基于响应面法的室内用防腐胶合板制作工艺优化

2014-12-24蒋明衔陈奶荣林巧佳曾钦志饶久平

福建农林大学学报（自然科学版） 2014年1期

蒋明衔，陈奶荣，林巧佳，曾钦志，饶久平

(福建农林大学材料工程学院，福建福州350002)

胶合板幅面大、变形小、纹理美观、横纹抗拉力学性能好，广泛应用于家具制造、室内装修等领域.但是胶合板的主要成分为纤维素、木素和半纤维素，在温度、湿度、酸碱度适宜的情况下，易受虫菌侵蚀而出现霉变、腐朽和虫害等生物败坏现象［1］，导致胶合板的使用寿命缩短.另一方面，随着人们环保意识的增强，许多环保胶粘剂得到开发应用，如低摩尔脲醛树脂胶粘剂的使用，降低了胶合板甲醛释放量，但也使胶合板的防腐性能下降.因此，提高胶合板的防腐性能可延长胶合板使用寿命，达到高效利用木材、节约木材资源的效果.国内木材防腐工业起步较晚，主要研究集中在铜基防腐剂处理的木材表面性质、防腐和力学性能等方面［2－5］，而对防腐胶合板的研究较少.响应面分析法是一种优化工艺条件的有效方法，它可以将多因子试验中因素与响应值的相互关系用多项式近似拟合［6，7］，精确地表述因素与响应值之间的关系，已越来越多地被应用到工艺优化中.国内基于响应面法的室内用防腐胶合板的制作工艺研究尚未见报道.本研究以硼酸和丙三醇的复配物为防腐剂，以脲醛树脂胶为胶黏剂，研究室内用马尾松防腐胶合板的制作工艺，优化工艺参数，旨在为室内用马尾松防腐胶合板的制作和生产提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

马尾松单板:含水率4%－6%，规格300 mm×200 mm×1.2 mm，建阳胶合板厂产品.氯化铵、氢氧化钠、苯酚、硼酸、丙三醇均为分析纯，天津市福晨化学试剂厂产品.聚乙烯醇、尿素为工业级，甲醛为分析纯，均为北京中联试剂精细化学品公司产品.

1.2 方法

1.2.1 脲醛树脂胶的制备将600份甲醛、3份聚乙烯醇加入三口烧瓶，开启搅拌器，水温升至50℃，保温20－30 min;调节混合液pH为弱碱性，加入第1次尿素195份，继续升温至(90±2)℃，保温30－40 min;降温至85℃，调节pH为弱酸性，保温20 min，加入第2次尿素69份，85℃保温测终点;终点到，调节pH为弱碱性，加第3次尿素81份，85℃保温30 min;最后在40 min内冷却至40℃，出料.

1.2.2 防腐液的配制用硼酸、丙三醇和蒸馏水调配3种防腐液，3种防腐液中硼酸质量分数均为2%;丙三醇质量分数分别为1.5%、2%、2.5%.

1.2.3 单板防腐处理在室温下将马尾松单板浸入硼酸与丙三醇复配的防腐液中2 h.浸渍完毕后，取出单板，沥干，放在烘箱中干燥，封存2 d，用于胶合板制作.

1.2.4 防腐胶合板制作及胶合强度测试以脲醛树脂胶为胶黏剂，将防腐处理后的马尾松单板压制成3层胶合板.脲醛胶按胶液100份、面粉10份、20%氯化铵1份进行调配，涂胶量280 g·m－2(双面).热压工艺:热压温度120℃，热压时间1.0 min·mm－1，单位压力1.0 MPa.将压制好的胶合板置于干燥处放置24 h，按照国家标准GB/T 9846-2004中Ⅱ类胶合板的规定［8］制作试件并测试胶合强度.

1.2.5 试验设计与数据处理采用Design-Expert 8.0.5中Box-Behnken设计模式，进行试验设计与数据分析.以防腐液中丙三醇的质量分数、干燥温度、干燥时间3个因子为自变量，分别用X1、X2、X3表示，在探索性试验的基础上，确定各影响因素合适的条件范围分别为1.5%－2.5% 、65－75℃ 、3.5－4.5 h，以马尾松防腐胶合板的胶合强度作为响应值Y，试验自变量因素编码及水平见表1.

表1 响应面试验设计因素及水平Table 1 Variables and their coded levels for Box-Behnken design

1.2.6 傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析将响应面优化得出的最佳工艺条件下制作出的试件切成木片，并用植物粉碎机粉碎，过100目筛.将所得木粉置于103℃恒温干燥箱中干燥24 h，采用美国Nicolet 380型傅立叶变换红外光谱仪对试样进行测试.

2 结果与分析

2.1 响应面试验

通过前期探索性试验得出，素材为马尾松单板，以脲醛树脂胶为胶黏剂压制成的胶合板的胶合强度为1.10 MPa;而马尾松单板经硼酸浸渍处理后压制成的胶合板的胶合强度为0.66 MPa，达不到国家标准(GB/T 9846-2004)要求.这可能是因为硼酸处理会使木材表面的部分抽提物溶解于硼酸中［9］，改变了木材的表面结构，或对胶粘剂的固化产生不良影响，致使胶合强度降低.而以硼酸与丙三醇复配的防腐剂浸渍马尾松单板，压制成的胶合板胶合强度为1.25 MPa，不比素材制作的胶合板的胶合强度差，说明硼酸与丙三醇复配后对马尾松胶合板胶合强度影响较小.用湿灰化法测定胶合板中防腐剂有效成分(以B2O3计)含量均≥4.5 kg·m－3，根据文献［10］该胶合板能达到C2级使用要求，即可以在户内、且不接触土壤的条件下使用，说明本次试验所使用的防腐液可以满足使用要求.

2.2 模型建立及显著性检验

响应面试验方案及结果见表2.

表2 响应面试验方案及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

对表2试验结果进行多元回归拟合，得到的胶合板胶合强度对防腐液中丙三醇的质量分数(X1)、干燥温度(X2)和干燥时间(X3)的二次多项式回归模型为:

对回归模型进行方差分析，结果见表3;回归系数的显著性检验结果见表4.

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance for the established regression model

表4 回归系数的显著性检验1)Table 4 Significance test of each regression coefficient

从表 3 可以看出，模型 P=0.0039 ＜0.01，差异极显著，失拟项 P=0.2691 ＞0.05，差异不显著，表明所建立的回归二次模型成立，可用此模型来分析和预测马尾松防腐胶合板的制作工艺参数.由表4可知对马尾松防腐胶合板的胶合强度影响极显著，X2、X1X2、X1X3对马尾松防腐胶合板的胶合强度影响显著，对马尾松防腐胶合板的胶合强度影响不显著.综合考虑各因子的线性、二次及交互作用三方面的影响，在试验范围内，影响马尾松防腐胶合板胶合强度的主次因素依次为X2＞X3＞X1，即干燥温度＞干燥时间＞防腐液中丙三醇的质量分数.

2.3 响应曲面分析

图1－3分别为3组试验参数以胶合强度为响应值的趋势图.等高线图可以直观地反映两变量交互作用的显著程度，椭圆形等高线图表示两因素交互作用显著;而圆形等高线图表示交互作用不显著［6，11］.

图1 防腐液中丙三醇的质量分数和干燥温度对胶合强度影响的响应曲面和等高线图Fig.1 Response surface and contour of the effects of glycerol mass concentrations and drying temperature on the bonding strength

图2 防腐液中丙三醇的质量分数和干燥时间对胶合强度影响的响应曲面和等高线图Fig.2 Response surface and contour of the effects of glycerol mass concentrations and drying time on the bonding strength

图3 干燥温度和干燥时间对胶合强度影响的响应曲面和等高线图Fig.3 Response surface and contour of the effects of drying temperature and drying time on the bonding strength

图1为干燥时间在零水平，即干燥时间固定在4 h的条件下，防腐液中丙三醇的质量分数和干燥温度的响应曲面和等高线，它反映防腐液中丙三醇的质量分数和干燥温度及其交互作用对胶合强度的影响.从图1可以看出，干燥温度是胶合强度的显著影响因素，而防腐液中丙三醇质量分数的影响并不明显，防腐液中丙三醇的质量分数与干燥温度的交互作用较强.干燥时间一定，干燥温度升高，胶合强度显著增强;当干燥温度达到75℃左右时，胶合强度达到最大值(1.38 MPa);当干燥时间一定，干燥温度为75℃时，随着防腐液中丙三醇质量分数的提高，胶合强度先增后降.因为较高的温度可以促进硼酸与丙三醇反应生成硼酸酯［10］，弱化硼酸对木材表面结构产生影响，进而减小对胶合强度的不利影响.但是干燥温度超过75℃时会使生成的硼酸酯与木材中的羟基发生酯交换反应［12］，从而影响胶合强度.

图2为干燥温度在零水平，即干燥温度固定在70℃的条件下防腐液中丙三醇的质量分数和干燥时间的响应曲面和等高线，它反映防腐液中丙三醇的质量分数和干燥温度及其交互作用对胶合强度的影响.该等高线图呈椭圆形，说明防腐液中丙三醇的质量分数和干燥时间两者交互作用较显著.随着防腐液中丙三醇质量分数的增大，胶合强度也随之增强;丙三醇质量分数达到2%时胶合强度达到最大值，之后呈下降趋势.这可能是因为多余的丙三醇与胶粘剂同时渗入木材里，减弱了胶粘剂对木材所起的胶接作用，因此对胶合强度产生不利影响.

图3为防腐液中丙三醇的质量分数在零水平，即防腐液中丙三醇的质量分数固定在2%的条件下，干燥温度与干燥时间的响应曲面和等高线，它反映干燥温度和干燥时间及其交互作用对胶合强度的影响.由此可知，温度与时间的交互作用较弱，防腐液中丙三醇的质量分数一定时，随着干燥时间的延长，胶合强度亦增大，约4 h时达到最大值，然后呈下降趋势.可能是由于随着干燥时间的延长，部分硼酸酯与木材中的羟基发生酯交换反应.

在选取的各因素范围内，通过Design Expert软件分析得到室内用马尾松防腐胶合板制作工艺的最佳参数:防腐液中丙三醇的质量分数1.91%，干燥温度75℃，干燥时间4 h.对优化参数进行3次重复验证试验，得到马尾松防腐胶合板的平均胶合强度为1.39 MPa，与理论预测值(1.38 MPa)的相对误差为0.72%，没有显著差异.说明通过响应面建立数学模型，优化得到的室内用防腐胶合板的制作工艺参数准确可靠.

2.4 FTIR分析

对在响应面优化得出的最佳制作工艺条件下制造的马尾松防腐胶合板试件进行FTIR分析(图4).结合前人有关木材和硼酸酯红外吸收的光谱带分析［13，14］的研究结果可知:马尾松防腐胶合板与素材马尾松胶合板相比，在3430 cm－1处的O－H吸收峰强度有明显增强，说明有醇羟基生成;在2919.06和2849.82 cm－1处有－CH2和－CH3的对称和不对称伸缩振动峰;在1423.13和1046.06 cm－1处有B－O的对称和不对称伸缩振动峰;另外硼酸酯的红外特征吸收峰也较为明显，665.71 cm－1处有B－O的硼螺环结构骨架弯曲振动吸收峰;833.89 cm－1处有B－O键变形振动的特征吸收带.由此可知，木材中确实有甘油硼酸酯生成，说明硼酸与丙三醇混合后反应生成了硼酸酯，硼酸酯对木材结构和胶粘剂的固化不会造成不良影响，因此马尾松防腐胶合板与素材胶合板的胶合强度差别不大.

图4 马尾松防腐胶合板与素材胶合板的FTIR图谱Fig.4 FTIR spectra of preservative-treated and untreated masson pine plywood

3 结论

(1)采用Box-Behnken设计并建立了一个以马尾松防腐胶合板胶合强度为目标值，以防腐液中丙三醇的质量分数X1、干燥温度X2、干燥时间X3为因子的数学模型:Y=－29.45300+7.39450X1+0.47370X2+2.98150X3－0.34000X1X2－0.35000X1X3－0.022000X2X3－0.90300

采用此模型在本试验范围内能较准确地预测马尾松防腐胶合板的胶合强度.

(2)通过试验结果的方差分析可知，在本试验范围内，各因素对马尾松防腐胶合板胶合强度的影响大小依次为:干燥温度＞干燥时间＞防腐液中丙三醇的质量分数.

(3)马尾松室内用防腐胶合板的制作工艺最佳参数为:防腐液中丙三醇的质量分数1.91%，干燥温度75℃，干燥时间4 h.在此优化工艺条件下实际测得的防腐胶合板胶合强度为1.39 MPa，与理论预测值(1.38 MPa)的相对误差只有0.72%，实测值与理论预测值较吻合.因此，利用响应面分析方法对马尾松防腐胶合板的制作工艺进行优化，获得优化工艺参数，可为工业化生产马尾松防腐胶合板提供依据.

(4)FTIR图谱显示，硼酸与丙三醇混合后反应生成了硼酸酯，硼酸酯对木材结构和胶粘剂的固化影响较小，因此硼酸与丙三醇复配防腐剂对马尾松防腐胶合板胶合强度不会造成不良影响.

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