UF/PMDI与PMDI胶黏剂制备轻质刨花板性能对比研究∗

孙 萍 张 健 刘红光 李 黎 罗 斌

（北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083）

刨花板以价格低廉、性能稳定等诸多优点，在现代家具制造、室内装修等领域占据重要地位。普通刨花板密度较高，产品密度一般为0.7～0.8 g/cm3，单位体积重量大，使其在实际应用中受到一定限制。轻质刨花板是指密度低于0.6 g/cm3的刨花板[1]，具有与普通刨花板相似的物理力学性能和机械加工性能；可根据不同用途进行定制[2]，以其替代普通刨花板可有效节约木材资源，降低材料成本和运输成本。

刨花板用胶黏剂主要有脲醛（UF）树脂[3-5]、酚醛（PF）树脂[6-8]和异氰酸酯（MDI）[9-11]等。其中脲醛树脂胶黏剂价格相对低廉，是目前刨花板生产最常用的胶黏剂[12]。研究表明，使用未改性的脲醛树脂胶黏剂制备的轻质刨花板力学性能较差，不能作为承重材料[13]。聚合异氰酸酯（PMDI）胶黏剂中具有活泼的异氰酸酯基（—NCO），能与木材中的羟基（—OH）反应形成聚氨酯键结合。因此，常用异氰酸酯对脲醛树脂进行改性[14-15]。由于脲醛树脂中含有较多水分，与聚合异氰酸酯的副反应较多，因此需要对聚合异氰酸酯进行封闭处理，以获得水分散型封端聚合异氰酸酯，用于脲醛树脂的改性[16-17]。然而，封闭处理操作复杂，且其封闭处理过程后期脲醛树脂用量较少，需使用大量聚合异氰酸酯，固化体系中才会出现聚氨酯键[18]。研究表明：在较低热压温度下，轻质刨花板的物理力学性能会随聚合异氰酸酯用量的增加而提高，但添加量超过一定程度，增强效果并不明显。因此，可选用脲醛树脂/聚合异氰酸酯组合胶黏剂[19]生产轻质刨花板，采取表、芯层刨花分开施胶，先施加脲醛树脂，随后施加聚合异氰酸酯。本文选取脲醛树脂/聚合异氰酸酯（UF/PMDI）组合胶黏剂与纯PMDI胶黏剂制备轻质刨花板，研究轻质刨花板结构、芯层刨花形态对轻质刨花板物理力学性能的影响，对两种用胶情况下制备的轻质刨花板性能进行对比分析，以期为轻质刨花板的工业化生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

刨花：以杨木（PopulusL.）为主，掺杂少量其他材种的刨花，含水率约为9%～11%，河北文安某人造板公司提供。刨花形态不同，分为大、中、小3种刨花。其中，片状大刨花的规格为20～30 mm×50～70 mm（宽度×长度），平均厚度为0.81 mm；单板尺寸为300 mm×300 mm×1.5 mm，中刨花宽度为20～40 mm，细小刨花宽度为5 ～20 mm，如图1所示。

图1 刨花与单板形态对比Fig.1 Morphology comparison of particles and veneer

脲醛树脂（UF）胶黏剂：固体含量为60%～65%，呈淡黄色液态，密度为1.25 g/cm3，广东东莞海龙塑胶经营部。

聚合二苯基甲烷二异氰酸酯胶黏剂（PMDI）：黏度360 mPa·s，NCO质量分数为31.6%，万华化学集团有限公司。

1.2 设备

QD型实验热压机，上海人造板机械厂；BA-100C万能力学试验机，济南耐尔液压技术有限公司；自制成型框（300 mm×300 mm）；FGR250滚筒式拌胶机，德国Siempelcamp公司；SCM-ST4推台裁板锯，欧登多（秦皇岛）机械制造有限公司；VHX-6000超景深显微镜，日本基恩士公司。

1.3 轻质刨花板制备

1.3.1 工艺流程

根据刨花质量，计算相应的施胶量，经施胶、人工铺装、预压、热压制成轻质刨花板，板材冷却后进行裁切，制成试件，测试其性能。工艺流程如图2所示。

图2 生产工艺流程图Fig.2 Production process flow diagram

1.3.2 工艺参数

设计轻质刨花板的目标密度为0.6 g/cm3，板材幅面规格为300 mm×300 mm×10 mm，厚度采用厚度规控制。如表1所示，单层结构轻质刨花板的表芯层使用大、中、小3种形态的刨花（序号1-3）；三层结构的轻质刨花板表层均为小刨花，而芯层采用不同的刨花形态（序号4-5）；单板贴面的轻质刨花板在单层结构的刨花板表面加贴一层杨木单板，芯层为大、中、小3种刨花形态（序号6-8）。3种不同结构的板材表芯层刨花分开施胶，施胶顺序均为先施加脲醛树脂，后施加聚合异氰酸酯胶黏剂（PMDI），板坯铺装顺序为“表层-芯层-表层”依次铺装，经预压后放入热压机热压。具体施胶工艺参数见表1。

表1 轻质刨花板施胶工艺参数Tab.1 Process parameters for light-weight particleboards

压机热压板的温度设置为160 ℃，热压时间为35 s/mm，采用分段热压法加压[20-21]，最高压力为3 MPa，保压压力1.5～2 MPa，具体热压工艺参数的设置如图3所示。

图3 热压参数曲线Fig.3 Hot pressing parameter curve

1.4 性能测试

参照GB/T 4897—2015《刨花板》、GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，分别测试轻型刨花板的静曲强度（MOR）、内结合强度（IB）和吸水厚度膨胀率（TS），选取5个制备试样，测试结果取均值。

2 结果与分析

2.1 轻型刨花板性能测试结果

轻质刨花板性能测试结果如表2所示。

表2 轻质刨花板性能测试结果Tab.2 Performance results of light-weight particleboards

2.2 密度

由图4可知，3种轻质刨花板密度均小于0.6 g/cm3。其中最小密度为组合胶制备的单板贴面、中刨花的轻质刨花板，密度仅为0.44 g/cm3，最大密度为0.59 g/cm3，根据欧洲标准定义，试验所制轻质刨花板密度达标。

图4 轻质刨花板的实际密度Fig.4 Actual density of light-weight particleboards

2.3 静曲强度

静曲强度是反映人造板物理力学强度的重要指标。在同样温度和压力条件下，分别用UF/PMDI组合胶与纯PMDI胶黏剂制备轻质刨花板，组合胶制备的单层小刨花结构轻质刨花板静曲强度仅为4.32 MPa（图5），而纯PMDI胶黏剂制备的单层小刨花结构板材静曲强度为8.45 MPa，虽高于UF/PMDI组合胶黏剂制备的板材，但仍未达到普通刨花板的物理力学性能要求。同样的单层中刨花和大刨花结构，采用UF/PMDI组合胶制备轻质刨花板，其静曲强度分别为8.47 MPa和19.47 MPa，单层大刨花结构轻质刨花板达到了GB/T 4897—2015中家具用刨花板（P2型）的强度要求。在芯层为大刨花与中刨花，表层为细小刨花的三层结构轻质刨花板中，组合胶制备的板材静曲强度不足11 MPa。相对于单层与三层板材结构，单板贴面结构的轻质刨花板静曲强度较优。采用组合胶制备的单板贴面结构轻质刨花板，随着芯层刨花尺寸的增大，板材的静曲强度也随之增大，依次为14.78、17.18 MPa和45.22 MPa，纯PMDI胶黏剂制备的3种单板贴面轻质刨花板静曲强度分别为50.04、53.38 MPa和 61.58 MPa，组合胶制备的单板贴面结构轻质刨花板与之相比虽不及其强度高，但已经达到干燥状态下家具用刨花板（P2型）要求。

图5 不同板材结构轻质刨花板静曲强度Fig.5 Static bending strength of light-weight particleboards with different plate structures

从上述分析可知，采用UF/PMDI组合胶制备的3种不同板材结构和刨花形态的轻质刨花板静曲强度均低于纯PMDI胶黏剂制备的板材，但组合胶制备的单板贴面轻质刨花板静曲强度达到了家具用刨花板的物理力学性能要求。原因在于，少量PMDI的引入，可以在一定条件下加速UF的固化，PMDI胶黏剂本身良好的粘接性能，与木材之间形成的共价键使胶黏剂与刨花之间紧密连接，因此板材静曲强度提高。同时板材结构对轻质刨花板的静曲强度具有不同的影响，单层结构与三层结构轻质刨花板的静曲强度无明显差别，用大刨花制备的轻质刨花板静曲强度明显优于其他两种较小刨花制备的板材。这是因为刨花形态不同，大刨花较其他两种刨花长而薄，长厚比较大，刨花在板中排列有较明显的纵向特征，单个刨花强度较高，使大片刨花之间结合更为紧密，胶合性能较强。同时，单板贴面型轻质刨花板的静曲强度要明显优于单层结构和三层结构的轻质刨花板，原因在于刨花板表面所贴的一层单板，在受力时能承载更大的弯曲载荷。

2.4 吸水厚度膨胀率

UF胶黏剂制备的人造板通常耐水性能较差，需要在生产过程中加入防水剂以提高其耐水性能。而PMDI是非极性物质，因其具有芳环等疏水结构[22-24]，与脲醛树脂中的羟基（—OH）反应生成取代脲，这使得固化后的PMDI具有极高的防水耐候性能。图6所示为采用UF/PMDI组合胶黏剂与纯PMDI胶黏剂制备的不同结构轻质刨花板2 h吸水厚度膨胀率。在均未添加防水剂的情况下，用UF/PMDI组合胶黏剂制备的轻质刨花板吸水厚度膨胀率高于纯PMDI胶黏剂，尤其是单层结构、中小刨花制备的轻质刨花板2 h吸水厚度膨胀率分别为35.95%和22.68%，高于纯PMDI胶黏剂制备的同一结构、相同刨花形态条件下制得的轻质刨花板。

图6 不同板材结构轻质刨花板2 h吸水厚度膨胀率Fig.6 2 h thickness swelling of light-weight particleboards with different plate structures

对于三层和单板贴面的板材结构，2种胶黏剂制备的轻质刨花板2 h吸水厚度膨胀率相差不明显，其中使用UF/PMDI组合胶黏剂制备的三层结构大刨花与中刨花轻质刨花板2 h吸水厚度膨胀率分别为6.24%和10.71%。三层中刨花结构轻质刨花板不能满足家具用刨花板（8%）的要求，三层结构的板材刨花形态对吸湿性有较大影响。采用UF/PMDI组合胶制备的单板贴面的3种轻质刨花板，其2 h吸水厚度膨胀率相差也不大， 2 h吸水厚度膨胀率分别为7.96%、7.09%和6.15%，能够满足干燥状态下家具用刨花板（P2型）要求。

为进一步探究轻质刨花板的防水性能，对其进行24 h吸水厚度膨胀率（24 h TS）测试，结果如图7所示。随着时间的延长，UF/PMDI组合胶黏剂制备的单层中刨花和小刨花结构的轻质刨花板24 h吸水厚度膨胀率达到64.83%和31.63%，由于这2种轻质刨花板所用刨花尺寸较小，刨花板内部空隙较多，板材组织蓬松，与水的接触面积大，导致吸水厚度膨胀率较大，板材吸湿性强。同样，UF/PMDI组合胶黏剂制备的三层结构与单板贴面结构的轻质刨花板吸水厚度膨胀率也随时间的增长而提高，不同程度地增加了5%～10%，且单板贴面结构轻质刨花板的24 h吸水厚度膨胀率要高于三层结构型的轻质刨花板，由于随着时间的延长，杨木单板本身的吸湿性也随之增加，这是刨花芯层与杨木单板共同作用的效果。从刨花形态来看，3种结构板材中，大刨花的吸水厚度膨胀率都要小于中刨花和小刨花，这是因为大尺寸刨花长厚比较大，刨花板内部空隙被压缩，胶黏剂能很好地在刨花表面形成胶结，从而使刨花吸水后膨胀率较小[25-26]。

图7 不同板材结构轻质刨花板24 h吸水厚度膨胀率Fig.7 24 h thickness swelling of light-weight particleboards with different plate structures

2.5 内结合强度

内结合强度是反映人造板材胶合质量的一个重要指标，内结合强度越高表明人造板胶合性能越好。内结合强度与板材的胶黏剂种类有关，UF/PMDI组合胶黏剂对轻质刨花板内结合强度的影响如图8所示，与纯PMDI胶黏剂制备的轻质刨花板对比表明，刨花形态与板材结构对轻质刨花板的内结合强度影响较大。

图8 不同板材结构轻质刨花板内结合强度Fig.8 Effects of UF/PMDI and pure PMDI adhesive on internal bonding (IB) of light-weight particleboards with different plate structures

与纯PMDI胶黏剂制备的轻质刨花板内结合强度相比，UF/PMDI组合胶黏剂制备的刨花板内结合强度较低，一部分组合胶制备的轻质刨花板内结合强度未达到0.4 MPa，单层结构小刨花轻质刨花板的内结合强度仅为0.19 MPa，说明刨花形态与板材结构影响刨花板的胶合强度。3种板材结构中单板贴面结构和单层结构大刨花的轻质刨花板内结合强度能满足家具用刨花板的要求，其内结合强度分别为0.40、0.75、0.55 MPa和0.42 MPa。刨花尺寸对板材内结合强度有不同程度的影响，在同等施胶量的条件下，较大尺寸刨花在施胶过程中胶黏剂分布更均匀，在压力作用下，刨花之间的胶合强度高，因此轻质刨花板的内结合强度也较高。而在组合胶制备的单板贴面结构轻质刨花板中，中刨花的内结合强度优于小刨花和大刨花，其原因在于中刨花相对于大刨花较细，比较容易压缩，板材内部不分层，故而内结合强度较大；而小刨花原料过于细碎，降低了原料本身的结合强度，使得板材的内结合强度也降低。

2.6 微观形态分析

采用超景深显微镜对8种结构轻质刨花板的锯切断面进行观测，获得不同刨花形态与结构条件下轻质刨花板的微观形态。图9中1-5号图分别为序号1-5板材结构的轻质刨花板结构断面，从图中可见，在三层结构的轻质刨花板中不同形态的刨花之间有分层现象，如图中虚线所示。其中4号图所示为三层结构中大刨花与小刨花之间的界面，其内结合强度为0.32 MPa，5号图所示为中刨花与小刨花之间的界面，其内结合强度为0.27 MPa，说明大刨花与表层小刨花之间的结合优于中刨花与小刨花，且空隙相对较小。

图9 序号1-5板材结构断面微观分析图Fig.9 No. 1-5 microstructure analysis diagram of plate structure section

图10中6～8号图所示为单板贴面结构的轻质刨花板结构断面，图中虚线部分表示的是单板与各种不同形态刨花之间的界面。由8号图可见，单板与大刨花结合的组织相对紧密，因此其静曲强度和吸水厚度膨胀率均优于中刨花与小刨花与单板的结合。单板与小刨花之间的孔隙较大，因此内结合强度相对较差，单板与中刨花之间的结合界面要优于小刨花与单板的界面结合，因此其内结合强度相对较高。

图10 序号6-8板材结构微观分析图Fig.10 No. 6-8 microstructure analysis diagram of plate structure section

3 结论

本文采用UF/PMDI组合胶黏剂，以先喷涂脲醛树脂，再喷涂异氰酸酯的施胶工艺，制备8种不同刨花形态与板材结构的轻质刨花板，研究板材结构和刨花形态对轻质刨花板物理力学性能的影响，并与纯PMDI制备的轻质刨花板性能进行分析对比，得出以下结论：用UF/PMDI组合胶黏剂制备的单层结构与三层结构的轻质刨花板，其静曲强度、内结合强度、2 h和24 h吸水厚度膨胀率均低于纯PMDI制备的轻质刨花板，但组合胶黏剂制备的单板贴面结构轻质刨花板静曲强度均大于14 MPa，能满足GB/T4897—2015家具用刨花板（P2型）强度要求。因此，可考虑降低单板内芯层密度，在达到板材强度要求前提下，确定密度降低的最低值。