工藝參數(shù)對大豆基木質(zhì)刨花板性能的影響?

李 杉 趙士猛 時君友 唐朝發(fā)

（1.北華大學吉林省木質(zhì)材料科學與工程重點實驗室， 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，成為人們研究的熱點[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，并且在膠合板生產(chǎn)中實現(xiàn)了良好商業(yè)應用[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)的高級結(jié)構(gòu)、分子間的二硫鍵及氫鍵，同時產(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內(nèi)高速混合時，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]，通過正交試驗研究密度、熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力對大豆基木質(zhì)刨花板主要物理力學性能的影響。

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 試驗設備

自適應模糊控制人造板實驗壓機（中國林科院木材所），微機控制電子式木材萬能力學試驗機（濟南試金集團），NDJ-1 型旋轉(zhuǎn)粘度計（上海地學儀器研究所），刨花拌膠機（自制），電熱鼓風干燥箱（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?？紤]成本及施膠時不產(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，保持時間占總熱壓時間的2/3，壓制過程中大豆基木質(zhì)刨花板的密度、熱壓時間、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，保持時間占總熱壓時間的1/3。試驗采用L9(34)正交試驗表，將定量好的刨花放入刨花拌膠機中，啟動拌膠機，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)預壓后按試驗熱壓工藝壓制成刨花板。

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

1.3.3 性能檢測

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方法》、GB/T 4897—2015《刨花板》分別進行密度、靜曲強度(MOR)、內(nèi)結(jié)合強度(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) 等主要物理力學性能檢測[24-25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

正交試驗設計及其主要物理力學性能檢測結(jié)果如表2 所示。檢測結(jié)果表明，大豆基木質(zhì)刨花板的表面結(jié)合強度大于等于1.0 MPa。

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

2.2 技術(shù)指標分析

對正交試驗獲得的大豆基木質(zhì)刨花板主要性能指標進行正交試驗分析計算，結(jié)果見表3。

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

對表3 試驗結(jié)果進行極差分析表明，密度對靜曲強度(MOR)、內(nèi)結(jié)合強度(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，對木材的潤濕滲透性差，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，進而改善刨花板物理力學性能。

熱壓壓力對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；但對靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度影響不十分顯著，極值分別為1.8、0.03 MPa。試驗中熱壓壓力主要影響壓機閉合速度，進而影響刨花板密度梯度。相同壓力條件下，刨花板密度對壓機閉合速度的影響較大，正交試驗結(jié)果表明：壓力主要影響刨花板的表層密度，而對芯層密度的影響較小[20]。此外，密度對平行于板面（∥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；熱壓溫度和熱壓時間對各項指標的影響均不十分顯著，說明試驗所選熱壓溫度、熱壓時間均能保證膠黏劑固化及板坯內(nèi)剩余水分不會引起分層、鼓泡缺陷。密度為0.75 g/cm3的大豆基木質(zhì)刨花板的靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度，達到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

生產(chǎn)性試驗在吉林森工露水河刨花板分公司進行，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)性試驗采用的刨花含水率較實驗室偏高，同時板坯幅面尺寸大，不利于板坯內(nèi)水分的逸出。因此，在試驗初期熱壓時間為6～7 min時，部分板坯產(chǎn)生分層現(xiàn)象；當熱壓時間達到7.5～8 min時，分層現(xiàn)象消失。最后選取熱壓時間為8 min的工藝進行生產(chǎn)性試驗。生產(chǎn)性試驗產(chǎn)品的主要物理力學性能見表4，生產(chǎn)的大豆基木質(zhì)刨花板主要物理力學性能，達到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)性試驗產(chǎn)品的主要物理力學性能Tab.4 Main physical and mechanical properties of productive test particleboard

4 結(jié)論

1）實驗室條件下，密度對大豆基木質(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，因此應適當增加熱壓時間。

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，主要物理力學性能達到GB/T 4897—2015 規(guī)定的P2 型、P3 型刨花板標準，完全可以滿足家具、室內(nèi)裝飾墻體板等對零甲醛添加木質(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，熱壓時間長，導致刨花板生產(chǎn)效率降低，這是后續(xù)商業(yè)化應用中亟待解決的問題。