松桉轻质刨花板内结合强度及其破坏模式对比

秦理哲，黄腾华，雷福娟，胡拉，王军锋*，宋恋环

(1. 广西壮族自治区林业科学研究院，南宁530002；2. 广西民族大学化学化工学院，南宁 530008)

人造板的“轻质化”有利于节约木质资源，降低产品加工能耗和运输成本，是近期我国木材加工行业的重要发展方向之一[1-2]。近年来，国内刨花板的市场需求随着我国定制家居行业的快速发展而大幅增加[3]。目前，市场上家具用刨花板产品的密度大多为620～720 kg/m3，密度较高，因此，进一步降低刨花板密度，开发出轻质产品，将有力促进我国刨花板行业的健康持续发展。

局限于桉木(基本密度360～880 kg/m3)[4]、杨木(基本密度290～430 kg/m3)[5]和松木(基本密度350～636 kg/m3)[6]等主要刨花原料的木材自身密度以及脲醛、酚醛等胶黏剂较高的密度(>1 000 kg/m3)，在目前常用的刨花板生产工艺条件下难以制备力学性能满足家具等产品使用要求的轻质刨花板产品[7-8]。为此，采用低密度原料、胶黏剂发泡和引入轻质填料等成为提高轻质刨花板力学强度的主要手段[9]。其中，胶黏剂发泡是选用发泡型酚醛树脂或聚氨酯胶黏剂，借助发泡过程中产生的压力使刨花与胶黏剂之间形成良好的接触，从而保证了必要的胶合强度，而胶黏剂内部形成的孔隙结构则起到有效降低板材密度的作用[10-11]。这种方式的优点在于可以直接利用现有的刨花板生产原料，具有较好的应用前景。目前，国内外相关研究主要涉及工艺条件优化及性能评价，而鲜有关于力学性能及其破坏模式的深入分析报道。本研究以松木和桉木两个树种的刨花为原料，选用聚氨酯发泡胶黏剂，制备平均密度为540 kg/m3的轻质刨花板，对比分析3种不同原料组成的轻质刨花板的内结合强度及破坏模式，为轻质刨花板的开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

松木刨花和桉木刨花分别取自马尾松(Pinusmassoniana)和巨尾桉(Eucalyptusgrandis×E.urophylla)，气干密度分别为525和580 kg/m3，由山东省临沂市费县金利旋切机械厂提供。将两个树种的刨花分别筛分为细刨花和粗刨花，其中细刨花长度主要为2.50～6.50 mm，宽度主要为0.30～0.90 mm，厚度主要为0.24～0.65 mm；粗刨花长度主要为3.70～11.50 mm，宽度主要为0.50～2.00 mm，厚度主要为0.23～0.89 mm。将刨花干燥至含水率为3%以下备用。

双组分发泡型聚氨酯(PU)，购自万华化学集团股份有限公司。组分A为棕色液体，黏度150～250 mPa·s(25 ℃)，异氰酸酯根含量(质量分数)30.5%～32.0%，密度1.22～1.25 g/cm3(25 ℃)；组分B为聚酯多元醇、聚醚多元醇、发泡剂等混合物。

1.2 试验方法

以细刨花为表层原料，粗刨花为芯层原料，设定板材目标厚度为18 mm，表层、芯层、表层的厚度比为1∶3∶1，平均密度为540 kg/m3。表层只施加PU中的组分A，芯层施加PU的配比为m(组分A)∶m(组分B)=3∶1，表芯层施胶量均为6%。

以不同树种刨花为变量因子，按照全松木、全桉木、松桉混合(质量比1∶1)的结构设计进行称量、施胶、铺装，试板幅面为400 mm×400 mm。热压温度180 ℃，热压时间5 min，使用厚度规控制板材厚度，热压后冷却陈放7 d。共压制3组刨花板，每组试验条件重复5次。

1.3 性能测试

1)内结合强度：参照GB/T 4897—2015《刨花板》测定不同原料组成的刨花板IB。

2)破坏模式：保留破坏后的试样，用体式显微镜观察试样破坏面，根据破坏部位总结破坏模式。

3)断面形貌：切取3种刨花板的破坏断面，经喷金处理后固定于铝制托盘，用扫描电子显微镜(Zeiss Sigma 300)观测微观尺度上的断面形貌、破坏位置，观测电压为5 kV。为量化不同类型刨花板破坏断面上木材破坏区域的占比，每种类型刨花板挑选5个试样，每个试样选取10个位置进行SEM拍摄，拍摄倍数为100倍，运用Image Pro Plus图像分析软件测量木材破坏区域的面积，其与总拍摄区域面积之比即为破坏断面上木材破坏区域的占比。为量化不同树种刨花板破坏断面的平整度，采用能直观反映表面三维形貌的非接触式光学成像技术[12]——光学轮廓仪(Bruker Countor GT K 3D)，对全松木刨花板和全桉木刨花板破坏断面的面粗糙度进行测定分析。每种类型刨花板挑选3个试样，每个试样选取3个位置进行测试，每个测试区域为1 mm×1 mm，以测试区域的算术平均粗糙度值(Ra)评价面粗糙度。

4)表面接触角：采用静态液滴法，在恒温恒湿[温度(20±1)℃、相对湿度(65±5)%]条件下对松木刨花和桉木刨花进行表面接触角测量，测试设备为承德鼎盛试验机检测设备有限公司JY-82B型接触角测试仪，测试介质为蒸馏水。每个树种刨花各测试3个试样，每个试样重复测试3次，试验每次注射液滴3 μL，以液滴脱落针尖开始计时，读取第5 s时液滴的左右接触角，计算平均值。

2 结果与分析

2.1 内结合强度(IB)

3种由不同原料组成的刨花板IB如图1所示。由图1可知，全桉木轻质刨花板与松桉混合轻质刨花板的IB无显著差异，分别为0.38和0.35MPa，均显著高于全松木轻质刨花板，达到GB/T 4897—2015中干燥状态下使用的家具型刨花板(P2型)要求(0.35 MPa)。而全松木轻质刨花板的IB最低，为0.26 MPa，仅达到GB/T 4897—2015中干燥状态下使用的普通型刨花板(P1型)要求(0.24 MPa)。

注：大写字母表示LSD显著性检验(α=0.05)的分组结果，其中，相同字母表示差异不显著，不同字母表示差异显著。图1 3种轻质刨花板的IBFig. 1 Internal bond strength of three kinds of lightweight particleboard samples

2.2 破坏模式

破坏模式包括破坏区域及破坏形态，不仅能直观反映刨花板在破坏时的薄弱区域，还能间接体现刨花板的力学性能。3种类型的刨花板IB试样破坏截面如图2所示。由图2可知，全松木、全桉木、松桉混合轻质刨花板均从试样中部附近发生破坏，说明刨花板的薄弱区域在中间层。这是因为刨花板在压制过程中，表层刨花易于软化和压缩，密度较高，而中心处密度较低。同时，内结合强度测试过程中，应力主要集中在中心层。

图2 3种轻质刨花板IB试样破坏截面Fig. 2 The failure cross sections of three kinds of lightweight particleboard IB samples

从宏观尺度看，3种类型刨花板的破坏断面均较为平整，大部分区域均保持刨花原有形态，偶见被撕扯的细条状木材纤维残留(图3)。其中刨花形态保持完好的破坏模式归纳为胶层完全剪切破坏，而出现细条状木纤维区域的破坏模式归纳为胶层完好，木材本身发生破坏。综合而言，3种类型刨花板均表现为胶层和木材混合的破坏模式。

注：图中箭头所指为木材破坏区域。图3 3种轻质刨花板IB试样破坏断面及局部放大图Fig. 3 The failure surfaces and partial enlarged details of three kinds of lightweight particleboard IB samples

2.3 破坏断面

全松木刨花板在进行拉伸破坏时，由于内结合强度较低，主要表现为胶层内的剥离破坏，破坏断面较为平整，如图4a和c所示，木材破坏区域占比为(18.3±16.3)%，管胞及木射线细胞壁上及其细胞腔内可见大量且连续的胶黏剂(图4b)。小范围区域表现为管胞细胞与管胞细胞之间的剥离破坏，同时可见渗透至管胞细胞腔中的胶黏剂(图4d)。说明全松木刨花板的破坏区域发生在胶层及其附近，即松木刨花与胶层之间的界面处。

注：图b、d分别为a、c中方框所示位置的放大。下同。图4 全松木刨花板破坏断面显微照片Fig. 4 The failure surface micrographs of pine particleboard IB samples

图6 刨花板破坏断面粗糙度Fig. 6 The failure surface roughness of particleboard IB samples

全桉木刨花板的破坏断面凹凸不平，大范围呈现胶层破坏与木材破坏交错的瓦楞状形态，如图5a、c所示，断面上可见撕裂的纤维细胞、导管细胞、射线薄壁组织细胞以及渗透至这些细胞腔中的胶黏剂，如图5b、d所示。与全松木刨花板相比，全桉木刨花板破坏断面上木材破坏区域占比较大，为(60.9±24.9)%。说明桉木刨花与胶黏剂之间的结合力强于松木刨花，与全桉木刨花板内结合强度优于全松木刨花板的结果吻合。

图5 全桉木刨花板破坏断面显微照片Fig. 5 The failure surface micrographs of eucalyptus particleboard IB samples

从细胞构成看，纤维细胞是桉木的主要组成细胞，其直径小于松木的管胞组织[13-14]，使得单位面积内胶黏剂在桉木刨花中形成的胶钉数量多于松木刨花，并且桉木的射线薄壁组织较松木发达，更利于胶黏剂在木材中的渗透，阔叶树木材多样的细胞构成使得其破坏形态更为复杂。从材性看，桉木的密度和硬度均大于松木，并且不含阻碍胶合的松脂等内含物，更有利于与胶黏剂形成较强的结合[15]，破坏强度更高。

经SEM观察发现，全松木刨花板和全桉木刨花板在破坏断面平整度上存在差异，进一步采用光学轮廓仪对这两种刨花板的破坏断面平整度进行定量表征，反映其表面形貌的颜色高度图如图6所示。通过图像中颜色的分布可直观评价断面的平整程度，其中全松木刨花板的颜色分布较为均匀，Ra值为(2.60±0.75)μm，而全桉木刨花板的颜色变化起伏较大，其Ra值显著高于全松木刨花板，为(12.75±4.98)μm，说明全桉木刨花板破坏断面的粗糙度较大，与上述SEM观察结果吻合。

松桉混合刨花板由于同时掺杂了松木刨花与桉木刨花，其破坏断面上木材破坏区域占比、破坏形态均介于全松木刨花板和全桉木刨花板之间，其中木材破坏区域占比为(44.3±26.7)%，破坏形态包含全松木刨花板和全桉木刨花板的破坏形态，破坏位置发生在松木刨花与松木刨花、桉木刨花与桉木刨花，以及松木刨花与桉木刨花之间。当破坏位置发生在松木刨花与松木刨花之间时，断面较为平整，其中一片松木刨花形态保持完好，表面可见大量且连续的胶黏剂，另一片松木刨花表层的管胞呈撕裂状(图7a)；当破坏位置发生在桉木刨花与桉木刨花之间时，刨花搭接处胶层完好，桉木细胞呈撕裂状(图7b)；当破坏位置发生在松木刨花与桉木刨花之间时，桉木刨花形态保持完好，桉木刨花表面可见连续的胶黏剂以及发生剥离破坏的松木管胞(图7c)。

图7 松桉混合刨花板破坏断面显微照片Fig. 7 The failure surface micrographs of pine/eucalyptus particleboard IB samples

2.4 刨花润湿性能

刨花润湿性对刨花板内部刨花之间的粘接性能有重要影响，一般通过测试介质在刨花表面形成的接触角来评价[16]。接触角越小，表明刨花的表面润湿性越好，反之亦然。蒸馏水在不同树种刨花表面形成的接触角测试结果如图8所示。

图8 松木刨花和桉木刨花表面接触角Fig. 8 Surface contact angles of pine and eucalyptus particles

由图8可知，松木刨花和桉木刨花的表面接触角分别为(96.52±5.08)°和(75.43±8.11)°，方差分析结果显示，树种对刨花表面接触角有显著影响。说明桉木刨花的润湿性优于松木刨花，这是不同树种之间的化学性质差异引起的[17]。松木树脂含量高，不仅影响胶黏剂在刨花表面的润湿、流动、铺展，还可能改变胶黏剂的特性，从而影响固化[18]。与松木相比，桉木所含影响胶合的物质较少，导致同等条件下桉木对胶黏剂的亲和力较好，这是桉木刨花板破坏断面木材破坏区域占比高于松木刨花板的重要原因。

3 结 论

1)平均密度为540 kg/m3的3种轻质刨花板中，全桉木刨花板的平均IB(0.38 MPa)最大，与松桉混合刨花板(0.35 MPa)均达到GB/T 4897—2015中的P2型要求，而全松木刨花板的平均IB(0.26 MPa)最小，仅达到P1型要求。

2)内结合强度测试中，全桉木刨花板的木材破坏区域占比最大，为(60.9±24.9)%；全松木刨花板最小，为(18.3±16.3)%；松桉混合刨花板介于两者之间，为(44.3±26.7)%。全桉木刨花板的破坏断面平整度较小，Ra值为(12.75±4.98)μm；全松木刨花板的破坏断面平整度较大，Ra值为(2.60±0.75)μm。

3)3种刨花板均表现为胶层和木材混合的破坏模式，但在破坏断面平整度、木材破坏区域占比上具有明显差异，这是其内结合强度表现出差异的重要原因。