熱壓工藝對(duì)密實(shí)型杉木單板層積材力學(xué)性能的影響

于 利，姚遲強(qiáng)，余肖紅，李延軍，劉紅征,3*

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 311300; 2. 浙江升華云峰新材股份有限公司，浙江 湖州 313200；3. 浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251）

隨著世界范圍內(nèi)天然林資源的枯竭和國(guó)家天然林保護(hù)工程的實(shí)施，我國(guó)木材資源供求的矛盾日益緊張，人工林速生材已成為我國(guó)木材工業(yè)的主要原料，是解決我國(guó)木材供需緊張矛盾的重要途徑。杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國(guó)南方資源最豐富的木材樹種之一，樹干通直、高大，木材紋理直、材質(zhì)輕軟、結(jié)構(gòu)細(xì)致、不易開裂[1]。然而與天然林杉木相比，人工林杉木存在一些材質(zhì)缺陷，如密度小、強(qiáng)度低、耐久性能差等，使其工業(yè)化應(yīng)用受到限制。因此，人工林杉木的功能性改良，是提高其利用價(jià)值的重要手段。近年來的研究成果已證實(shí)，密實(shí)化是一種有效的人工林木材改性方法。

密實(shí)型單板層積材是在人工林木材密實(shí)化的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種結(jié)構(gòu)用人造板。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究表明通過低分子量PF、MF樹脂浸膠方式生產(chǎn)的密實(shí)型強(qiáng)化單板層積材，其密度、表面硬度、彈性模量都較普通單板層積材有大幅提高[2～5]。因此，通過密實(shí)化技術(shù)生產(chǎn)強(qiáng)度高性能好的強(qiáng)化單板層積材，對(duì)提高人工林木材的應(yīng)用領(lǐng)域和附加值，減少人們對(duì)天然林優(yōu)質(zhì)木材的依賴和過度采伐，緩解木材資源危機(jī)，促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重大意義。本研究以杉木單板為原料，采用低分子量酚醛樹脂浸漬的方法生產(chǎn)密實(shí)型單板層積材，介紹了密實(shí)型杉木單板層積材的生產(chǎn)技術(shù)，旨在開發(fā)一種滿足工程建筑、交通及家具等領(lǐng)域使用的結(jié)構(gòu)用密實(shí)型強(qiáng)化單板層積材。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 杉木單板 速生杉木單板，采自浙江江山，單板平均厚度2 mm，含水率約10%。

1.1.2 酚醛樹脂 本實(shí)驗(yàn)所用的水溶性低分子量酚醛樹脂是上海高橋化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的工業(yè)苯酚和衢州化工集團(tuán)生產(chǎn)的工業(yè)甲醛（36.9%），在氫氧化鈉（分析純）作用下以采用摩爾比為1:2:0.05、三聚氰胺的加入量為苯酚量的20%的條件下進(jìn)行合成。樹脂性能指標(biāo)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14074-2006進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1。

表1 自制PF樹脂的各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Performances of laboratory prepared PF adhesives

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

XLB-D1000KN平板熱壓機(jī)、MWD-50微機(jī)控制電子式木材萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)、ZB-TL-72恒溫干燥箱、101-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱、高精度木工圓鋸機(jī)、涂-4杯粘度計(jì)、JA2003電子天平等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程 將改性的水溶性低分子量酚醛樹脂調(diào)制成30%濃度的樹脂液。將裁剪好的杉木單板放置在浸漬設(shè)備中進(jìn)行真空加壓浸注保壓20 min。加壓浸漬后，放入在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中按試驗(yàn)設(shè)定的溫度干燥至8% ～ 12%。干燥后放入熱壓機(jī)中熱壓，熱壓工藝參數(shù)按照試驗(yàn)設(shè)定選取。壓制成的單板層積材放置在濕度（65±5）%，溫度（20±2）℃調(diào)溫調(diào)濕箱中處理至恒重。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)探討干燥溫度（A）、壓縮率（B）、熱壓溫度（C）和熱壓時(shí)間（D）對(duì)板材物理力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)因素與水平如表 2。每一組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Experiment factors and levels

2 結(jié)果與分析

按照 GB/T17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和GB/T 20241-2006《單板層積材》標(biāo)準(zhǔn)，主要對(duì)板材的密度、彈性模量（MOE）和靜曲強(qiáng)度（MOR）指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果見表3，數(shù)據(jù)處理極差分析見表4。

表3 單板層積材各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 3 Performances of LVL

2.1 干燥溫度對(duì)板材MOE、MOR的影響

由表4可知，隨著干燥溫度的升高，MOE和MOR都呈先升高后降低的趨勢(shì)。干燥溫度過高和過低都會(huì)對(duì)板材性能造成不良影響，當(dāng)干燥溫度低于 60℃時(shí)，MOE、MOR隨著熱壓溫度的升高均有不同程度的提高。干燥溫度升高到70℃時(shí)，MOE和MOR反而降低，是由于隨著干燥溫度的上升，樹脂預(yù)固化程度加劇產(chǎn)生的負(fù)面影響[6]。

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Table 4 Range analysis of the orthogonal test results

2.2 壓縮率對(duì)MOE、MOR的影響

由表4可知，在各影響因素中，壓縮率對(duì)MOE和MOR的影響最大。MOE和MOR都隨壓縮率的增大而增大。壓縮率越大，板材被壓得越密實(shí)，木材本身經(jīng)過壓縮后其力學(xué)強(qiáng)度也會(huì)增加，抵抗外部壓力的能力越強(qiáng)，MOE和MOR得以增加。另外，膠液在壓力的作用下部分滲透或擴(kuò)散到導(dǎo)管、木質(zhì)纖維和管胞中，使木材和膠液形成一個(gè)有機(jī)整體，也有助于MOE和MOR的提高[7～8]。

2.3 熱壓溫度對(duì)MOE、MOR的影響

由表4可以看出，在160℃時(shí)MOE、MOR達(dá)到最大，分別為10507 MPa、96.32 MPa。熱壓溫度過高和過低都會(huì)對(duì)LVL造成不良影響，當(dāng)熱壓溫度小于160℃時(shí)，MOE、MOR隨著熱壓溫度的升高均有不同程度的提高，熱壓溫度超過160℃后，MOE、MOR隨熱壓溫度的升高反而降低。對(duì)于樹脂浸漬的單板而言，熱壓過程中除了單板之間的膠層固化外，單板內(nèi)部的樹脂也會(huì)固化，熱壓溫度越高，芯層單板樹脂固化程度越好，產(chǎn)品的性能越高。由于板材是通過“熱進(jìn)冷出”工藝制得，熱壓溫度越高，升溫和冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低，生產(chǎn)成本提高。在對(duì)產(chǎn)品沒有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，以145℃為宜。

2.4 熱壓時(shí)間對(duì)MOE、MOR的影響

由表4可知，熱壓時(shí)間對(duì)板材性能的影響在各影響因素中是最小的。隨著熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，膠粘劑能更充分固化，單板之間膠合強(qiáng)度更好，因而有利于MOE和MOR的增加。在熱壓時(shí)間為1.0 min/mm（即24 min）時(shí)，MOE和MOR都達(dá)到最大，分別為10837 MPa、97.78 MPa。但熱壓時(shí)間過長(zhǎng)，酚醛樹脂會(huì)出現(xiàn)過固化或表層單板炭化現(xiàn)象從而降低板材的性能。

綜上所述，通過正交試驗(yàn)分析，4個(gè)影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響依次為：壓縮率＞干燥溫度＞熱壓溫度＞熱壓時(shí)間。雖然熱壓試驗(yàn)的最佳工藝為A2B3C3D2，但考慮到生產(chǎn)周期、生產(chǎn)能耗以及制造工藝，選擇A2B3C1D2的熱壓工藝（干燥溫度60℃、壓縮率35%、熱壓溫度145℃、熱壓時(shí)間1.0 min/mm）更為合適。在此熱壓工藝下壓制的板材MOE（12355 MPa）和MOR（119.48 MPa），分別達(dá)到了GB/T 20241-200《單板層積材》120E級(jí)和180E優(yōu)級(jí)。比普通杉木單板層積材[7]的MOE（9387MPa）、MOR（78.20MPa）分別提高了31.6%和52.8%，力學(xué)性能得到顯著提高。

3 結(jié)論

（1）在選定的水平范圍內(nèi)，壓縮率對(duì)層積材力學(xué)性能影響最大，其次是干燥溫度、熱壓溫度和熱壓時(shí)間。隨著壓縮率和熱壓溫度的提高，板材的MOE、MOR都有不同程度的提高；隨著干燥溫度的提升和熱壓時(shí)間的延長(zhǎng)，板材的MOE、MOR都呈先增大后減小的趨勢(shì)。

（2）綜合考慮，確定密實(shí)型杉木單板層積材的最佳熱壓工藝為：干燥溫度 60℃、壓縮率 35%、熱壓溫度145℃、熱壓時(shí)間1.0 min/mm。在此熱壓工藝條件下制得的板材，其MOE和MOR分別達(dá)到了GB/T 20241-2006《單板層積材》120E級(jí)和180E優(yōu)級(jí)。

（3）與普通杉木單板層積材相比，密實(shí)化處理后板材的性能顯著提高，可以用于建筑和木結(jié)構(gòu)房屋等領(lǐng)域的使用，具有良好的發(fā)展前景。

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