王丹丹　曹陽　王翠翠　韋文榜　張雙保

(木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

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桉木單板/聚氯乙烯膜復(fù)合材料的制備工藝1)

王丹丹曹陽王翠翠韋文榜張雙保

(木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

以人工林速生材桉木為基材，聚氯乙烯膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠黏劑制備木塑復(fù)合材料，解決了甲醛釋放、白色污染等問題。采用熱壓—冷壓工藝，以熱壓溫度、時間及塑料添加量3個因素為自變量，膠合強度為響應(yīng)值，通過響應(yīng)面分析確定了最優(yōu)生產(chǎn)工藝；并采用掃描電子顯微鏡觀察其界面形態(tài)，即熱壓溫度為183 ℃，熱壓時間為452 s，塑料添加量為320 g/m2。試驗表明：桉木單板/聚氯乙烯膜制備木塑復(fù)合材料工藝具有可行性，其膠合強度達1.14 MPa，滿足GB/T 9846—2015標準中Ⅱ類膠合板的要求。

桉木；聚氯乙烯膜；木塑復(fù)合材料；膠合強度；響應(yīng)面法

To solving pollution problems such as formaldehyde and white pollution, we used the fast-growing eucalyptus wood as based material and Polyvinyl chloride film which insteaded traditional adhesive to make wood-plastic composites materials by hot-cold pressing crafts. Hot-pressing temperature, time and the amount of plastics as the independent variable, bonding strength as the response value, we used response surface methodology to optimize the best processing factor, and analyzed the fractural surfaces of samples by a scanning electronic microscope. The best processing factor was hot-pressing temperature of 183 ℃, hot-pressing time of 452 s and PVC films of 320 g/m2. Therefore, it is feasible to make wood-plastic composites by using eucalyptus wood and PVC film. The plywood bonding strength reached 1.14 MPa, which met the requirement of Type Ⅱplywood according to the National Standard of GB/T9846-2015.

桉樹作為一種優(yōu)質(zhì)速生豐產(chǎn)樹種，已成為全球人工林最重要的造林樹種之一，有效解決了當(dāng)前木材短缺的問題。但由于桉樹本身生長特性存在一些缺陷，木材強度低，因此加大對桉樹高附加值的利用成為當(dāng)今木材加工行業(yè)的重要課題。

以傳統(tǒng)的三醛膠制備的人造板產(chǎn)品在使用過程中會不斷釋放游離甲醛，不僅污染環(huán)境，而且還危害人體健康。因此需要尋求可以取代三醛膠的無醛板材膠黏劑。研究表明：塑料可以替代木材傳統(tǒng)膠黏劑制備環(huán)保型膠合板[1]。大量的塑料制品給生活帶來便利的同時也給環(huán)境造成了“白色污染”。因此，將廢舊塑料進行二次回收利用，可從根源上杜絕游離甲醛的釋放，同時解決生態(tài)環(huán)境問題。

目前木塑復(fù)合材料的研究主要集中在以植物纖維為原料[2-3]，與熱塑性高聚物經(jīng)過擠出、模壓或注射成型制成的生物質(zhì)復(fù)合材料上面。關(guān)于以木材單板為基材，塑料為膠黏劑，采用人造板平壓工藝制備木塑復(fù)合材料的研究很少。該工藝操作簡單、能耗低，制備的板材是真正的綠色環(huán)保材，塑料的開發(fā)也主要以聚乙烯基木塑復(fù)合材料產(chǎn)品為主[4-5]。聚氯乙烯作為中國產(chǎn)量最大的熱塑性材料，具有密度大、氣體水汽低、滲透性好等優(yōu)點，是性價比最高的通用材料，但對其的相關(guān)研究較少。因此，本研究以桉木單板為原料，聚氯乙烯薄膜為膠黏劑，采用熱壓、冷壓工藝制備木塑復(fù)合材料，并通過膠合強度的測試及響應(yīng)面的分析來探索制備的最優(yōu)工藝。

1　材料與方法

1.1材料

桉木：采用人工林鄧恩桉，取自廣西柳州，加工成規(guī)格為400 mm×400 mm×2 mm的單板，含水率為8%～12%。

聚氯乙烯膜：購于北京，厚度為0.03 mm，幅面與桉木單板相同。通過計算得出使用一層膜相當(dāng)于施膠量62.5 g/m2(其中單層膜質(zhì)量為10 g)。

1.2儀器與設(shè)備

差示掃描量熱儀，型號DSC-60；150T萬能實驗壓機；QD型冷壓機；微機控制人造板萬能試驗機，型號mMWW-50。

1.3方法

工藝流程。將聚氯乙烯膜按照3水平分別鋪裝，單板鋪裝方式遵循互相垂直的原則。組坯后放入熱壓機中熱壓，制備3層膠合板。為防止冷卻過程中聚氯乙烯膜的收縮回彈，熱壓后立即放入冷壓機進行冷壓，其中，熱壓與冷壓壓力均為1 MPa，后處理時間為80 s/mm。其生產(chǎn)工藝流程為：

響應(yīng)面試驗設(shè)計。根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以熱壓溫度、熱壓時間、塑料添加量3個因素為自變量，膠合強度為響應(yīng)值，作3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗，共17個試驗點(見表1)。

表1　試驗因素水平

1.4性能測試

聚氯乙烯膜熔融溫度確定。取聚氯乙烯膜5～10 mg，以空氣為測試氣氛，以10 ℃/min升溫速度將溫度從25 ℃升至180 ℃，并在此過程中測定聚氯乙烯膜的熔融溫度。

膠合強度測定。依據(jù)GB/T9846—2015[6]Ⅱ類膠合板的要求處理試件，按照GB17657—2013[7]《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》測定中間層的膠合強度。

膠合界面觀察。用刀片分別截取2～3 mm制備好的復(fù)合材料的端面，將其粘在圓形試驗臺后進行噴金處理。然后用掃描電子顯微鏡對噴金試樣掃描，觀察分析不同放大倍數(shù)下試樣的膠合界面。

2　結(jié)果與分析

2.1聚氯乙烯膜熔融溫度

聚氯乙烯膜是一種熱塑性塑料，將其用作膠黏劑，其熔融溫度對制備木塑復(fù)合材料選取的熱壓溫度有著重要意義。只有當(dāng)熱壓溫度超過其熔點時，聚氯乙烯膜才能熔融并具有一定流動性，當(dāng)其充分熔解并滲透到木材單板中時，才能與桉木單板膠接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。如圖1所示，聚氯乙烯膜熔點為142 ℃，且聚氯乙烯在160～180 ℃時呈黏流態(tài)，180 ℃后才開始流動。因此本試驗選取160、180、200 ℃作為試驗變量。

2.2熱壓參數(shù)對膠合強度的影響

2.2.1膠合強度響應(yīng)面回歸方程的建立

膠合強度是衡量膠合板膠合性能的一個重要指標。按照響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計測定各水平因素下木塑復(fù)合材料的膠合強度，結(jié)果測得膠合強度平均值為0.917 MPa，其中最大值為1.134 MPa。

圖1　PVC膜的差示掃描量熱分析

根據(jù)試驗結(jié)果，利用Design Expert軟件建立膠合強度與3個熱壓因素的二次多元回歸方程：

Y=1.12+0.086A+0.054B+0.095C-0.14AB+0.014AC+

0.055BC-0.19A2-0.14B2-0.1C2。

(1)

式中：Y為膠合強度(MPa)；A為熱壓溫度編碼值；B為熱壓時間編碼值；C為塑料添加量編碼值。

2.2.2方差分析

表2給出了Design Expert軟件對式(1)回歸方程的方差分析。該模型的F=28.16，P=0.000 1<0.001，說明試驗所建立的二次回歸模型在統(tǒng)計學(xué)上極顯著?；貧w模型的校正決定系數(shù)R2為0.973 1，變異系數(shù)為5.06%。這表明該模型對此次試驗設(shè)計有2.69%的變異不能解釋，模型有效可靠，可用于不同熱壓條件對膠合強度影響的分析。

表2　試驗結(jié)果的方差分析

注：** 表示差異極顯著(P<0.01)；*表示差異顯著(0.010.05)。標準差為0.046；變異系數(shù)為5.06%；決定系數(shù)為0.973 1。

各因素對膠合強度影響的顯著性可以由回歸模型的一次項和二次交互項的P值反映。一次項P值如下：A(P=0.001 2<0.01)、B(0.01

2.2.3膠合強度的交互作用分析

二次項P值如下：交互項AB(P=0.000 7<0.01)、AC(P=0.572 3>0.05)、BC(0.01

a.曲面三維圖b.等高線圖

圖2熱壓溫度和熱壓時間的交互作用對膠合強度的影響

a.曲面三維圖b.等高線圖

圖3熱壓溫度和塑料添加量的交互作用對膠合強度的影響

a.曲面三維圖b.等高線圖

圖4熱壓時間和塑料添加量的交互作用對膠合強度的影響

桉木單板/聚氯乙烯膜的界面結(jié)合強度主要依賴膠接作用在界面形成的機械咬合程度，而塑料添加量決定了形成膠接作用力的大小和膠接數(shù)量的多少[8]，主要反映在單板表面的塑料密度分布變化不同。由于聚氯乙烯密度高，穩(wěn)定性好，隨著聚氯乙烯量的增多，桉木單板表面的單位聚氯乙烯密度增加，聚氯乙烯在單板中的滲透速度和時間也相應(yīng)加快，最終體現(xiàn)出膠合強度增大[9]。當(dāng)添加量超過一定值時，過量的聚氯乙烯滲入單板，阻礙了其在單板表面的分布，流通性變差，導(dǎo)致膠合強度下降。

從圖2、3中可以看出膠合強度隨著熱壓溫度的升高呈先增大后減小趨勢。隨著溫度的升高，聚氯乙烯膜熔融并伴隨氯化氫釋放；同時由于流動性增強，聚氯乙烯膜不斷滲入桉木表面并與之形成穩(wěn)定的膠接結(jié)構(gòu)。但由于桉木導(dǎo)管內(nèi)存在豐富的侵填體，導(dǎo)管間紋孔為附物紋孔，堵塞了塑料在導(dǎo)管間流動的通道，最終導(dǎo)致聚氯乙烯膜滲透性降低[10]。隨著熱壓溫度的升高，在180 ℃時桉木的半纖維素大多數(shù)分解，侵填體變得松散，沉積物融解，紋孔膜變薄[11]，使紋孔口的孔隙增大和紋孔膜上有效紋孔的數(shù)量增加，紋孔膜滲透性增強，疏通了導(dǎo)管和紋孔連接的通道，從而提高了桉木的滲透性，聚氯乙烯可以完全滲透單板。當(dāng)溫度達到200 ℃時，聚氯乙烯由于熱穩(wěn)定性差而分解、變色，并且氯化氫的釋放速度加快。由于氯化氫具有腐蝕性，導(dǎo)致聚合物顏色逐漸加深，同時溫度過高桉木發(fā)生熱降解、熱變色反應(yīng)，導(dǎo)致強度降低，不再具有使用價值。

熱壓時間對膠合強度影響顯著。因聚氯乙烯熔點高，在160 ℃以下無法流動，熱壓時間過短樹脂無法馬上達到熔融狀態(tài)，不能完全滲入單板。木材纖維表面含有大量羥基并形成氫鍵，因而表現(xiàn)出較強的極性和親水性。熱塑性樹脂則大多數(shù)為非極性材料，聚氯乙烯雖表現(xiàn)為極性，但具有疏水性，使得其與單板復(fù)合時界面黏合性差，樹脂在木材內(nèi)部滲透有限。較短的熱壓時間導(dǎo)致能夠滲透到單板的有限聚氯乙烯也無法立即滲入。

2.3熱壓工藝參數(shù)確定

通過對回歸方程分別取A、B、C的一階偏導(dǎo)，可以計算出最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)。偏導(dǎo)方程如下：

對三元一次方程組進行求解得：A=0.15、B=0.27、C=0.56?？傻贸鲎罴褵釅簻囟葹?83 ℃、熱壓時間為452 s、塑料添加量為320 g/m2(相當(dāng)于5層聚氯乙烯薄膜)、最佳膠合強度為1.15 MPa。

為確保試驗及回歸模型的準確性，對模型優(yōu)化出的最優(yōu)工藝進行驗證。依據(jù)上述最優(yōu)工藝參數(shù)制備3塊桉木/聚氯乙烯膜復(fù)合材料，其中每塊板材取膠合試件12塊。測試結(jié)果表明：在此工藝條件下膠合強度為1.14 MPa，滿足GB/T9846—2015標準中Ⅱ類膠合板的要求，且與理論值誤差0.8%。

2.4膠合界面形貌

圖5所示為不同聚氯乙烯膜添加量制備的桉木單板/聚氯乙烯膜復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的膠合界面形貌。其中圖5a、圖5b所示為最優(yōu)工藝條件下制備的復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的膠合界面形貌?？芍勐纫蚁┠ぴ跓釅哼^程中熔融后可以滲入桉木單板的多孔性結(jié)構(gòu)中，然后與桉木單板形成機械咬合結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合材料的膠合強度。但由于聚氯乙烯膜具有疏水性，與單板的界面相容性差，因此與桉木單板膠接處存在縫隙。圖5c、圖5d為2層聚氯乙烯膜制備的復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的膠合界面形貌?？梢钥闯鼍勐纫蚁┠ぶ皇菣C械地黏附在纖維表面，很難與單板形成膠合界面，影響膠合強度。圖5e、圖5f為6層聚氯乙烯膜制備的復(fù)合材料在不同放大倍數(shù)下的膠合界面形貌?？芍勐纫蚁┠ぴ阼衲締伟灞砻嫘纬梢粚羽そY(jié)層，且膠接處縫隙更為明顯。

3　結(jié)論

以桉木單板為基材，聚氯乙烯膜為膠黏劑，采用熱壓—冷壓工藝制備木塑復(fù)合膠合板，工藝可行。熱壓溫度、塑料添加量對膠合強度的影響極顯著。且熱壓溫度和熱壓時間對膠合強度的影響顯著程度大于其他交互作用。

采用響應(yīng)面法分析得出最優(yōu)工藝條件為：熱壓溫度183 ℃、熱壓時間452 s、塑料添加量320 g/m2。在此條件下制備的木塑復(fù)合材料的膠合強度為1.14 MPa，滿足GB/T9846—2015標準中Ⅱ類膠合板的要求。

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Manufacturing Technology of Eucalyptus Veneer/Polyvinyl Chloride (PVC) Film Composites//

Wang Dandan, Cao Yang , Wang Cuicui, Wei Wenbang, Zhang Shuangbao

(Beijing Key Laboratory of Wood Science and Engineering, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：47-51.

Eucalyptus; Polyvinyl Chloride (PVC) Film; Wood-plastic composites; Bonding strength; Response surface methodology

圖5　桉木單板/聚氯乙烯膜的膠合界面

王丹丹，女，1990年1月生，木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。E-mail:dandanwang0913@163.com。

張雙保，木材科學(xué)與工程北京市重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))，教授。 E-mail: shuangbaozhang@163.com。

2015年7月29日。

TS653

1)北京市教育委員會共建項目專項資助；浙江省共建項目(CZXC201410)。

責(zé)任編輯：戴芳天。