大豆胶制备竹刨花板的工艺参数探究∗

2017-04-27桂成胜林新青兰从荣张忠涛

林产工业 2017年9期

彭顺桂成胜林新青兰从荣张忠涛

刨花板虽然在中国人造板产品中份额较小，但却是增长较快的一个板种。我国90%以上的刨花板均是以木材为原料，而且使用的胶黏剂大都是三醛胶[1]。随着中国天然林禁伐和退耕还林政策的实施，木材供需矛盾日益紧张。而我国竹资源十分丰富，并且竹材具有生长周期短，产量高，强度高，环保及可再生性等特点。使用竹材作为现代建筑材料也符合国家可持续发展要求，还能缓解木材供需矛盾。因此，“以竹代木”是我国木材资源紧缺条件下的重要发展方向[2]。目前，国内与国外对竹子的物理和化学性能都有很深的研究，但竹材在人造板方面特别是刨花板方面的应用还比较少。

竹刨花板是以竹材加工剩余物、小径竹为主要原料，经加工而成的一种竹材人造板，笔者研究的是以无醛大豆胶作为竹刨花的黏合剂，生产出绿色环保的竹材刨花板，并对制备竹材刨花板的几个重要工艺因素进行了探究，从而得到竹材刨花板的最佳制备工艺，为无醛大豆胶竹刨花板产品的问世提供实验依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

竹刨花（福人木业有限公司），刨花规格：长25～30 mm，宽2～5 mm，厚度0.4～0.5 mm，含水率3%～4%；脱脂大豆粉(广州海莎生物科技有限公司)，含水率7%～9%，粗蛋白含量52%～55%；大豆胶改性剂水溶液（宁波中科朝露新材料有限公司）；纳米蒙脱土（浙江丰虹新材料股份有限公司）；乳化石蜡型防水剂（宁波汉圣化工有限公司）。

1.2 实验设备

平板硫化机（湖州顺力橡胶机械有限公司，型号：XLB-D）；筒式搅拌机（张家港市东亚电机制造有限公司，型号：YM3-132M-4）；微机控制人造板万能力学测试机（济南汇科测试有限公司，型号：MWD-10）；精密推台锯（上海坚卓木工机械有限公司）；鼓风式电热干燥箱（宁波市鄞州赛茵仪器有限公司）；卤素快速水分测定仪（深圳冠亚水分仪科技有限公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 制板流程

竹刨花—干燥—称量—施胶搅拌—铺装—热压。

1.3.2 刨花板制备

将脱脂大豆粉与纳米蒙脱土混匀作为大豆胶的A组份，大豆胶改性剂水溶液作为大豆胶的B组份。竹刨花使用前置于鼓风干燥箱中烘干至含水率为3%～4%（含水率使用卤素快速水分测定仪检测），施胶：将竹刨花、A组份置于筒式搅拌机内，开启搅拌，搅拌的同时快速滴加B组份，转速1 400 r/min，共搅拌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，厚度规16 mm，制得样板尺寸400 mm×400 mm×16 mm。

1.3.3 检测

按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的要求将样品锯成370 mm长、50 mm宽用于测定静曲强度和弹性模量（试件数分别为6个），锯成50 mm×50 mm用于测定内结合强度（试件数5个）和2 h吸水厚度膨胀率（试件数3个）。根据林业行业标准LY/T 1842—2009《竹材刨花板》规定：16 mm厚竹材刨花板的合格标准为：静曲强度≥14 MPa，弹性模量≥1 700 MPa，内结合强度≥3.5 MPa，2 h吸水厚度膨胀率≤8.0%。

2 结果分析

2.1 密度对竹材刨花板性能的影响

密度是影响刨花板性能的重要因素，随着刨花板密度的增加，刨花板的静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、内结合强度（IB）、握螺钉力、硬度也随之提高，可是刨花板的密度越大，生产成本就越高，故在实际生产中，在保持较高力学性能，生产合格产品的同时，应尽量降低刨花板的密度。该研究设定：表层施胶量为13%，施胶后表层竹刨花的含水率为14%；芯层施胶量为11%，施胶后芯层竹刨花含水率为10%；于210 ℃、3 MPa条件下热压5 min（其中高压4 min，1 MPa下排汽1 min）。根据前期实验分别调整竹材刨花板的密度为675、710、743、777 kg/m3。由图1可知：当密度为710 kg/m3时，刨花板的弹性模量、内结合强度分别为2 160、0.39 MPa，静曲强度仅为12.44 MPa，低于标准要求的≥14 MPa。随着刨花板密度的增加，刨花板的静曲强度、弹性模量和内结合强度都随之增大，当密度＞743 kg/m3时，弹性模量，静曲强度，内结合强度均达到标准要求。随着密度的增大，有利于大豆胶的渗透，从而保证刨花板的力学性能。后续实验中，研究设定刨花板的密度为770 kg/m3左右。

图1 密度对大豆胶竹材刨花板的影响Fig.1 Influence of density on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.2 表层施胶量对刨花板性能的影响

刨花施胶是利用刨花与大豆胶黏剂之间的吸附作用，将胶黏剂与刨花均匀混合的过程，是保证胶合质量的关键因素，另外，胶黏剂的用量也是影响刨花板的一个重要因素，在搅拌设备内，将刨花和大豆胶按照一定的比例混合搅拌均匀。设定表层施胶后含水率为14%，芯层施胶后含水率为11%，调整表层施胶量分别为10%、11%、12%、13%。试验结果如图2所示：随着表层施胶量的增大，刨花板的静曲强度、弹性模量、内结合强度也随之上升。主要原因是随着施胶量的增大，大豆胶黏剂与刨花的接触面积会增大，会增加与刨花胶合时所形成的交联点，从而提高刨花板的力学性能[3]。当表层施胶量＜12%时，静曲强度不合格，未达到标准要求,当表层施胶量＞12%时，静曲强度、弹性模量、内结合强度均达到标准要求。随着表层施胶量的增大，2 h吸水厚度膨胀率变化不明显，但是由于没有添加防水剂，2 h吸水厚度膨胀率均不合格。综上可知：只有当表层施胶量＞12%时，竹材刨花板的静曲强度、弹性模量、内结合强度才能达到标准要求。故制作大豆胶竹刨花板的表层施胶量应＞12%。

图2 表层施胶量对大豆胶竹材刨花板的影响Fig.2 Influence of adhesive dosage on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.3 热压温度对大豆胶竹材刨花板性能的影响

在刨花板热压过程中，热压温度、热压压力、热压时间等热压三要素直接影响到胶合质量。热压温度的主要作用是使大豆胶黏剂固化，增加刨花的塑性，并排除板坯中的水分[4]。该组实验设定表层施胶量为13%、热压时间4 min、排气1 min。调整热压温度分别为180、190、200、210 ℃，试验结果如图3所示：随着温度的升高，刨花板的静曲强度、弹性模量、内结合强度都有增大的趋势，主要是因为热压温度越高，刨花的可塑性就越好，另外，会加快胶的固化速度，在热压时间一定的情况下，胶黏剂会固化得更加充分，从而提高刨花板的各项物理力学性能。提高热压温度还有利于传热，芯层温度上升就越快，可以缩短热压时间，提高生产效率[5]。当热压温度＜190 ℃时，静曲强度不合格。当热压温度＞200 ℃时，刨花板的静曲强度、弹性模量、内结合强度都能达到标准要求。2 h吸水厚度膨胀率对温度升高变化不明显，不能满足标准要求。综合考虑，优选210 ℃作为制造大豆胶竹刨花板的热压温度。

图3 热压温度对大豆胶竹材刨花板性能的影响Fig.3 Influence of hot press temperature on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.4 热压时间对大豆胶竹材刨花板性能的影响

热压时间直接影响刨花板的生产效率、板坯含水率与表面质量，足够的热压时间主要是保证胶黏剂固化完全，一般和热压温度一起考虑。该组实验依次设定热压时间为3.5、4、4.5、5 min（其中包含1 min的排气时间）。由图4可知：当热压时间＜5 min时，刨花板的静曲强度不合格。而当热压时间＞5 min时刨花板的静曲强度、弹性模量、内结合强度均合格。综合考虑，优选大豆胶竹材刨花板的热压时间为5 min 。

图4 热压时间对大豆胶竹材刨花板性能的影响Fig.4 Influence of hot press time on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

2.5 防水剂用量对大豆胶竹材刨花板性能的影响

图5 防水剂用量对大豆胶竹材刨花板性能的影响Fig.5 Influence of water-proofing agent content on soy-based adhesive bonded bamboo particleboard

在之前的试验中，刨花板的2 h吸水厚度膨胀率大都不合格，主要原因是由于大豆胶的耐水性较差。为保证刨花板的2 h吸水厚度膨胀率达到标准要求，分别加入0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的防水剂，试验结果如图5所示：随着防水剂用量的增加，刨花板的2 h吸水厚度膨胀率显著降低，当防水剂用量为0.4%时，刨花板的2 h吸水厚度膨胀率＜8%，已经达到标准要求，但是随着防水剂用量的增加，静曲强度和弹性模量有下降的趋势，故应在保证2 h吸水厚度膨胀率符合标准的情况下减少防水剂的加入，综上所述：优选防水剂的加入量为0.4%。