不同膠黏劑竹木復合電熱地板的基本特性

黃成建，包永潔，李 能，肖瑞崇，吳再興，陳玉和

（國家林業局竹子研究開發中心，浙江 杭州310012）

不同膠黏劑竹木復合電熱地板的基本特性

黃成建，包永潔，李 能，肖瑞崇，吳再興，陳玉和

（國家林業局竹子研究開發中心，浙江 杭州310012）

利用酚醛樹脂（PF），三聚氰胺改性脲醛樹脂（MUF），水性高分子異氰酸酯膠黏劑（API）和環氧樹脂（EP）等4種常用膠黏劑，制備竹木復合電熱地板材料，對比研究其基本物理力學性能與電熱特性。結果表明：PF竹木復合電熱地板材浸漬無剝離情況，靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）最高，分別為68.25 MPa和5 670.57 MPa；耐濕熱尺寸穩定性均符合標準；電阻值下降率最大，為50.77%；升降溫速度最快。API板材浸漬剝離強度不合格；MUF板材的MOR和MOE最低，分別為36.37 MPa和4 458.72 MPa；MUF與API板材耐濕/熱尺寸穩定性不合格；EP竹木復合電熱地板材電阻下降率最小，為26.66%；20 min為竹木復合電熱地板材的快速升降溫區間，PE板材的升溫速度最快，API板材的降溫速度最慢。利用酚醛樹脂制備竹木復合電熱地板是一種可行的途徑。圖6表1參15

木材科學與技術；膠黏劑；竹木復合；電熱地板；碳纖維

人類冬季供暖方式經歷了燃火取暖到現代的空調、地熱等發展歷程。傳統的采暖方式利用的是導熱和對流的原理，室內溫度的分布不能達到理想狀態，而地熱采暖采用的是熱輻射的原理，室內溫度由下至上逐步降低，讓人感覺很舒適［1－2］。地熱采暖技術早在20世紀20年代就開始應用，主要是以鋼管或者銅管為加熱管進行熱輻射供暖，但易腐蝕且成本高［1］，電纜、熱水逐步應用于地熱采暖后，鋼管或銅管易腐蝕的問題得到了很好的解決［3－5］。近年來，導電油墨［6］、碳纖維材料的快速發展和應用，使得地熱采暖取得了長足的發展，碳晶［7］和碳纖維與絕緣膜復合制成電熱膜片逐步應用于室內地熱采暖，電熱轉化效率較高，同時能夠輻射出有益人類身體健康的遠紅外線，具有保健殺菌的作用，但是由于與地板分開安裝，占用了居住空間，也在一定程度上增加了安裝成本。目前，采用短切碳纖維與植物纖維經造紙工藝制成的面狀碳纖維紙發熱材料［8－9］，厚度只有0.08 mm，可通過控制碳纖維的含量調控發熱功率，是一種理想的地熱采暖材料。碳纖維紙中大量的植物纖維與木竹材是同質材料，有利于與木竹材膠合，同時碳纖維紙通電電熱轉換效率達到97%［10］以上，比熱水采暖節能［11］，能夠輻射出有益人類身體健康的遠紅外線。因此，碳纖維紙在地熱采暖領域具有很大的應用前景，但是相關研究相對較少［12－13］，需要對竹木復合電熱地板進行系統的研究。本研究采用4種常用的不同類型膠黏劑，制備了4種不同的竹木復合電熱地板材料，通過對其基本的物理力學性能和電熱性能進行檢測分析，研究不同膠合體系在電熱采暖領域的適用性。

1 試驗材料

刨切竹單板，厚度為2 mm，購置于浙江某竹木業有限公司；地板基材，厚度為13 mm，購置于浙江某公司。

碳纖維紙（PAN基），厚度為0.02 mm，克質量40 g·m－2，方阻210 Ω·m－2，購于北京某特種材料公司。

酚醛樹脂膠黏劑（PF），黏度為77.5 mPa·s，固含量56.01%，購于太爾膠黏劑（廣東）有限公司；三聚氰胺改性脲醛樹脂 （MUF），粉狀固體，固化劑為粉紅色氨基樹脂固化劑，pH 1.5～3.5，購于太爾膠黏劑（上海）有限公司；水性高分子異氰酸酯膠黏劑（API），主劑為乳白色液體，pH 6.0～8.0，黏度為8 000～25 000 mPa·s（25℃），固化劑為異氰酸酯化合物，深棕色液體，pH 6.0～8.0，黏度為150～250 mPa·s，購于山東東營市盛基環保工程有限公司；環氧樹脂膠黏劑（EP），型號為E-44，環氧當量為210～250 g·eq－1，購于南通星辰合成材料有限公司；固化劑為酚醛胺 （室溫固化劑），紅棕色液體，胺值（KOH）為450～550 mg·g－1，購于南通星辰合成材料有限公司。

2 試驗方法

2.1 竹木復合電熱地板制備

刨切單板與地板基材鋸切成規格為400 mm×150 mm×15 mm的試樣，在地板基材兩端鉆出孔徑為7 mm的孔，放置調溫調濕箱內調整含水率約為7%后備用，碳纖維紙裁剪成幅面為380 mm×140 mm的試樣備用。如圖1所示：竹木復合電熱地板均采用面層為薄竹，背板為地板基材，芯層為導電發熱單元的結構進行壓貼復合。

對刨切單板試樣和地板基材試樣均采用單面手工施膠方法。PF添加體積分數為15%的填料（面粉），混合均勻后施膠，施膠量為150 g·m－2，施膠后開口陳放15～20 min，直接進行熱壓。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（135±5）℃，熱壓時間為1 min·mm－1。

圖1 竹木復合電熱地板結構示意圖Figure 1 Schematic of bamboo/wood composite electro-thermal plywood

MUF先進行膠液配制，將膠粉（4638），改性劑（5930）和水進行預混，m（4638膠粉）∶m（5930改性劑）∶m（水）=100∶25∶46，預混液與固化劑共混配置成膠液，配制比例為m（預混液）∶m（固化劑）=100∶12，配制完成后施膠，施膠量為200 g·m－2，施膠后開口陳放20～30 min。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（110±5）℃，熱壓時間為1 min·mm－1。

API按照m（主劑）∶m（固化劑）=100∶5的比例調制均勻成膠液后施膠，施膠量為200 g·m－2，熱施膠后開口陳放15～20 min。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（110±5）℃，熱壓時間為1 min·mm－1。

EP按照m（主劑）∶m（稀釋劑）∶m（固化劑）=100∶50∶30進行調膠，混合均勻后施膠，施膠量為150 g·m－2，施膠后開口陳放20～30 min。單位壓力為1.1 MPa，上下壓板溫度為（38±2）℃，熱壓時間為1 min·mm－1；制備后的板材放置48 h以上備用。

2.2 竹木復合電熱地板性能測試

2.2.1 物理力學性能 竹木復合電熱地板浸漬剝離強度、靜曲強度（MOR）和彈性模量（MOE）性能測試試樣制備和測試參考國家標準GB/T 18103－2013《實木復合地板》中的參數和方法進行。竹木復合電熱地板耐濕、耐熱尺寸穩定性測試試樣制備和測試參考林業行業標準LY/T 1700－2007《地采暖用木質地板》中的參數和方法進行。

2.2.2 電熱特性 測試碳纖維紙試樣的電阻R0和制備成的4種膠黏劑竹木復合電熱地板材的電阻R1，精確精確至0.01 kΩ，計算4種膠合體系下碳纖維紙的電阻下降率，按照下列公式計算，精確至0.01%：ΔR=［（R1－R0）/R0］×100。其中：ΔR為電阻下降率，%；R0為碳纖維紙試樣電阻，kΩ；R1為竹木復合電熱地板板材電阻，kΩ。對不同膠黏劑制成的竹木復合電熱地板進行通電，間隔20 min測試板材表面的溫度，分析竹木復合電熱地板的升溫特征；測試結束后斷開電源，間隔20 min測試板材表面溫度，分析竹木復合電熱地板的降溫特征。

3 結果與分析

3.1 物理力學性能

試驗通過測試浸漬剝離強度，分析4種膠黏劑的膠合性能。表1顯示出API制備的電熱地板材試樣的浸漬剝離強度均不合格，出現了較大的開裂情況。PF和MUF制備的板材試樣的膠合性能較為優秀，未出現剝離情況，PE和MUF黏度低，浸潤性與滲透性更好，與碳纖維紙的膠合更好一些，因此浸漬剝離強度比其他2種膠更好。EP制備的板材試樣出現少量剝離。API主劑黏度高，浸潤性相對較差一些，因此在浸漬過程中，水分會通過碳纖維紙內部纖維滲透到板材內部，使得API板材的浸漬剝離強度較低。

圖2是4種膠黏劑制備的電熱地板材MOR和MOE對比圖?？梢钥闯觯篜F制成的試樣MOR和MOE最高，分別為68.25 MPa和 5 670.57 MPa。API和 EP制成的試樣MOR和MOE較為接近，MUF制成的試樣MOR和MOE最低，分別為 36.37 MPa和4 458.72 MPa。

根據標準要求，實木復合地板耐熱尺寸變化率長度標準值為0.30%，寬度標準值為0.40%，耐濕尺寸變化率長度標準值為0.20%，寬度標準值為0.30%。圖3中所示的耐熱尺寸變化率，長度方向上MUF地板材超出標準值，達到0.32%，其他3種地板材變化率均合格，其中API地板材變化率最低，為0.18%，因此可以看出：三聚氰胺改性脲醛樹脂用在電熱地板上時需要對其耐熱性進行進一步改進。在寬度方向上4種地板材的變化率均符合標準，PF地板材變化率最低，為0.24%，EP地板材變化率為0.34%要高于其他3種地板材。在圖4顯示的耐濕尺寸變化率上，API地板材長度變化率為0.25%，超出標準要求，其他3種板材變化率均符合標準要求，API主劑的黏度較高，浸潤性相對其他3種膠較弱，水分子易通過碳纖維紙內部纖維滲透到板材內部，導致長度尺寸變化大。4種地板材寬度上變化率均符合標準要求值0.30%。

表1 不同膠黏劑竹木復合電熱地板的浸漬剝離試驗結果Table 1 Results of glue bond tests for bamboo/wood composite electrothermal plywood made of different adhesives

圖2 不同膠黏劑竹木復合電熱地板的靜曲強度和彈性模量Figure 2 MOR and MOE of bamboo/wood composite electrothermal plywood made of different adhesives

圖3 不同膠黏劑竹木復合電熱地板耐熱尺寸穩定性Figure 3 Heat-resistant dimensional stability of bamboo/ wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

3.2 電熱特性

對4種膠黏劑制備的電熱地板材料的電阻下降率和升降溫特性研究發現：膠黏劑對竹木電熱地板材料的電學特性有一定的影響。在制備電熱地板材料之前：碳纖維紙的電阻均為0.76 kΩ，但是經過壓制成板材時，其電阻值出現了降低的現象。如圖5所示：PF壓制的電熱材料阻值下降率最大，為50.77%，MUF次之，為46.85%，而EP壓制的電熱材料電阻下降率最小，達到了26.66%。根據梁云等［14］的研究，在制備竹木電熱地板材時，壓板壓力使得碳纖維紙厚度減小，密度增大，因此碳纖維紙內部的碳纖維緊密結合，導電通路的密度增大，導電性能提升，因此碳纖維紙的導電率出現降低。PF黏度低，浸潤性好，施膠后能夠很好地浸潤到木竹材中，使得碳纖維紙在熱壓過程中能夠與木竹材接觸面更廣，碳纖維結合更緊密，因此導電率下降更多。

圖4 不同膠黏劑竹木復合電熱地板耐濕尺寸穩定性Figure 4 Humidity-resistant dimensional stability of bamboo/ wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

圖5 不同膠黏劑竹木復合電熱地板電阻下降率Figure 5 Decrease rate of resistance for bamboo/wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

圖6 不同膠黏劑竹木復合電熱地板升降溫曲線Figure 6 Curve of heating/cooling for bamboo/wood composite electro-thermal plywood made of different adhesives

圖6所示的為4種膠黏劑竹木復合電熱地板材在通電和斷電條件下的升溫與降溫情況。升溫過程和降溫過程中，均是在20 min內升/降溫速度較快，能夠快速升溫至30℃以上或者快速降溫至30℃以下，20 min以后升降溫速度逐漸降低。研究結果顯示：PF電熱地板材料升降溫速度最快，在相同時間內，升溫達到的溫度相比其他3種地板材溫度更高，在20 min內溫度升至35.04℃，降溫達到的溫度相比其他3種地板材溫度更低，20 min內降溫至23.52℃。梁云等［15］研究結果顯示：碳纖維密度增加，碳纖維紙的導電性能就會增加，酚醛膠電阻下降最大，導電性能最好，因此發熱速度就會更快，轉換的熱量就更高。API與EP地板材的升溫過程比較相似，尤其是在20 min后升溫較為一致，但是API地板材的降溫過程最為緩慢，20 min只降至29.08℃。

4 小結

PF與MUF制備的板材無剝離情況，API板材浸漬剝離強度不合格。PF竹木復合電熱地板材MOR和MOE最高，分別為68.25 MPa和5 670.57 MPa，而MUF板材最低，分別為36.37 MPa和4 458.72 MPa。MUF與API板材耐濕/熱尺寸穩定性不合格。PF竹木復合電熱地板材電阻值下降率最大，為50.77%，EP板材最小，為26.66%。20 min為竹木復合電熱地板材的快速升降溫區間，PF板材的升降溫速度最快，API與EP升溫速度相似，API降溫速度最慢。

酚醛樹脂和環氧樹脂均可作為竹木復合電熱地板材用膠黏劑，但從能耗和制造成本上來看，酚醛樹脂是更為合適的選擇。三聚氰胺改性脲醛樹脂膠則需要進行一定的改性，增強耐熱性和韌性。

電熱地板是一種新的采暖方式，能夠快速滿足采暖需求，節能便捷，同時能夠起到殺菌保健的作用。利用碳纖維制備竹木復合電熱地板具有很大的創新性，極大地增強了木竹材產品的附加值，是一種木竹材創新利用得有效途徑。

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Adhesives used to make bamboo/wood composite electro-thermal plywood

HUANG Chengjian,BAO Yongjie,LI Neng,XIAO Ruichong,WU Zaixing,CHEN Yuhe
（China National Bamboo Research Center,Hangzhou 310012,Zhejiang,China）

To compare basic physical and mechanical properties and electric heating properties of bamboo/wood composite electro-thermal plywood,four kinds of common adhesives:phenol-formaldehyde（PF）,melamine-urea-formaldehyde（MUF）,aqueous polymer isocyanate（API）,and epoxy（EP）,were applied.The bamboo/wood composite electro-thermal plywood treated by four kinds of adhesives were tested according to the China national standard and industrial standard:GB/T 18103－2013,LY/T 1700－2007.Results showed that the plywood treated by PF did not peel after the immersion test,and its modulus of rupture（MOR）（68.25 MPa）and modulus of elasticity（MOE）（5 670.57 MPa）were highest.The damp and hot dimensional stability of PF plywood was better than standard requirements,and the decreasing rate of resistance was maximal at 50.8%.Also,the heating and cooling rates with PF plywood were fastest.In contrast,all plywood treated by API peeled after the immersion test,and the MOR（36.37 MPa）and MOE（4 458.72 MPa）of MUF plywood were lowest.The damp and hot dimensional stability with both MUF plywood and API plywood failed.The decreasing rate of resistance for EP treated plywood reached 26.7%,which was the lowest among the four adhesives used;the rapid heating and cooling period of bambool wood composite electro-thermal plywood was 20 min.In general,the heating rate of PF plywood was the fastest,and the cooling rate for API plywood was the slowest.Overall,the phenolic resin（PF）was a suitable adhesive to make bamboo/wood composite electro-thermal plywood.［Ch,6 fig.1 tab.15 ref.］

wood science and technology;adhesives;bamboo/wood composite materials;electro-thermal plywood;carbon fiber

TS653；S781.9

A

2095-0756（2017）02-0369-05

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.02.023

2016-04-27；

2016-06-30

國家林業公益性行業科研專項（201404505）；浙江省重大科技專項（2014NM009）；浙江省竹子高效加工重點實驗室資助項目（2014F10047）

黃成建，研究實習員，從事竹材工業化利用研究。E-mail：hcj5236@yeah.net。通信作者：陳玉和，研究員，博士，博士生導師，從事竹木高效利用研究。E-mail：yuhec@sina.com