侯國(guó)君 劉賢淼 宋偉 張雙保

(木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083) (國(guó)際竹藤中心) (木材科學(xué)與工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué)))

復(fù)合材料模壓成型是工業(yè)中一種重要的材料成型工藝，而酚醛樹(shù)脂作為優(yōu)良的塑料產(chǎn)品，生產(chǎn)模壓制品是酚醛樹(shù)脂的主要用途之一，經(jīng)壓塑粉通過(guò)模壓工藝壓制成型，可用于門(mén)把手、開(kāi)關(guān)、日用品及建筑裝飾復(fù)合材料等。酚醛樹(shù)脂的自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其脆性大，需要通過(guò)其他途徑改善。添加木粉是常用的方法，主要因?yàn)槌杀镜?、分散性好，而且制備的產(chǎn)品加工性和力學(xué)性能好［1］。在前人的研究基礎(chǔ)上［2-4］，通過(guò)試驗(yàn)室條件，以楊木粉為增強(qiáng)材料配以熱固性酚醛樹(shù)脂和助劑，通過(guò)模壓復(fù)合形成一種可用于門(mén)把手、開(kāi)關(guān)的建筑裝飾材料。試驗(yàn)對(duì)詳盡的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)響應(yīng)面分析法研究了不同的工藝因子(施膠量、模壓溫度、模壓時(shí)間)對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響，得出最優(yōu)的制備工藝，并對(duì)最優(yōu)的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)復(fù)合材料的研制為高效利用木質(zhì)纖維剩余物及有效、合理利用人工林速生材提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 材料與設(shè)備

材料。楊木粉，河北行唐縣，粒徑80 目;熱固性酚醛樹(shù)脂(PF)，黏度0．06 ～0．10 Pa·s，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～45%，密度1．195～1．205 g/cm3，紅色透明液體，堿度7．2%～7．7%，產(chǎn)品名稱14L962，北京太爾化工有限公司;油性脫模劑(LR-11)等。

設(shè)備與儀器。標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩，浙江上虞市公路儀器廠;變頻單行星球磨機(jī)，DQM-2L 型，連云港市春龍?jiān)囼?yàn)儀器有限公司;高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，LD -Y500A，上海頂帥電器有限公司;快速濕度分析儀，UM2000，意大利意瑪IMAL 公司;人造板萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，BY602×2/2 150T，蘇州新協(xié)力機(jī)器制造有限公司;模具，北京林業(yè)大學(xué)機(jī)械廠自制［5］;游標(biāo)卡尺等。

1．2 方法

制備方法包括模壓料準(zhǔn)備、裝模、模壓等工序，如圖1 所示。

參考標(biāo)準(zhǔn):①模壓工藝，參照GB/T 5471—2008塑料熱固性塑料試樣的壓塑。②彎曲強(qiáng)度，采用GB/T 9341—2008 塑料彎曲性能試驗(yàn)方法。③抗彎強(qiáng)度性能指標(biāo)，對(duì)比GB/T 24137—2009 木塑裝飾板。

圖1 模壓成型工藝流程

1．3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．3．1 施膠量對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

木粉間作用力較纖維板中纖維間交織力差，欲達(dá)到較高力學(xué)強(qiáng)度，施膠量比纖維板施膠量多。但如果施膠量過(guò)大，酚醛樹(shù)脂脆性較大的特性致使復(fù)合材料的力學(xué)性能較差，試驗(yàn)設(shè)計(jì)施膠量在35%～65%范圍內(nèi)，水平間隔10%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在55%施膠量時(shí)，抗彎強(qiáng)度達(dá)到最好。因此，設(shè)置50%～60%施膠量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

1．3．2 模壓時(shí)間對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

由實(shí)驗(yàn)得出，模壓溫度低于55 ℃時(shí)，復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度隨模壓時(shí)間延長(zhǎng)而增強(qiáng)，這是由于酚醛樹(shù)脂固化程度不斷加深;隨著模壓時(shí)間延長(zhǎng)，模壓時(shí)間取55 s/mm 時(shí)抗彎強(qiáng)度最大，之后，抗彎強(qiáng)度略微降低，并趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為酚醛樹(shù)脂基本固化完全，因而模壓時(shí)間設(shè)置為50～60 s/mm 進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

1．3．3 模壓溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

從單因素試驗(yàn)可以看出溫度對(duì)酚醛/木粉模壓復(fù)合材料的影響，在模壓溫度到達(dá)160 ℃以后抗彎強(qiáng)度增加幅度不大。在150 ～160 ℃，抗彎強(qiáng)度有較大幅度上升，故選擇150 ～170 ℃進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化，水平間隔10 ℃。

1．4 響應(yīng)面最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，施膠量為55%，模壓時(shí)間為55 s/mm，模壓溫度為160 ℃時(shí)酚醛/木粉模壓復(fù)合材料的性能較好，但各個(gè)單因素條件的簡(jiǎn)單組合不一定是復(fù)合材料模壓的最優(yōu)條件。響應(yīng)曲面分析法是集數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法于一體的優(yōu)化方法，根據(jù)Box-Behnken design(BBD)試驗(yàn)響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化模壓參數(shù)，通過(guò)描繪響應(yīng)值對(duì)考查因素的效應(yīng)面，從效應(yīng)面上選擇較佳的效應(yīng)區(qū)，從而推出自變量取值范圍，即最佳試驗(yàn)條件［6］。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)Box-Behnken 模型以施膠量、模壓時(shí)間、模壓溫度為自變量，以抗彎強(qiáng)度為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)擬合自變量與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系。

選用木粉/酚醛樹(shù)脂制備模壓材料，確定施膠量范圍50%～60%。模壓溫度范圍150 ～170 ℃，模壓時(shí)間范圍50～60 s/mm。試驗(yàn)范圍和中心點(diǎn)及編碼數(shù)值的取值如表1 所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)分析的因素和水平

2 結(jié)果與分析

2．1 施膠量、溫度、模壓時(shí)間對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

采用Design Expert 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析［7］，得出17 次試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果，抗彎強(qiáng)度最大值為45．036 MPa，其因素條件分別為:施膠量55%，溫度160 ℃，時(shí)間50 s/mm;抗彎強(qiáng)度最小值33．465 MPa，其因素條件分別為:施膠量60%，溫度150 ℃，時(shí)間50 s/mm。平均抗彎強(qiáng)度為40．728 MPa，并求出抗彎強(qiáng)度與各因素變量的二次方程模型為:

式中:A 為施膠量;B 為模壓溫度;C 為模壓時(shí)間;Y為抗彎強(qiáng)度。

最大的抗彎強(qiáng)度值在試驗(yàn)條件為施膠量54．23%，溫度為156．82 ℃，時(shí)間為60 s/mm 下取得，預(yù)測(cè)值為45．35 MPa。

2．2 施膠量、溫度和時(shí)間對(duì)抗彎強(qiáng)度影響的回歸模型和方差分析

根據(jù)表2 可以看出，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂偦貧w方程F 檢驗(yàn)P＜0．000 1，試驗(yàn)差異極顯著;失擬項(xiàng)P=0．531 3＞0．05，這表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型擬合良好。通過(guò)對(duì)P值檢驗(yàn)可以看出，A、B、C、BC、A2、B2、C2的P＜0．01(差異極顯著)，AB、AC 的P＞0．05(不顯著)。

表2 響應(yīng)面二次回歸模型分析

因此，回歸方程可以較好地描述各因素與響應(yīng)

2．3 響應(yīng)面分析

通過(guò)響應(yīng)面結(jié)果分析，因素之間的作用見(jiàn)圖2—圖4，但僅模壓溫度和模壓時(shí)間之間交互作用顯著。可以看出，當(dāng)溫度逐漸增加的時(shí)候抗彎強(qiáng)度也逐漸增加，但增加幅度逐漸減小，溫度接近170 ℃時(shí)試樣的抗彎強(qiáng)度最大。隨著時(shí)間的增加抗彎強(qiáng)度逐漸增加，但增加的幅度逐漸減小，模壓時(shí)間接近60 s/mm 時(shí)，抗彎強(qiáng)度最大。

圖2 施膠量與模壓溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

圖3 施膠量與模壓時(shí)間對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

圖4 模壓時(shí)間和模壓溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

2．4 最優(yōu)工藝驗(yàn)證

為了驗(yàn)證回歸模型的可靠性，以響應(yīng)面得到的最佳數(shù)值進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)［8-9］，施膠量為54．23%，溫度為156．82 ℃，時(shí)間為60 s/mm，預(yù)測(cè)值為45．35 MPa。驗(yàn)證試驗(yàn)選取相似條件即施膠量54%、溫度157 ℃、時(shí)間60 s/mm，進(jìn)行5 組平行試驗(yàn)，取平均值為43．783 MPa，預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)測(cè)值非常接近，偏差較小，說(shuō)明二次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型進(jìn)行等高值之間的真實(shí)關(guān)系，可以利用該回歸方程確定最佳的酚醛/木粉模壓復(fù)合材料的制備工藝。抗彎強(qiáng)度影響的大小依次為施膠量、溫度、模壓時(shí)間。同時(shí)，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0．996 0，調(diào)整后R2=0．990 8?？梢钥闯觯四Ｐ涂梢院芎玫胤从晨箯潖?qiáng)度與施膠量、模壓時(shí)間、模壓溫度之間的關(guān)系，可以用于對(duì)酚醛木粉模壓復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析與預(yù)測(cè)。線疊加所得到的優(yōu)化區(qū)域符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型具有可靠性和重現(xiàn)性。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)確定了酚醛/木粉模壓復(fù)合材料工藝范圍:施膠量為50%～60%，模壓時(shí)間0 ～60 s/mm 模壓溫度150～170 ℃。通過(guò)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及響應(yīng)面分析，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出較優(yōu)工藝條件為施膠量54%、溫度157 ℃、時(shí)間60 s/mm。在此工藝條件下，抗彎強(qiáng)度達(dá)到43．783 MPa，達(dá)到或超過(guò)GB/T 24137—2009 標(biāo)準(zhǔn)要求，并得到抗彎強(qiáng)度與試驗(yàn)因素變量的二次方程模型，該模型回歸極顯著，對(duì)試驗(yàn)擬合較好。

［1］ 張斌．木粉/落葉松栲膠復(fù)合模壓成板工藝［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34(3):39-40．

［2］ 張亞娟，齊暑華，楊貴忠，等．環(huán)保型耐磨酚醛模塑料成型工藝及性能的研究［J］．工程塑料應(yīng)用，2002，30(10):12-14．

［3］ 孫同甲，范宏，譚軍，等．劍麻纖維增強(qiáng)酚醛模塑料的性能［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2009，25(7):45-48．

［4］ 季慶娟，劉勝平，劉敏，等．酚醛樹(shù)脂/木粉復(fù)合體系的固化動(dòng)力學(xué)［J］．高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(3):41-43．

［5］ 趙恒，張雙保，劉賢淼，等．不同影響因子對(duì)三聚氰胺甲醛樹(shù)脂模塑料的影響［J］．林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，42(2):47-48．

［6］ Ilaiyaraja N，Likhith K，Babu G R S，et al． Optimisation of extraction of bioactive compounds from Feronia limonia (wood apple)fruit using response surface methodology (RSM)［J］． Food Chemistry，2015，173(8):348-354．

［7］ 蘇同偉，包斌，嚴(yán)婷，等．響應(yīng)面法優(yōu)化海洋微生物發(fā)酵產(chǎn)生纖溶化合物的培養(yǎng)條件［J］．生物工程學(xué)報(bào)，2013，29(6):857-861．

［8］ 王世磊．Design-Expert 軟件在響應(yīng)面優(yōu)化法中的應(yīng)用［D］．鄭州:鄭州大學(xué)，2009．

［9］ 張澤志，韓春亮，李成未．響應(yīng)面法在試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用［J］．河南教育學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，20(4):34-37．