邵遠(yuǎn)超，林錦添，陳 杰，張文標(biāo)，詹先旭，沈煜燕

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州311300；2.德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，浙江 德清313200）

竹炭（BC）是一種具有吸附、遠(yuǎn)紅外效應(yīng)和電磁屏蔽等性能的生物質(zhì)炭［1－2］。聚氯乙烯（PVC）是一種極性、非結(jié)晶的熱塑性聚合物，具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)、良好的力學(xué)性能、電絕緣性和阻燃性，廣泛應(yīng)用于建筑材料、工業(yè)制品和日用品等領(lǐng)域［3］。在竹炭產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展下，BC／PVC復(fù)合材料研究也成為熱點(diǎn)，以塑料為基體的新型炭塑復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱竹炭板），憑借生物炭?jī)?chǔ)量高、可再生的特點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ男鹿δ懿牧现唬?－5］；BC顯著增強(qiáng)了復(fù)合材料的阻燃防煙性能，有效減少燃燒過(guò)程HCL生成，降低煙氣毒性［6］；在PP樹(shù)脂中加入BC可顯著降低復(fù)合材料的體積電阻率，當(dāng)BC含量達(dá)60%時(shí)，表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性［7］。但竹炭板的美觀性較差、色彩單一，在室內(nèi)使用時(shí)難以滿足人們觸覺(jué)和視覺(jué)的心理需求，制約了在建筑裝飾裝修和家居制造方面的應(yīng)用［8－9］。竹炭板表面經(jīng)過(guò)貼面，不僅美觀耐用，還可改善其物理力學(xué)性能，是未來(lái)家居行業(yè)應(yīng)用的方向［10］。

采用異氰酸酯雙組份膠黏劑，選用科技木皮、竹皮、浸漬紙進(jìn)行竹炭板貼面試驗(yàn)，并以表面膠合強(qiáng)度，浸漬剝離等性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲得最優(yōu)的涂膠量、預(yù)固化時(shí)間等工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

竹炭板基材：麗水錦福板業(yè)有限公司生產(chǎn)，規(guī)格尺寸1 220 mm×2 440 mm×5 mm，含水率1.0% ～1.1%，無(wú)劃痕、非工藝性凹凸不平；加工成150 mm×150 mm×5 mm以備試驗(yàn)用。

貼面材料：取自德華兔寶寶裝飾新材股份有限公司，科技木皮、竹皮、浸漬紙，厚度分別為0.31、0.59、0.10 mm。貼面膠黏劑：異氰酸酯雙組份，固含量為50%。

試驗(yàn)儀器：XLB-D 500×500壓力成型機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司制造；INSTRON萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，國(guó)華電器有限公司；SHG9203C全自動(dòng)電腦干燥箱，杭州藍(lán)天儀器有限公司；SETH-Z-042R恒溫恒濕箱，上海愛(ài)斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司制造；NICOLET 6700傅立葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料加工 將科技木皮、浸漬紙、竹皮分別裁切成與竹炭板相同大小尺寸；按100∶14的比例混合膠黏劑和固化劑，放入燒杯中充分?jǐn)嚢杈鶆?。?zhǔn)備好涂膠所用的工具和電子天平等器材，進(jìn)行涂膠試驗(yàn)，待涂抹均勻后覆蓋上貼面材料［11］。

1.2.2 貼面的工藝 考慮到PVC軟化或熔融溫度在75～90℃范圍［12］，實(shí)驗(yàn)采用冷壓貼面工藝。貼面材料（科技木皮、竹皮、浸漬紙）、涂膠量（A）、預(yù)固化時(shí)間（B）、冷壓時(shí)間（C）、冷壓壓力（D）5個(gè)因素對(duì)板表面膠合強(qiáng)度等其他物理性能的影響，經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)及貼面工藝文獻(xiàn)［13－17］，選擇試驗(yàn)涂膠量：90～130 g·m－2，預(yù)固化時(shí)間：5～10 h，冷壓時(shí)間：1.5～3.5 h，冷壓壓力：1～2 MPa。由于試驗(yàn)中影響實(shí)驗(yàn)的因素和變量的取值太多，4個(gè)因素每個(gè)取3個(gè)值需要“34”次試驗(yàn)，考慮采取正交試驗(yàn)法，可有效地縮短試驗(yàn)的周期和提高試驗(yàn)的精度［18］。

根據(jù)正交試驗(yàn)法，并列出表1正交試驗(yàn)表。

表1 正交試驗(yàn)表Tab.1 Orthogonal experimental design

1.3 紅外光譜測(cè)試

將竹炭板、貼面及固化后的膠黏劑試樣進(jìn)行采樣，用刀片在標(biāo)本上刮取1～2 mm長(zhǎng)、0.2 mm后，與溴化鉀比例100∶1混合研磨完成，并在FTIR-OMNI采樣器固定鈕壓緊樣品進(jìn)行掃描，計(jì)算機(jī)采集樣本的衰減全反射紅外光譜圖譜文本文件和圖形文件。每個(gè)試樣取樣6次，重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次，紅外光譜圖取其平均圖譜［19］。

1.4 理化性能測(cè)試

目前竹炭板沒(méi)有行業(yè)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以其含水率、吸水厚度膨脹、抗彎強(qiáng)度、表面膠合強(qiáng)度和浸漬剝離等指標(biāo)參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 24137－2009《木塑裝飾板》、GB／T 17657－2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 確定最優(yōu)的工藝條件

通過(guò)測(cè)試出科技木皮、浸漬紙、竹皮的浸漬剝離和表面膠合強(qiáng)度2個(gè)性能可分析出貼面工藝中4個(gè)影響因素對(duì)貼面工藝的影響次序，然后確定出最優(yōu)的工藝條件之后再進(jìn)行其他物理性能的測(cè)量。用極差分析來(lái)確定4個(gè)影響因素的因素主次及最優(yōu)組合，并記錄于正交試驗(yàn)結(jié)果表（表2）。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表（科技木皮）Tab.2 Orthogonal test results of the technological wood veneer

通過(guò)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，9個(gè)試驗(yàn)組中浸漬剝離長(zhǎng)度最長(zhǎng)的為第7試驗(yàn)組49 mm；第1組、第5組、第7組剝離長(zhǎng)度均大于25 mm，沒(méi)有達(dá)到GB／T 24137－2009國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求；其余試驗(yàn)組屬于輕微剝離符合。

通過(guò)極差分析，R1越大說(shuō)明該列因素對(duì)浸漬剝離的影響越大，表2可以看出影響科技木皮貼面浸漬剝離的因素次序?yàn)椋豪鋲簤毫Γ绢A(yù)固化時(shí)間＞冷壓時(shí)間＞涂膠量。

下面分析4個(gè)因素對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響，9個(gè)試驗(yàn)組中第2組、第5組、第7組表面膠合強(qiáng)度小于0.6 MPa，未達(dá)到GB／T 24137－2009國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，其余試驗(yàn)組均符合。

通過(guò)極差分析，R2越大說(shuō)明該因素對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響越大，通過(guò)圖1可以更加直觀的看出四個(gè)因素對(duì)表面膠合強(qiáng)度影響的主次為：冷壓時(shí)間＞涂膠量＞冷壓壓力＞預(yù)固化時(shí)間。

圖1 4個(gè)因素對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響趨勢(shì)（科技木皮）Fig.1 Influence trend of four factors on surface bonding strength of bamboo charcoal board with technological wood veneer

下面使用同種方法與工藝進(jìn)行竹皮貼面和性能測(cè)試和分析，如表3正交試驗(yàn)結(jié)果表（竹皮）所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表（竹皮）Tab.3 Orthogonal test results of the bamboo veneer

同樣，使用上述所說(shuō)分析方法進(jìn)行分析竹皮貼面的工藝。首先可看出9組試驗(yàn)組中，浸漬剝離長(zhǎng)度最長(zhǎng)的為第5組54 mm；第1、3、4、5、7、8組剝離長(zhǎng)度均大于25 mm，不符合GB／T 24137－2009國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余試驗(yàn)組均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)極差分析R1的大小，可以看出4個(gè)因素影響浸漬剝離的次序?yàn)椋侯A(yù)固化時(shí)間＞冷壓壓力＞涂膠量＞冷壓時(shí)間。

結(jié)合表面膠合強(qiáng)度進(jìn)行分析，9組試驗(yàn)中第1、2、4、5、8組表面膠合強(qiáng)度小于0.6 MPa未達(dá)到GB／T 24137－2009國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余試驗(yàn)組符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表3可以畫(huà)出圖2，通過(guò)圖2可以看出4個(gè)因素影響表面膠合強(qiáng)度的主次為：預(yù)固化時(shí)間＞涂膠量＞冷壓壓力＞冷壓時(shí)間。

圖2 4個(gè)因素對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響趨勢(shì)（竹皮）Fig.2 Influence trend of four factors on surface bonding strength of bamboo charcoal board with bamboo veneer

下面使用同種方法與工藝進(jìn)行竹皮貼面和性能測(cè)試和分析，如表4正交試驗(yàn)結(jié)果表（浸漬紙）所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果表（浸漬紙）Tab.4 Orthogonal test results of theimpregnated paper

9組試驗(yàn)組通過(guò)浸漬剝離性能試驗(yàn)后，由于浸漬紙為紙質(zhì)材料，貼面后置于水中會(huì)完全剝離，所以浸漬紙貼面直接通過(guò)表面膠合強(qiáng)度來(lái)確定最優(yōu)工藝。

9組試驗(yàn)中第3組表面膠合強(qiáng)度小于0.6 MPa未達(dá)到GB／T 24137－2009國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其余試驗(yàn)組均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)極差分析R1的大小，可以看出4個(gè)因素影響表面膠合強(qiáng)度的次序?yàn)椋和磕z量＞預(yù)固化時(shí)間＞冷壓壓力＞冷壓時(shí)間。如圖3所示。

圖3 4個(gè)因素對(duì)表面膠合強(qiáng)度的影響趨勢(shì)（浸漬紙）Fig.3 Influence trend of four factors on surface bonding strength of bamboo charcoal board with impregnated paper

2.2 性能測(cè)試

竹炭板及貼面竹炭板的性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 性能測(cè)試結(jié)果Tab.5 Performance test results

含水率：科技木皮、浸漬紙貼面后與未貼面竹炭板含水率相同均為1%，竹皮貼面后含水率稍微增長(zhǎng)為1.4%，3種貼面后竹炭板含水率均符合GB／T 24137－2009要求。3種貼面材料中竹皮吸水性能優(yōu)于木皮與浸漬紙［20］，所以竹皮貼面竹炭板的含水率大于其他2種貼面竹炭板。

抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量：未貼面竹炭板抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量分別為20 MPa、2 940 MPa，3種材料貼面后的竹炭板抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量提升較為明顯，均符合GB／T 24137－2009要求。3種貼面材料中竹皮強(qiáng)度大于木皮與浸漬紙［21］，所以竹皮貼面竹炭板的抗彎強(qiáng)度與彈性模量均大于其他2種貼面竹炭板，分別為33.6 MPa、4 960 MPa。

尺寸穩(wěn)定性：貼面前后竹炭板尺寸穩(wěn)定性變化不大，均符合GB／T 24137－2009要求。尺寸穩(wěn)定性主要由素板本身決定，所以3種貼面竹炭板之間尺寸穩(wěn)定性相差不大。

吸水厚度膨脹率：貼面前后竹炭板吸水厚度膨脹率變化不大，均符合GB／T 24137－2009要求。竹皮與木皮貼面竹炭板吸水厚度膨脹率相同，由于浸漬紙貼面竹炭板吸水厚度膨脹率測(cè)試中浸漬紙會(huì)完全脫落所以無(wú)法計(jì)算其吸水厚度膨脹率；3種貼面材料中浸漬紙吸水厚度膨脹率測(cè)量結(jié)果表示為10.6%±0.4%［22］，高于竹皮與木皮，所以浸漬紙貼面竹炭板吸水厚度膨脹率大于其他2種貼面竹炭板。

2.3 紅外光譜分析

3種貼面材料科技木皮、竹皮、浸漬紙與結(jié)合后的膠合板紅外光譜圖依次如下。

圖4 3種貼面材料（科技木皮、竹皮、浸漬紙）與結(jié)合后的膠合板紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of bamboo charcoal board with technological wood veneer，bamboo veneer and impregnated paper

圖譜明顯區(qū)分處3個(gè)譜帶區(qū)域，4 000～2 700 cm－1，2 700～1 800 cm－1，1 800～600 cm－1。2 700～1 800 cm－1區(qū)域木材幾乎沒(méi)有吸收峰。4 000～2 700 cm－1區(qū)域主要有2個(gè)明顯的吸收峰，一個(gè)處于3 420 cm－1附近，另一個(gè)處于在2 920 cm－1附近。由此可知，3 420 cm－1處為－OH的伸縮振動(dòng)峰，2 920 cm－1處為－CH2－的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰［23］。1 800～600 cm－1區(qū)域?yàn)橹讣y區(qū)。1 740 cm－1處為C＝0伸縮振動(dòng)峰，1 560 cm－1處為苯環(huán)骨架振動(dòng)，1 450 cm－1處是－CH3的反對(duì)稱變形振動(dòng)，1 250 cm－1處為C－O的伸縮振動(dòng)，800～900 cm－1有吸收峰，說(shuō)明有對(duì)二取代的苯基存在。

由于竹炭板與貼面后的膠合板的峰值無(wú)差異，所以可得出竹炭板與異氰酸酯膠黏劑無(wú)化學(xué)反應(yīng)；其次，木皮、竹皮的峰值與膠合板的峰值也無(wú)差異，可得到木皮、竹皮與膠黏劑無(wú)化學(xué)反應(yīng)；而浸漬紙中由于存在1 560 cm－1的峰值，最后得到的結(jié)合材料并沒(méi)有出現(xiàn)1 560 cm－1的峰值，1 450 cm－1處的峰值也發(fā)生了變化，所以可以得出浸漬紙與膠黏劑發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

膠接界面的結(jié)合包括物理結(jié)合和化學(xué)結(jié)合。機(jī)械結(jié)合理論：膠黏劑浸透到被粘物表面的空隙中，固化后就像許多小鉤和榫頭把膠黏劑和被粘物連接在一起；化學(xué)鍵理論：膠黏劑和被粘物之間除存在范德華力，還可以形成化學(xué)鍵，對(duì)提高膠合強(qiáng)度和耐久性都具有重要意義［24－26］。從紅外光譜圖中可以看出，竹炭板與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，木皮、竹皮與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，而浸漬紙和膠黏劑發(fā)生了化學(xué)結(jié)合。

3 結(jié)論

科技木皮貼面最優(yōu)工藝條件：涂膠量110 g·m－2、預(yù)固化時(shí)間10 h、冷壓時(shí)間1.5 h、冷壓壓力2 MPa；貼面后含水率為1%，抗彎強(qiáng)度為32.7 MPa，彈性模量為4 290 MPa，抗彎強(qiáng)度與彈性模量相對(duì)貼面前的竹炭板提升較為明顯，尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率與含水率相對(duì)貼面前的素板相差不大。

竹皮貼面最優(yōu)工藝條件：涂膠量130 g·m－2、預(yù)固化時(shí)間10 h、冷壓時(shí)間2.5 h、冷壓壓力1 MPa；貼面后含水率為1.4%，抗彎強(qiáng)度為33.6 MPa，彈性模量為4 960 MPa，抗彎強(qiáng)度與彈性模量相對(duì)貼面前的竹炭板提升較為明顯，尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率與含水率相對(duì)貼面前的素板相差不大。

浸漬紙貼面，試驗(yàn)組中最優(yōu)工藝條件：涂膠量130 g·m－2、預(yù)固化時(shí)間5 h、冷壓時(shí)間3.5 h、冷壓壓力1.5 MPa；貼面后含水率為1%，抗彎強(qiáng)度為32.1 MPa，彈性模量為3 810 MPa，抗彎強(qiáng)度與彈性模量相對(duì)貼面前的竹炭板提升較為明顯，尺寸穩(wěn)定性、吸水厚度膨脹率與含水率相對(duì)貼面前的素板相差不大。

通過(guò)紅外光譜分析得出，竹炭板與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，木皮、竹皮與膠黏劑發(fā)生了物理結(jié)合，而浸漬紙和膠黏劑發(fā)生了化學(xué)結(jié)合。異氰酸酯膠黏劑與浸漬紙的化學(xué)結(jié)合，證明在膠合方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。