水杉基3 层结构实木复合地板的制备及其导热声学性能的研究

2022-06-16鲁旭荣

西南林业大学学报 2022年3期

鲁旭荣李权林辉

（1.凯里学院，贵州凯里 556011；2.宁德师范学院化学与材料学院，福建宁德 352100；3.福建省特色生物化工材料重点实验室，福建宁德 352100）

水杉（Metasequoia glyptostroboides）木材心、边材区别明显，密度小，纹理通直而不匀，结构粗，材质轻而软。我国中部及南方地区的水杉、泡桐等乡土树种资源丰富，蓄积量和种植面积均较大。水杉木材作为一种低质材，如何进行高质化利用是学界一直在研究的课题。近年来相关学者从板材的加工利用，林产化工等方面对水杉的高质化利用做了大量研究[1]。王宏斌等[2]对水杉板材加工成自然凹凸纹理木质装饰幅面材料的方法作了研究，结果发现H2SO4溶液对水杉细胞壁的腐蚀明显，温度对腐蚀率有一定影响。Xie等[3]对烯丙基烷基咪唑离子液体水杉木材液化试验结果表明，在100 ℃的温度下40 min 内的水杉木材在离子液体中可液化。Bajpai 等[4]对水杉的乙酸乙酯浓缩提取物进行色谱分析，分离出双环类二萜、紫杉醇等生物活性成分，可用作食品工业的抗菌剂，以抑制某些食源性病原体的生长。

近年来因人们崇尚自然居住环境的心理需求，木地板成为了目前为止市场普及率最高的地板种类之一。实木复合地板由于克服了实木地板单体收缩、容易起翘开裂的不足，具有较高的尺寸稳定性，还有着与实木地板相同的典雅自然外观、脚感舒适、保温性能好[5−6]，使用感受良好的特点而受到大众的欢迎。实木复合地板由不同树种的板材交错层压而成，中间层的基材被包裹。本实验设计则是利用水杉木材质软的特点将其用于实木复合地板的芯板（基材）以实现低质材水杉材的高效利用。在有限的木材资源供给条件下，不断拓宽木材原材料的途径，加大利用国内南方地区优良的乡土树种，尤其是少有被开发利用的水杉木材，对缓解国内木材资源供需矛盾，减轻对国外木材的依赖度具有现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

水杉，树龄25 a，购买自贵阳市林产品市场。水杉心材紫红，材质细密轻软，可供建筑、板料、造纸等使用。胶粘剂：改性脲醛树脂胶，固含量60%，粘度230 mPa·s；水杉基3 层结构实木复合地板：表板为柞木（Xylosma racemosum），厚5 mm，含水率8.5%；芯板为水杉，厚10 mm，含水率9.5%；底板为杨木，厚3 mm，含水率7%。对照用的多层实木复合地板（表板为柞木，背板为杨木（Populussp.），芯层基材为杨木、桉木制作的多层胶合板）和3 层实木复合地板（表板为柞木、背板为杨木、芯层基材为杉木短木条拼接）均购买自贵阳市林产品市场，2 种对照产品的尺寸规格均为900 mm×90 mm×15 mm。

试样采用热压机BY214×8/60（8）ZRC，总压力：6 000 kN，热压板幅面尺寸：1 370 mm×2 700 mm（上海秋林机械有限公司，中国）。MTS/CMT 万能力学试验机（精度10N，美斯特试验机有限公司，中国）。驻波管吸声系数测量仪AWA6290Z（上海何亦仪器仪表有限公司，中国），TC−3001 准稳态法导热系数测试仪（上海依阳实业有限公司，中国）。

1.2 实验方法

1.2.1 表板、底板和水杉芯板施胶

木单板采用涂胶方式，用涂胶辊将脲醛树脂胶液均匀涂刷到单板的表面，单板单面涂胶量为200 g/m2（涂刷2 次）左右。

1.2.2 组坯

表板柞木，芯层为水杉，加工拼接后规格为800 mm×90 mm×10 mm（长×宽×厚），杨木底板。配上相应的5 层胶合板作为底板榫槽结合部分结构，试验压制产品规格为900 mm×125 mm×15 mm（长×宽×厚）的3 层结构实木复合地板，设计的具体尺寸见表1。

表1 水杉用作3 层结构实木复合地板组坯尺寸Table 1 The size of three-layer structure parquet with M.glyptostroboides base material mm

1.2.3 热压

根据前期试验研究结果，采用优化后的热压三要素条件制备水杉基3 层结构实木复合地板（如图1），设置热压温度96 ℃，热压时间6.7 min，热压压力8 kg/cm2。

图1 水杉基3 层结构实木复合地板的构造Fig.1 The construction of three-layer parquet with M.glyptostroboides base material

1.2.4 试件性能测试

1）按照GB/T 18103—2013[7]、GB 18580—2017[8]以及GB/T 17657—2013[9]对制备的实木复合地板尺寸偏差、理化指标进行检测和分析。虽然国内外有大量木地板甲醛释放量、耐磨强度、耐酸碱、拼接离缝等常规指标的检测和分析[10−11]，但决定木地板舒适度的导热性能检测分析研究不多。

2）准稳态法导热系数测量仪测量热流密度按下式计算：

式中：qc为热流密度，I为加热器电流，V为加热器电压，F为试件截面尺寸。

导热系数按下式计算：

式中：λ为导热系数，δ为试件厚度，Δt为准稳态时的温差（热面与冷面温度之差）。

3）水杉基3 层结构实木复合地板、多层及3 层结构实木复合地板在铺装过程中，不需要使用龙骨，因此在测量过程中采用方式是贴实测量。采用驻波管法对制备得到的水杉基3 层结构实木复合地板和市场购买的2 种木地板吸声系数进行测量，在0.2～2 kHz 范围内0.2、0.25、0.315、0.4、0.5、0.63、0.8、1、1.25、1.6、2 kHz 共11 个频率得到声压级的极大值和极小值，计两者之差为声压极差（Lp），按公式（3）计算吸声系数（α0）。

2 结果与分析

2.1 尺寸偏差、理化性能检测

由表2 可知，水杉基3 层结构实木复合地板的厚度偏差中公称厚度与平均厚度之差绝对值均≤0.5 mm，厚度最大值与最小值之差≤0.5 mm。直角度≤0.2 mm。边缘直度≤0.3 mm/m。翘曲度中宽度方向≤0.20%，长度方向≤1.00%。拼接离缝平均值≤0.15 mm，最大值≤0.2 mm。均满足国家标准相关要求。

表2 3 种实木复合地板理化性能检测结果Table 2 Physical and chemical properties of 3 kinds of parquet

理化性能测试表明，水杉基3 层结构实木复合地板的最终含水率为10.7%，甲醛释放量为0.112 mg/m3，3 种木地板试件均没有出现浸渍剥离现象。虽然3 种木地板的表板和背板的树种一致，总厚度均相同，但3 种实木复合地板的芯层材料却各不相同，水杉基3 层结构实木复合地板芯层部分用料是水杉木材，相比其他两种地板的芯层材料质量更小、密度更低。最终制得的水杉基3 层结构实木复合地板的甲醛释放量为0.112 mg/m3与多层实木复合地板的0.104 mg/m3和3 层实木复合地板的0.117 mg/m3相比差异不大，均小于国家标准要求的低于0.124 mg/m3的标准限量。

2.2 导热系数检测

试验测定了3 种实木复合地板的导热系数，结果见表3。

表3 3 种实木复合地板的热流密度及导热系数Table 3 Heat flux density and thermal conductivity of 3 kinds of parquet

试验用的3 种实木复合地板含水率分别为10.2%、11.1%、10.7%，导热系数检测结果有较好的可比性。木材是一种多孔性材料，导热系数较小，是热的不良导体。3 种实木复合地板主要是在芯层部分存在着结构和材料的差异，而实木复合地板的导热系数是各组分导热系数综合作用的结果，多层实木复合地板、3 层实木复合地板、水杉基3 层结构实木复合地板的导热系数分别为0.307 W/(m·K)、0.204 W/(m·K)、0.188 W/(m·K)，其中水杉基3 层结构实木复合地板的导热系数最低，属于绝热材料，其保温隔热性能好的主要原因是地板芯层部分的水杉木材结构疏松、密度低导致其导热系数低，使得地板整体的保温隔热性增大[12]。

2.3 吸声系数检测

木材的吸声效率是用它对某一频率的吸声系数来衡量。由图2 可知，水杉基3 层结构实木复合地板的吸声系数随着声音频率的增加而呈增大趋势，吸声系数均要好于在同种频率下的其他两种实木复合地板，但差别不明显。吸声系数越大，吸声效果越好[13]。3 种实木复合地板的吸声性能主要归结于其复合吸声结构，即兼具多孔吸声结构与共振型吸声结构的特点。3 种实木复合地板的吸声性能与其微观构造有着紧密的联系[14]，木材构造的特点是大量内外连通的孔隙，声波入射时，切面的微孔可引起摩擦和空气粘滞消耗，从而将声能转化为热能。其吸声频率特性对中高频吸声系数影响较大，低频较小。影响因素包括材料的孔隙率、厚度、密度、湿度等。从3 种实木复合地板芯层材料的密度、空隙特征等因素来分析，水杉是三者中密度最小，其孔隙度与多层胶合板、杉木相比更多[15−16]，因此，水杉木材的平均吸声系数较大，使得地板的整体吸声效果较其他2 种地板更好。3 种实木复合地板的含水率差别不大，但吸湿后木材的间隙和小孔中的空气会被水分所代替，使空隙率降低，导致对中高频的吸声系数降低[17]，因此不适合在高湿条件下使用。增加木地板的厚度，可以增加对中、低频声的吸收，但对高频声的吸声性能影响较小。厚度增加到一定程度时，对吸声系数的影响不明显。曹倚中[18]发现木材随着厚度的增加其吸声系数有所改善，在一定范围内树种对胶合板吸声系数影响显著。另外，徐伟[19]研究的漆膜厚度对云杉属木材吸声性能的影响中的吸声系数是随着漆膜厚度的增加而增加，即漆膜厚度越小，钢琴音板的吸声性能越差。本实验用到的3 种实木复合地板的漆膜饰面使得其表面透气性差，会降低其吸声系数。