熱壓工藝對翅莢木芯細(xì)木工板性能的影響*

黃圣波 劉 偲 黃欽府 陳步先 關(guān) 鑫 林金國

（1.福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省龍巖市林業(yè)科學(xué)研究所，福建 龍巖 364000）

細(xì)木工板是以木條拼接為芯板、雙面覆蓋單板，經(jīng)膠合壓制而成的一種特種膠合板。具有尺寸穩(wěn)定、握釘力好、強(qiáng)度高、加工容易等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于家具制造、建筑室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域[1]，在我國已成為繼膠合板、纖維板之后的重要板型[2]。細(xì)木工板的性能與其芯板結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。袁成龍等[3]研究發(fā)現(xiàn)基材結(jié)構(gòu)、壓貼工藝、板材厚度對浸漬膠膜紙飾面細(xì)木工板定制衣柜柜門的翹曲度影響顯著，且覆貼工藝柜門的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于直貼工藝柜門。李暉等[4]利用響應(yīng)面法探究熱壓溫度、熱壓時間和熱壓壓力對竹絲飾面細(xì)木工板主要性能的影響，確定了各因素的權(quán)重及最佳工藝參數(shù)。梁美等[5]模擬了地震作用下細(xì)木工板建筑材料的受力特性，設(shè)計對比試驗，探究了在最短時間內(nèi)確定裂縫位置的壓力水平和準(zhǔn)確評價細(xì)木工板建筑材料性能的方法。王小恒等[6]采用模擬艙對不同溫度條件下細(xì)木工板中甲醛釋放情況進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，不同溫度條件下艙內(nèi)甲醛穩(wěn)定濃度隨時間的變化均符合對數(shù)曲線關(guān)系，不同溫度條件下艙內(nèi)甲醛穩(wěn)定濃度的變化符合指數(shù)曲線關(guān)系。鄧臘云等[7]將改性后的大豆基無醛膠黏劑投入到杉木芯細(xì)木工板的制備中，獲得了良好的力學(xué)、耐水性能。Nelis等[8]試圖研發(fā)麒麟木（Kirisp.）為核心層材料的細(xì)木工板，以山茱萸（Anthocephalus cadamba）為橫向單板，山毛櫸（Fagus sylvatica）為第一層面板，以云杉（Picea abies）和麒麟材（Kirisp.）為芯層制備了細(xì)木工板。

翅莢木（Zenia insignisChun）又名任豆樹，廣泛分布于亞洲熱帶至華南地區(qū)，在我國兩廣、湘、黔、滇等省均有分布，適宜生長的海拔高度為120～970 m[9]。翅莢木生長快、萌芽強(qiáng)、天然更新好、樹干通直、耐瘠薄。20 世紀(jì)80 年代以來，翅莢木作為速生樹種被引種到福建，長勢良好[10]。迄今為止，關(guān)于翅莢木利用的研究僅限于刨花板、纖維板和單板層積材[11-13]，而包括細(xì)木工板在內(nèi)的相關(guān)研究鮮有報道。本文以10 年生翅莢木人工林木材為研究對象，對翅莢木芯細(xì)木工板的制備工藝技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，分析了熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板性能的影響，探討翅莢木作為芯板制作細(xì)木工板的可行性及其較佳熱壓工藝參數(shù)，為翅莢木芯細(xì)木工板的制備提供理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 材料

翅莢木原料取自福建龍巖10年生人工林林分，自樣木胸高（離地1.3 m）以上截取2.5 m長的木段，鋸成厚度17 mm、寬度60～400 mm的板材，烘干至含水率10%～12%。桉木（Eucalyptus grandis×urophylla）單板由福建和其昌竹業(yè)股份有限公司提供，規(guī)格2 500 mm×1 300 mm，厚度2.2 mm，初含水率10%～12%，按照試驗要求裁成幅面規(guī)格500 mm×500 mm。人工裝飾薄木由福建和其昌竹業(yè)股份有限公司提供，規(guī)格2 500 mm×1 300 mm，厚度1.2 mm，初含水率10%～12%，按照試驗要求裁成幅面規(guī)格500 mm×500 mm。大豆蛋白膠黏劑購于浙江衢州博藍(lán)裝飾材料有限公司，其外觀為茶褐色透明液體，黏度為20 000～40 000 cP，固體含量為75%。

1.2 儀器設(shè)備

試驗使用的主要儀器設(shè)備如表1 所示。

表1 主要試驗儀器設(shè)備Tab. 1 Main test instruments and equipment

1.3 試驗方法

1.3.1 正交試驗設(shè)計

本文選取熱壓壓力、熱壓溫度、熱壓時間為影響因素，每個因素選取三個水平，以密度、含水率、橫向靜曲強(qiáng)度和浸漬剝離性能為評價指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗，以確定翅莢木芯細(xì)木工板最佳制備工藝技術(shù)。正交試驗各因素及水平如表2 所示。

表2 正交試驗因素與水平Tab.2 Factor and level of orthogonal experiment

1.3.2 細(xì)木工板制備

將翅莢木試材制成500 mm（長）×50 mm（寬）×13 mm（厚）的木條，采用側(cè)面涂膠的方式拼接成幅面為2 440 mm×1 220 mm的芯板后，按照試驗要求將其裁成幅面規(guī)格為500 mm×500 mm。翅莢木芯細(xì)木工板為五層結(jié)構(gòu)，采取隔層垂直組坯，其中芯層與表層單板方向為順紋，中層單板方向為橫紋。對中層單板進(jìn)行雙面涂膠，涂膠量為200 g/m2，涂膠后進(jìn)行組坯，放入壓機(jī)中進(jìn)行熱壓，壓制的翅莢木芯細(xì)木工板厚度為18 mm。

1.3.3 性能測試

為防止爆板，在熱壓結(jié)束后退板時，應(yīng)緩慢泄壓再取出板材，陳放一天后再進(jìn)行鋸切。按照GB/T 5849—2016《細(xì)木工板》、GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》檢測細(xì)木工板的含水率、密度、橫向靜曲強(qiáng)度、浸漬剝離性能等性能指標(biāo)。板材密度檢測試件尺寸為50 mm×50 mm×18 mm，試件數(shù)量為3個。含水率檢測試件尺寸為100 mm×100 mm×18 mm，試件數(shù)量為3個。橫向靜曲強(qiáng)度檢測試件尺寸為230 mm×50 mm×18 mm，試件數(shù)量為12個。浸漬剝離性能檢測試件尺寸為75 mm×75 mm×18 mm，試件數(shù)量為12個。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗設(shè)計與檢測結(jié)果如表3 所示。

表3 正交試驗設(shè)計與檢測結(jié)果Tab.3 Design and result of orthogonal experiment

2.2 熱壓工藝對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響

根據(jù)不同熱壓工藝條件下翅莢木芯細(xì)木工板含水率檢測結(jié)果（表3）進(jìn)行極差分析和方差分析。從表4 極差分析可見，熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響程度從高到低依次為熱壓溫度＞熱壓時間＞熱壓壓力。從表5 方差分析可知，熱壓溫度和熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響極其顯著，熱壓壓力對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響較顯著。

表4 翅莢木芯細(xì)木工板含水率的極差分析Tab.4 Range analysis of moisture content of Z. insigniscore blockboard

表5 翅莢木芯細(xì)木工板含水率的方差分析Tab.5 Variance analysis of moisture content of Z.insignis-core blockboard

熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響如圖1 所示。由圖1 可知，隨著熱壓溫度和熱壓時間的升高，板坯含水率顯著下降，這主要是由于高溫超過了水分的沸點，導(dǎo)致大豆蛋白膠黏劑與板材中的水分迅速蒸發(fā)，隨著時間的延長，水分流失的速度下降。隨著熱壓壓力的增大，翅莢木芯細(xì)木工板含水率呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢，這是因為熱壓壓力在0.8～1.0 MPa時，隨著熱壓壓力的增大，板坯表層與里層的溫度梯度逐漸加大，溫度在板坯與大豆蛋白膠黏劑中的傳導(dǎo)加快，板坯中細(xì)胞腔、細(xì)胞壁中的水分被擠出，導(dǎo)致含水率下降。當(dāng)熱壓壓力在1.0～1.2 MPa時，隨著熱壓壓力的增大，使得水汽難以排出，所以導(dǎo)致含水率有所增大。

圖1 各因素對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響Fig.1 Influence of various factors on moisture content of Z.insignis-core blockboard

2.3 熱壓工藝對翅莢木芯細(xì)木工板密度的影響

根據(jù)不同熱壓工藝條件下翅莢木芯細(xì)木工板密度檢測結(jié)果（表3）進(jìn)行極差分析和方差分析。從表6 極差分析可知，熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板密度的影響程度由高到低依次為熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓時間。從表7 方差分析可知，熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板的密度影響均不顯著，且如圖2 所示，密度隨熱壓時間的增加幾乎不變。

表6 翅莢木芯細(xì)木工板密度的極差分析Tab.6 Range analysis of density of Z. insignis-core blockboard

表7 翅莢木芯細(xì)木工板密度的方差分析Tab.7 Variance analysis of density of Z. insignis-core blockboard

由圖2 可見，隨著熱壓溫度的升高，翅莢木芯細(xì)木工板密度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當(dāng)溫度在120～135 ℃時，大豆蛋白膠黏劑開始固化，進(jìn)入到板材的細(xì)胞腔和細(xì)胞壁等多孔結(jié)構(gòu)中，從而提升板材密度。當(dāng)熱壓溫度從135 ℃升至150 ℃時，過高的溫度造成膠層過分固化變脆導(dǎo)致板坯受損，導(dǎo)致密度下降。隨著熱壓壓力的增加，翅莢木芯細(xì)木工板密度不斷變大。當(dāng)壓力從0.8 MPa升至1.0 MPa時，翅莢木芯細(xì)木工板密度的提高幅度較大，這是因為，一方面壓力增大后木材細(xì)胞腔、細(xì)胞壁中的水分和孔隙中的空氣被擠出，板坯厚度變??；另一方面大豆蛋白膠黏劑進(jìn)入到板材間隙中，發(fā)揮膠黏作用，使板材更加密實、堅硬，從而使板坯密度變大。

圖2 各因素對翅莢木芯細(xì)木工板密度的影響Fig.2 Influence of various factors on density of Z. insigniscore blockboard

2.4 熱壓工藝對板材橫向靜曲強(qiáng)度的影響

橫向靜曲強(qiáng)度表示板材在抵抗外力彎曲時橫向所能承受的最大壓力，是評價細(xì)木工板好壞的一項重要指標(biāo)。根據(jù)不同熱壓工藝條件下翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度檢測結(jié)果（表3）進(jìn)行極差分析和方差分析。從表8 極差分析可知，熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板的橫向靜曲強(qiáng)度的影響程度從高到低依次為熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓時間。從表9 方差分析可知，熱壓溫度對翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度的影響為一般顯著，而熱壓壓力和熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板的橫向靜曲強(qiáng)度影響均不顯著。

表8 翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度的極差分析Tab.8 Range analysis of bending strength of Z. insigniscore blockboard

表9 翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度的方差分析Tab.9 Variance analysis of bending strength of Z. insigniscore blockboard

熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度的影響如圖3所示。熱壓溫度在120～135 ℃時，翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度增幅明顯，這是因為，熱壓溫度越高膠黏劑固化反應(yīng)越充分，膠黏劑性能發(fā)揮越好，板材強(qiáng)度越高。同時，隨著熱壓溫度的升高，膠黏劑的流動更快，在板坯中分布得更加均勻，因而在其逐漸固化后，板材的橫向靜曲強(qiáng)度增大[14]。當(dāng)熱壓溫度從135 ℃升高至150 ℃時，翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度明顯下降，這主要是因為溫度過高會導(dǎo)致膠黏劑過分固化變脆[15-16]。綜上所述，為獲得較好的翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度，采用135 ℃的熱壓溫度為宜。

由圖3可見，熱壓壓力在0.8～1.2 MPa時，翅莢木芯細(xì)木工板的橫向靜曲強(qiáng)度呈線性提高。原因有以下三方面：1）熱壓壓力的作用下，速生木材不斷被壓縮，密度增大，由此靜曲強(qiáng)度增長較快[17]；2）熱壓壓力的增加可以保證大豆蛋白膠黏劑此類高黏度的膠黏劑能充分流入板坯缺陷處，加強(qiáng)板坯完整性，提升板材性能；3）熱壓壓力的增加使得膠黏劑與木材的接觸更為緊密，加強(qiáng)它們之間的連接。但當(dāng)熱壓壓力高于1.0 MPa后，翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度增加幅度開始減緩，這是因為熱壓壓力繼續(xù)升高，壓力對木材壓實效應(yīng)明顯降低，對促進(jìn)大豆蛋白膠黏劑與木材的接觸效應(yīng)明顯下降[18]。綜上所述，為獲得較好的翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度，采用1.2 MPa的熱壓壓力為宜。

與其他類型膠黏劑一樣，大豆蛋白膠黏劑也需要足夠的時間方可完全固化。隨著熱壓時間的增加，固化程度越高，膠合效果越好。然而，熱壓時間過長將導(dǎo)致已固化的膠層在高溫作用下老化分解，反而使得膠合強(qiáng)度降低[19-20]，影響細(xì)木工板的橫向靜曲強(qiáng)度。由圖3可見，隨著熱壓時間的增加，翅莢木芯細(xì)木工板的橫向靜曲強(qiáng)度基本不變。因此，可以推測本試驗所選的熱壓時間已經(jīng)達(dá)到了膠黏劑完全固化的時間，但還未達(dá)到使膠黏劑高溫受損的時間。為了降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，熱壓時間選用3 min較為適宜。

圖3 各因素對翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of various factors on bending strength of Z.insignis-core blockboard

2.5 熱壓工藝對板材浸漬剝離性能的影響

細(xì)木工板浸漬剝離長度反映了其耐水穩(wěn)定性能。根據(jù)不同熱壓工藝條件下翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度檢測結(jié)果（表3）進(jìn)行極差分析和方差分析。從表10極差分析可知，影響翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度的主次因素順序為熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓時間。從表11方差分析可知，熱壓溫度對翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度的影響較顯著，而熱壓壓力和熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度影響均不顯著。

表10 翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度的極差分析Tab.10 Range analysis of impregnation stripping length of Z. insignis-core blockboard

表11 翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度的方差分析Tab.11 Variance analysis of impregnation stripping length of Z. insignis-core blockboard

熱壓溫度對翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離性能的影響如圖4所示。在120～150 ℃范圍內(nèi)，隨著熱壓溫度的升高，翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離性能先下降后上升。這是因為熱壓溫度較低時，各組分間不能充分發(fā)生反應(yīng)固化，使得膠黏劑未能形成均勻而緊密的膠合界面。同時，大豆蛋白膠黏劑分子也無法與木材中的纖維素分子充分有機(jī)結(jié)合，使得膠合強(qiáng)度尚未達(dá)到最強(qiáng)[21]。在一定范圍內(nèi)，熱壓溫度的升高會增強(qiáng)細(xì)木工板的浸漬剝離性能，這主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是大豆蛋白膠黏劑中的分子隨著溫度上升，其運動加速，更易進(jìn)入木材中與木材形成作用力；二是溫度的升高有利于促進(jìn)大豆蛋白膠黏劑中水分的揮發(fā)，使其更易與單板表面充分接觸，表現(xiàn)為膠合強(qiáng)度的提升，浸漬剝離長度的降低。但是，過高的熱壓溫度會造成膠層脆化[22-23]，板坯內(nèi)部的水分不能及時排出，可能引起板材鼓泡而影響板材性能。綜上所述，熱壓溫度應(yīng)選擇135 ℃為宜。

熱壓壓力對翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離性能的影響如圖4所示。由圖可知，隨著熱壓壓力的增高，浸漬剝離長度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。熱壓壓力不足時，大豆蛋白膠黏劑中分子鏈之間的纏結(jié)作用未被破壞，只有小分子量的膠黏劑分子可以穿透木材纖維結(jié)構(gòu)中的空隙，大部分的膠黏劑分子只是存在于兩板面之間，使得膠合強(qiáng)度不高。在0.8～1.0 MPa范圍內(nèi)，熱壓壓力的增高使得膠黏劑在壓力作用下產(chǎn)生流動，進(jìn)入板材空隙中，從而與板材形成更多的膠合作用，既有利于膠黏劑的浸潤，使膠層更加均勻與致密，也使得被膠合的表面盡量靠緊。在1.0～1.2 MPa范圍內(nèi)，浸漬剝離長度增加，可能是因為隨著熱壓壓力的增大，滲透到板坯中的膠黏劑增多，而水分難以排出，在板坯內(nèi)部容易形成過飽和蒸汽[24]，在卸板時，對板坯膠合強(qiáng)度造成不良的影響。因此，單從提高翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離性能角度，熱壓壓力應(yīng)選擇1.0 MPa。但熱壓壓力達(dá)到1.2 MPa時，翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度有較大提升，浸漬剝離長度雖略有增大卻還是遠(yuǎn)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，因此，從提高翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度及綜合性能角度，熱壓壓力應(yīng)選擇1.2 MPa。

在熱壓過程中，板坯內(nèi)水分會不斷蒸發(fā)，膠黏劑分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促使膠層固化。在熱壓時間較短時，膠黏劑體系分子間化學(xué)反應(yīng)發(fā)生不充分，從而導(dǎo)致膠合強(qiáng)度較低。由圖4可知，隨著熱壓時間的延長，浸漬剝離長度逐漸減少。當(dāng)熱壓時間達(dá)到4 min時，浸漬剝離長度達(dá)到最小值，但繼續(xù)增大熱壓時間，其浸漬剝離長度呈現(xiàn)上升趨勢。這可能是因為隨著熱壓時間的延長，大豆蛋白膠黏劑將會過分固化，膠合層變脆，纖維本身性能也下降，從而降低了膠合性能[25-26]，浸漬剝離長度反而增大。因此，從提高翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離性能角度，熱壓時間應(yīng)選擇4 min。

圖4 各因素對翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離長度的影響Fig.4 Influence of various factors on impregnation stripping length of Z. insignis-core blockboard

3 結(jié)論

本研究以10 年生翅莢木人工林木材為芯層原料，分析了熱壓溫度、熱壓壓力、熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板性能的影響，優(yōu)化了翅莢木芯細(xì)木工板熱壓工藝參數(shù)，主要結(jié)論如下：

1）熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響程度從高到低依次為熱壓溫度＞熱壓時間＞熱壓壓力。在本試驗因素水平內(nèi)，熱壓溫度和熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響極其顯著，熱壓壓力對翅莢木芯細(xì)木工板含水率的影響較顯著。

2）熱壓工藝因素對翅莢木芯細(xì)木工板密度、橫向靜曲強(qiáng)度、浸漬剝離性能的影響程度從高到低依次為熱壓溫度＞熱壓壓力＞熱壓時間。但在本試驗因素水平內(nèi)，熱壓溫度對翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度的影響為一般顯著，對翅莢木芯細(xì)木工板浸漬剝離性能的影響較顯著；熱壓壓力和熱壓時間對翅莢木芯細(xì)木工板橫向靜曲強(qiáng)度和浸漬剝離性能的影響均不顯著。

3）翅莢木芯細(xì)木工板的優(yōu)化熱壓工藝參數(shù)為：熱壓溫度135 ℃，熱壓壓力1.2 MPa，熱壓時間3 min，該熱壓工藝條件下所制備的翅莢木芯細(xì)木工板含水率9.87%、密度0.517 g/cm3、橫向靜曲強(qiáng)度60.923 MPa、浸漬剝離長度8.21 mm。性能均明顯優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，說明翅莢木適用于作為細(xì)木工板原料，研究結(jié)果將為翅莢木芯細(xì)木工板的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。