制備工藝對大豆膠楊木刨花板性能的影響

桂成勝，石結(jié)舟，劉小青，朱 錦，張忠濤

（1.寧波中科朝露新材料有限公司，浙江 寧波 315040；2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315200；3.國家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010）

制備工藝對大豆膠楊木刨花板性能的影響

桂成勝1,2，石結(jié)舟1，劉小青2，朱 錦2，張忠濤3

（1.寧波中科朝露新材料有限公司，浙江 寧波 315040；2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315200；3.國家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院，北京 100010）

研究了刨花板密度、表層施膠量、熱壓溫度、熱壓時間和防水劑用量等參數(shù)對大豆膠楊木刨花板各項性能的影響。結(jié)果表明，大豆膠楊木刨花板的力學(xué)強度隨密度的增加而增大；隨表層施膠量的增大，力學(xué)強度呈增大趨勢；隨熱壓溫度的升高和熱壓時間的延長，刨花板的性能也得到加強。綜合各項因素認為，表層施膠量應(yīng)不小于12%，相對最佳的熱壓溫度和時間分別為200 ℃和3.5 min，防水劑的加入顯著降低了2 h吸水厚度的膨脹率，加入量以0.4%為相對最佳。

刨花板密度；施膠量；防水劑；制備工藝

目前，我國刨花板生產(chǎn)大多采用脲醛樹脂膠（UF）。雖然UF具有制造成本較低、色澤較低以及粘接強度較高等優(yōu)點，但是其在制膠和制板過程中，以及人造板長期使用過程中都會持續(xù)釋放甲醛類有害物質(zhì)[1，2]。因此，研究環(huán)境友好型大豆膠在刨花板中的應(yīng)用具有重要的生態(tài)效益和環(huán)保意義。

無醛大豆膠自2005年被Columbia Forest Products公司用于制備Purebond?膠合板以來，已經(jīng)在北美洲得到大量應(yīng)用[3]。隨著Oregon State University的Li Kaichang課題組、美國的Forest Products Laboratory、Solenis公司的持續(xù)研發(fā)，應(yīng)用于膠合板工業(yè)的大豆膠產(chǎn)品不斷更新迭代，無醛大豆膠在中國也得到多家企業(yè)的大量使用，但其應(yīng)用僅限在膠合板和多層地板基材領(lǐng)域。目前，無醛大豆膠應(yīng)用于刨花板僅有少量專利和文獻報道，尚無相關(guān)刨花板產(chǎn)品問世。

綜觀國內(nèi)外，大豆膠之所以難于突破在刨花板中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于其成品黏度較大、固含量較低，從而導(dǎo)致其施膠困難[1]。本研究提出了新的施膠方式，將大豆膠分成2組分施膠，解決了大豆膠施膠難的問題。同時研究了大豆膠應(yīng)用于制備刨花板的工藝參數(shù)，為大豆膠制備刨花板的工業(yè)化應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

脫脂大豆粉（粗蛋白含量為53%），廣州海莎生物科技有限公司；納米蒙脫土，浙江豐虹新材料股份有限公司；山梨酸鉀，寧波景舜生物科技有限公司；豆膠改性劑水溶液（可根據(jù)需要調(diào)整含水量），自制；楊木刨花，新疆白樺林原生態(tài)板業(yè)科技有限公司。

1.2 測試儀器

SFY-20A型鹵素快速水分測定儀，深圳冠亞電子科技有限公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，寧波市鄞州賽茵儀器有限公司；MWD-10型微機控制人造板萬能試驗機，濟南匯科測試儀器有限公司；HH-42型數(shù)顯恒溫磁力攪拌循環(huán)水箱，常州國華電器有限公司。

1.3 刨花板制備

將脫脂大豆粉與納米蒙脫土、山梨酸鉀混勻作為大豆膠的A組分，大豆膠改性劑水溶液作為B組分。刨花使用前置于鼓風(fēng)干燥箱中烘干至含水率為2.5%～3.0%。將刨花、A組分置于高速攪拌機內(nèi)，攪拌的同時快速滴加B組分進行施膠，攪拌機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，攪拌時間為60 s。將施膠后的表芯層刨花手工鋪裝，置于平板硫化機中熱壓，制得樣板尺寸為400 mm×400 mm×16 mm；熱壓時高壓3 MPa、排汽壓力1 MPa。本研究中，施膠量均以干重計，芯層施膠量均設(shè)定為8%。

1.4 性能檢測

（1）刨花含水率：按照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用鹵素快速水分測定儀進行測定。

（2）靜曲強度、彈性模量和內(nèi)結(jié)合強度：按照GB/T 4897—2003《刨花板》標(biāo)準(zhǔn)，采用微機控制人造板萬能試驗機進行測定（測靜曲強度和彈性模量樣品的尺寸為370 mm×50 mm、測內(nèi)結(jié)合強度的樣品尺寸為50 mm×50 mm）。

（3）2 h吸水厚度膨脹率：采用數(shù)顯恒溫磁力攪拌循環(huán)水箱進行測定（樣品尺寸為50 mm×50 mm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度對刨花板性能的影響

密度是影響刨花板性能的重要因素，對刨花板的物理力學(xué)性能、應(yīng)用范圍和成本具有直接的影響。報道顯示[4]，刨花板密度每提高100 kg/m3，靜曲強度（MOR）提高8 MPa，內(nèi)結(jié)合強度提高0.2 MPa，彈性模量、握釘力、硬度也明顯提升。然而密度大則成本提高，實際生產(chǎn)中，在保持高強度的同時應(yīng)盡量降低刨花板的密度。本實驗設(shè)定表層施膠量為13%，施膠后表層含水率為18%、芯層含水率為15%，210 ℃高壓3.5 min、排汽1 min。圖1結(jié)果顯示，當(dāng)密度為600 kg/m3時，彈性模量為1 960 MPa，靜曲強度僅為12.00 MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著密度加大，靜曲強度和彈性模量均呈上升趨勢。當(dāng)密度提高至660 kg/m3時，彈性模量達2 828 MPa，靜曲強度達到15.84 MPa。后續(xù)實驗中，設(shè)定刨花板密度為660 kg/m3左右。雖然2 h吸水厚度膨脹率隨著密度的增大呈下降趨勢，但由于未加防水劑，本實驗中的2 h吸水厚度膨脹率均大于8%。

圖1 密度對大豆膠楊木刨花板性能的影響Fig.1 Effects of density on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

2.2 表層施膠量對刨花板性能的影響

在刨花板工業(yè)中，施膠方法和膠粘劑的用量是直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和成本的主要因素[5]。本試驗設(shè)定表層施膠后含水率為18%、芯層施膠后含水率為15%，根據(jù)前期實驗經(jīng)驗，調(diào)整表層施膠量為9%、10%、11%、12%、13%。由圖2可以看出，隨著施膠量的增大，刨花板的彈性模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度均呈上升趨勢，其原因可能是隨著施膠量的提高，增加了與刨花膠合時所形成的交聯(lián)點，從而提高了彈性模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度[5]，而吸水厚度膨脹率呈降低趨勢。這是由于膠粘劑除了粘接刨花外，本身在刨花表面熱固化后形成嚴(yán)密的隔水層，施膠量越大，水分隔離越充分，吸水厚度膨脹率越低[6]。但是施膠量的大小直接影響大豆膠刨花板的成本，綜上分析可知，當(dāng)施膠量為12%時，刨花板的各項物理力學(xué)性能都已達到要求。大豆膠的施膠量比UF大，原因在于大豆膠中大豆蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量高達35 kDa，其粒徑約為50 μm，只有增大其施膠量才能保證與木材的接觸面積。

2.3 熱壓溫度對刨花板性能的影響

熱壓溫度不僅影響膠粘劑的固化，而且影響熱壓時間的長短[5]。本組實驗設(shè)定密度為660 kg/m3，表層施膠量為12%，熱壓時間為4 min，依次調(diào)整熱壓溫度為180、190、200、210 ℃。由圖3可知，隨著溫度的升高，彈性模量、靜曲強度、內(nèi)結(jié)合強度都呈增大趨勢。溫度升高有利于熱量的傳導(dǎo)，使膠粘劑固化更充分從而提高了各項物理力學(xué)性能[7]。而吸水厚度膨脹率隨溫度的升高變化不明顯，都不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。合理的熱壓溫度可以使膠粘劑的固化良好，板坯水分蒸發(fā)適宜，從而使刨花板獲得良好的物理力學(xué)性能，優(yōu)選200 ℃作為制造大豆膠刨花板的熱壓溫度。

圖2 表層施膠量對大豆膠楊木刨花板性能的影響Fig.2 Effects of adhesive consuption on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

圖3 熱壓溫度對大豆膠楊木刨花板性能的影響Fig.3 Effects of hot press temperature on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

2.4 熱壓時間對刨花板性能的影響

本組實驗依次設(shè)定熱壓時間為3、3.5、4、4.5 min。由圖4分析可知，當(dāng)熱壓時間為3.5 min時，刨花板的物理力學(xué)性能已經(jīng)滿足國標(biāo)要求，再延長熱壓時間已意義不大，而且在實際生產(chǎn)中延長熱壓時間會減少刨花板的產(chǎn)量，不利于生產(chǎn)。所以，優(yōu)選大豆膠制備刨花板的熱壓時間為3.5 min。

圖4 熱壓時間對大豆膠楊木刨花板性能的影響Fig.4 Effects of hot press time on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

2.5 防水劑用量對刨花板防水性能的影響

豆膠的耐水性較差，因此在施膠時須加入一定量的防水劑。本實驗中，防水劑的加入使刨花板的2 h吸水厚度膨脹率小于8%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對彈性模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度影響不大。由圖5可知，加入防水劑后大幅降低了大豆膠刨花板的吸水厚度膨脹率，使其由14%左右降低至小于8%。但防水劑加入量不易過多，否則影響其彈性模量、靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度，因此，優(yōu)選防水劑用量為0.4%。

3 結(jié)論

（1）刨花板的密度越大則強度越高。

（2）表層施膠量應(yīng)不小于12%。

（3）最佳熱壓溫度為200℃、熱壓時間為3.5 min。

（4）防水劑的加入顯著降低了2 h吸水厚度膨脹率，加入量以0.4%為相對最佳。

圖5 防水劑用量對2 h吸水厚度膨脹率的影響Fig.5 Effects of water-proofing amount dosage on 2 h thickness swelling

[1]王曉輝.環(huán)保阻燃型刨花板的工藝技術(shù)研究及效益分析[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2006.

[2]桂成勝,朱錦,劉小青.大豆基木材膠粘劑的研究進展[J].粘接,2010,31(4):67-71.

[3]SOYAD? ADHESIVE TECHNOLOGY.http://solenis. com/en/industries/specialties-wood-adhesives/ innovations/soyad-adhesive-technology/

[4]鄭鳳山,李巖.刨花板生產(chǎn)熱壓工藝[J].中國人造板,2011,18(7):17-21.

[5]袁少飛.豆膠楊木刨花板的工藝及特性研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2008.

[6]趙林波,陸仁書,王逢瑚.異氰酸酯膠稻殼板物理力學(xué)性能的影響因素分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,29(1):79-81.

[7]張亞慧,祝榮先,于文吉.改性豆基蛋白膠楊木刨花板的制造工藝[J].木材工業(yè),2010,24(3):4-6.

Influence of preparing parameters on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesives

GUI Cheng-sheng1,2, SHI Jie-zhou1, LIU Xiao-qing2, ZHU Jin2, ZHANG Zhong-tao3
(1.Ningbo Zhaolu&CAS New Material Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315040, China; 2.Ningbo Institute of Materials Technology&Engineering,Chinese Academy of Science, Ningbo, Zhejiang 315200, China; 3.Planning and Design Institute of Forest Products Industry, State Forestry Administration, Beijing 100010, China)

The effects of the density，adhesive consumption，hot press temperature，hot press time and waterproofing agent amount on the performance of the poplar particleboard bonded with the soy-based adhesive were investigated. The results showed that the mechanical strength of the poplar particleboard bonded with the soy-based adhesive was increased with increasing its density. The mechanical strength was also increased with increasing the adhesive consumption and extensing the hot press temperature and hot press time .The optimum hot press temperature and hot press time were 210℃ and 3.5 min, respectively. The 2 h thickness swelling can not meet the requirements of users without adding water-proofing agent. The 2 h thickness swelling was reduced significantly by adding water-proofing agent and its adding amount of 0.4% was relatively

particleboard; adhesive consumption; water-proofing; preparation parameter

TQ432.7+3

A

1001-5922（2016）09-0043-04

2016-05-20

桂成勝（1988-），男，博士。研究方向：生物基無醛膠粘劑。E-mail：gcs19882006@126.com。

木竹產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（課題號：TIAWBI2015-01大豆膠制備刨花板關(guān)鍵技術(shù)研究），林業(yè)科技成果國家級推廣項目（資助號[2016]-26大豆膠刨花板應(yīng)用示范推廣）。