桉木單板/聚丙烯薄膜復合材料的性能評價

韋文榜 宋偉 張雙保

【摘 要】本文分析聚丙烯組、聚乙烯組、酚醛組復合材料的物理力學性能，同時達到了I類膠合板與II類膠合板的要求，而脲醛組復合材料的物理力學性能值達到了II類膠合板的要求；總體而言，聚丙烯組的物理力學性能明顯優于聚乙烯組與脲醛組，并與酚醛組復合材料相當。

【關鍵詞】吸水厚度膨脹率 靜曲強度與彈性模量 力學性能

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）06C-0185-03

一、不同膠黏劑所制備膠合板吸水厚度膨脹率的對比

如圖1（a）所示，四組復合材料的吸水厚度膨脹在1到7天期間，隨時間增加。結果表明，塑料薄膜組復合材料的吸水厚度膨脹率低于甲醛樹脂組。塑料薄膜組中，聚丙烯組的吸水厚度膨脹率低于聚乙烯組；甲醛樹脂組中，酚醛組低于脲醛組。上述順序在7天之內一直如此。對于膠合板類復合材料，厚度膨脹描述了板子吸水后引起的膨脹。通常，較低吸水厚度膨脹率，反映了潮濕環境中較高的尺寸穩定性。

與甲醛樹脂組復合材料相比，塑料薄膜組的吸水厚度膨脹率較低，與所用膠黏劑的性質有關。甲醛基樹脂的分子結構中，存在豐富的親水基團，如氨基、羥基等；但是，聚丙烯、聚乙烯塑料的分子結構中，一般只有烷基等疏水基團。因此，塑料薄膜形成的膠層，比甲醛樹脂形成的膠層更加疏水，有助于減少復合材料的吸水與厚度膨脹行為。

塑料薄膜組中，聚丙烯組的吸水厚度膨脹率低于聚乙烯組；甲醛樹脂組中，酚醛組低于脲醛組。該結果可能與熱壓條件有關。高的熱壓溫度能夠降低原材料中親水基團的含量，有助于降低復合材料的吸水與厚度膨脹行為。本研究中的熱壓溫度，聚丙烯組高于聚乙烯組，而酚醛組則高于脲醛組。

二、不同膠黏劑所制備膠合板靜曲強度與彈性模量的對比

如圖1（c）和（d）所示，聚丙烯組與酚醛組復合材料的靜曲強度和彈性模量，高于聚乙烯組與脲醛組。此外，酚醛組的靜曲強度和彈性模量高于聚丙烯組，脲醛組的結果高于聚乙烯組。

對于膠合板類復合材料，靜曲強度反映了它們的抗斷裂的能力，而彈性模量則反應了它們的抗變形剛度。通常，較高的靜曲強度和彈性模量，反映了復合材料的更好的力學性能和更有效的應力傳遞。靜曲強度與彈性模量結果之間存在明顯的正相關關系，這是可以理解的，因為靜曲強度與彈性模量都是由相同的三點彎曲試驗得出的。

對于塑料薄膜組復合材料，聚丙烯組的靜曲強度與彈性模量高于聚乙烯組；而對于甲醛樹脂組的復合材料，酚醛組的靜曲強度與彈性模量高于脲醛組。這一結果與粘接性能有關。據報道，聚丙烯的物理力學性能普遍高于聚乙烯，而酚醛樹脂的物理力學性能普遍高于脲醛樹脂。

總的來說，塑料薄膜組復合材料的靜曲強度與彈性模量，均低于甲醛樹脂組復合材料，這與熱壓條件和粘接界面有關。對于熱壓條件方面，熱壓溫度越高，塑料薄膜組復合材料的熱壓溫度更高，會增加原材料的脆性、降低膠合板類復合材料的強度和剛度。對于粘接界面方面，疏水性塑料薄膜與親水性木材單板的相容性較低。這種差異會使塑料薄膜組復合材料的界面上，出現較多的縫隙，比甲醛樹脂組更為嚴重。這會導致塑料薄膜組復合材料的應力傳遞較差，從而導致強度和剛度較低。

三、不同膠黏劑所制備膠合板I類膠合強度與II類膠合強度的對比

圖1（e）和（f）分別代表材料的I類和II類膠合強度。聚丙烯組復合材料的兩種膠合強度的結果高于聚乙烯組，但低于酚醛組。脲醛組的II類膠合強度高于聚乙烯組，但由于水煮時板子發生開膠，脲醛組的I類膠合強為0。

對于膠合板類復合材料，I類膠合強度與II類膠合強度描述的是膠接接頭對剪切破壞的抵抗力，在人工加速老化后測定。通常，較高的膠合強度反映出更加牢固的膠接接頭以及更高的耐老化性。相比II類膠合強度，I類膠合強度結果較低，這老化與處理的條件有關。對于II類膠合強度，其老化處理包括沸水煮和高溫爐干63℃；對于II類膠合強度，其老化處理則為63 ℃中浸泡。

酚醛組的I類膠合強度、II類膠合強度均較高，這與膠黏劑性質、粘接界面有關。在膠黏劑性能方面，酚醛樹脂具備高度穩定的分子結構，使得膠接接頭強度高、耐老化。在界面上，酚醛樹脂（比塑料薄膜）與木材具有較高的界面相容性，其界面可以通過化學反應形成。

雖然脲醛組復合材料的界面也可以通過化學反應形成，但脲醛樹脂被公認為不耐老化；因此，脲醛組較高的II類膠合強度與極低的I類膠合強度，便是可以理解的。

對于塑料薄膜組復合材料而言，I類膠合強度與II類膠合強度的差別不是很大。這一結果與塑料薄膜的疏水性有關。然而，塑料薄膜組的I類膠合強度低于酚醛組，而塑料薄膜組中聚乙烯組的II類膠合強度低于脲醛組。這一結果與疏水性塑料膜與親水性木材單板的低界面相容性有關。此外，聚丙烯組復合材料的兩種膠合強度高于聚乙烯組，這與膠黏劑性能有關。據報道，聚丙烯的物理力學性能普遍高于聚乙烯。

四、不同膠黏劑所制備膠合板甲醛釋放量的對比

如圖1（b）所示，塑料薄膜組復合材料的甲醛釋放量，低于甲醛樹脂組。塑料薄膜組中，聚丙烯組低于聚乙烯組；甲醛樹脂組中，酚醛組低于脲醛組。

由于聚丙烯、聚乙烯等塑料薄膜中沒有甲醛，塑料薄膜組復合材料表現出的較低的甲醛釋放量可能是由木材引起的，因為甲醛是一種木材中自然產生的化學物質，木材本身會包含并釋放極少量、但仍可檢出的游離甲醛。

甲醛樹脂組復合材料的甲醛釋放量較高，主要是由于膠粘劑的影響。林產品行業已經公認，甲醛基樹脂膠黏劑是增強木質復合材料甲醛釋放的重要原因。據報道，甲醛樹脂的釋放行為主要與樹脂合成時過量添加甲醛有關，但也與樹脂的水解和老化有關。

對于塑料薄膜組復合材料，聚丙烯組的甲醛釋放量低于聚乙烯組；對于甲醛樹脂組復合材料，酚醛樹脂組低于脲醛樹脂組。這一結果可能與熱壓條件有關。據報道，木單板經過高溫處理后，其吸附位點會受到影響，采用該單板制備膠合板時，甲醛釋放量會下降。在本研究中，聚丙烯組的熱壓溫度高于聚乙烯組，而酚醛組的熱壓溫度高于脲醛組。

五、不同膠黏劑所制備膠合板與各種膠合板標準的對比

中國是人造板最大的生產、消費和貿易國。中國國家標準GB/T 9846（2015）將膠合板分為幾類，其中的I類膠合板要求必須有彎曲強度高于32 MPa、彎曲模量高于5.5 GPa、I類膠合強度高于0.7 MPa，其中的II類膠合板要求必須有彎曲強度高于32 MPa、彎曲模量高于5.5 GPa、II類膠合強度高于0.7 MPa。關于甲醛釋放量，日本標準JAS 233（2008）最近在評價膠合板的甲醛釋放值時，越來越受到關注。根據該標準，膠合板的甲醛釋放量可分為F*（甲醛釋放量<5 mg/L）、F**（甲醛釋放量<1.5 mg/L）、F***（甲醛釋放量<0.5 mg/L）、F****（甲醛釋放量<0.3 mg/L）。目前，F****被公認為是世界上非常高的要求。

聚丙烯組、聚乙烯組、酚醛組復合材料的物理力學性能，同時達到了I類膠合板與II類膠合板的要求，而脲醛組復合材料的物理力學性能值達到了II類膠合板的要求。總體而言，聚丙烯組的物理力學性能明顯優于聚乙烯組與脲醛組，并與酚醛組復合材料相當。對于甲醛釋放的結果，脲醛組與酚醛組復合材料，只是分別達到了F*與F**的要求。相比之下，聚丙烯組與聚乙烯組復合材料都達到了F****的要求，其中聚丙烯組甚至比聚乙烯組還要更低。

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【作者簡介】韋文榜，博士，廣西生態工程職業技術學院副教授，高級工程師，研究方向：木質復合材料與膠黏劑研；張雙保，研究方向：木質復合材料與膠黏劑；宋 偉，研究方向：木質復合材料與膠黏劑。

（責編 丁 夢）