王惠蕓 曹平祥 楊光明 李榮榮 郭曉磊

(南京林業(yè)大學，南京,210037) (富樂(中國)黏合劑有限公司) (南京林業(yè)大學)

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響應曲面法優(yōu)化連續(xù)輥壓實木復合地板的工藝1)

王惠蕓 曹平祥 楊光明 李榮榮 郭曉磊

(南京林業(yè)大學，南京,210037) (富樂(中國)黏合劑有限公司) (南京林業(yè)大學)

為了探討采用聚氨酯膠作為膠黏劑的多層實木復合地板快速輥壓生產(chǎn)較優(yōu)工藝，以涂膠量、冷壓時間、冷壓壓力3個因素為研究對象，采用響應曲面法分析地板剪切強度并確定較優(yōu)工藝參數(shù)。結果表明：涂膠量與冷壓時間對多層實木復合地板膠層剪切強度有顯著影響；冷壓壓力無顯著影響。較優(yōu)工藝參數(shù)為：涂膠量98 g/m2，冷壓時間24 s，壓輥下降3 mm即壓力1.2 MPa。

實木復合地板；地板加工工藝；快速輥壓；響應曲面法

實木復合地板因其自然紋路、高度舒適感和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點已成為地板的主導產(chǎn)品，使用量逐年增加[1-5]。膠合質量作為實木復合地板的重要參數(shù)，直接影響地板質量和產(chǎn)量。在傳統(tǒng)的地板生產(chǎn)工藝中，大多采用熱壓技術，這種生產(chǎn)工藝雖然簡單，設備通用性強，但是存在大量能源消耗、溫度梯度導致地板合格率降低、低自動化等問題；采用脲醛樹脂膠(UF)和三聚氰胺改性脲醛樹脂膠(MUF)存在甲醛釋放問題，不符合綠色環(huán)保的要求[6-7]。

聚氨酯膠(PUR)的發(fā)展已經(jīng)有20 a余的歷史，因其環(huán)保、高強度、高黏結力等優(yōu)點，在眾多領域得到了廣泛應用，近幾年在木材行業(yè)也得以興起應用[8-10]。索菲亞家居引進反應型聚氨酯熱熔膠快速輥壓設備，用流水式的生產(chǎn)模式代替了傳統(tǒng)的堆垛式冷壓模式，生產(chǎn)效率大大提高；在國外，基材的貼面加工，已普遍使用PUR熱熔膠，采用快速固化輥壓的方法，產(chǎn)品質量及生產(chǎn)效率都大幅提高[11-12]。由此，反應型PUR熱熔膠及其快速輥壓生產(chǎn)技術具有重大前景，但是國內(nèi)地板企業(yè)尚未使用這種技術。

響應曲面法(RSM)是一種優(yōu)化生物過程的統(tǒng)計學試驗設計，采用該法以建立連續(xù)變量曲面模型，對影響生物過程的因子及其交互作用進行評價，確定最佳水平范圍，而且所需要的試驗組數(shù)量相對較少，可節(jié)省人力物力，因此該方法已經(jīng)成功應用于各種各樣的生物過程優(yōu)化中[13-16]。

筆者采用PUR膠黏劑，研究實木復合地板涂膠量、冷壓時間和冷壓壓力對膠合質量的影響，結合響應曲面模型預測剪切強度值最終得出較優(yōu)工藝參數(shù)，為實際生產(chǎn)及后續(xù)研究提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

實木復合地板表板和芯板均購于大亞江蘇地板有限公司。表板為橡樹(Oak)，規(guī)格130 mm(長)×915 mm(寬)×2 mm(厚)，含水率6%～8%；芯板為楊木(Poplar)，規(guī)格400 mm(長)×920 mm(寬)×12 mm(厚)，含水率9%～10%。

試驗所用膠為PUR膠黏劑，購于上海富樂膠黏劑有限公司，型號為NP2075T，白色固體，不含甲醛。固體質量分數(shù)100%，熔化溫度150～180 ℃，可減少產(chǎn)品的變形和翹曲。

1.2 儀器及設備

溶膠涂膠機、冷壓輥壓機、微機控制電子萬能實驗機。

1.3 方法

響應曲面法：設計響應曲面實驗。采用響應曲面中的Box-Behnken設計實驗，每個因素取3個水平，以(-1,0,1)編碼。具體工藝參數(shù)和水平如表1所示。

剪切強度的檢測：剪切強度的檢測根據(jù)標準ASTM D905-03取樣，試樣如圖1所示。但因為壓合的地板厚度達不到標準要求，在測試過程中可能會產(chǎn)生試樣變形導致剪切應力不準確，即在地板兩側分別粘一塊金屬板，如圖1所示[17]。每組參數(shù)下測試試樣3個，一共17組，試樣總數(shù)為51個。

表1 工藝參數(shù)及相應的編碼水平

注：輥壓機無法調(diào)節(jié)壓力，只能調(diào)節(jié)壓輥距離調(diào)節(jié)壓力。1 mm是在壓輥距離為14 mm的基礎上下調(diào)1 mm，以此類推。經(jīng)壓力傳感器計算，壓輥下降1 mm壓力為0.4 MPa；2 mm壓力0.8 MPa；3 mm壓力1.2 MPa。

a.未粘鐵塊試樣 b.粘鐵塊試樣

圖1 剪切強度地板試樣

2 結果與分析

經(jīng)過測試，連續(xù)輥壓實木復合地板的剪切強度值見表2。最左列為軟件生成的標準試驗順序，左邊第二列為實際試驗測序。試驗按照第二列隨機次序進行，避免試驗次序對試驗結果的影響。

2.1 方差分析

實驗結果見表2。對試驗結果進行方差分析，結果見表3。P值為模型及各因素的顯著水平。P值小于0.05表明模型或各因素有顯著影響，P值小于0.01表示影響高度顯著。

從表3中可以看出，模型P值為0.001 3<0.05，表明該模型顯著。另外，A、B、AB也都是顯著的(P值小于0.05)，即采用PUR膠黏劑對多層實木復合地板表板與芯板進行膠合時，膠黏劑涂布量與膠合時間對膠層剪切強度的影響顯著。并且模型的R2及調(diào)整的R2相接近，且接近1，說明該模型可以很好地預測PUR膠黏劑膠層剪切強度。

表2 連續(xù)輥壓實木復合地板的剪切強度

注：每組試驗重復3次。

2.2 回歸模型及模型精度

采用非線性回歸分析的方法，建立了膠黏劑膠層壓縮剪切強度(σ)的二次模型。膠黏劑的回歸模型如下所示。

σPUR=2.83+0.23A+0.2B+0.024C-0.11AB+0.1AC- 0.035BC-0.044A2+0.069B2+0.084C2。

式中：A為涂膠量；B為冷壓時間；C為壓力；且此模型中A、B、C數(shù)值采用編碼水平值。

表3 剪切強度方差分析

注：R2= 0.94；調(diào)整的R2= 0.87。

模型的精度通過3組隨機試驗進行驗證。剪切強度的預測值采用以上二次模型進行計算。3組驗證試驗中，模型的預測值與試驗的實際值及誤差值見表4?？梢钥闯觯?組試驗的誤差值都較小，此結果表明通過響應面方法得到的膠層壓縮剪切強度二次模型精度較高，能夠比較精確地預測多層實木復合地板表板與芯板間膠層壓縮剪切強度。并且模型的預測值與試驗的實際值之間的相關性如圖2所示。PUR膠黏劑的相關性系數(shù)分別為0.94。

表4 模型精度驗證試驗結果

注：表中負值為預測值大于實際值。

圖2 壓縮剪切強度預測值與實驗值相關性

2.3 討論

各工藝參數(shù)對多層實木復合地板表板與芯板膠層剪切強度的影響趨勢如圖3所示。可以看出，在所選參數(shù)區(qū)間內(nèi)，膠層剪切強度隨著涂膠量和冷壓時間的增加而增大；冷壓壓力對膠層剪切強度影響不顯著。涂膠量的影響機理可能為：當涂膠量較少時，因膠黏劑有滲透性，較少的膠黏劑會滲入木材內(nèi)部，無法形成連續(xù)的穩(wěn)定膠層，部分位置出現(xiàn)缺膠的現(xiàn)象；隨著涂膠量逐步增加，有足夠的膠黏劑會在加壓過程中形成均勻、連續(xù)的膠層，所以膠層剪切強度會增大；但是隨著涂膠量繼續(xù)增加，過多的膠黏劑會形成厚度過高的膠層，此種膠層較脆，會影響膠合質量，膠層剪切強度也隨之下降。但是所選PUR膠合過程涂膠量參數(shù)屬于常規(guī)水平，所以未在圖3中看到剪切強度先增大后減小的趨勢。

圖3 各參數(shù)對PUR膠層剪切強度的影響趨勢圖

冷壓時間作為一個顯著因素，其影響機理可能為：隨著冷壓時間的延長，膠黏劑滲透時間越久，會在板坯內(nèi)形成“膠釘”，膠層剪切強度隨之增大；但是隨著冷壓時間的繼續(xù)增長，熱熔的PUR溫度有所降低，影響膠的滲透，膠層剪切強度可能降低。但本研究所選PUR膠合過程冷壓時間屬于常規(guī)水平，所以未在圖3中看到剪切強度先增大后減小的趨勢。

從涂膠量與冷壓時間交互影響的響應曲面圖和等高線圖4、圖5可以看出，多層實木復合地板膠合較優(yōu)工藝參數(shù)為：涂膠量98 g/m2，冷壓時間24 s，壓輥下調(diào)3 mm即壓力1.2 MPa。

3 結論

涂膠量與冷壓時間對多層實木復合地板表板與芯板膠層剪切強度有顯著影響；冷壓壓力無顯著影響。

多層實木復合地板表板與芯板膠層剪切強度的大小會隨著涂膠量和冷壓時間的增長而增大。

圖4 冷壓壓力與涂膠量交互影響響應曲面圖

圖5 冷壓壓力與涂膠量交互影響等高線圖

采用響應曲面法，建立數(shù)學模型，該模型能較準確地預測試驗數(shù)據(jù)，得到較優(yōu)工藝參數(shù)為: 涂膠量98 g/m2，冷壓時間24 s，壓輥下調(diào)3 mm及1.2 MPa。

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Continuous Cold-pressing Technology of Engineered Wood Flooring Bonded with PUR by Response Surface Methodology//

Wang Huiyun, Cao Pingxiang
(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China);
Yang Guangming
(H.B. Fuller (China) Adhesive Co.,Ltd); Li Rongrong, Guo Xiaolei
(Nanjing Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(6)：65-68.

Engineered wood flooring; Flooring technology; Continuous cold-pressing； Response surface methodology

王惠蕓，女，1993年2月生，南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，碩士研究生。E-mail：1342830258@qq.com。

曹平祥，南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，教授。E-mail:steinc@homagchinagf.com。

2016年12月7日。

TS653

1)林業(yè)科學技術推廣項目(2015-18)；江蘇省前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2015006-04)。

責任編輯：戴芳天。

We studied the effects of parameters (adhesive spread, press time, and press pressure) on the response parameter (shear strength) of engineered wood flooring boned with PUR by response surface methodology. The major factors were adhesive spread and press time, and applied pressure had insignificant effects on shear strength. The optimized parameters were 98 g/m2, 24 s and 1.2 MPa for adhesive spread, press time and press pressure, respectively.