意杨木材层积塑料制造工艺研究

肖 飞， 蒲湘云， 付祥飞， 关明杰*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院， 江苏 南京 210037； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

意杨木材层积塑料制造工艺研究

肖 飞1， 蒲湘云2， 付祥飞1， 关明杰1*

(1.南京林业大学材料科学与工程学院， 江苏 南京 210037； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004)

用低分子量酚醛树脂胶对意杨旋切单板进行浸渍处理，采用单因素试验法，探讨了热压压力对产品性能的影响，分析各压力水平下板材的密度、含水率、顺/横纹抗弯弹性模量、冲击韧性等物理力学性能，得出符合要求的热压工艺参数。结果表明： 在热压单位压力3.5 MPa，热压温度150 ℃，热压时间5 min/mm条件下，板材的力学性能和尺寸稳定性能最佳。

意杨旋切单板； 木材层积塑料； 低分子量酚醛树脂

木材层积塑料板是用浸渍有酚醛树脂胶的薄单板，经组坯后，在高压下，通过热的作用而压制成的一种层压材料[1]。木材是一种多孔性的胶质体，经树脂浸渍后，树脂向木材内部渗透，在高压和热的作用下，木材本身发生塑化，树脂胶和木材之间发生物理化学变化，使这种层压材料成为不可逆反应的坚实材料，具有很高的力学强度和电绝缘性能，在大气相对湿度变化条件下，尺寸稳定性好，且具有耐腐蚀性，可用作建筑、机械、船舶、航空、电气工业的材料[2]。我国生产木材层积塑料的历史较短，但近年产量有所增加。从国内外生产木材层积塑料所用树种来看，主要是用阔叶材种中的散孔材，即桦木、榆木等[3-4]。而今桦木供应不足，所以寻找代用树种，对我国木材层积塑料的发展具有重要意义。

我们以苏北意杨作为研究对象，以低分子量酚醛树脂胶(PF胶)浸渍意杨旋切单板，采用单因素试验法，压制木材层积塑料板，并检测其物理力学性能，为意杨单板制造客车车厢底板用高密度耐磨耐腐面层材料提供技术参数。

1 材料与方法

1.1试验材料

1.1.1 杨木采集和试件加工 试验用意杨(Populusspp.)木材产于江苏省灌南县，由连云港南方木业有限公司提供，木材采集和试件加工按照国家标准GB1929-40-91进行。

1.1.2 低分子量浸渍型酚醛树脂的制备 以工业苯酚和工业甲醛为原料，在氢氧化钠(分析纯)催化作用下，以各组分物质的量比为n(苯酚P)∶n(甲醛F)∶n(氢氧化钠NaOH)=1∶2.1∶0.1，在实验室条件下合成[5]。

酚醛树脂固化物含量、粘度(涂-4杯法)等指标均按照国家标准GB/T 14074-2006[6]木材胶粘剂及其树脂检验方法进行检测，其各项性能指标见表1。

表1 浸渍型酚醛树脂各项性能指标Tab 1 Thepropertiesofimpregnatedphenolicresin树脂pH值NaOH(%)固含量(%)粘度(s)浸渍型9 238 844 721

1.2试验设备

JA5003电子分析天平(上海天平仪器厂)；三口烧瓶、水浴锅、搅拌器、冷凝管、铁架台、涂-4杯、烧结玻璃过滤器(No.3)、试剂瓶、量筒、定量瓶、自制浸胶槽、比重计、平板硫化机、电圆锯机、万能力学试验机、冲击韧性试验机。

1.3试验方法

1.3.1 单板浸渍 采用常温常压浸渍，浸胶槽为自制浸胶槽。在固含量44. 7%的胶液加入蒸馏水，调制成固含量30%、密度约为1.1 g/m3的酚醛树脂溶液，加入适量乙醇，增强树脂的分散性。

将单板进行分等编号分组，对每组5张单板进行称重，每次5张单板一组共3组置于浸胶槽内，每层单板间用薄木片隔开，并用搅拌器搅拌胶液，以便胶液能在单板间循环流动，每隔30min翻动单板，增强浸渍效果，浸渍4 h后，取出滴胶沥干30 min后，至于50 ℃干燥箱中干燥2 h，直至浸胶单板的含水率控制在6%～8%。每浸渍完一批单板，用比重计测定胶液密度，适度添加固含量44.7%的胶溶液，使胶液密度与初次浸渍时相同，减少浸渍过程造成的实验误差。本次实验采用称重增重率估算控制浸胶单板的含水率[7-12]。预备实验测算得出浸渍4 h后单板的增重率约为25%，计算公式如下：

1.3.2 热压 采用5层单板交错组坯压制高密度木材层积塑料树脂层。热压工艺参数：参考相关文献确定采用单因素试验法，温度为145～150 ℃；热压时间5 min/mm；热压压力确定3个水平： 3.0 MPa、3.5 MPa、4.0 MPa。达到规定的热压时间后，立即关闭加热开关，自然冷却至少2 h，待压机温度在90 ℃以下后，分段缓慢降压卸板，并立即将卸出板用口字形重物压好陈放。

1.3.3 物理力学性能测定 依据国家标准LY/T 1401-2013木质层积塑料专业标准[13]，并参照国家标准GB-T 17657-2013人造板及饰面人造板理化性能试验方法[14]进行测定。主要对高密度木材层积塑料层的密度(D)、极限吸水率、24 h吸水厚度膨胀率(TS)、线膨胀率、抗弯弹性模量(MOE)、冲击韧性等指标进行检测。

2 结果与分析

2.1板材物理力学性能检测结果

由表2可以看出，不同的热压压力对板材物理力学性能有一定的影响，设定3个水平热压压力的板材，其单板密度、含水率、24 h吸水率、24 h吸水厚度膨胀率、极限吸水率、顺纹抗弯弹性模量、横纹抗弯弹性模量、冲击韧性、各方向线膨胀率等物理力学性能均有所不同。

2.2各压力水平下板材基本物性对比

从图1可以看出，各单位压力水平下，板材的密度均超过了1.0 g/cm3，杨木单板在高压下得以密实化，达到国家行业标准要求[13]，适于用作非对称结构客车车厢底板的高密度面层材料；随着单位压力的增加，板材密度呈递增趋势，但增长幅度不是很明显。

表2 板材物理力学性能Tab 2 Thephysicalandmechanicalpropertiesoftheboard热压压力水平(MPa)密度(g/cm3)含水率(%)24h吸水率(%)24h吸水厚度膨胀率(%)极限吸水率(%)抗弯模量(MPa)顺纹横纹冲击韧性(kJ/m2)各方向线膨胀率(%)长度宽度厚度3 01 037 716 26 140 810510436054 10．140 377．413 51 076 714 15 838 412330545065 60．160 368．734 01 138 512 14 133 28580518072 30．210 3710．03

图1 密度对比Fig.1 Comparison of density

图2 含水率对比Fig.2 Comparison of moisture content

从图2可以看出，随着单位压力增加，板材的含水率呈不规则的变化，单位压力3.5 MPa压力下含水率最小，这是由于单板浸渍后进压机前旋切单板含水率应控制6%～8%，而由于单板浸渍量的差异，无法准确控制每组单板的含水率，因此热压陈放后各压力水平下的板材含水率稍有差异，但均低于国家标准，符合本次试验的要求。

2.3各压力水平下板材吸水性能对比

图3所示板材的24 h吸水率，随着单位压力的增大呈递减趋势，其值对比普通杨木LVL胶合板，降幅达50%。其原因是由于热压压力增大，导致板材密实化，细胞腔空间变小，加上浸渍注入细胞腔的酚醛树脂胶固化占据大部分细胞间隙，随着单位压力增加，水分愈难渗透，24 h吸水率降低。

图3 24 h吸水率对比Fig.3 Comparison of water absorption in 24 h

图4所示板材极限吸水率，随着单位压力的增加呈递减趋势。这与板材24 h吸水率变化规律基本一致。极限吸水率是板材浸泡在20±5 ℃水中30天以上的质量变化率，单位压力越大，细胞壁间相互接触越紧密，细胞腔细胞间隙被PF胶填充粘合，抵抗水平渗透能力越强，极限吸水率越低，性能越好。

图4 极限吸水率对比Fig.4 Comparison of limit water absorption

2.4各压力水平下板材尺寸稳定性能对比

图5所示板材的24 h吸水厚度膨胀率，在各压力水平下，随着单位压力的增大呈递减趋势，单位压力愈大，吸水厚度膨胀率越小。这3个压力水平下吸水厚度膨胀率值均不超过6.1%，说明板材经PF胶浸渍高压后，细胞间隙和细胞腔被填充粘合回弹空间越小，板材尺寸稳定性越好。

图5 24 h吸水厚度膨胀率对比Fig.5 Comparison of thickness swelling in 24 h

从图6可以看出，各压力水平下板材3个方向的线膨胀率，长度方向和宽度方向线膨胀率极小，只有百分之零点几，厚度方向的线膨胀最大是前二者的几十倍；随着单位压力增大，板材长度和厚度方向的线膨胀率呈递增趋势，宽度方向线膨胀率基本持平。木材是各向异性材料，各个方向吸水膨胀变形率是不同的(纵向最小0.1%，径向次之4%～8%，弦向最大8%)。由于板材为交错组坯的5层结构，长度方向主纹理为木材顺纹方向，线膨胀率很小(≤0.25%)；宽度方向本为木材弦向，但由于顺横纹交错纹理，线膨胀率下降(≤0.40%)；厚度方向为木材径向，线膨胀率最大。可以看出，经PF浸渍高压的木材层积塑料板材，各压力水平下长宽方向的线膨胀率相近，板材各向异性差异小，稳定性好。

图6 各方向线膨胀率对比Fig.6 Comparison of line expansion rate

2.5各压力水平下板材力学性能对比

由图7可以看出，各压力水平下板材的顺纹MOE值(顺纹弹性模量)呈不规则变化，在压力3.5 MPa情况下顺纹MOE值比压力3.0 MPa有较大幅度增长；当单位压力为4.0 MPa时，顺纹MOE值却出现更大幅度降低。其原因可能是由于在单板压缩极限内，随着单位压力的增加，压缩率增大，板材的顺纹MOE值也增大；板材的抗弯弹性模量代表板材抵抗外力改变其形状的能力，板材经PF浸渍处理后，其数值有随着密度增加而增加的趋势，但过高的压缩率可造成板材被压溃，自身强度不增反而减低，经过PF浸渍热压后，孔隙率下降，弹性减弱，脆性增加，顺纹MOE值下降。因此当单位压力为3.5 MPa时，板材顺纹MOE值达到最大为12.3 GPa，高于国家标准，力学性能最佳。

图7 顺纹MOE对比Fig.7 Comparison of longitudinal MOE

图8所示板材横纹MOE值，由于板材是纵横交错组坯的5层结构，主要受力层为两层顺纹单板，故各压力水平下横纹MOE值远小于顺纹MOE值；同样在压缩极限范围内，横纹MOE值随单位压力增加而增大，当压力为3.5 MPa时横纹MOE值为5.4 GPa，压力变为4.0 MPa后，由于板材被压溃，力学性能下降，横纹MOE值变小。

图8 横纹MOE对比Fig.8 Comparison of tangential MOE

图9 冲击韧性对比Fig.9 Comparison of impact toughness

从图9可以看出，随着单位压力的增大，板材冲击韧性呈递增趋势，在3.5 MPa和4.0 MPa两个压力水平下，冲击韧性值均大于国家标准(59kJ/m2)。材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力较强，板材冲击韧性好[15]，说明经过PF胶浸渍热压的意杨胶合板，并未完全塑化，兼具木材和塑料的双重优点，具有较好的力学性能和尺寸稳定性。

3 结论与讨论

本研究通过单因素试验确定了意杨木材层积塑料最佳热压工艺参数为：热压单位压力3.5 MPa，热压温度150 ℃，热压时间5 min/mm。利用最佳热压工艺压制的木材层积塑料，密度1.07 g/cm3、含水率6.7%、24 h吸水率14.1%、24 h吸水厚度膨胀率5.8%、顺纹抗弯模量12.3 GPa、横纹抗弯模量5.4 GPa、冲击韧性65.6 kJ/m2，长度和宽度方向线膨胀率极小且几乎相同，各向异性小，具有较好的物理力学性能和尺寸稳定性能。

该方法制备的杨木木材层积塑料板，在物理力学性能及尺寸稳定性方面比普通杨木胶合板具有较大程度的改善，适于用做客车车厢底板用非对称结构胶合板高耐磨耐腐的面层材料，是速生木材的一种新的利用方式，具有广阔的应用前景及市场潜力。

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(文字编校：张 珉)

Manufacturingprocessofpoplarlaminatedwoodplastics-compreg

XIAO Fei1, PU Xiangyun2, FU Xiangfei1, GUAN Mingjie1*

(1.College of Materials Science and Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2.Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China)

The performance of laminated wood plastics-compreg made by peeled poplar veneer impregnated with low-molecular weight phenolic resin was researched. Density, moisture content, modulus of elasticity (MOE) and impact toughness were tested.And the optimum parameters were obtained by single factor design in the experiment. The results showed that, when hot-pressing pressure was 3.5 MPa, hot-pressing temperature was 150 ℃ and hot-pressing time was 5 min/mm, the mechanical properties and dimension stability of the board were the best.

poplar peeled veneer; laminated wood plastics-compreg; low-molecular weight phenolic resin

2014-05-23

苏北科技发展计划——科技型企业技术创新项目(BC2012428)；江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)。

肖 飞(1988-)，男，湖南省邵阳市人，在读硕士，主要从事木质复合材料的研究。

*为通讯作者。

TS 653.3

A

1003-5710(2014)04-0035-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2014. 04. 008