制备工艺对大豆胶杨木刨花板性能的影响

桂成胜，石结舟，刘小青，朱 锦，张忠涛

（1.宁波中科朝露新材料有限公司，浙江 宁波 315040；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315200；3.国家林业局林产工业规划设计院，北京 100010）

制备工艺对大豆胶杨木刨花板性能的影响

桂成胜1,2，石结舟1，刘小青2，朱 锦2，张忠涛3

（1.宁波中科朝露新材料有限公司，浙江 宁波 315040；2.中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江 宁波 315200；3.国家林业局林产工业规划设计院，北京 100010）

研究了刨花板密度、表层施胶量、热压温度、热压时间和防水剂用量等参数对大豆胶杨木刨花板各项性能的影响。结果表明，大豆胶杨木刨花板的力学强度随密度的增加而增大；随表层施胶量的增大，力学强度呈增大趋势；随热压温度的升高和热压时间的延长，刨花板的性能也得到加强。综合各项因素认为，表层施胶量应不小于12%，相对最佳的热压温度和时间分别为200 ℃和3.5 min，防水剂的加入显著降低了2 h吸水厚度的膨胀率，加入量以0.4%为相对最佳。

刨花板密度；施胶量；防水剂；制备工艺

目前，我国刨花板生产大多采用脲醛树脂胶（UF）。虽然UF具有制造成本较低、色泽较低以及粘接强度较高等优点，但是其在制胶和制板过程中，以及人造板长期使用过程中都会持续释放甲醛类有害物质[1，2]。因此，研究环境友好型大豆胶在刨花板中的应用具有重要的生态效益和环保意义。

无醛大豆胶自2005年被Columbia Forest Products公司用于制备Purebond®胶合板以来，已经在北美洲得到大量应用[3]。随着Oregon State University的Li Kaichang课题组、美国的Forest Products Laboratory、Solenis公司的持续研发，应用于胶合板工业的大豆胶产品不断更新迭代，无醛大豆胶在中国也得到多家企业的大量使用，但其应用仅限在胶合板和多层地板基材领域。目前，无醛大豆胶应用于刨花板仅有少量专利和文献报道，尚无相关刨花板产品问世。

综观国内外，大豆胶之所以难于突破在刨花板中的应用，关键在于其成品黏度较大、固含量较低，从而导致其施胶困难[1]。本研究提出了新的施胶方式，将大豆胶分成2组分施胶，解决了大豆胶施胶难的问题。同时研究了大豆胶应用于制备刨花板的工艺参数，为大豆胶制备刨花板的工业化应用提供了参考依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

脱脂大豆粉（粗蛋白含量为53%），广州海莎生物科技有限公司；纳米蒙脱土，浙江丰虹新材料股份有限公司；山梨酸钾，宁波景舜生物科技有限公司；豆胶改性剂水溶液（可根据需要调整含水量），自制；杨木刨花，新疆白桦林原生态板业科技有限公司。

1.2 测试仪器

SFY-20A型卤素快速水分测定仪，深圳冠亚电子科技有限公司；DHG-9070A型电热恒温鼓风干燥箱，宁波市鄞州赛茵仪器有限公司；MWD-10型微机控制人造板万能试验机，济南汇科测试仪器有限公司；HH-42型数显恒温磁力搅拌循环水箱，常州国华电器有限公司。

1.3 刨花板制备

将脱脂大豆粉与纳米蒙脱土、山梨酸钾混匀作为大豆胶的A组分，大豆胶改性剂水溶液作为B组分。刨花使用前置于鼓风干燥箱中烘干至含水率为2.5%～3.0%。将刨花、A组分置于高速搅拌机内，搅拌的同时快速滴加B组分进行施胶，搅拌机转速为1 400 r/min，搅拌时间为60 s。将施胶后的表芯层刨花手工铺装，置于平板硫化机中热压，制得样板尺寸为400 mm×400 mm×16 mm；热压时高压3 MPa、排汽压力1 MPa。本研究中，施胶量均以干重计，芯层施胶量均设定为8%。

1.4 性能检测

（1）刨花含水率：按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》标准，采用卤素快速水分测定仪进行测定。

（2）静曲强度、弹性模量和内结合强度：按照GB/T 4897—2003《刨花板》标准，采用微机控制人造板万能试验机进行测定（测静曲强度和弹性模量样品的尺寸为370 mm×50 mm、测内结合强度的样品尺寸为50 mm×50 mm）。

（3）2 h吸水厚度膨胀率：采用数显恒温磁力搅拌循环水箱进行测定（样品尺寸为50 mm×50 mm）。

2 结果与讨论

2.1 密度对刨花板性能的影响

密度是影响刨花板性能的重要因素，对刨花板的物理力学性能、应用范围和成本具有直接的影响。报道显示[4]，刨花板密度每提高100 kg/m3，静曲强度（MOR）提高8 MPa，内结合强度提高0.2 MPa，弹性模量、握钉力、硬度也明显提升。然而密度大则成本提高，实际生产中，在保持高强度的同时应尽量降低刨花板的密度。本实验设定表层施胶量为13%，施胶后表层含水率为18%、芯层含水率为15%，210 ℃高压3.5 min、排汽1 min。图1结果显示，当密度为600 kg/m3时，弹性模量为1 960 MPa，静曲强度仅为12.00 MPa，低于标准要求。随着密度加大，静曲强度和弹性模量均呈上升趋势。当密度提高至660 kg/m3时，弹性模量达2 828 MPa，静曲强度达到15.84 MPa。后续实验中，设定刨花板密度为660 kg/m3左右。虽然2 h吸水厚度膨胀率随着密度的增大呈下降趋势，但由于未加防水剂，本实验中的2 h吸水厚度膨胀率均大于8%。

图1 密度对大豆胶杨木刨花板性能的影响Fig.1 Effects of density on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

2.2 表层施胶量对刨花板性能的影响

在刨花板工业中，施胶方法和胶粘剂的用量是直接影响产品质量和成本的主要因素[5]。本试验设定表层施胶后含水率为18%、芯层施胶后含水率为15%，根据前期实验经验，调整表层施胶量为9%、10%、11%、12%、13%。由图2可以看出，随着施胶量的增大，刨花板的弹性模量、静曲强度和内结合强度均呈上升趋势，其原因可能是随着施胶量的提高，增加了与刨花胶合时所形成的交联点，从而提高了弹性模量、静曲强度和内结合强度[5]，而吸水厚度膨胀率呈降低趋势。这是由于胶粘剂除了粘接刨花外，本身在刨花表面热固化后形成严密的隔水层，施胶量越大，水分隔离越充分，吸水厚度膨胀率越低[6]。但是施胶量的大小直接影响大豆胶刨花板的成本，综上分析可知，当施胶量为12%时，刨花板的各项物理力学性能都已达到要求。大豆胶的施胶量比UF大，原因在于大豆胶中大豆蛋白质的分子质量高达35 kDa，其粒径约为50 μm，只有增大其施胶量才能保证与木材的接触面积。

2.3 热压温度对刨花板性能的影响

热压温度不仅影响胶粘剂的固化，而且影响热压时间的长短[5]。本组实验设定密度为660 kg/m3，表层施胶量为12%，热压时间为4 min，依次调整热压温度为180、190、200、210 ℃。由图3可知，随着温度的升高，弹性模量、静曲强度、内结合强度都呈增大趋势。温度升高有利于热量的传导，使胶粘剂固化更充分从而提高了各项物理力学性能[7]。而吸水厚度膨胀率随温度的升高变化不明显，都不能满足标准要求。合理的热压温度可以使胶粘剂的固化良好，板坯水分蒸发适宜，从而使刨花板获得良好的物理力学性能，优选200 ℃作为制造大豆胶刨花板的热压温度。

图2 表层施胶量对大豆胶杨木刨花板性能的影响Fig.2 Effects of adhesive consuption on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

图3 热压温度对大豆胶杨木刨花板性能的影响Fig.3 Effects of hot press temperature on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

2.4 热压时间对刨花板性能的影响

本组实验依次设定热压时间为3、3.5、4、4.5 min。由图4分析可知，当热压时间为3.5 min时，刨花板的物理力学性能已经满足国标要求，再延长热压时间已意义不大，而且在实际生产中延长热压时间会减少刨花板的产量，不利于生产。所以，优选大豆胶制备刨花板的热压时间为3.5 min。

图4 热压时间对大豆胶杨木刨花板性能的影响Fig.4 Effects of hot press time on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesive

2.5 防水剂用量对刨花板防水性能的影响

豆胶的耐水性较差，因此在施胶时须加入一定量的防水剂。本实验中，防水剂的加入使刨花板的2 h吸水厚度膨胀率小于8%，满足标准要求，对弹性模量、静曲强度和内结合强度影响不大。由图5可知，加入防水剂后大幅降低了大豆胶刨花板的吸水厚度膨胀率，使其由14%左右降低至小于8%。但防水剂加入量不易过多，否则影响其弹性模量、静曲强度和内结合强度，因此，优选防水剂用量为0.4%。

3 结论

（1）刨花板的密度越大则强度越高。

（2）表层施胶量应不小于12%。

（3）最佳热压温度为200℃、热压时间为3.5 min。

（4）防水剂的加入显著降低了2 h吸水厚度膨胀率，加入量以0.4%为相对最佳。

图5 防水剂用量对2 h吸水厚度膨胀率的影响Fig.5 Effects of water-proofing amount dosage on 2 h thickness swelling

[1]王晓辉.环保阻燃型刨花板的工艺技术研究及效益分析[D].北京:北京林业大学,2006.

[2]桂成胜,朱锦,刘小青.大豆基木材胶粘剂的研究进展[J].粘接,2010,31(4):67-71.

[3]SOYAD™ ADHESIVE TECHNOLOGY.http://solenis. com/en/industries/specialties-wood-adhesives/ innovations/soyad-adhesive-technology/

[4]郑凤山,李岩.刨花板生产热压工艺[J].中国人造板,2011,18(7):17-21.

[5]袁少飞.豆胶杨木刨花板的工艺及特性研究[D].南京:南京林业大学,2008.

[6]赵林波,陆仁书,王逢瑚.异氰酸酯胶稻壳板物理力学性能的影响因素分析[J].东北林业大学学报,2001,29(1):79-81.

[7]张亚慧,祝荣先,于文吉.改性豆基蛋白胶杨木刨花板的制造工艺[J].木材工业,2010,24(3):4-6.

Influence of preparing parameters on properties of poplar particleboard bonded with soy-based adhesives

GUI Cheng-sheng1,2, SHI Jie-zhou1, LIU Xiao-qing2, ZHU Jin2, ZHANG Zhong-tao3
(1.Ningbo Zhaolu&CAS New Material Co., Ltd., Ningbo, Zhejiang 315040, China; 2.Ningbo Institute of Materials Technology&Engineering,Chinese Academy of Science, Ningbo, Zhejiang 315200, China; 3.Planning and Design Institute of Forest Products Industry, State Forestry Administration, Beijing 100010, China)

The effects of the density，adhesive consumption，hot press temperature，hot press time and waterproofing agent amount on the performance of the poplar particleboard bonded with the soy-based adhesive were investigated. The results showed that the mechanical strength of the poplar particleboard bonded with the soy-based adhesive was increased with increasing its density. The mechanical strength was also increased with increasing the adhesive consumption and extensing the hot press temperature and hot press time .The optimum hot press temperature and hot press time were 210℃ and 3.5 min, respectively. The 2 h thickness swelling can not meet the requirements of users without adding water-proofing agent. The 2 h thickness swelling was reduced significantly by adding water-proofing agent and its adding amount of 0.4% was relatively

particleboard; adhesive consumption; water-proofing; preparation parameter

TQ432.7+3

A

1001-5922（2016）09-0043-04

2016-05-20

桂成胜（1988-），男，博士。研究方向：生物基无醛胶粘剂。E-mail：gcs19882006@126.com。

木竹产业技术创新战略联盟（课题号：TIAWBI2015-01大豆胶制备刨花板关键技术研究），林业科技成果国家级推广项目（资助号[2016]-26大豆胶刨花板应用示范推广）。