工艺参数对大豆基木质刨花板性能的影响∗

李 杉 赵士猛 时君友 唐朝发

（1.北华大学吉林省木质材料科学与工程重点实验室， 吉林省吉林市 132013; 2.吉林森工露水河刨花板分

公司， 吉林 白山 134500）

零甲醛添加室内用人造板，可从源头上避免甲醛对环境及人体造成危害。无醛生物质胶黏剂因“绿色、环保、循环”的特点，成为人们研究的热点[1-9]。大豆蛋白类胶黏剂更是成为胶合板用无醛胶黏剂的研究重点，并且在胶合板生产中实现了良好商业应用[10-15]。但在木质刨花板制造领域，大豆蛋白胶黏剂尚处于应用研究阶段，需要解决刨花板生产中胶黏剂的黏度、固体含量等问题。降低大豆蛋白胶黏剂黏度的方法多种多样，如通过酸碱降解、加热、加盐、表面活性剂，降低固体含量，与尿素、苯酚、酚醛树脂共聚等处理方法，以破坏大豆蛋白质的高级结构、分子间的二硫键及氢键，同时产生共聚，提高胶黏剂的耐水性能等[16-18]。此外，还可通过在脱脂大豆粉等与刨花在高速拌胶机内高速混合时，快速滴加大豆胶改性剂水溶液的施胶方式，有效降低刨花板板坯含水率[19]。在刨花板生产中，利用大豆蛋白基阻燃胶黏剂可制备防腐、阻燃刨花板[20-21]。本文采用以大豆蛋白为主要成分的主剂及以环氧改性聚酰胺为主要成分的交联剂，按一定比例调制大豆基胶黏剂[22-23]，通过正交试验研究密度、热压温度、热压时间、热压压力对大豆基木质刨花板主要物理力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

大豆基胶黏剂[自制，主剂：固体含量37.7%，黏度71 mPa·s（25 ℃）；交联剂：固体含量42.9%，黏度588 mPa·s（25 ℃）]；杂木刨花（表层、芯层刨花含水率均为0.5%～0.8%，吉林森工露水河刨花板分公司）；防水剂（石蜡乳液，吉林森工露水河刨花板分公司）。

1.2 试验设备

自适应模糊控制人造板实验压机（中国林科院木材所），微机控制电子式木材万能力学试验机（济南试金集团），NDJ-1 型旋转粘度计（上海地学仪器研究所），刨花拌胶机（自制），电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司），水浴锅（富华仪器有限公司）等。

1.3 大豆基木质刨花板制备

1.3.1 胶黏剂调制

主剂和交联剂以7 ∶3（固体物质的量）比例进行调胶，胶黏剂混合均匀后黏度为348 mPa·s （25 ℃）；加入防水剂,与胶黏剂均匀混合，用30%NaOH水溶液调节pH值至6.5，调胶后胶黏剂适用期不低于4 h。

1.3.2 刨花板压制

参照大豆基胶黏剂制备木质刨花板的制造工艺[24]，压制厚度15 mm的木质刨花板。考虑成本及施胶时不产生缺胶因素，表层刨花施胶量为绝干表层刨花质量的8%，芯层刨花施胶量为绝干芯层刨花质量的6.5%，防水剂用量表、芯层均为绝干刨花质量的0.75%。为保证刨花板板坯内水分充分排放，热压压力采用分段控制：第一段为高压压力，保持时间占总热压时间的2/3，压制过程中大豆基木质刨花板的密度、热压时间、热压温度、热压压力参数如表1所示；第二段为低压压力0.5MPa，保持时间占总热压时间的1/3。试验采用L9(34)正交试验表，将定量好的刨花放入刨花拌胶机中，启动拌胶机，用喷枪将调制好的胶黏剂与防水剂均匀地施加到刨花上。在成型框中。按表芯层刨花质量比（绝干刨花）为44∶56完成三层结构刨花板板坯铺装，板坯经预压后按试验热压工艺压制成刨花板。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.3 性能检测

压 制 的 刨 花 板 放 置48 h后，按GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》、GB/T 4897—2015《刨花板》分别进行密度、静曲强度(MOR)、内结合强度(IB)及2 h吸水厚度膨胀率（2 hTS）、平行于板面及垂直于板面的握螺钉力(∥SHC、⊥SHC) 等主要物理力学性能检测[24-25]。

2 结果与分析

2.1 试验结果

正交试验设计及其主要物理力学性能检测结果如表2 所示。检测结果表明，大豆基木质刨花板的表面结合强度大于等于1.0 MPa。

表2 正交试验方案与大豆基木质刨花板主要性能指标Tab.2 Orthogonal test scheme and main performance indexes of soybean-based wood particleboard

2.2 技术指标分析

对正交试验获得的大豆基木质刨花板主要性能指标进行正交试验分析计算，结果见表3。

表3 正交试验结果分析Tab.3 Orthogonal test results analysis

对表3 试验结果进行极差分析表明，密度对静曲强度(MOR)、内结合强度(IB)及2 h吸水厚度膨胀率（2 h TS）影响最为显著，极值分别为4.6 MPa、0.31 MPa、1.3%。大豆基胶黏剂分子量大，对木材的润湿渗透性差，而密度增大提高了刨花与胶黏剂、刨花与刨花间的接触面积，有利于胶黏剂渗透及流展，进而改善刨花板物理力学性能。

热压压力对2 h吸水厚度膨胀率、平行于板面及垂直于板面的握螺钉力(∥SHC、⊥SHC)影响显著，极值分别为1.3%、141 N、224 N；但对静曲强度、内结合强度影响不十分显著，极值分别为1.8、0.03 MPa。试验中热压压力主要影响压机闭合速度，进而影响刨花板密度梯度。相同压力条件下，刨花板密度对压机闭合速度的影响较大，正交试验结果表明：压力主要影响刨花板的表层密度，而对芯层密度的影响较小[20]。此外，密度对平行于板面（∥SHC）及垂直于板面（⊥SHC）的握螺钉力影响不显著，极值分别为69、53 N；热压温度和热压时间对各项指标的影响均不十分显著，说明试验所选热压温度、热压时间均能保证胶黏剂固化及板坯内剩余水分不会引起分层、鼓泡缺陷。密度为0.75 g/cm3的大豆基木质刨花板的静曲强度、内结合强度，达到GB/T 4897—2015 规定的P4 型 “干燥状态下使用的重载型刨花板”的要求。

3 生产性试验

生产性试验在吉林森工露水河刨花板分公司进行，压制厚度为16 mm、密度为0.75 g/cm3的木质刨花板，表层施胶量和芯层施胶量分别为8.5%和7%，表芯层防水剂用量0.75%。安全性要求，表芯层刨花含水率控制在0.8%～1.1%。热压过程采用定位控制器控制板坯厚度，热压温度介于190～195 ℃之间。由于生产性试验采用的刨花含水率较实验室偏高，同时板坯幅面尺寸大，不利于板坯内水分的逸出。因此，在试验初期热压时间为6～7 min时，部分板坯产生分层现象；当热压时间达到7.5～8 min时，分层现象消失。最后选取热压时间为8 min的工艺进行生产性试验。生产性试验产品的主要物理力学性能见表4，生产的大豆基木质刨花板主要物理力学性能，达到GB/T 4897—2015 规定的P2 型“干燥状态下使用的家具型刨花板”及P3 型“干燥状态下使用的承载型刨花板”的要求。

表4 生产性试验产品的主要物理力学性能Tab.4 Main physical and mechanical properties of productive test particleboard

4 结论

1）实验室条件下，密度对大豆基木质刨花板的主要性能影响最为显著，热压压力次之，热压温度、热压时间的影响不显著。

2）利用低固体含量大豆基胶黏剂，采用合理的生产工艺参数，可以在生产线上生产出满足一定要求的木质刨花板。但板坯幅面尺寸大，不利于板坯内水分的逸出，因此应适当增加热压时间。

3）利用单层均质刨花板生产线生产的大豆基木质刨花板，主要物理力学性能达到GB/T 4897—2015 规定的P2 型、P3 型刨花板标准，完全可以满足家具、室内装饰墙体板等对零甲醛添加木质基材的要求。

4）生产中，因要求刨花含水率较低，应做好刨花干燥过程中的防火问题；此外，由于大豆基胶黏剂固体含量较低，板坯含水率高，热压时间长，导致刨花板生产效率降低，这是后续商业化应用中亟待解决的问题。