低密度聚乙烯膜胶合板制备工艺研究∗

孙耀星 刘 宇 王瀚文 李春风 刘明利

[吉林省木质材料科学与工程重点实验室（北华大学），吉林 132013]

无甲醛释放人造板用胶黏剂的开发成为行业研究热点。目前已开发的环保型胶黏剂包括水性聚氨酯胶黏剂[1-4]、豆基胶黏剂[5-9]和淀粉改性胶黏剂[10-13]等，但均存在一定的缺点，如成本高、耐水性差、生产可操作性差等。热塑性树脂是一种不含甲醛的聚合物，将其作为木材胶黏剂使用，制备木塑复合材等木质复合材料，国内已经有比较成熟的技术[14-16]。关于热塑性树脂与木材单板直接复合，制备热塑性树脂胶合板（又称木塑复合胶合板）的技术研究还不够成熟，在制备工艺和设备研发等方面，尚需进一步研究。聚乙烯膜复合胶合板的研发，是推动制备零添加甲醛胶合板的新途径之一[17-18]。

本研究以杨木单板为基材，低密度聚乙烯（LDPE）薄膜为胶黏剂，采用不同的热压温度、改性剂、不同LDPE薄膜用量，通过热压方式制备胶合板。由于LDPE为非极性材料，不能与极性材料木材发生化学反应，因此采用改性剂对杨木单板表面进行改性，以降低木材表面的极性，提高木材的渗透性[19-21]。制得的木塑复合胶合板胶合强度符合GB/T 9846—2015《普通胶合板》中Ⅱ类胶合板要求[22]。

1 材料与方法

1.1 材料

杨木(Populus davidiana Dode)单板： 1 240 mm(长)× 2 450 mm(宽)，厚度2.0～2.2 mm, 敦化森泰木业有限责任公司；低密度聚乙烯薄膜，软化点105～120 ℃，熔点为140 ℃，熔融温度160～170 ℃，厚度0.025 mm，卷状，20.16 g/m2，苏州裕信宏塑料包装有限公司。

硅烷偶联剂KH-550，无色液体，含量≥99%，密度:0.946 g/mL[ 25 ℃(lit.)]，昆山晟安生物科技有限公司；二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），白色或浅黄色固体，含量≥99%，密度1.19 g/cm3，南通润丰石油化工有限公司；顺丁烯二酸酐（MA），白色片状结晶，江苏正旭化工有限公司；无水乙醇，无色透明液体，含量≥95%，济南宏巨化工有限公司；冰醋酸液，含量36%，济南金泉化工有限公司。

1.2 设备

液压式木材万能力学试验机：MWE-40A，济南试验机厂；平板硫化机：XLB-D，湖州顺力橡胶机械有限公司；裁板锯：JC0016-3，青岛佳程木工机械；电热干燥箱：101-1，沧州科达利试验仪器有限公司；静态接触角测量仪：JC2000C1，上海中晨数字技术设备有限公司。

1.3 板材制备工艺

杨木单板表面改性分别采用硅烷偶联剂KH-550、MDI、MA；基于以往研究的试验参数，分别采用40.25、80.5 g/m2和121 g/m2LDPE薄膜作为胶黏剂层；根据LDPE的熔点及熔融温度，热压温度分别选择120、140、150、160、170 ℃，在热压时间为8 min、压力2.0～2.2 MPa条件下制备三层结构木塑复合胶合板。

图1 生产工艺流程图Fig.1 Flow chart of production process

1.4 检测方法

胶合强度：根据GB/T 9846—2015《普通胶合板》标准进行检测，每组12 个试件。接触角：将样品制成宽度为5～10 mm 的正方形试件，连接并安装仪器，启动软件，选择3 个不同点，每次滴加5 µL液体，测量接触角，取平均值。

2 结果与分析

2.1 LDPE用量对胶合强度的影响

在预试验中采用了3 种薄膜用量，分别以40.25、80.5 g/ m2和121 g/ m2LDPE薄膜作为胶合板制备的胶黏剂层。参考LDPE温度特性，热压温度选取120～140 ℃，热压时间8 min。由于LDPE以胶钉的方式连接木材，因此单位压力确定2.0～2.2 MPa，改性剂质量为单板质量的2%。经检测，制得的板材存在开胶现象，胶合强度达不到标准要求。其原因在于LDPE的单位面积质量太小，或者LDPE渗透性差，没有形成有效的胶钉。

以往研究表明，利用硅烷偶联剂可以提高木质纤维的表面活性[23]。因此研究采用硅烷偶联剂KH-550和固化剂MDI处理杨木单板，分别与LDPE薄膜进行复合组坯，热压制备木塑复合胶合板。并采用使LDPE形成熔融的温度。试验结果表明：热压温度为160 ℃，热压时间8 min,热压压力为2.0～2.2 MPa， 采用121 g/m2LDPE薄膜得到的木塑复合胶合板胶合强度为0.82 MPa，达到国家Ⅱ类胶合板标准。因此下面试验中采用LDPE薄膜用量为121 g/m2。

2.2 改性剂种类对胶合强度影响

用冰醋酸将95%的无水乙醇溶液的pH调至3～3.5，边搅拌边加入改性剂，配制不同改性剂溶液，使其质量浓度为4%。将配制好的溶液均匀涂刷于单板表面，单板在室温条件下晾置12 h，然后放入干燥箱，在120 ℃干燥处理1 h，使含水率达到5%～7%，停止干燥。本研究采用的改性剂为硅烷偶联剂KH-550 和固化剂MDI，用量分别为单板质量的2%，同时以MA(2%)、MDI(1%)、未改性组作为对照组进行试验。其热压工艺为温度160 ℃，时间8 min,热压压力2.0～2.2 MPa，采用 121 g/ m2LDPE薄膜作为胶黏剂层。制得的板材胶合强度如表1 所示。

表1 改性剂对胶合强度的影响Tab.1 Effect of modifier on bonding strength

由表1 可知，经过表面改性的杨木单板制备的胶合板，其胶合强度优于未改性处理单板制备的胶合板。且用2% KH550 处理的杨木单板制备的胶合板胶合强度最大。

2.3 热压温度对胶合强度的影响

根据以上试验结果，采用硅烷偶联剂KH-550 处理杨木单板，LDPE薄膜用量121 g/m2，热压时间8 min，热压压力2.0～2.2 MPa，依据LDPE的熔点及熔融温度，热压温度分别选择140、150、160、170 ℃。在该工艺条件下测得的胶合强度如表2 所示。

2.4 改性剂对单板表面接触角的影响

固体润湿的程度，通常以液体对固体表面的接触角表示，接触角越小，固体就容易被液体润湿[24]。表3 及图2 反映了不同改性剂对杨木单板表面接触角的影响。

表2 热压温度对胶合强度的影响Tab.2 Effect of hot pressing temperature on bonding strength

从表2 中可以看出，随着热压温度的提高，其胶合强度先增加后降低。在热压温度达到160 ℃时，胶合强度值最高，其原因可能在于LDPE的熔融温度为160 ℃左右，在该温度下LDPE能较好地形成流动状态，因而具有较好的胶合作用。而温度过高LDPE容易分解且薄膜发脆[24]。

表3 不同改性剂对单板表面接触角的影响Tab.3 Effect of different modifiers on contact angle of veneer

图2 改性与未改性处理的杨木单板表面接触角Fig.2 Contact angle of treated and untreated poplar veneer surface

从表3 和图2 中看出，经硅烷偶联剂KH-550 改性处理的单板,其亲水性明显增强[25]，与其他改性剂处理过的单板及未处理单板表面相比，其接触角明显变小。改性单板表面的接触角从小到大（即单板的润湿性从强到弱）的顺序依次为：KH-550 ＜未处理＜MA＜MDI(1%)＜MDI(2%)。试验结果表明：KH550 对单板的润湿性较好。

3 结论

采用不同的改性剂、热压温度和LDPE用量制备三层木塑复合胶合板，并对其胶合强度进行检测，得出以下结论：

1）单板表面改性处理效果从强到弱依次为硅烷偶联剂KH-550、未处理、顺丁烯二酸酐、固化剂MDI(1%)以及固化剂MDI(2%)，硅烷偶联剂KH-550 改性的单板润湿性最好，接触角最小。

2）经过表面改性的杨木单板制备的胶合板，其胶合强度优于未改性单板制备的胶合板。且用2% KH550 处理的杨木单板制备的胶合板胶合强度最大。

3）以KH-550 为杨木单板表面改性剂（用量2%),采用121 g/m2LDPE薄膜 ，在热压温度160 ℃、热压时间8 min、热压压力2.0～2.2 MPa工艺条件下制得的木塑复合胶合板，其胶合强度达到0.93 MPa，符合国家标准GB/T 9846—2015《普通胶合板》中Ⅱ类胶合板标准。