磷酸三钠缓凝剂对无机胶合板性能的影响

刘锦翔，李洋，李希望，于红卫

（浙江农林大学化学与材料学院，浙江 杭州 311300）

氯氧镁胶粘剂（Magnesium Oxychloride Cement，MOC），是由一定活性的氧化镁和氯化镁溶液制备而成的一种绿色环保胶凝材料[1]。氯氧镁胶粘剂具有价格低廉、环保、粘接强度高、耐火、耐老化等优点，是人造板胶粘剂的理想选择[2-3]。随着室内环境安全和环保要求的不断提高，无机胶粘剂已逐渐开始成为人造板行业的研究和应用热点。

在目前的研究中，通常会在氯氧镁胶粘剂中添加不同的改性剂，用于改善氯氧镁胶粘剂固有的缺点与不足[4]。在实际生产中，氯氧镁胶粘剂的凝固速度是一项十分重要的指标。由于氯氧镁胶粘剂凝固时间短，需要对其添加一定量的缓凝剂以延长其适用期，避免生产中的浪费。本研究选择磷酸三钠为缓凝剂，研究其对氯氧镁胶粘剂的缓凝作用，并测试添加磷酸三钠前后氯氧镁胶粘剂及胶合板的物理力学性能和微观形貌，对磷酸三钠作为氯氧镁胶粘剂缓凝剂的可行性进行系统分析。

1 实验

1.1 原材料

轻烧氧化镁：天津科密欧公司，活性为69%；氯化镁：无锡市亚泰联合化工有限公司；磷酸三钠：西陇科学化工公司；催化剂：实验室自制；杨木单板：浙江升华云峰新材股份有限公司，厚度1.6 mm，含水率13%～17%。

1.2 样品制备

首先按特定工艺将氧化镁、氯化镁水溶液、自制催化剂混合制取氯氧镁原胶，再加入磷酸三钠、氧化镁及二氧化硅充分混合制得氯氧镁胶粘剂。其中磷酸三钠的用量分别为原胶质量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%，氧化镁的用量与原胶质量相同。将调制好的氯氧镁胶粘剂用刷子均匀涂刷在400 mm×400 mm的杨木单板上，上胶量控制在500～550 g/m2，9张杨木单板双面涂胶，异向垂直组坯。常温冷压固化：单位面积压力为1MPa，时间48 h。将压制好的胶合板在温度为20℃、相对湿度60%的条件下养护28 d。

1.3 测试与表征

（1）pH值、黏度：采用数显pH计测试pH值，采用NDJ-1型旋转黏度计测试氯氧镁胶粘剂的初始黏度。

（2）初凝时间：采用维卡仪按GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。

（3）力学性能：采用SHK-A106型万能力学试验机，按照GB/T17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》测试胶合板的内结合强度、正面握钉力、侧面握钉力、浸渍剥离性能、24 h吸水率、弹性模量和静曲强度。

（4）燃烧性能测试：采用卡式喷枪，对尺寸为100 mm×100 mm×15 mm的胶合板中心进行燃烧，出火口距离胶合板表面50 mm，正面火焰温度不得低于900℃，用AS872型红外测温仪测试胶合板背面温度达到180℃时的总燃烧时间。

（5）物相组成：采用SupNIT-3000型Fourier红外光谱仪和S-7200型X射线衍射仪对氯氧镁胶粘剂进行分析。其中FTIR检测的波数范围为500～4000cm-1，XRD扫描范围为5°～70°。

（6）微观形貌：采用JSM-IT500HR型扫描电子显微镜检测喷金后的氯氧镁胶粘剂的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 磷酸三钠用量对氯氧镁胶粘剂性能的影响

经测试，添加磷酸三钠前后氯氧镁胶粘剂的pH值及初始黏度基本没有改变，分别为8.7、10 000 mPa·s，有较好的流动性，有利于产业化生产时上胶。表1为磷酸三钠用量对氯氧镁胶粘剂初凝延缓时间的影响。

表1 磷酸三钠用量对氯氧镁胶粘剂初凝延缓时间的影响

由表1可以看出，随着磷酸三钠用量的增加，氯氧镁胶粘剂的初凝时间延长，当磷酸三钠用量为1.0%时，初凝时间延缓了4.01 h。原因一方面为，磷酸根离子会在活性氧化镁表面形成一层难溶于水的薄膜，不利于水化晶体的生长，阻碍了氯氧镁胶粘剂的正常水化过程；另一方面，在518相[5Mg（OH）2·MgCl2·8H2O]形成的过程中，磷酸三钠离子基团与518相中的Mg2+形成配位键阻碍518相生长，使氯氧镁胶粘剂的凝固时间延长[5-6]。

2.2 磷酸三钠用量对胶合板性能的影响

表2为不同磷酸三钠用量时氯氧镁胶粘剂胶合板在温度为20℃，相对湿度60%条件下养护28d时的性能。

表2 磷酸三钠用量对胶合板性能的影响

2.2.1 磷酸三钠用量对胶合板内结合强度、弹性模量和静曲强度的影响

由表2可以看出：（1）添加磷酸三钠对胶合板的内结合强度影响不大。磷酸三钠用量为0～1.0%时，内结合强度在0.5～0.6 MPa之间，当磷酸三钠用量为0.8%时，内结合强度最高，为0.58 MPa。（2）添加磷酸三钠后，胶合板的弹性模量和静曲强度都有所降低，但均符合GB/T 18103—2013《实木复合地板》标准要求。磷酸三钠用量从0增加到1.0%时，弹性模量从5233.6下降到了4633.5 MPa，静曲强度从53.49 MPa下降到48.18 MPa。弹性模量与静曲强度的下降与518相晶体结构的改变以及氢氧化镁的增多有关，胶粘剂的结构越疏松，其自身强度及内结合力越低，层间剥离时所能承受的力就越小，胶合板的强度就越低。其次，磷酸三钠的加入可能会改变胶粘剂各相晶体生长的方向及形态，使其不同方向的机械性能也发生改变。

2.2.2 磷酸三钠用量对胶合板握钉力的影响

由表2可以看出，氯氧镁胶粘剂中加入0.2%～1.0%的磷酸三钠时，胶合板的正面握螺力和侧面握钉力都有所增大。其中，当磷酸三钠用量为0.6%时，正面、侧面握钉力均达到最高，分别为1535.3、1340.4 N。测试侧面握钉力时钉子直径为4.2 mm，单层胶层与单板厚度相加约为2 mm，故钉子落点在胶层或单板上都覆盖2层胶层和2层单板，故落点位置对握钉力影响不大。

钉连接的承载性能是胶合板整体承载力的关键因素，握钉力为刨花板与纤维板的重要力学指标。对于胶合板而言，人们普遍认为无机胶粘剂脆性大，握钉力较差。实验表明，氯氧镁无机胶合板的正面握钉力及侧面握钉力都十分优异，高于其他板材的握钉力[7]，且磷酸三钠对氯氧镁胶粘剂胶合板的握钉力有增强效果。

2.2.3 磷酸三钠用量对24 h吸水率和浸渍剥离性能的影响

由表2可以看出，随着磷酸三钠用量的增加，胶合板的24 h吸水率呈先增大后减小的趋势，当磷酸三钠用量为0.6%时，24 h吸水率达到最大，为23.9%。

根据GB/T 18103—2013规定，任意单层剥离长度总和大于等于总长度的1/3（100 mm）时即为不合格。由表2可以看出，磷酸三钠用量为0～1.0%时，胶合板的浸渍剥离长度最大为30.2 mm，均符合GB/T 18103—2013标准要求。尽管磷酸三钠可以吸附在518相及318相表面，形成不溶性磷酸盐薄膜，提高其在水中的稳定性，但磷酸三钠的加入会改变518相的晶体结构，使其孔隙变大，导致胶合板吸水率的增大[8-9]。

2.2.4 磷酸三钠用量对胶合板阻燃性能的影响

按照GB/T 7633—2008《门和卷帘的耐火试验方法》，试件背火面最高温升超过试件表面初始平均温度180℃，则判定试件失去耐火隔热性。从表2可以看出，随着磷酸三钠用量的增加，阻燃性能先下降，后有所回升。当磷酸三钠用量为0.6%时阻燃性能最低，背面温升180℃用时为514.6 s。优异的阻燃性能为氯氧镁无机胶粘剂的特点之一，原因一方面为氯氧镁胶粘剂受热分解吸热量大；另一方面为最终的热分解残余物氧化镁会覆盖在上面形成隔热层并隔离空气中的氧气，达到阻燃效果[10]。磷酸三钠缓凝剂用量较少时对胶合板的阻燃性能影响较大，但该影响随着用量的增加而逐渐减弱。

2.3 无机胶粘剂的微观分析

2.3.1 XRD分析

图1为不同磷酸三钠用量氯氧镁胶粘剂的XRD图谱。

由图1可以看出：

图1 不同磷酸三钠用量氯氧镁胶粘剂的XRD图谱

（1）胶粘剂的主要组成为作为填料未反应完的MgO，其次为518相晶体。

（2）添加磷酸三钠后，518相的衍射峰强度增强，当磷酸三钠用量为0.6%、0.8%时，518相的衍射峰强度最强；Mg（OH）2的衍射峰强度增强；MgO的衍射峰强度减弱。说明氯氧镁胶粘剂在磷酸三钠的作用下发生相变，518相、Mg（OH）2含量增加，MgO含量减少。氯氧镁胶粘剂中的518相晶体强度最高，而Mg（OH）2的力学性能较差，这也是尽管力学性能优异的518相含量增加，但内结合强度、弹性模量等性能下降的原因。当磷酸三钠用量为0.8%时，氯氧镁胶粘剂中的518相含量最高，Mg（OH）2含量较低，因此，其内结合强度最高；当磷酸三钠用量为0.6%和1.0%时，Mg（OH）2含量较高，所以内结合强度明显降低。

2.3.2 红外光谱分析

图2为不同磷酸三钠用量氯氧镁胶粘剂的红外光谱。

图2 不同磷酸三钠用量氯氧镁胶粘剂的红外光谱

由图2可以看出，3695 cm-1处为518相晶体中MgO—H的不对称伸缩振动吸收峰，3425 cm-1和1625 cm-1处为518相晶体中非水羟基（—OH）的不对称伸缩振动带和弯曲振动吸收峰[11]，1400 cm-1处为MgO中Mg—O键的伸缩振动吸收峰[12]。其中以MgO的吸收峰最强，表明其含量最高。当磷酸三钠用量为0.8%时，氯氧镁胶粘剂的518相吸收峰相对最强，表明此时其含量相对最高，这与XRD的测试结果一致。

2.3.3 SEM分析

为观察胶粘剂晶体的结构形貌，使用场发射扫描电子显微镜对其进行微观结构观察，图3为未添加磷酸三钠和磷酸三钠用量为0.6%时氯氧镁胶粘剂的SEM照片。

图3 添加磷酸三钠前后氯氧镁胶粘剂的SEM照片

由图3（a）可以看出，当未添加磷酸三钠时，胶粘剂大部分由凝胶状的518相组成，而胶粘剂的力学强度主要来源于凝胶状的晶体。由图3（b）可以看出，当添加0.6%磷酸三钠时，胶粘剂生成了叶片状的Mg（OH）2晶体，这与XRD分析结果相同。Mg（OH）2晶体的力学强度低于518相晶体，使得胶合板的弹性模量、静曲强度有所下降。其次，叶片状的Mg（OH）2晶体的晶体孔隙度较高，使得胶合板的吸水率有所增大。

3 结论

（1）添加磷酸三钠后，氯氧镁胶粘剂的初凝时间有所延长，当磷酸三钠用量为1.0%时，初凝时间延长最明显，延缓了4.01 h。

（2）当磷酸三钠用量为0.8%时胶合板内结合强度最高，为0.58 MPa；随着磷酸三钠用量的增加，胶合板的弹性模量、静曲强度、阻燃性能下降，握钉力增大，24 h吸水率及浸渍剥离最大长度呈先增大后减小的趋势，阻燃性能呈先下降后有所回升的趋势。

（3）添加磷酸三钠后，氯氧镁胶粘剂中的518相、Mg（OH）2含量增加。当磷酸三钠用量为0.8%时，518相含量最高；磷酸三钠用量为0.6%、1.0%时，Mg（OH）2的含量最高。

（4）磷酸三钠用量为0.8%时，胶粘剂的初凝时间得到有效延长、胶合板的综合性能最佳，适用于实际生产。