酚醛樹脂改性對鋁木復合材料性能的影響

李江曉，陳廣輝，王金林，楊亞峰，武 軻，楊紅旗*

（1. 河南農業大學，河南 鄭州 450002；2. 中國林業科學研究 木材工業研究所，中國 北京 100091）

酚醛樹脂改性對鋁木復合材料性能的影響

李江曉1，陳廣輝1，王金林2，楊亞峰1，武 軻1，楊紅旗1*

（1. 河南農業大學，河南 鄭州 450002；2. 中國林業科學研究 木材工業研究所，中國 北京 100091）

對采用聚乙酸乙烯酯乳液與偶聯劑改性酚醛樹脂制備鋁木復合材料性能的影響進行研究。結果表明：改性酚醛樹脂膠粘劑制備復合材料表面膠合強度大于酚醛樹脂膠粘劑，膠合強度都超過 1.0 MPa，以楊木單板為基材不同混合比例之間表面膠合強度差異性極顯著，但以中密度纖維板為基材不同混合比例之間表面膠合強度差異性不顯著，隨著聚乙酸乙烯酯乳液比例的增加，浸漬剝離性能降低，聚乙酸乙烯酯乳液與酚醛樹脂最佳混合比為1：2；偶聯劑的添加提高了復合材料的表面膠合強度，兩者差異極顯著，但偶聯劑的加入對靜曲強度和彈性模量影響較小，影響不顯著。

鋁木復合材料；酚醛樹脂；聚乙酸乙烯脂乳液；偶聯劑；鋁箔

木質人造板是貼面家具和裝飾材料的常用基礎材料。在木質人造板表面覆貼一層鋁箔，不僅可以提高靜曲強度、彈性模量、抗沖擊性能，而且具有美觀、防水、易清洗等優點，是木質人造板的精深加工產品[1~2]。但木質人造板和鋁箔是兩種不同性質的材料，其線性膨脹系數相差較大，復合貼面時需采用韌性膠粘劑。鋁材表面存在著弱邊界層，采用機械和化學的方法對其進行表面處理，可獲得良好的膠接表面[3~4]。酚醛樹脂膠粘劑粘接強度高，價格低廉，但是酚醛樹脂脆性大，韌性差，常與熱塑性樹脂配合，形成合金膠粘劑或結構膠粘劑來改善其性能[5~11]；采用偶聯劑與樹脂共混改性，可提高膠接性能[12~13]。本文以不同比例的聚乙酸乙烯酯乳液（PVAc）改性酚醛樹脂膠和硅烷偶聯劑（KH-550）改性酚醛樹脂為膠粘劑，熱壓制作鋁箔貼面人造板[14~15]，研究不同混合比和偶聯劑改性酚醛樹脂對鋁箔貼面裝飾人造板性能的影響，為熱壓制備鋁箔貼面裝飾人造板制備提供理論依據和技術支持。

1 材料及方法

1.1 實驗材料與設備

實驗材料：鋁箔，規格為400 mm×400 mm×0.27 mm，北京興業鑫源金屬貿易公司；吉象中密度纖維板，規格為400 mm×400 mm×15 mm，北京歐美家園裝飾材料有限公司；楊木單板，規格為400 mm×400 mm×3 mm，佰沃生物質材料有限公司；水溶酚醛樹脂膠，固體含量48%，粘度100 mPa·s，PH值為10.9，北京太爾化工有限公司；聚乙酸乙烯酯乳液（PVAc），固體含量43%，pH值為6.1，鄭州華寶爾工貿有限公司；偶聯劑（KH-550），上海華潤化工公司。

實驗設備：JJ-1A型精密定時電動攪拌器、電子天平（精確到0.01g）、電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9053A型），自制熱壓機（400mm×400mm）、HH-4型數顯恒溫水浴鍋、RGT-20A型電子萬能力學實驗機。

1.2 實驗方法

基材表面處理：中密度纖維板用120目砂紙打磨，用脫脂棉擦凈，風凈，備用；楊木單板用120目砂紙稍微打磨，風凈，備用；鋁箔用120目砂紙打磨，然后用脫脂液脫脂，純凈水沖洗，在50℃對流干燥箱中烘干，備用。

膠粘劑準備：稱取定量聚乙酸乙烯酯乳液加入到燒杯中，開動電動攪拌器；量取定量純凈水加入燒杯中，直至乳液完全分散均勻；量取定量酚醛樹脂，緩慢加入到燒杯中，隨著粘度的增大，逐漸增大攪拌速度，直至酚醛樹脂分散均勻，靜止消泡。

酚醛樹脂和聚乙酸乙烯酯乳液混合比設5種配比，分別為 2：1，1.5：1，1：1，1：1.5，1：2，膠粘劑配置見表 1。偶聯劑采用摻混法加入到酚醛樹脂中，偶聯劑的加入量為酚醛樹脂固含量的2%。

熱壓工藝：熱壓工藝采用“熱進熱出、分段降壓”工藝，熱壓工藝參數為：熱壓溫度140℃，熱壓時間9 min，熱壓壓力0.6 MPa，施膠量200 g/m2（單面施膠量為100 g/m2）[16]。

表1 聚乙酸乙烯酯乳液改性酚醛樹脂膠粘劑不同配比Table 1 Modification of PF with PVAc

試件結構：中密度纖維板兩面貼鋁箔；楊木單板為5層，紋理縱橫交錯排列，兩面貼鋁箔。

1.3 性能測試

性能測試按照GB/T 17657-1999《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》和LY/T 1983-2011《金屬（銅箔、鋁箔）飾面人造板》要求，用RGT-20A型電子萬能力學實驗機對表面膠合強度（Surface Bonding Strength）、靜曲強度（Modulus of Rupture，MOR）、彈性模量（Modulus of Elasticity，MOE）進行檢測，用HH-4型數顯恒溫水浴鍋對試件浸漬剝離性能進行檢測。

2 結果與分析

2.1 不同混合比對復合材料性能的影響

2.1.1 不同混合比對表面膠合強度的影響 酚醛樹脂與聚乙酸乙烯酯乳液不同混合比表面膠合強度測試結果見表2。

表2 不同混合比表面膠合強度Table 2 Surface bonding strength with different ratio of adhesive

實驗結果表明：酚醛樹脂與乙酸乙烯酯乳液不同混合后試件表面強度均大于純酚醛樹脂試件，且都大于1MPa，超過LY/T 1983-2011《金屬（銅箔、鋁箔）飾面人造板》標準要求（≥1.0 MPa）。隨著混合比的增加，表面膠合強度先降再升再降，兩種貼面的變化趨勢相同。以楊木單板（DC）為基材，表面膠合強度最高的混合比例為2：1；以中密度纖維板（MC）為基材，表面膠合強度最高的混合比例為1：1。酚醛樹脂含量高時，木破率高，隨著聚乙酸乙烯酯乳液含量的增加，木破率降低。

酚醛樹脂與聚乙酸乙烯酯乳液不同混合比表面膠合強度方差分析結果見表3。

表3 不同混合比表面膠合強度方差分析Table 3 ANOVA on surface bonding strength with different ratio of adhesive

方差分析結果表明：以楊木單板為基材不同混合比例之間表面膠合強度差異性極顯著，但以中密度纖維板為基材不同混合比例之間表面膠合強度差異性不顯著。

2.1.2 不同混合比對浸漬剝離性能的影響 由于中密度纖維板耐水性能較差，無法進行I類和Ⅱ類浸漬剝離實驗，因此，本研究僅對楊木單板為基材的試件進行I類浸漬剝離性能測試。浸漬剝離性能試驗結果如表4。

由表4表明：前三種混合比鋁箔和單板沒有出現分層現象，而后兩種混合比鋁箔和單板剝離長度逐漸增加。當酚醛樹脂與聚乙酸乙烯酯乳液混合比大于1時，試件耐沸水性能較好；當混合比小于1時，試件耐沸水性能逐漸變差。酚醛樹脂本身具有優良的耐沸水性能，酚醛樹脂含量高時，酚醛樹脂與聚乙酸乙烯酯乳液羥基縮合，形成交聯網絡，剩余吸水性的羥基基團消失或變少，耐水性較好。當酚醛樹脂含量低時，酚醛樹脂雖然與聚乙酸乙烯酯乳液羥基縮合，但由于聚乙酸乙烯酯乳液中保護膠體聚乙烯醇含有大量羥基，膠粘劑固化后仍存在大量吸水性強的羥基基團，造成耐水性變差。

表4 不同混合比對浸漬剝離性能的影響Table 4 Effect of different ratio of adhesive on delamination

2.2 偶聯劑對復合材料性能的影響

偶聯劑對復合材料性能的影響結果見表 5，方差分析結果見表6。

2.2.1 偶聯劑對表面膠合強度的影響 由表5可知：偶聯劑的加入提高了鋁箔和中密度纖維板的表面膠合強度，其表面膠合強度達到1.0 MPa，木破率也由85%提高到100%。這是由于偶聯劑加入到酚醛樹脂中后，偶聯劑水解后，其含有的環氧基官能團與酚醛樹脂的羥甲基或酚羥基反應，硅醇基可與鋁箔表面的氧化形成配位鍵，因此提高了表面膠合強度。

表6 偶聯劑對復合材料性能影響的方差分析Table 6 ANOVA on Effect of coupling agent on performance of the product

方差分析結果表明：偶聯劑的加入對表面膠合強度影響較大，差異極顯著。

2.2.2 偶聯劑對靜曲強度和彈性模量的影響 酚醛樹脂中偶聯劑的添加，對復合材料的靜曲強度影響很小，彈性模量相差約2%，基本上可以忽略不計。方差分析結果也表明：偶聯劑的加入，對靜曲強度和彈性模量影響不顯著。

3 結果與討論

（1）不同混合比改性酚醛樹脂表面膠合強度都超過1.0 MPa，優于酚醛樹脂。混合比對以楊木單板為基材的復合材料的表面膠合強度影響極顯著，對以中密度纖維板為基材的表面膠合強度影響不顯著。隨著聚乙酸乙烯酯乳液比例的增加，浸漬剝離性能降低，聚乙酸乙烯酯乳液與酚醛樹脂最佳混合比為1：2。

（2）偶聯劑的添加提高了復合材料的表面膠合強度，表面膠合強度超過1.0 MPa，兩者差異極顯著。但偶聯劑的加入對靜曲強度和彈性模量影響較小，影響不顯著。

（3）通過添加聚乙酸乙烯酯乳液（混合比為1：2）和偶聯劑（樹脂固含量的2%）到酚醛樹脂中，產品性能指標均超過LY/T 1983-2011《金屬（銅箔、鋁箔）飾面人造板》要求，可獲得較好的產品質量。

[1] 楊紅旗，陳志林，王金林. 鋁木復合裝飾人造板的研究現狀與展望[J]. 木材工業，2011，25（3）：34－37.

[2] 周兆，曹建春，湯佩釗，等. 鋁箔覆面刨花板[J]. 木材工業，2000，14（1）：32－34.

[3] A. BALDAN. Review adhesively－bonded joints and repairs in metallic alloys, polymers and composite materials: Adhesives, adhesion theories and surface pretreatment[J]. J Mat Sci，2004（39）：1－49.

[4] Kollek H. Some aspects of chemistry in adhesion on anodized aluminum[J]. Int J Adhes，1985，5（2）：75－80.

[5] 徐溢，唐守淵，張曉鳳. 金屬表面硅烷試劑膜結構及性能表征方法[J]. 光譜學與光譜分析，2004，24（4）：495－498.

[6] 李春華，齊暑華，張劍，等. 酚醛樹脂的增韌改性研究進展[J]. 國外塑料，2006，26（4）：35－39.

[7] 陳平，張巖. 熱固性樹脂的增韌方法及其增韌機理[J]. 復合材料學報，1999，16（3）：19－22.

[8] 伊廷會. 高性能酚醛樹脂改性研究進展[J]. 化工進展，2001，20（9）：13－16.

[9] Cevdet Kaynak, Onur Cagatay. Rubber toughening of phenolic resin by using nitrile rubber and amino silane [J]. Polym Test，2006，25（3）：296－305.

[10] C P Reghunadhan Nair. Advances in addition-cure phenolic resins[J]. Prog Polym Sci，2004，29（5）：401－498.

[11] 張明珠，文志紅，楊德超，等. 聚乙酸乙烯酯乳液的改性研究[J]. 化學與粘合，2004，（4）：157－158.

[12] G W Critchlow, D M Brewis. Review of surface pretreatments for aluminium alloys[J]. Int J Adhes Adhes，1996（16）：255－275.

[13] 王雪明，李愛菊，李國麗，等. 硅烷偶聯劑在防腐涂層金屬預處理中的應用研究[J]. 材料科學與工程學報，2005，23（1）：146－150.

[14] 張玉龍. 粘接技術手冊[M]. 北京：中國輕工業出版社，2001.

[15] 李和平. 木材膠黏劑[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

[16] 楊紅旗，陳廣輝，王金林. PVAc改性酚醛樹脂制備鋁木復合材料研究[J]. 西北林學院學報，2013,28（3）:170-173.

Effect of Modified PF Adhesive on the Properties of Decorative Fiberboard with Aluminum Foils

LI Jiang-xiao1，CHEN Guang-hui1，WANG Jin-lin2，YANG Ya-feng1，WU Ke1， YANG Hong-qi1*
（1. Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Institute of Wood Industry, CAF, Beijing 100091, China ）

Tests were conducted on effect of modified PF adhesive by PVAc and coupling agent on the performance of aluminum/wood composite materials. The results showed that surface bonding strength of the products was more 1.0MPa. There was evident difference of bonding strength among products(poplar veneer with aluminum foils) with different ratio of adhesives, but no difference of that among products of MDF with aluminum foils. Increase of PVAc percent in adhesives had negative effect of delamination of the products. The tests resulted the optimal ratio of PVAc and PF of 1:2. Meantime, the tests also indicated that coupling agent could improve surface bonding strength, but had no evident effect on MOR and MOE.

aluminum/wood composite materials; PF; PVAc; coupling agent; aluminum foil

S785

A

1001-3776（2013）02-0015-04

2012-09-22；

2012-12-11

河南省教育廳科技攻關“鋁表面不同處理對鋁木復合板膠接強度影響研究”（12B430011）

李江曉（1978－），女，河南鞏義人，講師，碩士生，從事木材加工研究。*通訊作者