楊 光, 盧晶昌, 楊 波, 龐 媛

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

大豆蛋白膠楓木刨花板熱壓工藝研究

楊 光, 盧晶昌, 楊 波, 龐 媛

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海 200093)

為了解決甲醛等有害物質(zhì)的釋放問題,使用大豆蛋白膠作為熱壓楓木刨花板的無甲醛膠粘劑,研究了刨花板的熱壓工藝.在實(shí)驗(yàn)室條件下,通過單因素試驗(yàn)分別分析了熱壓溫度、熱壓時間、施膠量和密度對楓木刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度及表面結(jié)合強(qiáng)度的影響;并通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)得出最佳試驗(yàn)參數(shù).結(jié)果表明,大豆蛋白膠可以用于楓木刨花板的制造,其最佳工藝參數(shù)為:熱壓溫度180℃,熱壓時間27.5 min,施膠量15.7%,密度780 kg/m3.在此條件下,壓制的板材性能均達(dá)到GB/T 4897.1-2003對在干燥狀態(tài)下使用的普通用板要求.

大豆蛋白膠;楓木刨花板;力學(xué)性能;工藝參數(shù)

刨花板生產(chǎn)能耗小、成本低,對木材原料的質(zhì)量要求不高,具有較好的物理力學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于家具、裝修、建材等行業(yè)[1].近幾年中國已成為繼美國、德國之后的世界第三大刨花板生產(chǎn)大國[2].與脲醛樹脂膠和酚醛樹脂膠大豆蛋白膠粘劑不同,大豆蛋白膠是通過對大豆蛋白改性修飾而得到的性能優(yōu)良的膠粘劑.利用大豆蛋白膠粘劑制備楓木刨花板可以得到性能良好、無毒害的環(huán)境友好型產(chǎn)品.楓香屬金縷梅科,具有生長快、分布廣的特點(diǎn),可以為刨花板提供新的原料來源.南京林業(yè)大學(xué)吳羽飛等[3]在實(shí)驗(yàn)室條件下,研究了楓木膠合板的制備工藝,研究表明使用楓木作原料生產(chǎn)膠合板是可行的.而目前國內(nèi)外對關(guān)于大豆蛋白膠的楓木刨花板研究鮮有報(bào)道,因此,研究大豆蛋白膠制備楓木刨花板具有很大的現(xiàn)實(shí)意義.

本文主要探討了楓木刨花板制備過程中的熱壓時間、熱壓溫度、施膠量以及密度對刨花板性能的影響,并用響應(yīng)曲面法優(yōu)化工藝條件,為合理制定大豆蛋白膠楓木刨花板的生產(chǎn)工藝參數(shù)提供一定的參考依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試驗(yàn)采用的試劑為楓木刨花(長度為9～17 mm,寬度為3～6 mm,厚度為0.3～0.6 mm,干燥后含水率為6%)、M180型大豆蛋白膠(紅褐色液體,干基蛋白含量為10.38%,黏度為720 MPa·s,固含量為23.73%)、H140型大豆蛋白膠(紅褐色粘稠狀液體,干基蛋白含量為11.66%,黏度為74 000 MPa·s,固含量為24.31%).

強(qiáng)力高速攪拌機(jī)B30型、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-9203A、立式萬用電爐、電子天平JM-B、熱壓機(jī)YX-25型、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)AGS-J(10 kN)、電熱恒溫水浴鍋DK-S28、水分快速測定儀MB35 HALOGEN.

1.2 楓木刨花板的制備

楓木刨花→電動攪拌器→攪拌→加入大豆蛋白膠→攪拌→加入石蠟→攪拌→分層干燥→鋪裝→熱壓→成型→檢測.

1.3 刨花板力學(xué)性能的測定

取樣和試件尺寸按照GB/T 4897.1-2003[4]中7.2的規(guī)定進(jìn)行;靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和表面結(jié)合強(qiáng)度分別按照GB/T 17657-1999[5]中4.9,4.8和4.13的規(guī)定進(jìn)行.每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)3次試驗(yàn),取平均值.

1.4 單因素試驗(yàn)

試驗(yàn)條件如表1所示.在其它因素相同的條件下,改變其中一種因素的試驗(yàn)參數(shù),分別分析熱壓時間、熱壓溫度、施膠量以及刨花板密度對刨花板物理學(xué)性能的影響,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果取平均值.其中,施膠量=絕干膠質(zhì)量/絕干刨花質(zhì)量×100%.

表1 單因素試驗(yàn)條件Fig.1 Signal factor experiment conditions

1.5 響應(yīng)曲面試驗(yàn)

試驗(yàn)采用Box-Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理[6],選取熱壓時間、熱壓溫度、施膠量和刨花板密度4個因素,以刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、表結(jié)合強(qiáng)度為檢測指標(biāo),通過Design Expert 7.1.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出制備楓木刨花板的最優(yōu)工藝條件.試驗(yàn)因素水平編碼見表2.其中,-1代表低水平;0代表中間水平;1代表高水平.

表2 Box-Behnke設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素及水平Tab.2 Box-Behnke experimental design factors and levels

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

熱壓時間、熱壓溫度、施膠量和密度對楓木刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖1所示.可以看出,隨著熱壓時間的延長、熱壓溫度的升高和施膠量的增加,楓木刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都呈先增大后減小趨勢.這主要是由于:熱壓時間的延長有利于大豆蛋白膠充分固化,并且可以除去板坯中的水分,從而使刨花之間的結(jié)合更加緊密,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增大,但是過長的時間又會導(dǎo)致蛋白膠固化過度而變脆[1],內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度反而下降;熱壓溫度升高,有助于傳熱,縮短大豆蛋白膠固化時間,提高刨花板力學(xué)性能,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增大,但是過高的溫度會導(dǎo)致楓木刨花的降解和膠粘劑的過分固化,使力學(xué)性能降低,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度減小.施膠量的提高,增大了刨花與刨花之間膠合時所形成的膠聯(lián)點(diǎn),使得內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增大.由于試驗(yàn)條件限制,實(shí)驗(yàn)室采用手動拌膠,使得大豆蛋白膠分布不均勻,過高的施膠量容易造成大豆蛋白膠之間結(jié)塊,影響膠合效果,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度反而下降.從圖1(d)可以看出,隨著目標(biāo)密度的增大,楓木刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈一直增大趨勢.這是由于密度增大,單位容積中的刨花含量增加,孔隙率變小,熱傳導(dǎo)性能提高,刨花之間的接觸面積增大,刨花間相互膠合力增強(qiáng),板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度提高[7].

圖1 各因素對楓木刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig.1 Impacts of different factors on inside bonding strength

2.1.2 表面結(jié)合強(qiáng)度

各因素對楓木刨花板表面結(jié)合強(qiáng)度的影響如圖2所示(見下頁).可以看出,隨著熱壓時間的延長、熱壓溫度的升高和施膠量的增加,楓木刨花板表面結(jié)合強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增大后減小趨勢.這是由于熱壓時間對表面結(jié)合強(qiáng)度的影響作用與對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響作用相似.表面結(jié)合強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都是反映刨花之間的結(jié)合力的大小,表面結(jié)合強(qiáng)度反映的是表層刨花間的結(jié)合力大小;內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度反映的是內(nèi)部刨花之間的結(jié)合力大小.從圖2(d)可以看出,隨著目標(biāo)密度的增大,楓木刨花板表面結(jié)合強(qiáng)度也呈一直增大趨勢,隨著刨花板密度的增加,整體壓縮率提高,表面刨花層結(jié)合得更加緊密,表面結(jié)合強(qiáng)度隨之增加.

2.1.3 靜曲強(qiáng)度

各因素對楓木刨花板靜曲強(qiáng)度的影響如圖3所示(見下頁).可以看出,隨著熱壓時間的延長、熱壓溫度的升高和施膠量的增加,楓木刨花板靜曲強(qiáng)度也是呈現(xiàn)先增大后減小趨勢.這是由于:隨著熱壓時間延長,蛋白膠充分固化,刨花之間結(jié)合更加緊密,刨花板抗彎曲變形能力增大,靜曲強(qiáng)度值增大,但長時間的熱壓導(dǎo)致蛋白膠固化過度變脆又會使得靜曲強(qiáng)度呈下降趨勢;熱壓溫度升高,有利于大豆蛋白膠充分固化,刨花板抗彎曲變形能力增大,靜曲強(qiáng)度值增大,但是隨著熱壓溫度的進(jìn)一步升高,容易導(dǎo)致膠層脆化,另外也可能與纖維素、半纖維素和木素高溫下部分降解有關(guān)[8],使靜曲強(qiáng)度值降低;施膠量的增加使得刨花間的結(jié)合點(diǎn)增多,刨花之間粘接更緊密,從而使刨花板抗彎曲能力增大,靜曲強(qiáng)度增大,由于試驗(yàn)條件限制,實(shí)驗(yàn)室采用手動拌膠,使得大豆蛋白膠分布不均勻,過高的施膠量容易造成大豆蛋白膠之間結(jié)塊,降低刨花板力學(xué)性能,導(dǎo)致靜曲強(qiáng)度降低;密度增大,相同體積內(nèi)膠粘劑含量和刨花量增加,結(jié)合更加緊密,抗彎曲能力增大,靜曲強(qiáng)度增大.

圖2 各因素對楓木刨花板表面結(jié)合強(qiáng)度的影響Fig.2 Impacts of different factors on surface bonding strength

圖3 各因素對楓木刨花板靜曲強(qiáng)度的影響Fig.3 Impacts of different factors on modulus of rupture

2.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)結(jié)果

利用Design Expert軟件,采用中心組合試驗(yàn)Box-Behnken設(shè)計(jì)方案,以熱壓時間X1、熱壓溫度X2、施膠量X3和刨花板的目標(biāo)密度X4為自變量,以內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度Y1和表面結(jié)合強(qiáng)度Y2和靜曲強(qiáng)度Y3為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)4因素3水平共29組試驗(yàn),結(jié)果見表3.2.2.1 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的響應(yīng)面圖

表3 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.3 Response surface experiment design and results

由內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度方差分析可知,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度模型極顯著,失擬項(xiàng)在α=0.1水平上不顯著.模型的確定系數(shù)R2=0.937 3,模型校正決定系數(shù)Ra2= 0.874 5,說明模型擬合程度較好,可以對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析和預(yù)測.各項(xiàng)回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)表明,回歸系數(shù)X4,X12,X22,X32,X42對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的曲面效應(yīng)極顯著,其余項(xiàng)不顯著.各考察因素對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響的顯著性:X4＞X2＞X3＞X1.得到以刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程為

根據(jù)回歸分析方程在考察的區(qū)域內(nèi)繪制響應(yīng)面圖,從響應(yīng)面分析圖上可以形象地看出最佳參數(shù)及各參數(shù)之間的相互作用.當(dāng)特征值均為正值時,響應(yīng)曲面分析圖為山谷形曲面,有極小值存在;當(dāng)特征值為負(fù)值時,為山丘曲面,有極大值存在;當(dāng)特征值有正有負(fù)時,為馬鞍形曲面,無極值存在[9].

各因素對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響的響應(yīng)曲面圖如圖4所示.

圖4 各因素對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface figure for the impact of different factors on inside bonding strength

圖4(a)顯示了施膠量16%、密度750 kg/m3時,熱壓溫度和熱壓時間對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).從圖上可以看出,熱壓溫度和熱壓時間交互作用不顯著,在所選范圍內(nèi)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度存在極大值.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),熱壓溫度不變,隨著熱壓時間的延長,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢;若熱壓時間不變,隨著熱壓溫度的升高,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度也是呈先增大后減小的趨勢.

圖4(b)顯示了密度750 kg/m3、熱壓溫度180℃時,施膠量和熱壓時間對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).從圖上可以看出,施膠量和熱壓時間交互作用不顯著.響應(yīng)面出現(xiàn)最高點(diǎn)表明在所選范圍內(nèi)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度存在最大值.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),隨著施膠量增大和熱壓時間的延長,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

圖4(c)顯示了施膠量16%、熱壓溫度180℃時,密度和熱壓時間對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出,密度和熱壓時間交互作用不顯著.密度對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響在圖中表現(xiàn)為曲線較為陡峭,密度高的刨花板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度大.而熱壓時間過長或過短對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度都會造成不利的影響.

圖4(d)顯示了熱壓時間25 min、密度750 kg/m3時,施膠量和熱壓溫度對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出,施膠量和熱壓溫度交互作用不顯著.比較兩組圖可知,在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi)存在極大值.施膠量在14%～16%條件下,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨著施膠量的增大而增大,施膠量大于16%時,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨施膠量增大而減小;熱壓溫度在170～180℃條件下,隨著熱壓溫度的升高,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增大,當(dāng)熱壓溫度超過180℃,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨溫度的升高而減小.

圖4(e)顯示了熱壓時間25 min、施膠量16%時,密度和熱壓溫度對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出,密度和熱壓溫度交互作用不顯著.密度曲線在圖中表現(xiàn)為陡峭,隨著密度增大,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈增大趨勢.熱壓溫度在180℃時,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到最大值,過高和過低的溫度都對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度造成不利的影響.

圖4(f)顯示了熱壓時間25 min、熱壓溫度180℃時,密度和施膠量對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出,密度和施膠量交互作用不顯著.密度在700～800 kg/m3范圍內(nèi),隨著密度的增大,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈增大的趨勢.密度曲線較為陡峭.施膠量14%～16%條件下,隨著施膠量的增大,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度增大,當(dāng)施膠量超過16%時,施膠量增大,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度呈降低趨勢.

2.2.2 表面結(jié)合強(qiáng)度的響應(yīng)面圖

由表面結(jié)合強(qiáng)度方差分析可知,該模型極顯著,失擬項(xiàng)在α=0.1水平上不顯著.R2=0.946,Ra2= 0.892,證明該模型擬合程度較好,試驗(yàn)誤差小,可以對表面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析和預(yù)測.各項(xiàng)回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)表明,回歸系數(shù)X4,X12,X22,X32,X42對表面結(jié)合強(qiáng)度的曲面效應(yīng)極顯著,交互項(xiàng)X1X2, X1X4,X2X3顯著,表明各影響因素對表面結(jié)合強(qiáng)度的影響不是簡單的線性關(guān)系,其余項(xiàng)不顯著.各考察因素對表面結(jié)合強(qiáng)度影響的顯著性:X4＞X2＞X3＞X1.得到以刨花板表面結(jié)合強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程為

各因素對表面結(jié)合強(qiáng)度影響的響應(yīng)曲面圖如圖5所示(見下頁).

圖5(a)顯示了施膠量16%、密度750 kg/m3時,熱壓溫度和熱壓時間對表面結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出,熱壓溫度和熱壓時間交互作用顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),表面結(jié)合強(qiáng)度存在極大值.隨著熱壓溫度的升高和熱壓時間的延長,表面結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

圖5(b)顯示了熱壓溫度180℃、密度750 kg/m3時,施膠量和熱壓時間對表面結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出施膠量和熱壓時間交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),表面結(jié)合強(qiáng)度存在極大值.施膠量在14%～18%、熱壓時間在15～35 min范圍內(nèi),隨著施膠量的增大和熱壓時間的延長,表面結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

圖5(c)顯示了熱壓溫度180℃、施膠量16%時,密度和熱壓時間對表面結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出密度和熱壓時間交互作用顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),密度曲線較為陡峭,隨著密度的增大,表面結(jié)合強(qiáng)度呈一直增大的趨勢.熱壓時間曲線也表現(xiàn)為較為陡峭,熱壓時間在15～25 min范圍時,隨著熱壓時間的延長,表面結(jié)合強(qiáng)度增大,之后隨著熱壓時間進(jìn)一步延長,表面結(jié)合強(qiáng)度出現(xiàn)減小趨勢.

圖5(d)顯示了熱壓時間25 min、密度750 kg/m3時,施膠量和熱壓溫度對表面結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出施膠量和熱壓溫度交互作用顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),表面結(jié)合強(qiáng)度存在極大值.隨著施膠量的增大和熱壓溫度的升高,表面結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢,表明施膠量過大過小或者熱壓溫度過高過低都會對表面結(jié)合強(qiáng)度造成不利影響.

圖5(e)顯示了熱壓時間25 min、施膠量16%時,密度和熱壓溫度對表面結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可見密度和熱壓溫度交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),密度曲線較為陡峭,密度增大,表面結(jié)合強(qiáng)度增大.熱壓溫度在170～180℃范圍內(nèi),熱壓溫度升高,表面結(jié)合強(qiáng)度增大,當(dāng)溫度超過180℃時,隨熱壓溫度升高,表面結(jié)合強(qiáng)度反而減小.

圖5 各因素對表面結(jié)合強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface figure for the impact of different factors on surface bonding strength

圖5(f)顯示了熱壓時間25 min、熱壓溫度180℃時,密度和施膠量對表面結(jié)合強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出密度和施膠量交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),密度曲線較為陡峭,密度高的刨花板表面結(jié)合強(qiáng)度大.施膠量在14%～18%范圍內(nèi),隨著施膠量的增大,表面結(jié)合強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

2.2.3 靜曲強(qiáng)度的響應(yīng)面圖

由靜曲強(qiáng)度方差分析看出,靜曲強(qiáng)度模型極顯著,失擬項(xiàng)在α=0.1水平上不顯著.R2=0.939 8, Ra2=0.879 7,說明模型擬合程度較好,模型選擇正確,可以對靜曲強(qiáng)度進(jìn)行分析和預(yù)測.各項(xiàng)回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)表明,回歸系數(shù)X2,X3,X4,X12, X22,X32,X42對靜曲強(qiáng)度的曲面效應(yīng)極顯著,交互項(xiàng)X2X3顯著,其余項(xiàng)不顯著.各考察因素對靜曲強(qiáng)度影響的顯著性:X4＞X2＞X3＞X1.得到以刨花板靜曲強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸方程為

各因素對靜曲強(qiáng)度影響的響應(yīng)曲面圖如圖6所示.

圖6 各因素對靜曲強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface figure for the impact of different factors on modulus of rapture

圖6(a)顯示了施膠量16%、密度750 kg/m3時,熱壓溫度和熱壓時間對靜曲強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).從圖上可以看出熱壓溫度和熱壓時間交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),靜曲強(qiáng)度存在極大值.熱壓時間不變,隨著熱壓溫度的升高,靜曲強(qiáng)度值增大,當(dāng)溫度達(dá)到一定值后,靜曲強(qiáng)度值逐漸減小;若熱壓溫度不變,熱壓時間在15～35 min范圍中,靜曲強(qiáng)度逐漸增大,達(dá)到極大值,隨后逐漸下降.

圖6(b)顯示了熱壓溫度180℃、密度750 kg/m3時,施膠量和熱壓時間對靜曲強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出熱壓溫度和熱壓時間交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),靜曲強(qiáng)度存在極大值.熱壓時間不變,隨著施膠量的增大,靜曲強(qiáng)度也是呈先增大后減小的趨勢;若施膠量不變,隨著熱壓時間的延長,靜曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

圖6(c)顯示了熱壓溫度180℃、施膠量16%時,密度和熱壓時間對靜曲強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).可以看出密度和熱壓時間交互作用不顯著.在密度700～800 kg/m3范圍內(nèi),靜曲強(qiáng)度值不斷增大.熱壓時間在15～25 min內(nèi),隨熱壓時間的延長,靜曲強(qiáng)度呈一直增大的趨勢,當(dāng)熱壓時間超過25 min時,靜曲強(qiáng)度值降低.

圖6(d)顯示了熱壓時間25 min、密度750 kg/m3時,施膠量和熱壓溫度對靜曲強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).從圖上可以看出施膠量和熱壓溫度交互作用顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),靜曲強(qiáng)度存在極大值.隨著施膠量的增大和熱壓溫度的升高,靜曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

圖6(e)顯示了熱壓時間25 min、施膠量16%時,密度和熱壓溫度對靜曲強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).從圖上可以看出熱壓溫度和熱壓時間交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),密度曲線較為陡峭,密度高的刨花板靜曲強(qiáng)度大.熱壓溫度在170～190℃范圍內(nèi),隨著熱壓溫度的升高,靜曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢.

圖6(f)顯示了熱壓時間25 min、熱壓溫度180℃時,密度和施膠量對靜曲強(qiáng)度的交互影響效應(yīng).從圖上可以看出熱壓溫度和熱壓時間交互作用不顯著.在本試驗(yàn)水平范圍內(nèi),密度曲線較為陡峭,密度增大,靜曲強(qiáng)度增大.施膠量在14%～16%范圍內(nèi),靜曲強(qiáng)度隨施膠量增大而增大,當(dāng)施膠量超過16%時,隨施膠量增大,靜曲強(qiáng)度反而減小.

2.3 參數(shù)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證

通過軟件的最優(yōu)化處理,得出楓木刨花板制備的最佳工藝條件為:熱壓時間27.5 min,熱壓溫度178℃,施膠量15.7%,密度780 kg/m3.該條件下預(yù)測刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度達(dá)0.557 MPa,表面結(jié)合強(qiáng)度達(dá)0.984 MPa,靜曲強(qiáng)度達(dá)21.893 MPa,均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn).

通過預(yù)測值進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),測得在時間27.5 min、溫度180℃、施膠量15.7%、密度780 kg/m3條件下,刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度為0.527 MPa,表面結(jié)合強(qiáng)度為0.952 MPa,靜曲強(qiáng)度為22.26 MPa,與預(yù)測值相比相對誤差分別為-5.38%,-3.25%,1.68%,表明所選模型可以較好地對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化.

3 結(jié) 論

通過單因素試驗(yàn)確定各個因素適宜的取值范圍,為響應(yīng)曲面試驗(yàn)作鋪墊.確定的適宜熱壓溫度范圍為170～190℃,熱壓時間范圍為15～35 min.施膠量范圍為14～18%,目標(biāo)密度范圍為700～800 kg/m3.將響應(yīng)曲面法應(yīng)用于大豆蛋白膠楓木刨花板制備工藝的優(yōu)化,獲得了良好的結(jié)果,得出了內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、表面結(jié)合強(qiáng)度和靜曲強(qiáng)度在試驗(yàn)范圍內(nèi)的預(yù)測模型.通過響應(yīng)曲面分析,得出了基于大豆蛋白膠的楓木刨花板的最佳制備工藝參數(shù),且各指標(biāo)均達(dá)到GB/T 4897.1-2003對在干燥狀態(tài)下使用的普通用板要求.

[1] 方坤,呂谷來,盛奎川,等.基于改性大豆蛋白膠黏劑的竹刨花板性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(11):308 -311.

[2] 胡廣斌,肖小兵.我國刨花板生產(chǎn)概況及近期發(fā)展態(tài)勢[J].中國人造板,2007,14(2):1-4.

[3] 吳羽飛,顧海英.楓木膠合板的實(shí)驗(yàn)室制造工藝[J].林業(yè)科技開發(fā),2004,18(5):27-29.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 4897.1-2003,刨花板[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 17657-1999,人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[6] 汪仁官,陳榮召.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京:中國統(tǒng)計(jì)出版杜,1998.

[7] 耿瑋蔚.乒乓球拍底板用蛋白改性膠的性能研究[D].上海:上海理工大學(xué),2009.

[8] 張亞慧,于文吉.改性豆基蛋白膠粘劑的膠合工藝初探[J].林產(chǎn)工業(yè),2008,35(1):48-50.

[9] Gupta S,Manohar C S.An improved response surface method for the determination of failure probability and importance measures[J].Structural Safety,2004,26 (2):123-139.

(編輯:董 偉)

Studies on Hot-Pressing Process Using Soy Protein-Based Adhesive for Maple Particleboard

YANGGuang, LU Jingchang, YANGBo, PANGYuan
(School of Medical Instrument and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

To solve the problem of formaldehyde releasing from maple particleboard,the hotpressing technology with soy protein-based adhesive for maple particleboard was presented.Single factor experiments prove the availability of the soy protein-based adhesive in the production of particleboard.According to the results of response surface optimization,it is shown that when hotpress temperature,hot-press time,adhesive dosage and density of maple particleboard were controlled at 180℃,27.5 min,15.7%,780 kg/m3respectively,the maple particleboard has the optimal inside and surface bonding strength which can met the requirements of National Standard GB/T 4897.1-2003.

soy protein-based adhesive;maple particleboard;mechanical properties;process parameter

TQ 430.3

A

1007-6735(2015)01-0089-10

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.016

2013-11-14

浙江省院合作林業(yè)科技項(xiàng)目(2010sy04)

楊 光(1965-),男,副教授.研究方向:蛋白質(zhì)化學(xué)和碳水化合物化學(xué).E-mail:luke_yang@126.com