料形態(tài)如圖1 所示。

圖1 浸漬紙邊角廢料形態(tài)Fig.1 Morphological features of waste impregnated paper pieces

3）膠黏劑：表層UF膠固體含量為61%，pH值7.4，固化時間72 s，黏度93.9 mPa·s。芯層膠固體含量66%，pH值7.5，固化時間63 s，黏度226.8 mPa·s。取自華洲木業(yè)。

4）防水劑：乳白色石蠟乳液，固體含量44.25%，pH值6.0，黏度16.9 mPa·s。取自華洲木業(yè)。

1.2 設(shè)備

試驗主要設(shè)備為攪拌機(jī)（鎮(zhèn)江戴生食品機(jī)械廠），熱壓機(jī)（鶴山市沙坪鎮(zhèn)精銘機(jī)械廠），萬能力學(xué)試驗機(jī)（濟(jì)南天辰試驗機(jī)制造有限公司）等。

1.3 試驗方法

1.3.1 正交試驗設(shè)計

表層料中不添加WMIP，根據(jù)預(yù)試驗，設(shè)計WMIP與芯層刨花的比例分別為5%、10%、20%。 WMIP與芯層刨花混合均勻后，制備復(fù)合刨花板，以芯層未添加WMIP的純木刨花板作為對照。

本試驗共設(shè)4 個變量為WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度，每個變量分3 個水平，記為1、2、3，采用L9（34）正交試驗，試驗重復(fù)次數(shù)為3 次，考察4 個變量對復(fù)合刨花板物理力學(xué)性能的影響。正交試驗因素與水平見表1，試驗方案如表2 所示。

表1 正交試驗因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2 刨花板制備

設(shè)定刨花板密度為0.72～0.79 g/cm3，尺寸500 mm× 500 mm×16 mm（長×寬×厚）。表、芯層料按照配方進(jìn)行施膠，防水劑添加量0.5%，持續(xù)攪拌3～5 min。手工分三層鋪裝后進(jìn)行熱壓，使用厚度規(guī)控制厚度。按照正交試驗設(shè)計壓制板材，試驗最大熱壓壓力4.0 MPa。每個試驗條件重復(fù)次數(shù)為3 次，共計27 塊試驗樣板。

1.3.3 性能測試和評價

按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測試板材的物理力學(xué)性能（MOR、MOE、IB和2 hTS）[16]。按照GB/T 4897—2015《刨花板》對應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行評價[17]。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)表1 正交試驗因素水平表進(jìn)行L9（34）正交試驗，各試驗編號樣板的靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）和2h吸水厚度膨脹率（TS）的檢測結(jié)果如表2 所示。對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表3 所示。

由于不同因子對不同試驗結(jié)果的影響有差異，在不考慮不同因子間交互作用的前提下，由表3 根據(jù)R值的大小可以得出：WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度對復(fù)合刨花板靜曲強(qiáng)度（MOR）的影響主次順序為：B＞A＞C＞D；對復(fù)合刨花板彈性模量（MOE）的影響主次順序為：A＞B＞D＞C；對復(fù)合刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）的影響主次順序為：A＞D＞B＞C；對復(fù)合刨花板2 h吸水厚度膨脹率（TS）的影響主次順序為：D＞A＞B＞C。

表2 正交試驗安排與結(jié)果Tab.2 Design and result of orthogonal experiment

表3 正交試驗L9(34)極差分析Tab.3 Range analysis of L9(34) test results

2.1 WMIP添加量對復(fù)合刨花板力學(xué)性能影響

由于WMIP無定型尺寸，長寬比差異較大，如果在木質(zhì)刨花中加入的WMIP過多，會導(dǎo)致混料不均勻，且隨后的板坯鋪裝也會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象[18]。因此本試驗的WMIP添加量設(shè)置為最大值20%。

如圖2 可知，隨著WMIP添加量的增加，復(fù)合刨花板的MOR、MOE和IB呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，TS則呈現(xiàn)降低趨勢。UF膠主要依靠所含有的羥甲基、氨基之間的縮聚反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的固化層[19]。WMIP中含有一定量未反應(yīng)的活性羥甲基和氨基等官能團(tuán)，這些官能團(tuán)能與UF進(jìn)行二次反應(yīng)并交聯(lián)固化。因此，增加一定量的WMIP可替代部分UF，提高復(fù)合刨花板的力學(xué)性能。當(dāng)WMIP的添加量為20%時，復(fù)合刨花板的MOR為18.5 MPa，MOE為3 067 MPa，IB為1.22 MPa，均為所有試驗板力學(xué)性能最大值。綜上所述，WMIP添加量為20%時試驗效果最佳。

圖2 WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度對復(fù)合刨花板力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of WMIP addition amount, adhesive consumption, hot pressing time and temperature on MOR of composite PB board

2.2 施膠量對復(fù)合刨花板力學(xué)性能影響

施膠量是影響膠合質(zhì)量的最重要因素之一[20]。施膠量太大，膠層太厚，應(yīng)力增大，使得膠合強(qiáng)度下降，成本增加[21]。施膠量太小無法形成連續(xù)膠層，也不利于膠液在刨花之間及與WMIP之間轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致施膠拌膠過程中原料表面的膠黏劑量太低，在熱壓后能形成的固化點少，膠合強(qiáng)度不高。由圖2 可知，隨著施膠量的減少，MOR、MOE、IB和TS均出現(xiàn)下降趨勢。施膠量在13%時，復(fù)合刨花板的MOR 、MOE 、IB性能指標(biāo)最高，分別為18.26 、2 994 、1.1 MPa，而施膠量在9%時最低，但仍可完全滿足國標(biāo)中對干燥狀態(tài)下使用家具型刨花板的要求，說明脲醛樹脂的用量對復(fù)合刨花板的各項性能均有顯著影響，雖添加WMIP可替代部分UF作為膠黏劑，但其添加量有限，且UF相較于WMIP對復(fù)合刨花板性能的影響更大。綜上所述，施膠量為13%時，試件膠合質(zhì)量最佳。

2.3 熱壓時間對復(fù)合刨花板力學(xué)性能影響

控制熱壓時間，主要是使膠黏劑和WMIP中未固化的活性羥甲基和氨基等官能團(tuán)充分反應(yīng)，提高固化效率，使得刨花具有一定的塑性，達(dá)到所要求的板材厚度，避免板材出現(xiàn)鼓泡分層等工藝缺陷[22]。由圖2 可知，隨著熱壓時間的減少，MOR和MOE呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，IB逐漸上升，TS逐漸下降。熱壓時間為11 min時，板材強(qiáng)度相對較低，這說明熱壓時間過長，同時也會導(dǎo)致高生產(chǎn)能耗和低效率。熱壓時間為7 min時，由于時間較短，表層部分膠黏劑的固化未達(dá)到最佳狀態(tài)，因此靜曲強(qiáng)度和彈性模量不高。當(dāng)熱壓時間為9 min時，復(fù)合刨花板的MOR為18.18 MPa，MOE為2 950 MPa，IB為1.07 MPa，均為最優(yōu)力學(xué)性能值。綜上所述，熱壓時間為9 min時，試驗結(jié)果最佳。

2.4 熱壓溫度對復(fù)合刨花板力學(xué)性能影響

在熱壓過程中，通常溫度越高，所需的加壓時間越短。在熱壓機(jī)中，除使膠黏劑固化外，高溫還可增加木材塑性，便于壓緊板坯[23-24]。由圖2 可知，隨著熱壓溫度的降低，MOR和MOE出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，IB出現(xiàn)逐漸下降趨勢，而TS出現(xiàn)先下降后上升的趨勢。當(dāng)熱壓溫度為200 ℃時，膠黏劑受到熱量的作用，黏度下降，表面張力減小，流動性增加，在原料表面的延展性提高，膠合強(qiáng)度較高。但熱壓溫度偏高，會引起能耗增加，而且易導(dǎo)致纖維素大分子降解和膠黏劑的熱分解[25]，使得板材表面變色變味，雖然IB較高，但MOR和MOE下降。而180 ℃的熱壓溫度較低，板坯芯層的膠黏劑固化程度不高，IB相對較低。當(dāng)熱壓溫度為190 ℃時，復(fù)合刨花板的MOR、MOE均為最優(yōu)力學(xué)性能值，分別達(dá)到17.65、2 989 MPa，而IB為1.04 MPa，2 hTS為4.17%，均低于200 ℃時的IB1.16 MPa，2 hTS7.4%。綜上所述，熱壓溫度為190 ℃時，試驗結(jié)果較優(yōu)。

由上述試驗結(jié)果分析可知：采用的WMIP添加量、施膠量、熱壓時間和熱壓溫度的較優(yōu)配方為：WMIP添加量為20%，施膠量為13%，熱壓溫度為190 ℃，熱壓時間為9 min。在此配方參數(shù)下制備的復(fù)合刨花板具有理想的物理力學(xué)性能。

3 結(jié)論

將三聚氰胺浸漬紙邊角廢料以原態(tài)方式直接與木質(zhì)刨花混合制備復(fù)合刨花板是完全可行的，對其物理力學(xué)性能具有顯著影響，且具備一定的社會經(jīng)濟(jì)價值。

在保證復(fù)合刨花板性能達(dá)標(biāo)的情況下，為節(jié)約能源和材料，提高生產(chǎn)效率，綜合分析可得，使用浸漬紙邊角廢料制備復(fù)合刨花板優(yōu)化組合工藝為：WMIP 20%，UF施膠量13%，熱壓時間9 min，熱壓溫度190 ℃。制備的復(fù)合刨花板平均物理力學(xué)性能為MOR18.50 MPa，MOE2 993.75 MPa，IB1.07 MPa，TS4.15%，均滿足GB 4897—2015 中P2 型刨花板的指標(biāo)要求。