MDI胶黏剂在人造板生产中的应用

宫 成 辛 波 晋艳丽 涂 松 齐旺顺

近十年来，中国人造板行业得到了飞速发展。随着供给侧改革的深入和环保要求的提升，人造板行业的转型升级迫在眉睫。一方面在生产环节设备升级成为近年来人造板发展的主旋律，另一方面随着人们环保观念的加强，退税政策的改变，人造板的绿色升级也进入关键时刻。

MDI作为一种新型胶黏剂近年来得到了广泛的关注，由于MDI本身无甲醛添加，粘接机理属于化学粘接，性能优异，施胶量低，因此生产过程更加安全，污染物排放更低；并且能够带来人造板制品环保、性能双重提升。MDI还可作为脲醛胶（UF）的改性剂，有效提升胶合强度，提升生产效率，降低生产成本。因此MDI胶黏剂必然会成为人造板行业环保升级的新选择。

1 MDI简介

MDI中文名为多亚甲基多苯基异氰酸酯，是广泛应用于聚氨酯行业的重要原料之一。

1.1 MDI的化学特性及物理属性

图1 MDIFig.1 MDI

MDI是一种半透明状的棕色液体，相对密度1.22～1.25 g/cm3（25 ℃），黏度150～250 mPa·s（25 ℃），是一种具有活泼反应特性的高分子化合物。在MDI分子结构中—NCO含量是表征其反应位点多寡的有效指标，含量一般为30 wt%～32wt%。MDI在密闭条件下，化学性质稳定，保质期可以长达1年，极大地方便了厂家的日常使用和储存。

1.2 MDI的反应特性

与脲醛胶依靠胶黏剂自身交联固化，通过对纤维/刨花的包裹渗透形成的物理粘接原理不同，MDI的粘接原理属于化学粘接，是通过分子中的—NCO基团与木材纤维中的羟基和结合水反应，将整个刨花以锚接的形式形成一个大分子网状结构，因此具有更高的内结合强度。而由于化学粘接较物理粘接能够大幅降低施胶量，在同等性能要求条件下，MDI施胶量仅为脲醛胶的1/5～1/6(干胶量)。

由于MDI的反应属于不可逆反应，不存在反应后的水解，因此其压制的板材吸水膨胀率极低，并且在一定条件下可以达到室外用材的要求。

MDI胶黏剂是一种高分子化合物，不含水或其他溶剂，并且可以与水发生反应，因此应用MDI可适当提高纤维/刨花含水率，降低干燥能耗。

MDI饱和蒸气压较低，因此挥发性极低，带来更加安全的生产环境和更低的废气排放。

除此之外，MDI中不含甲醛，可以使板材达到更高的环保等级乃至近乎无醛添加级别。

因此，企业由MDI生产板材,生产工艺及生产出的板材分别具有以下优势：

1）生产工艺具有的优势:更低的干燥能耗；更安全的生产环境；更低的施胶量；无甲醛胶添加。

2）生产出的板材具有的优势:更高的内结合强度；耐水性能好，可做室外材；更低的干燥能耗；更安全的生产环境。

另外，MDI可广泛用于生产刨花板（尤其是定向刨花板）、纤维板等，包括用于双组分拼板胶的固化剂，以及目前比较热门的大豆蛋白胶改性。

1.3 MDI的应用历程

自20世纪50年代MDI工业化生产后，MDI就广泛应用于胶黏剂和橡胶制品的生产。在北美，MDI在人造板行业的工业应用历史超过30年，已经成为MDI在美国的第二大消费行业。在中国，20世纪80年代，学术界就已经开始MDI在木材方面的应用研究。90年代，福人在国内首次应用MDI生产高密度纤维板(HDF)，并且同期，也兴起了一大批秸秆板生产企业，打开MDI工业化应用的先局。2006年万华生态板业收购湖北基立开启了秸秆板工业化的新时代；与此同时，国内多家纤维板生产企业开展了MDI在纤维板生产应用领域的探索。2010年宝源引进亚洲第一套连续定向结构刨花板（OSB）压机，开辟了中国乃至亚洲大工业化MDI生产OSB的先河。2013年，汉鸿与华洲引领了纤维板和刨花板商业化生产MDI板材的新趋势，自此MDI的应用进入加速期。2015年刨花板生产用MDI混胶在行业内得到广泛认同，鲁丽、康欣、园方3条OSB的上线再次将MDI的应用推向高潮，越来越多的家具企业推出了无醛添加的概念，MDI作为一个新的胶黏剂发展方向得到越来越多的认同。

在这期间，通过行业前辈为MDI的应用作出的努力，经过多年的开发和应用，MDI已经成为人造板提升产品质量，降低成本的重要选择。

2 MDI在人造板行业中的应用

MDI在人造板行业中的应用多种多样，目前基本可以覆盖全部板种和胶黏剂的应用及改性，包括刨花板(含定向结构刨花板)、纤维板、胶合板等，以及脲醛胶、生物质胶黏剂的改性。

2.1 在OSB中的应用

OSB是近几年国内引进的新兴板种，但在北美，其产量超过3 000万 m3/a，目前绝大多数厂家都是采用MDI进行生产，主要应用于木结构房屋。国内由于住房主要以钢混结构为主，因此应用有限。但随着新农村建设的推进和OSB家具应用的推广，国内用户对OSB的接受程度大幅提升。目前国内新上连续生产线基本全部采用MDI生产，MDI为其提供了更优的成本方案和性能优势。

脲醛胶或三聚氰胺改性胶往往无法达到OSB/3及以上等级的生产要求，而酚醛胶的应用会极大地降低生产效率，增加生产成本。MDI通过对施胶量的调节可以覆盖OSB/1～OSB/4全等级的板材生产。

OSB连续生产线应用MDI较为成熟，多层线和单层线需要进行一定的设备改造。针对不同的生产线，万华提供胶黏剂应用、设备改造、脱模方案及生产工艺的全方位支持，使厂家真正实现投入少，见效快的产品升级。

应用实例：以国内某单层生产线为例，经过施胶系统的简单更改，在MDI施胶量3.5%的水平，即可以生产出远超OSB/3(承载板材，厚度在10～18 mm之间,适用于潮湿状态条件下)要求的板材，并且甲醛释放基于木材本底水平。此生产线使用MDI生产OSB板材性能测试值与行标LY/T 1580—2010《定向刨花板》相对应的指标对比见表1[1]。

表1 MDI生产OSB/3板材性能评价Tab.1 Performance evaluation of MDI produced OSB/3

2.2 MDI在刨花板中的应用

近年，定制家具对刨花板印象的改观，促进了刨花板行业的迅速发展。而定制家具对刨花板性能要求的提升，也推动了行业的发展。一大批连续压机投入使用，使刨花板的质量得到大幅度提升。MDI对刨花板理化性能的提升以及生产效率的提升，使其在刨花板生产中大放异彩；同时配合增黏剂的应用，还带来了无醛刨花板解决方案，为刨花板的高端升级提供了可能。

2.2.1 表层使用UF胶，芯层使用MDI＋UF混胶（方案1）

该方案主要用于E0级板材生产，或用于提高刨花板物理化学性能，且在欧洲及美国已经得到广泛应用。由于仅在芯层添加MDI，对原有设备及工艺基本无须改动，可在使用脲醛胶的多层热压机及连续平压线上直接切换。而MDI在UF胶的反应中，可以起到加速固化交联的作用，本身还可以产生一定强度，因此该方案具有以下优点：

1）可降低板材中UF胶的添加量，降低甲醛释放量；

2）芯层添加MDI，热压速度大约可以提高10%～15%；

3）可在干燥段提高刨花含水率，降低能源损耗；

4）可以在保证板材性能的基础上适当降低板材密度；

5）提高成品合格率，产生废板的可能性低；

6）与全部使用MDI相比，不需要添加脱模设备和使用脱模剂；

7）对设备基本没有改动，性价比高。

当芯层MDI用量为1%刨花重量时，芯层UF胶用量可以减少20 kg（水胶）以上。干燥含水率可适当提高，以填补UF胶减少的水，保证芯层含水率。关于板材性能测试值对比数据见表2。

芯层使用MDI＋UF混胶，不仅可以降低胶黏剂及防水剂的直接成本，而且在达到同等板材性能的条件下，还可以有效提高生产效率、降低能耗、提高成板合格率，并且为符合国家标准要求的更低纤维板材的生产提供了可能。从目前价格水平核算，该方案胶黏剂成本直接下降10%以上，生产效率提升10%以上。以上优势将大大降低刨花板厂的综合成本，提升企业经济效益。

表2 刨花板板材性能对比Tab.2 Performance comparison of particleboard

2.2.2 表层使用UF胶，芯层使用MDI（方案2）

该方案主要用于生产超E0及F☆☆☆☆以上等级板材，在日本应用最广。由于芯层全部使用MDI，可以最大程度地降低板材的甲醛释放量，并且不需要考虑脱模问题，板坯依然具有一定的初黏性，可保障在多层热压机及连续平压机上无缝切换使用。该方案具有以下特点：

1）可以降低板材中UF胶的添加量，降低甲醛释放量；

2）芯层胶黏剂中不含水，可以通过提高干燥后刨花含水率和配合添加工艺水的方式保证芯层含水率；

3）不需要脱模设备和脱模剂。

2.2.3 表层和表芯层均使用MDI（方案3）

该方案可以生产完全无醛添加的刨花板。由于MDI施胶后的板坯没有初黏性，成为限制其发展的桎梏。MDI热压后还具有极强的粘结性，会与热压钢带、钢板发生粘结，因此必须配套使用脱模剂，这在一定程度上增加了应用的难度。但是采用万华公司开发的增黏剂及脱模方案，可在保障钢带安全的前提下，完成无醛添加刨花板的生产。该方案具有以下特点：

1）可以做到无醛添加，使板材跻身高端市场；

2）板材的力学强度高，尺寸稳定性好，吸水膨胀性能优异。

对于初黏性问题，从图2、3可得到直观的认识。由于MDI预压后板坯没有初始强度，在输送皮带过渡到热压机端时，会造成表层刨花散落，导致板面缺陷，破坏内部结构。通过在表层添加增黏剂，使板坯在预压后具有一定的初始强度，保障其顺利输送，并且达到在热压后固化提高表层结合强度的作用。

在有限的成本增加条件下，无醛添加刨花板可以达到较优的理化性能指标，结合强度、握钉力等性能大幅上升，吸水厚度膨胀率下降。生产速度的下降可通过添加快速固化剂进行改善。使用MDI生产出的刨花板性能与GB/T 4897—2015《刨花板》对比见表3。

图2 未使用增黏剂的板坯过渡情况Fig.2 The slab transition situation without tackif i er

图3 使用增黏剂后的板坯过渡情况Fig.3 The slab transition situation with tackif i er

表3 使用MDI生产的刨花板性能与国标对比Tab.3 Performance of MDI produced particleboard compared with the national standard

2.3 MDI在中密度纤维板中的应用

中密度纤维板是国内较早应用MDI的一种板种，然而湿法施胶及热压脱模问题一直影响着中密度纤维板对MDI的应用。随着对MDI及设备、工艺方面的理解，MDI在中密度纤维板方面的应用日趋成熟，主要有以下两种应用方式：

1）与UF混胶使用，主要用在对内结合强度或防水性能有特殊要求的特种板材；

2) 全MDI施胶体系的应用。

2.3.1 MDI与UF混用

纤维板施胶量较大，在保障板材性能的前提下，提升甲醛释放等级与板材等级较为困难，对脲醛胶的配方工艺要求较高。通过MDI与UF的配合使用，可有效提升板材性能，降低甲醛释放，并且生产效率得到有效的提升。

应用实例：某厂生产潮湿状态下使用的家具型中密度纤维板，MDI添加量为0.6%，脲醛胶添加量下降2.5%。中密度纤维板混胶理化性能指标与国标GB 11718—2009《中密度纤维板》、GB 18580—2001《室内装饰装修材料 人造板及其制品中甲醛释放限量》对比见表4[2，3]。

表4 中密度纤维板混胶板材性能对比Tab.4 Performance comparison of adhesive mixing MDF

由表4可见，MDI混合UF可以显著降低施胶量，甲醛释放量降低，生产效率提升25%左右。

2.3.2 全MDI施胶体系应用

全MDI生产的无醛添加MDF，为纤维板无醛化提供了可能，极大地提升了纤维板的环保性能，并且MDI带来的防水性能的提升，拓展了其在家具、地板等领域的应用。

表5 中密度纤维板无醛添加MDI板材性能Tab.5 Performance of aldehyde-free MDI produced MDF

应用实例：施胶量可以控制在3.5%，综合成本没有明显提高，但制品可以达到近乎无醛添加级别。

2.4 在胶合板生产中的应用

胶合板是我国产量最大的板材品种，生态板的出现代表了行业对绿色升级的需要。MDI在胶合板方面的应用有两种方式：

1)与UF混合：有效降低成本，提升结合强度；

2)与水性高分子胶黏剂/天然植物胶黏剂混用：提升结合强度以及耐水性。

2.4.1 MDI与UF混用

当前UF生产胶合板存在胶合强度不高，甲醛释放高的缺陷。尤其在建筑模板领域，三聚氰胺改性脲醛胶往往难以达到结合强度要求。针对这一领域，万华在不改变现有生产工艺的前提下，开发了MDI与UF的混合应用技术，用以解决胶合板生产的诸多问题。

应用实例：以UF∶MDI=100∶2.5混合，制得的板材性能与GB/T 9846.3—2004《胶合板 第3部分：普通胶合板通用技术条件》对比见表6[4]。

表6 胶合板混胶板材性能对比Tab.6 Performance comparison of adhesive mixing plywood

由表6数据可见，MDI的添加可大幅降低胶黏剂用量，成本降低20%左右，并且大幅提高板材胶合强度，提升约50%。

2.4.2 MDI与水性高分子胶黏剂/天然植物胶黏剂混用

高端胶合板领域对无醛添加的需求与日俱增，催生出一系列无醛解决方案。其中以水性高分子胶黏剂和天然植物胶黏剂方案最为成熟。通过MDI的复配应用，在有限的成本增加前提下，能够大幅提升板材的胶合强度。

胶合板应用MDI有以下优点：

1）可做到板材零甲醛添加;

2）胶合强度，板材耐水性显著提高;

3）活性期长，满足施工要求，无需额外增加设备。

应用实例1：某胶合板厂生产时，水性高分子A组份∶MDI=100∶12，施胶量300g/m2。该厂所生产的胶合板胶合强度、甲醛释放量与国标GB/T 9846.3—2004《胶合板 第3部分：普通胶合板通用技术条件》[4]和日本工业标准JIS A 5908—2003-ENG 《Japanese Industrial Standard》[5]对比见表7。

应用实例2：某胶合板厂上线，豆胶∶MDI=100∶5，施胶量500g/m2，表8中为添加与未添加MDI的两种胶合板的胶合强度与国标[4]的对比。

表8 两种胶合板胶合强度与国标对比Tab.8 Bonding strength of plywood produced with or without MDI compared with the national standard

3 结语

MDI作为人造板行业新兴的胶黏剂具有广泛的应用前景，从生产环节的环保提升，到板材制品的性能提升，再到制品的绿色升级，为人造板生产企业提供了低成本，高品质的换代升级方案。MDI的应用有助于人造板行业转型升级，提升产品品质，为板材生产企业创造更多财富，为家具制造企业创造更多价值，为消费者提供更加环保安全的产品。

[1]LY/T 1580—2010 定向刨花板[S].北京:中国标准出版社,2010.

[2]GB 18580—2001 室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量[S].北京:中国标准出版社,2001.

[3]GB 11718—2009 中密度纤维板[S].北京:中国标准出版社,2009.

[4]GB/T 9846.3—2004 胶合板 第3部分:普通胶合板通用技术条件[S].北京:中国标准出版社,2004.

[5]JIS A 5908—2003-ENG Japanese Industrial Standard[S].Tokyo:Japanese Standards Association,2003.