响应曲面法优化连续辊压实木复合地板的工艺1)

王惠芸 曹平祥 杨光明 李荣荣 郭晓磊

(南京林业大学，南京,210037) (富乐(中国)黏合剂有限公司) (南京林业大学)



响应曲面法优化连续辊压实木复合地板的工艺1)

王惠芸 曹平祥 杨光明 李荣荣 郭晓磊

(南京林业大学，南京,210037) (富乐(中国)黏合剂有限公司) (南京林业大学)

为了探讨采用聚氨酯胶作为胶黏剂的多层实木复合地板快速辊压生产较优工艺，以涂胶量、冷压时间、冷压压力3个因素为研究对象，采用响应曲面法分析地板剪切强度并确定较优工艺参数。结果表明：涂胶量与冷压时间对多层实木复合地板胶层剪切强度有显著影响；冷压压力无显著影响。较优工艺参数为：涂胶量98 g/m2，冷压时间24 s，压辊下降3 mm即压力1.2 MPa。

实木复合地板；地板加工工艺；快速辊压；响应曲面法

实木复合地板因其自然纹路、高度舒适感和良好的稳定性等优点已成为地板的主导产品，使用量逐年增加[1-5]。胶合质量作为实木复合地板的重要参数，直接影响地板质量和产量。在传统的地板生产工艺中，大多采用热压技术，这种生产工艺虽然简单，设备通用性强，但是存在大量能源消耗、温度梯度导致地板合格率降低、低自动化等问题；采用脲醛树脂胶(UF)和三聚氰胺改性脲醛树脂胶(MUF)存在甲醛释放问题，不符合绿色环保的要求[6-7]。

聚氨酯胶(PUR)的发展已经有20 a余的历史，因其环保、高强度、高黏结力等优点，在众多领域得到了广泛应用，近几年在木材行业也得以兴起应用[8-10]。索菲亚家居引进反应型聚氨酯热熔胶快速辊压设备，用流水式的生产模式代替了传统的堆垛式冷压模式，生产效率大大提高；在国外，基材的贴面加工，已普遍使用PUR热熔胶，采用快速固化辊压的方法，产品质量及生产效率都大幅提高[11-12]。由此，反应型PUR热熔胶及其快速辊压生产技术具有重大前景，但是国内地板企业尚未使用这种技术。

响应曲面法(RSM)是一种优化生物过程的统计学试验设计，采用该法以建立连续变量曲面模型，对影响生物过程的因子及其交互作用进行评价，确定最佳水平范围，而且所需要的试验组数量相对较少，可节省人力物力，因此该方法已经成功应用于各种各样的生物过程优化中[13-16]。

笔者采用PUR胶黏剂，研究实木复合地板涂胶量、冷压时间和冷压压力对胶合质量的影响，结合响应曲面模型预测剪切强度值最终得出较优工艺参数，为实际生产及后续研究提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

实木复合地板表板和芯板均购于大亚江苏地板有限公司。表板为橡树(Oak)，规格130 mm(长)×915 mm(宽)×2 mm(厚)，含水率6%～8%；芯板为杨木(Poplar)，规格400 mm(长)×920 mm(宽)×12 mm(厚)，含水率9%～10%。

试验所用胶为PUR胶黏剂，购于上海富乐胶黏剂有限公司，型号为NP2075T，白色固体，不含甲醛。固体质量分数100%，熔化温度150～180 ℃，可减少产品的变形和翘曲。

1.2 仪器及设备

溶胶涂胶机、冷压辊压机、微机控制电子万能实验机。

1.3 方法

响应曲面法：设计响应曲面实验。采用响应曲面中的Box-Behnken设计实验，每个因素取3个水平，以(-1,0,1)编码。具体工艺参数和水平如表1所示。

剪切强度的检测：剪切强度的检测根据标准ASTM D905-03取样，试样如图1所示。但因为压合的地板厚度达不到标准要求，在测试过程中可能会产生试样变形导致剪切应力不准确，即在地板两侧分别粘一块金属板，如图1所示[17]。每组参数下测试试样3个，一共17组，试样总数为51个。

表1 工艺参数及相应的编码水平

注：辊压机无法调节压力，只能调节压辊距离调节压力。1 mm是在压辊距离为14 mm的基础上下调1 mm，以此类推。经压力传感器计算，压辊下降1 mm压力为0.4 MPa；2 mm压力0.8 MPa；3 mm压力1.2 MPa。

a.未粘铁块试样 b.粘铁块试样

图1 剪切强度地板试样

2 结果与分析

经过测试，连续辊压实木复合地板的剪切强度值见表2。最左列为软件生成的标准试验顺序，左边第二列为实际试验测序。试验按照第二列随机次序进行，避免试验次序对试验结果的影响。

2.1 方差分析

实验结果见表2。对试验结果进行方差分析，结果见表3。P值为模型及各因素的显著水平。P值小于0.05表明模型或各因素有显著影响，P值小于0.01表示影响高度显著。

从表3中可以看出，模型P值为0.001 3<0.05，表明该模型显著。另外，A、B、AB也都是显著的(P值小于0.05)，即采用PUR胶黏剂对多层实木复合地板表板与芯板进行胶合时，胶黏剂涂布量与胶合时间对胶层剪切强度的影响显著。并且模型的R2及调整的R2相接近，且接近1，说明该模型可以很好地预测PUR胶黏剂胶层剪切强度。

表2 连续辊压实木复合地板的剪切强度

注：每组试验重复3次。

2.2 回归模型及模型精度

采用非线性回归分析的方法，建立了胶黏剂胶层压缩剪切强度(σ)的二次模型。胶黏剂的回归模型如下所示。

σPUR=2.83+0.23A+0.2B+0.024C-0.11AB+0.1AC- 0.035BC-0.044A2+0.069B2+0.084C2。

式中：A为涂胶量；B为冷压时间；C为压力；且此模型中A、B、C数值采用编码水平值。

表3 剪切强度方差分析

注：R2= 0.94；调整的R2= 0.87。

模型的精度通过3组随机试验进行验证。剪切强度的预测值采用以上二次模型进行计算。3组验证试验中，模型的预测值与试验的实际值及误差值见表4。可以看出，3组试验的误差值都较小，此结果表明通过响应面方法得到的胶层压缩剪切强度二次模型精度较高，能够比较精确地预测多层实木复合地板表板与芯板间胶层压缩剪切强度。并且模型的预测值与试验的实际值之间的相关性如图2所示。PUR胶黏剂的相关性系数分别为0.94。

表4 模型精度验证试验结果

注：表中负值为预测值大于实际值。

图2 压缩剪切强度预测值与实验值相关性

2.3 讨论

各工艺参数对多层实木复合地板表板与芯板胶层剪切强度的影响趋势如图3所示。可以看出，在所选参数区间内，胶层剪切强度随着涂胶量和冷压时间的增加而增大；冷压压力对胶层剪切强度影响不显著。涂胶量的影响机理可能为：当涂胶量较少时，因胶黏剂有渗透性，较少的胶黏剂会渗入木材内部，无法形成连续的稳定胶层，部分位置出现缺胶的现象；随着涂胶量逐步增加，有足够的胶黏剂会在加压过程中形成均匀、连续的胶层，所以胶层剪切强度会增大；但是随着涂胶量继续增加，过多的胶黏剂会形成厚度过高的胶层，此种胶层较脆，会影响胶合质量，胶层剪切强度也随之下降。但是所选PUR胶合过程涂胶量参数属于常规水平，所以未在图3中看到剪切强度先增大后减小的趋势。

图3 各参数对PUR胶层剪切强度的影响趋势图

冷压时间作为一个显著因素，其影响机理可能为：随着冷压时间的延长，胶黏剂渗透时间越久，会在板坯内形成“胶钉”，胶层剪切强度随之增大；但是随着冷压时间的继续增长，热熔的PUR温度有所降低，影响胶的渗透，胶层剪切强度可能降低。但本研究所选PUR胶合过程冷压时间属于常规水平，所以未在图3中看到剪切强度先增大后减小的趋势。

从涂胶量与冷压时间交互影响的响应曲面图和等高线图4、图5可以看出，多层实木复合地板胶合较优工艺参数为：涂胶量98 g/m2，冷压时间24 s，压辊下调3 mm即压力1.2 MPa。

3 结论

涂胶量与冷压时间对多层实木复合地板表板与芯板胶层剪切强度有显著影响；冷压压力无显著影响。

多层实木复合地板表板与芯板胶层剪切强度的大小会随着涂胶量和冷压时间的增长而增大。

图4 冷压压力与涂胶量交互影响响应曲面图

图5 冷压压力与涂胶量交互影响等高线图

采用响应曲面法，建立数学模型，该模型能较准确地预测试验数据，得到较优工艺参数为: 涂胶量98 g/m2，冷压时间24 s，压辊下调3 mm及1.2 MPa。

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Continuous Cold-pressing Technology of Engineered Wood Flooring Bonded with PUR by Response Surface Methodology//

Wang Huiyun, Cao Pingxiang
(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China);
Yang Guangming
(H.B. Fuller (China) Adhesive Co.,Ltd); Li Rongrong, Guo Xiaolei
(Nanjing Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(6)：65-68.

Engineered wood flooring; Flooring technology; Continuous cold-pressing； Response surface methodology

王惠芸，女，1993年2月生，南京林业大学材料科学与工程学院，硕士研究生。E-mail：1342830258@qq.com。

曹平祥，南京林业大学材料科学与工程学院，教授。E-mail:steinc@homagchinagf.com。

2016年12月7日。

TS653

1)林业科学技术推广项目(2015-18)；江苏省前瞻性联合研究项目(BY2015006-04)。

责任编辑：戴芳天。

We studied the effects of parameters (adhesive spread, press time, and press pressure) on the response parameter (shear strength) of engineered wood flooring boned with PUR by response surface methodology. The major factors were adhesive spread and press time, and applied pressure had insignificant effects on shear strength. The optimized parameters were 98 g/m2, 24 s and 1.2 MPa for adhesive spread, press time and press pressure, respectively.