三聚氰胺浸渍纸边角废料制造复合刨花板工艺研究∗

陈瑞建 章伟伟 关丽涛 古 今 林卫东 胡传双

（1.华南农业大学材料与能源学院，广州 510642；2.广东始兴县华洲木业有限公司，韶关 512500）

三聚氰胺浸渍纸(MIP)是人造板行业用量最大的饰面材料之一，是一种素色装饰原纸经氨基树脂浸渍并干燥到一定程度、具有一定树脂和挥发份含量的胶膜纸，经热压可与人造板基材相互胶合[1-2]。由于三聚氰胺浸渍纸面积要大于被饰面的人造板，因此热压贴合后饰面人造板板材边缘会产生一定量多余的未贴合的浸渍纸边角废料(WMIP)。WMIP含有大量化学物质(胶黏剂、固化剂、脱模剂和交联剂等)，不适合普通燃烧处理[3]，并且其中仍有一定量的未完全固化的活性胶黏剂[4]，科技工作者一直在寻找WMIP的有效利用途径[5-9]。Başboğa等[10]利用MIP废料粉末作为胶黏剂，成功制造了刨花板，当MIP废料含量为25%时，其板材物理力学性能可满足大多数标准要求。Başboğa等[11]还利用浸渍后的原纸和经过热压贴面后的边角废料粉末化后分别制备刨花板，两种类型的粉末对刨花板物理力学性能存在显著影响，使用原纸粉末的板材力学性能更佳。Cavdar等[12]研究以废三聚氰胺浸渍纸（WMIP）为填料，对定向刨花板的一些性能进行评价。实验板材的芯层中粉碎的WMIP颗粒用量最高可达50%。Ayrılmış等[13]利用锤式粉碎机将WMIP粉碎至2～3 mm，然后与纤维混合制成纤维板。结果表明：添加WMIP可改善板材的力学性能。Alpar等[14]以WMIP粉末为胶黏剂填料制造单层刨花板，对比脲醛树脂胶黏剂制成的刨花板与WMIP粉末制成的板材，发现板材性能无显著差异。Silva等[15]将6 mm长的WMIP以4%、8%、12%的比例添加至刨花板芯层。结果表明：含有4%和8%WMIP的刨花板符合标准要求，但含有12%的刨花板未能达标。以上研究表明：WMIP可作为胶黏剂用于人造板制造，但均需对WMIP进行二次粉碎处理，因而处理成本增加。

本试验直接将回收的WMIP以原态形式利用，无需二次粉碎加工，探讨原态WMIP在刨花板制造过程中的胶黏剂替代潜力；以原态WMIP为原料，按照不同比例与木质粗刨花混合后置于芯层，制备三层结构刨花板，以实现WMIP的全组份高附加值利用。

1 材料与方法

1.1 材料

1）木刨花：含水率为1.1%～2.5%，取自华洲木业。

2）三聚氰胺浸渍纸边角废料（WMIP）：含水率5.8%～7.5%，取自广东耀东华装饰材料有限公司。边角废料形态如图1 所示。

图1 浸渍纸边角废料形态Fig.1 Morphological features of waste impregnated paper pieces

3）胶黏剂：表层UF胶固体含量为61%，pH值7.4，固化时间72 s，黏度93.9 mPa·s。芯层胶固体含量66%，pH值7.5，固化时间63 s，黏度226.8 mPa·s。取自华洲木业。

4）防水剂：乳白色石蜡乳液，固体含量44.25%，pH值6.0，黏度16.9 mPa·s。取自华洲木业。

1.2 设备

试验主要设备为搅拌机（镇江戴生食品机械厂），热压机（鹤山市沙坪镇精铭机械厂），万能力学试验机（济南天辰试验机制造有限公司）等。

1.3 试验方法

1.3.1 正交试验设计

表层料中不添加WMIP，根据预试验，设计WMIP与芯层刨花的比例分别为5%、10%、20%。 WMIP与芯层刨花混合均匀后，制备复合刨花板，以芯层未添加WMIP的纯木刨花板作为对照。

本试验共设4 个变量为WMIP添加量、施胶量、热压时间和热压温度，每个变量分3 个水平，记为1、2、3，采用L9（34）正交试验，试验重复次数为3 次，考察4 个变量对复合刨花板物理力学性能的影响。正交试验因素与水平见表1，试验方案如表2 所示。

表1 正交试验因素与水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3.2 刨花板制备

设定刨花板密度为0.72～0.79 g/cm3，尺寸500 mm× 500 mm×16 mm（长×宽×厚）。表、芯层料按照配方进行施胶，防水剂添加量0.5%，持续搅拌3～5 min。手工分三层铺装后进行热压，使用厚度规控制厚度。按照正交试验设计压制板材，试验最大热压压力4.0 MPa。每个试验条件重复次数为3 次，共计27 块试验样板。

1.3.3 性能测试和评价

按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测试板材的物理力学性能（MOR、MOE、IB和2 hTS）[16]。按照GB/T 4897—2015《刨花板》对应指标进行评价[17]。

2 结果与分析

根据表1 正交试验因素水平表进行L9（34）正交试验，各试验编号样板的静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、内结合强度（IB）和2h吸水厚度膨胀率（TS）的检测结果如表2 所示。对试验结果进行极差分析，结果如表3 所示。

由于不同因子对不同试验结果的影响有差异，在不考虑不同因子间交互作用的前提下，由表3 根据R值的大小可以得出：WMIP添加量、施胶量、热压时间和热压温度对复合刨花板静曲强度（MOR）的影响主次顺序为：B＞A＞C＞D；对复合刨花板弹性模量（MOE）的影响主次顺序为：A＞B＞D＞C；对复合刨花板内结合强度（IB）的影响主次顺序为：A＞D＞B＞C；对复合刨花板2 h吸水厚度膨胀率（TS）的影响主次顺序为：D＞A＞B＞C。

表2 正交试验安排与结果Tab.2 Design and result of orthogonal experiment

表3 正交试验L9(34)极差分析Tab.3 Range analysis of L9(34) test results

2.1 WMIP添加量对复合刨花板力学性能影响

由于WMIP无定型尺寸，长宽比差异较大，如果在木质刨花中加入的WMIP过多，会导致混料不均匀，且随后的板坯铺装也会出现不均匀现象[18]。因此本试验的WMIP添加量设置为最大值20%。

如图2 可知，随着WMIP添加量的增加，复合刨花板的MOR、MOE和IB呈现明显的上升趋势，TS则呈现降低趋势。UF胶主要依靠所含有的羟甲基、氨基之间的缩聚反应，形成具有一定强度的固化层[19]。WMIP中含有一定量未反应的活性羟甲基和氨基等官能团，这些官能团能与UF进行二次反应并交联固化。因此，增加一定量的WMIP可替代部分UF，提高复合刨花板的力学性能。当WMIP的添加量为20%时，复合刨花板的MOR为18.5 MPa，MOE为3 067 MPa，IB为1.22 MPa，均为所有试验板力学性能最大值。综上所述，WMIP添加量为20%时试验效果最佳。

图2 WMIP添加量、施胶量、热压时间和热压温度对复合刨花板力学性能的影响Fig.2 Effect of WMIP addition amount, adhesive consumption, hot pressing time and temperature on MOR of composite PB board

2.2 施胶量对复合刨花板力学性能影响

施胶量是影响胶合质量的最重要因素之一[20]。施胶量太大，胶层太厚，应力增大，使得胶合强度下降，成本增加[21]。施胶量太小无法形成连续胶层，也不利于胶液在刨花之间及与WMIP之间转移，导致施胶拌胶过程中原料表面的胶黏剂量太低，在热压后能形成的固化点少，胶合强度不高。由图2 可知，随着施胶量的减少，MOR、MOE、IB和TS均出现下降趋势。施胶量在13%时，复合刨花板的MOR 、MOE 、IB性能指标最高，分别为18.26 、2 994 、1.1 MPa，而施胶量在9%时最低，但仍可完全满足国标中对干燥状态下使用家具型刨花板的要求，说明脲醛树脂的用量对复合刨花板的各项性能均有显著影响，虽添加WMIP可替代部分UF作为胶黏剂，但其添加量有限，且UF相较于WMIP对复合刨花板性能的影响更大。综上所述，施胶量为13%时，试件胶合质量最佳。

2.3 热压时间对复合刨花板力学性能影响

控制热压时间，主要是使胶黏剂和WMIP中未固化的活性羟甲基和氨基等官能团充分反应，提高固化效率，使得刨花具有一定的塑性，达到所要求的板材厚度，避免板材出现鼓泡分层等工艺缺陷[22]。由图2 可知，随着热压时间的减少，MOR和MOE呈现先上升后下降的趋势，IB逐渐上升，TS逐渐下降。热压时间为11 min时，板材强度相对较低，这说明热压时间过长，同时也会导致高生产能耗和低效率。热压时间为7 min时，由于时间较短，表层部分胶黏剂的固化未达到最佳状态，因此静曲强度和弹性模量不高。当热压时间为9 min时，复合刨花板的MOR为18.18 MPa，MOE为2 950 MPa，IB为1.07 MPa，均为最优力学性能值。综上所述，热压时间为9 min时，试验结果最佳。

2.4 热压温度对复合刨花板力学性能影响

在热压过程中，通常温度越高，所需的加压时间越短。在热压机中，除使胶黏剂固化外，高温还可增加木材塑性，便于压紧板坯[23-24]。由图2 可知，随着热压温度的降低，MOR和MOE出现先上升后下降的趋势，IB出现逐渐下降趋势，而TS出现先下降后上升的趋势。当热压温度为200 ℃时，胶黏剂受到热量的作用，黏度下降，表面张力减小，流动性增加，在原料表面的延展性提高，胶合强度较高。但热压温度偏高，会引起能耗增加，而且易导致纤维素大分子降解和胶黏剂的热分解[25]，使得板材表面变色变味，虽然IB较高，但MOR和MOE下降。而180 ℃的热压温度较低，板坯芯层的胶黏剂固化程度不高，IB相对较低。当热压温度为190 ℃时，复合刨花板的MOR、MOE均为最优力学性能值，分别达到17.65、2 989 MPa，而IB为1.04 MPa，2 hTS为4.17%，均低于200 ℃时的IB1.16 MPa，2 hTS7.4%。综上所述，热压温度为190 ℃时，试验结果较优。

由上述试验结果分析可知：采用的WMIP添加量、施胶量、热压时间和热压温度的较优配方为：WMIP添加量为20%，施胶量为13%，热压温度为190 ℃，热压时间为9 min。在此配方参数下制备的复合刨花板具有理想的物理力学性能。

3 结论

将三聚氰胺浸渍纸边角废料以原态方式直接与木质刨花混合制备复合刨花板是完全可行的，对其物理力学性能具有显著影响，且具备一定的社会经济价值。

在保证复合刨花板性能达标的情况下，为节约能源和材料，提高生产效率，综合分析可得，使用浸渍纸边角废料制备复合刨花板优化组合工艺为：WMIP 20%，UF施胶量13%，热压时间9 min，热压温度190 ℃。制备的复合刨花板平均物理力学性能为MOR18.50 MPa，MOE2 993.75 MPa，IB1.07 MPa，TS4.15%，均满足GB 4897—2015 中P2 型刨花板的指标要求。