基于响应面法的复合板材后处理工艺优化研究

万怡，贺福强，陈发江，徐浩然，黄易周

（1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州晶木建材有限公司，贵州 贵阳 550025）

0 引言

随着人造板工业的快速发展，我国已成为令人瞩目的人造板生产大国[1-3]。虽然人造板被广泛应用于建筑、装修、家具等各个领域，但板材存在燃点低、遇水易膨胀、抗弯性弱等显著问题，导致在使用过程中有安全隐患。所以改善人造板的力学性能、结构稳定性非常重要[4]。

人造板性能和制备工艺条件息息相关。黄静[5]研究了新型木基复合材料的高压无胶模塑成型工艺参数，获得了最佳工艺条件为：成形温度160℃、成形压力70 MPa、保温时间30 min。Reinprecht[6]和Nosal等[7]研究防霉环保型人造板，发现在制备刨花板的过程中添加硫酸铜可以提高其抗菌抗霉性能。吴丹妮等[8]研究了镁质胶黏剂制备胶合板，得到优化配比n（MgO）∶n（MgCl2）=6，n（H2O）∶n（MgCl2）=16，最佳制备工艺为冷压时间28 h，施胶量700 g/m2，养护时间15 d。李文超等[9]采用复合挤出与口模拉伸技术制备coPP/iPP自增强线材，以此为增强体和基体经热压成型制备复合板材，大幅度提高了复合板材的拉伸强度和弯曲强度。人造板压制成型后处理工艺条件，如保压与烘干工艺，都显著影响板材的性能。然而，目前大多数研究仅针对预处理和压制成型过程，尚缺乏对人造板后处理工艺参数的系统认识。

本研究采用响应面分析法，研究保压时间、烘干温度、烘干时间及它们之间的交互作用对新型多功能复合板材性能的影响，获取最优工艺参数条件，并建立与验证了优化模型的有效性。本研究结果为复合板材的制备提供了实验依据和理论支撑。

1 试 验

1.1 材料与仪器

选用贵州晶木有限公司生产的复合多功能木质板材，其主要由废木屑、秸秆、氧化镁、氯化镁等原料制作而成。板材试件尺寸为210 mm×50 mm×8 mm，如图1所示。实际生产过程中存在尺寸偏差，实验数据选择3次实验的平均值。为了尽可能地避免其他因素对实验结果造成的影响，实验过程中材料选择同一批次板材。

图1 复合板材尺寸

保压实验是板材经过压机压制成型后在锁模装置中保留的过程，烘干实验在XMA-2000电热恒温干燥箱中进行。在MWD-10W微机控制人造板万能试验机上测试板材的力学性能，实验过程中两支座间的距离为180 mm，分配梁距离两支座中心距离均为90 mm，载荷通过压头以20 mm/min位移的方式加载，实验数据通过万能试验机自身的自动控制和数据采集系统采集。测量板材进行保压与烘干工艺前后的质量变化，根据式（1）计算质量损失率[10]。

测试质量损失率之前，进行试件平衡处理，即在室温下相隔24 h称量板材的质量，质量差小于试件质量的0.1%，即可视为质量恒定[11]。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验方法

木质板材的力学性能和质量损失率是板材非常重要的指标，本文主要研究复合板材后处理工艺参数：保压时间、烘干温度、烘干时间3个因素对复合板材静曲强度、弹性模量、质量损失率的影响。保压时间取常用实际生产时间12、24、36 h。参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，烘干温度分别为90、110、130℃，烘干时间分别为1、2、3 h。

1.2.2 响应面试验方法

响应面试验方法[12]是根据单因素试验的结果，确定因素水平范围，利用Design-Export软件进行试验方案设计[13]，以保压时间、烘干温度、烘干时间作为实验因素，以静曲强度、弹性模量、质量损失率作为响应，拟合它们之间的函数关系，求解出多元二次回归方程，分析后处理工艺参数对木质板材性能影响的显著性顺序。对3个因素以-1，0，1进行编码，其中“-1”代表低水平，“0”代表中心点，“1”代表高水平。实验因素及水平如表1所示。

表1 响应面试验设计因素水平表

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

保压时间、烘干温度、烘干时间3个因素对静曲强度、弹性模量、质量损失率的影响分别如表2、表3、表4所示。

表2 保压时间对板材性能影响

表3 烘干温度对板材性能影响

表4 烘干时间对板材性能影响

由单因素结果可知，静曲强度和弹性模量受保压时间、烘干温度影响较大，烘干时间影响较小。静曲强度和弹性模量随着保压时间增加、烘干温度升高而先增大后减小，这主要是因为板材原料中的氧化镁和氯化镁发生水合反应会生成5Mg（OH）2·MgCl2·8H2O相（518相）和3Mg（OH）2·MgCl2·8H2O相（318相）等，这2种水化产物能够形成凝胶增强木板的力学性能，但它们会因空气中的CO2和水蒸气的影响而不能稳定存在，板材力学性能也随之减小。保压时间前期，氧化镁和氯化镁充分反应，板材力学性能增加，保压时间后期，潮湿的外界环境导致力学性能降低；烘干温度≤110℃，水化物稳定为518相和318相，但烘干温度升高后，水化物会转变为其他化合物，板材力学性能降低。质量损失率受保压时间影响较小，受烘干温度、烘干时间影响较大，因为板材的质量损失率主要与含水率相关。烘干过程中，温度越高、烘干时间越长，含水率越低，板材质量损失率越高，变得更脆。因此，在此试验前提下，各单因素的最优试验参数为：保压时间24 h，烘干温度110℃，烘干时间2 h。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验结果及方差分析

将各因素及其水平值输入软件中，最终确定19组试验参数，并通过试验获取了各试验点的试验数据。表5是19组试验设计参数与结果。

运用Design-Export进行多元回归方程拟合，根据表5试验结果，得到静曲强度回归方程模型1如式（2）所示：

表5 响应面试验点与试验结果

得到弹性模量回归方程模型2如式（3）所示：

得到质量损失率回归方程模型3如式（4）所示：

式中：Y1——静曲强度；

Y2——弹性模量；

Y3——质量损失率；

A——保压时间；

B——烘干温度；

C——烘干时间；

AB——保压时间与烘干温度交互作用；

AC——保压时间与烘干时间交互作用；

BC——烘干温度与烘干时间交互作用。

表6是静曲强度、弹性模量、质量损失率回归方程模型方差分析。方程中P值大小与因素显著性相关，P<0.001为极显著，P<0.01为高度显著，P<0.05为显著。

由表6可以看出，各个模型的F值都较大，表明各方差模型极显著。各校正相关系数与预测相关系数差异小，且均接近1，说明各方程模型无须进一步优化。各变异系数小于15%，表示试验数据真实有效，无明显异常。静曲强度模型的失拟项F=1.90，P=0.2756，结果极不显著，表明式（2）回归方程模型的拟合值与实验数据相比非正常误差占比小，无失拟因素存在。信噪比为28.474，表明用式（2）对静曲强度进行预测分析非常可靠。同理，用式（3）、式（4）进行预测分析非常可靠。

由表6可以看出，各个因素除了单独对板材性能有影响外，它们之间还有明显的交互现象。一次项中，对静曲强度、弹性模量影响最大的是保压时间和烘干温度；对质量损失率影响最大的是烘干温度和烘干时间。二次项中，保压时间和烘干时间、烘干温度和烘干时间各有明显的交互作用，共同影响静曲强度、弹性模量；同时，烘干温度和烘干时间还共同影响质量损失率，2个因素之间的交互作用显著。

表6 回归方程模型方差分析

2.2.2 二次交互分析

本节研究各个因素之间交互作用对板材力学性能和质量损失率的影响。等高线及响应曲面是分析二次交互的重要数据图，从中可以直观地找出最佳工艺参数以及各个因素之间的相互作用关系。其中等高线的形状越接近椭圆形，表示因素之间的交互作用对响应值的影响越强，越接近圆形表示影响越弱。各因素之间的二次交互等高线及响应面如图2~图4所示。

图2 保压时间和烘干温度的交互作用

图4 烘干温度和烘干时间的交互作用

图3 保压时间和烘干时间的交互作用

由图2~图4可知，对于静曲强度和弹性模量，保压时间与烘干时间、烘干温度与烘干时间的等高线形状为椭圆形且响应面曲线更陡，表明它们之间有较强的交互作用，影响较显著，这与表6中的P值一致；保压时间与烘干温度的等高线介于椭圆形与圆形之间，说明它们之间的交互作用较小，但线性关系较强，对静曲强度和弹性模量产生一定影响。

同时，烘干温度与烘干时间之间有较强的交互作用，对质量损失率的影响较显著，与表6中P值一致；保压时间与烘干温度、保压时间与烘干时间之间相互作用较小，但线性关系较强，对质量损失率有一定影响。

经分析可知，当板材的力学性能较好、质量损失较少，即达到最佳性能时，后处理工艺参数为：保压时间26 h，烘干温度108.6℃，烘干时间1.38 h。通过各回归方程计算预测，在此最佳工艺参数下，静曲强度为17.02 MPa，弹性模量为4678.90 MPa，质量损失率为8.21%。

2.2.3 最优工艺检验

上节通过Design-Export软件分析得出了板材后处理的最优工艺参数，在此工艺条件下进行10次平行试验，测量板材的静曲强度、弹性模量、质量损失率平均值分别为17.08 MPa、4695.02 MPa、8.19%，与预测值差异小，证明基于响应面法得到的最佳工艺参数预测值较为准确。

3 结论

（1）保压时间与烘干时间、烘干温度与烘干时间对板材静曲强度和弹性模量有显著的交互作用，烘干温度与烘干时间对质量损失率有显著的交互作用，共同影响板材的性能。

（2）最佳工艺参数为：保压时间26 h，烘干温度108.6℃，烘干时间1.38 h。对该参数进行实验验证，在此工艺条件下板材的静曲强度为17.08 MPa，弹性模量为4695.02 MPa，质量损失率为8.19%。与软件预测值接近，故此工艺具有一定的参考价值。