木质素改性树脂制备刨花板的工艺探究

（广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004）

刨花板是以加工剩余物、小径木、枝丫材和其他木质纤维素材料为原料，经刨花制备、刨花干燥、施加胶黏剂和防水剂、在一定的压力和温度下热压成型的一种板材[1]。它广泛运用于建筑结构用板、集装箱板、建筑内部装饰板等对承载能力有较高要求的领域，也应用于船舶和车厢内部装修、外包装用板等装饰用板，由于其表面平整，还能二次加工制成饰面刨花板[2]。鉴于刨花板应用的广泛性以及对加工剩余物的利用，需要加大对刨花板的研究力度，增加刨花板的技术创新，优化产品结构。

木质素作为天然植物基生物质资源，是仅次于纤维素的第二大可再生能源[3]，目前储量巨大，使用其改性酚醛树脂可降低石油化工产品苯酚的使用量，降低木材胶黏剂的环境污染量，可以提高刨花板工业的环境友好性。

为此，本研究采用工业木质素酚醛树脂作为胶黏剂，研究制备工艺对刨花板物理力学性能的影响，优化木质素酚醛树脂制备刨花板工艺过程，为该工艺方法提供相关数据参考和一定实践经验。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

桉木刨花：丰林公司产，平均含水率3%，长细比为3，其中掺杂木质碎屑。

木质素改性树脂（A0-3 树脂）：广西鹿寨富民山木质素树脂有限公司产，固含量为43.6%，黏度为336 MPa·s，游离甲醛含量0.04%，固化温度125℃，pH 值12。石蜡乳液：产自国旭集团，固含量45%，白色。氯化铵，分析纯，天津市大茂化学试剂厂产。

1.1.2 试验设备

BY30 型180t 试验压机，公称压力1800kN，热板幅面500mm×500mm，苏州新协力机械制造有限公司产；WDT-10 型微机控制电子力学试验机，深圳市凯强利试验仪器有限公司产；LRH-250-GS 型人工气候箱，广东省医疗器械厂产。其他：PC 电动搅拌机、电热恒温干燥箱和电子天平等。

1.2 试验方法

1.2.1 板坯制作及试验方案

板坯制作流程：刨花干燥→施胶→施蜡→添加固化剂→5min 搅拌→铺装→预压→热压。其中刨花含水率降至3%，石蜡乳液添加量为2%，固化剂与水以1∶4的比例配成溶液添加。预压成型后的板坯厚度约为刨花板的3 倍。根据工厂生产经验制定热压工艺曲线，采用多段式热压工艺曲线，压机升压至3.6MPa，多段降压保压后卸压完成热压。

刨花板规格为450mm×450mm×15mm，目标密度为0.70～0.75g/cm3，采用四因素三水平正交试验法，研究热压温度、热压时间、施胶量、固化剂添加量这四个因素对刨花板静曲强度、弹性模量、内结合强度、24h吸水厚度膨胀率等物理力学性能的影响。具体试验因子和水平如表1 所示。

1.2.2 刨花板物理性能测试

采用WDT-10 型微机控制电子力学试验机进行刨花板力学性能测试。刨花板静曲强度、弹性模量、内结合强度、吸水厚度膨胀率等物理力学性能测试方法按照标准GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行。对于每一组参数，静曲强度和弹性模量测试取6 个试件，内结合强度取10 个试件，24h 吸水厚度膨胀率取10 个试件，试验结果取每组所测数据的算术平均值。

2 结果分析

2.1 正交试验结果

根据表1 的正交试验因素水平表来制定试验方案，测定刨花板的力学性能，正交试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果

由表2 可以看出，7 号试验各项性能较低，其工艺参数为：热压温度170℃、热压时间360s、施胶量15%、固化剂添加量1%。可见7 号试验施胶量大，热压时间短，板坯含水率较高，导致胶黏剂固化不完全而强度低；反观3 号试验，施胶量15%，热压时间较长为600s，各项性能较7 号试验优良，且3 号试验24h 吸水厚度膨胀率是最小的。

对试验结果进行极差分析，得到各因素对刨花板性能影响因素主次及最佳方案，如表3 所示。

表3 因素主次及最佳方案

由表3 可知，使用木质素改性胶黏剂制备刨花板，其物理力学性能主要受热压时间与施胶量的影响。为了更直观分析各因素对刨花板性能的影响，根据极差分析绘制了趋势图，如图1～4 所示。

2.2 各因素对刨花板物理力学性能的影响

2.2.1 热压温度

由表3 可知，热压温度对木质素改性树脂制备的刨花板性能影响较小。由直观分析图可见，随着热压温度的增加，刨花板的静曲强度、弹性模量和24h 吸水厚度膨胀率先增大后减小，内结合强度略微下降。

刨花板在热压过程中，热量首先使胶黏剂内摩擦力减小，粘度降低，胶黏剂与刨花间接触增大，随着温度继续升高，胶黏剂内摩擦力迅速增大，胶黏剂完全固化。高温还可以增加木材的塑性，使板坯更为密实，强度也随之提高。但是，热压温度过高，会导致板材表面胶黏剂的热分解和纤维素大分子降解，使刨花板力学性能下降。温度升高，若板坯施胶量大，热压时间不够，板内水分未排出，水蒸气压力高，易产生鼓泡缺陷，以及胶黏剂固化不完全，导致板坯性能降低。

2.2.2 热压时间

由表3 可知，热压时间对木质素改性树脂制备的刨花板性能影响较大，尤其是静曲强度和内结合强度。由直观分析图可见，随着热压时间的延长，刨花板的静曲强度、弹性模量和内结合强度呈上升趋势，24h吸水厚度膨胀率也得到改善。

由此可见，热压时间的延长有利于改善刨花板的性能。随着热压时间延长，芯层内较高的蒸汽浓度大于外界蒸汽浓度，蒸汽保持较高的扩散通量向外扩散，板坯内部饱和蒸汽压力得以降低，内应力减少。同时，芯层达到较高温度，使刨花具有一定的塑性，使板坯内胶黏剂的固化率提高，刨花间粘结更紧密，更有效传递破坏力，从而使板材各项物理力学性能提高。

2.2.3 胶黏剂施加量

由表3 可知，胶黏剂施加量对刨花板内结合强度和24h 吸水厚度膨胀率影响较大，对静曲强度和弹性模量影响较小。由直观分析图可见，胶黏剂施加量的增加，刨花板的静曲强度、弹性模量和内结合强度呈下降趋势，而24h 吸水厚度膨胀率降低。

胶黏剂添加量增大，导致板坯含水率上升，热压时板坯内部蒸汽过多，气压过大，会导致板坯内部产生鼓泡分层。同时，木质素改性树脂中木质素为大分子，使胶黏剂渗入木材孔隙难度增加[3]，需要消耗更多能量来形成化学键或分子间氢键，导致热压时间结束后仍有部分胶黏剂分子未参与反应，也使刨花板内部有低交联状态，从而刨花板各项力学性能降低。但是，胶黏剂具有包裹刨花并阻碍与水分接触的作用，因此施胶量增加使刨花板耐水性较好。在本试验条件下，因设计的热压温度及热压时间不足，木质素改性树脂胶黏剂施加量的增大不利于刨花板力学性能提高。

2.2.4 固化剂添加量

由表3 可知，固化剂添加量对刨花板静曲强度和弹性模量的影响较大，对内结合强度和24h 吸水厚度膨胀率的影响较小。由直观分析图可见，随着固化剂添加量的增加，刨花板的静曲强度、弹性模量和内结合强度呈下降的趋势，24h 吸水厚度膨胀率先增大后减小。

固化剂的作用是通过缩短胶黏剂热压时间或降低热压温度而促进固化反应，木质素改性树脂pH 为12，在碱性条件下固化，氯化铵水溶液呈弱酸性，会破坏树脂的固化条件。因此，固化剂的添加反而降低树脂的固化效果，板材韧性变差。其次，固化剂以配成溶液形式添加，间接地提高了板坯的含水率。由表2 可见，4 号试验加入固化剂量2%，而且热压温度较低，时间也不充分，导致板坯含水率较高，胶黏剂粘度下降，胶黏剂无法完全固化，因此板坯成型差强度低；另外，由静曲强度和弹性模量可见，加入固化剂的刨花板强度普遍比未加入固化剂的低。由此可见，氯化铵不适合作为本试验的固化剂。

2.3 验证试验

综合板坯热压温度、热压时间、施胶量和固化剂添加量对刨花板物理力学性能影响的研究分析，为获得更优的力学性能，对获得的最佳工艺方案进行验证。其中最佳工艺参数为：热压温度160℃、热压时间600s、刨花施胶量9%、不添加固化剂。

在此工艺条件下，每个试验号的静曲强度和弹性模量各取3 块试样、内结合强度和吸水厚度膨胀率各取5 块试样进行检测，所得结果取算数平均值，情况如表4 所示。

表4 较优工艺的验证试验结果

由表4 数据可知，较优工艺条件下制得的刨花板的静曲强度、弹性模量、内结合强度均有所改善，24h吸水厚度膨胀率仍然很高，分析原因是较优工艺条件下施胶量较低，胶黏剂无法包裹木材细胞壁，导致刨花遇水吸湿膨胀。由于固化剂对静曲强度和弹性模量影响较大，为了获取更佳的力学性能，可不添加氯化铵固化剂。

3 结语

3.1 刨花板静曲强度和内结合强度主要受热压时间的影响，热压时间延长，板坯内部温度更加均匀，胶黏剂固化速率提高，使刨花板整体性能得到提高。

3.2 刨花板24h 吸水厚度膨胀率主要受施胶量的影响。施胶量增加，更有效阻碍刨花与水分接触，避免吸湿膨胀。

3.3 本试验的最佳工艺为：热压温度160℃、热压时间600s、刨花施胶量9%、固化剂添加量0。在本试验条件下，由于热压温度和时间的不足，为保证刨花板力学强度，降低生产成本，选用低施胶量及不添加氯化铵固化剂。在使用木质素胶黏剂制备刨花板时，为提高固化速率，建议更换其他固化剂。