工藝參數對大豆基木質刨花板性能的影響?

李 杉 趙士猛 時君友 唐朝發

（1.北華大學吉林省木質材料科學與工程重點實驗室， 吉林省吉林市 132013; 2.吉林森工露水河刨花板分

公司， 吉林 白山 134500）

零甲醛添加室內用人造板，可從源頭上避免甲醛對環境及人體造成危害。無醛生物質膠黏劑因“綠色、環保、循環”的特點，成為人們研究的熱點[1-9]。大豆蛋白類膠黏劑更是成為膠合板用無醛膠黏劑的研究重點，并且在膠合板生產中實現了良好商業應用[10-15]。但在木質刨花板制造領域，大豆蛋白膠黏劑尚處于應用研究階段，需要解決刨花板生產中膠黏劑的黏度、固體含量等問題。降低大豆蛋白膠黏劑黏度的方法多種多樣，如通過酸堿降解、加熱、加鹽、表面活性劑，降低固體含量，與尿素、苯酚、酚醛樹脂共聚等處理方法，以破壞大豆蛋白質的高級結構、分子間的二硫鍵及氫鍵，同時產生共聚，提高膠黏劑的耐水性能等[16-18]。此外，還可通過在脫脂大豆粉等與刨花在高速拌膠機內高速混合時，快速滴加大豆膠改性劑水溶液的施膠方式，有效降低刨花板板坯含水率[19]。在刨花板生產中，利用大豆蛋白基阻燃膠黏劑可制備防腐、阻燃刨花板[20-21]。本文采用以大豆蛋白為主要成分的主劑及以環氧改性聚酰胺為主要成分的交聯劑，按一定比例調制大豆基膠黏劑[22-23]，通過正交試驗研究密度、熱壓溫度、熱壓時間、熱壓壓力對大豆基木質刨花板主要物理力學性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

大豆基膠黏劑[自制，主劑：固體含量37.7%，黏度71 mPa·s（25 ℃）；交聯劑：固體含量42.9%，黏度588 mPa·s（25 ℃）]；雜木刨花（表層、芯層刨花含水率均為0.5%～0.8%，吉林森工露水河刨花板分公司）；防水劑（石蠟乳液，吉林森工露水河刨花板分公司）。

1.2 試驗設備

自適應模糊控制人造板實驗壓機（中國林科院木材所），微機控制電子式木材萬能力學試驗機（濟南試金集團），NDJ-1 型旋轉粘度計（上海地學儀器研究所），刨花拌膠機（自制），電熱鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司），水浴鍋（富華儀器有限公司）等。

1.3 大豆基木質刨花板制備

1.3.1 膠黏劑調制

主劑和交聯劑以7 ∶3（固體物質的量）比例進行調膠，膠黏劑混合均勻后黏度為348 mPa·s （25 ℃）；加入防水劑,與膠黏劑均勻混合，用30%NaOH水溶液調節pH值至6.5，調膠后膠黏劑適用期不低于4 h。

1.3.2 刨花板壓制

參照大豆基膠黏劑制備木質刨花板的制造工藝[24]，壓制厚度15 mm的木質刨花板。考慮成本及施膠時不產生缺膠因素，表層刨花施膠量為絕干表層刨花質量的8%，芯層刨花施膠量為絕干芯層刨花質量的6.5%，防水劑用量表、芯層均為絕干刨花質量的0.75%。為保證刨花板板坯內水分充分排放，熱壓壓力采用分段控制：第一段為高壓壓力，保持時間占總熱壓時間的2/3，壓制過程中大豆基木質刨花板的密度、熱壓時間、熱壓溫度、熱壓壓力參數如表1所示；第二段為低壓壓力0.5MPa，保持時間占總熱壓時間的1/3。試驗采用L9(34)正交試驗表，將定量好的刨花放入刨花拌膠機中，啟動拌膠機，用噴槍將調制好的膠黏劑與防水劑均勻地施加到刨花上。在成型框中。按表芯層刨花質量比（絕干刨花）為44∶56完成三層結構刨花板板坯鋪裝，板坯經預壓后按試驗熱壓工藝壓制成刨花板。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.3 性能檢測

壓 制 的 刨 花 板 放 置48 h后，按GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》、GB/T 4897—2015《刨花板》分別進行密度、靜曲強度(MOR)、內結合強度(IB)及2 h吸水厚度膨脹率（2 hTS）、平行于板面及垂直于板面的握螺釘力(∥SHC、⊥SHC) 等主要物理力學性能檢測[24-25]。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

正交試驗設計及其主要物理力學性能檢測結果如表2 所示。檢測結果表明，大豆基木質刨花板的表面結合強度大于等于1.0 MPa。

表2 正交試驗方案與大豆基木質刨花板主要性能指標Tab.2 Orthogonal test scheme and main performance indexes of soybean-based wood particleboard

2.2 技術指標分析

對正交試驗獲得的大豆基木質刨花板主要性能指標進行正交試驗分析計算，結果見表3。

表3 正交試驗結果分析Tab.3 Orthogonal test results analysis

對表3 試驗結果進行極差分析表明，密度對靜曲強度(MOR)、內結合強度(IB)及2 h吸水厚度膨脹率（2 h TS）影響最為顯著，極值分別為4.6 MPa、0.31 MPa、1.3%。大豆基膠黏劑分子量大，對木材的潤濕滲透性差，而密度增大提高了刨花與膠黏劑、刨花與刨花間的接觸面積，有利于膠黏劑滲透及流展，進而改善刨花板物理力學性能。

熱壓壓力對2 h吸水厚度膨脹率、平行于板面及垂直于板面的握螺釘力(∥SHC、⊥SHC)影響顯著，極值分別為1.3%、141 N、224 N；但對靜曲強度、內結合強度影響不十分顯著，極值分別為1.8、0.03 MPa。試驗中熱壓壓力主要影響壓機閉合速度，進而影響刨花板密度梯度。相同壓力條件下，刨花板密度對壓機閉合速度的影響較大，正交試驗結果表明：壓力主要影響刨花板的表層密度，而對芯層密度的影響較小[20]。此外，密度對平行于板面（∥SHC）及垂直于板面（⊥SHC）的握螺釘力影響不顯著，極值分別為69、53 N；熱壓溫度和熱壓時間對各項指標的影響均不十分顯著，說明試驗所選熱壓溫度、熱壓時間均能保證膠黏劑固化及板坯內剩余水分不會引起分層、鼓泡缺陷。密度為0.75 g/cm3的大豆基木質刨花板的靜曲強度、內結合強度，達到GB/T 4897—2015 規定的P4 型 “干燥狀態下使用的重載型刨花板”的要求。

3 生產性試驗

生產性試驗在吉林森工露水河刨花板分公司進行，壓制厚度為16 mm、密度為0.75 g/cm3的木質刨花板，表層施膠量和芯層施膠量分別為8.5%和7%，表芯層防水劑用量0.75%。安全性要求，表芯層刨花含水率控制在0.8%～1.1%。熱壓過程采用定位控制器控制板坯厚度，熱壓溫度介于190～195 ℃之間。由于生產性試驗采用的刨花含水率較實驗室偏高，同時板坯幅面尺寸大，不利于板坯內水分的逸出。因此，在試驗初期熱壓時間為6～7 min時，部分板坯產生分層現象；當熱壓時間達到7.5～8 min時，分層現象消失。最后選取熱壓時間為8 min的工藝進行生產性試驗。生產性試驗產品的主要物理力學性能見表4，生產的大豆基木質刨花板主要物理力學性能，達到GB/T 4897—2015 規定的P2 型“干燥狀態下使用的家具型刨花板”及P3 型“干燥狀態下使用的承載型刨花板”的要求。

表4 生產性試驗產品的主要物理力學性能Tab.4 Main physical and mechanical properties of productive test particleboard

4 結論

1）實驗室條件下，密度對大豆基木質刨花板的主要性能影響最為顯著，熱壓壓力次之，熱壓溫度、熱壓時間的影響不顯著。

2）利用低固體含量大豆基膠黏劑，采用合理的生產工藝參數，可以在生產線上生產出滿足一定要求的木質刨花板。但板坯幅面尺寸大，不利于板坯內水分的逸出，因此應適當增加熱壓時間。

3）利用單層均質刨花板生產線生產的大豆基木質刨花板，主要物理力學性能達到GB/T 4897—2015 規定的P2 型、P3 型刨花板標準，完全可以滿足家具、室內裝飾墻體板等對零甲醛添加木質基材的要求。

4）生產中，因要求刨花含水率較低，應做好刨花干燥過程中的防火問題；此外，由于大豆基膠黏劑固體含量較低，板坯含水率高，熱壓時間長，導致刨花板生產效率降低，這是后續商業化應用中亟待解決的問題。