袁少飛，李 琴，張 建，朱 勁

（1.浙江省林業(yè)科學研究院，浙江省竹類研究重點實驗室，浙江 杭州 310023；2.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；3.浙江農林大學，浙江 臨安 311300）

我國的竹類資源面積、產量居世界第一，世界竹子中性能最優(yōu)良、利用價值最高的毛竹（Phyllostachys heterocyclacv.pubescens）約90%分布在中國，這為我國竹地板產業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了得天獨厚的條件[1]。竹地板是一種新型的建筑裝修板材，其板面光滑，組織致密，質感細膩，紋理清晰，硬度大，強度高，彈性好，材色或素雅（本色）或古樸（炭化色），加上竹節(jié)點綴其中，具有其他地板不可比擬的高雅效果及濃厚文化氣息[2]。隨著木材資源的日益緊缺以及我國房地產業(yè)的興起，竹地板產業(yè)的發(fā)展前景十分可觀。但是，竹地板行業(yè)使用的膠粘劑仍然是以“三醛膠”（脲醛樹脂膠粘劑、酚醛樹脂膠粘劑、三聚氰胺甲醛樹脂膠粘劑）為主導。由于醛基膠粘劑并非環(huán)境友好型產品，醛基膠粘劑及其制品在使用過程中都會釋放出甲醛，造成車間與居室空氣中的甲醛污染，嚴重威脅著人們的身心健康[3～4]。另外，醛基膠粘劑的原料大都來自不可再生資源，因此在資源逐漸枯竭的今天，研究開發(fā)具有可再生性的環(huán)境友好型竹地板用大豆基膠粘劑是竹地板行業(yè)面臨的一個新方向[5]，通過大豆基膠粘劑生產環(huán)保竹地板的研究，將極大地提升我國竹地板科技含量和環(huán)保性能，提高竹地板產品附加值和市場競爭力，實現竹地板生產企業(yè)的轉型升級。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

大豆基膠粘劑：外觀為茶褐色粘稠狀液體，固含量30.79%，粘度4 000 ～ 4 500 mPa·s，pH值2.5 ～ 2.8。分子量主要分布范圍0.8萬 ～ 5.5萬道爾頓。

竹片：500 mm×20 mm×5 mm，含水率8% ～ 12%。

1.2 試驗方法

1.2.1 大豆基膠粘劑的熱學性能測試試驗 取適量大豆蛋白膠進行真空冷凍干燥。在－75℃預先凍結3 ～ 4 h；一次干燥條件為：－30℃，真空度為10 Pa，干燥7 ～ 8 h；二次干燥條件為：－18℃，真空度10 Pa，干燥12 h。

將冷凍干燥后的樣品加入適當比例的去離子水，攪拌均勻后，用精度為0.1 mg的電子天平準確稱取10 ～ 20 mg冷凍干燥后的樣品，放入一次性高壓皿中，用壓機將其壓緊。將樣品皿放入4℃冰箱內，靜置24 h，使樣品充分平衡，然后對冷凍干燥后的蛋白膠，采用差示掃描量熱儀進行熱分析。

1.2.2 陳化時間的單因素試驗 根據竹地板三層結構特點和大豆基膠粘劑特性，對竹地板的上下表層單面施膠，中間層竹片雙面施膠，施膠量（單面施膠量）為200 g/m2，然后對施膠后的竹片進行順紋組坯，再對竹片進行陳化處理，陳化時間為0、30、60、90 min。再進行熱壓，熱壓工藝：溫度為145℃，熱壓時間為2 min/mm，側壓壓力為3 MPa，正壓壓力為4 MPa。最后對壓制好的竹地板進行力學性能測試分析。

1.2.3 施膠量的單因素試驗 根據竹地板三層結構特點和大豆基膠粘劑特性，對竹地板的上下表層單面施膠，中間層竹片雙面施膠，施膠量（單面施膠量）為140、160、180、200、220 g/m2，然后進行陳化和順紋組坯，進行熱壓，熱壓工藝：溫度為145℃，熱壓時間為2 min/mm，側壓壓力為3 MPa，正壓壓力為4 MPa。最后對壓制好的竹地板進行力學性能測試分析。

1.2.4 熱壓工藝正交試驗 在單因素試驗基礎上，固定最佳施膠量水平和陳化時間，以及組坯方式順紋組坯，選取對竹地板性能有影響的熱壓溫度、熱壓時間、正壓力3個因素，根據前期研究預估其適宜范圍為熱壓溫度135 ～ 155℃、熱壓時間1.5 ～ 2.5min/mm、正壓壓力3 ～ 5 MPa，在此區(qū)間設計正交實驗，因素和水平如表1。根據因素水平表選擇正交表安排試驗。然后參照國家標準 GB/T 20240－2006《竹地板》進行取樣，測試其物理力學性能指標，并對試驗結果進行直觀分析和方差分析。最后對正交實驗優(yōu)選出的熱壓工藝參數進行驗證實驗，測試其物理力學性能和甲醛釋放量。

表1 因素水平Table1 Levels of factors

2 結果分析

2.1 大豆基膠粘劑熱性能分析

為了能更好地分析熱壓過程中大豆基膠粘劑的熱反應，采用德國NETZSCH公司生產的DSC200型差示掃描量熱儀，測試大豆基膠粘劑的熱反應。DSC200差示掃描量熱儀是在控制溫度下，測量輸給物質與參比物的功率差與溫度關系的一種儀器。而這種功率差則是由于被測物質發(fā)生相變或者化學反應時的吸熱或放熱效應引起的變化，在DSC曲線上表現為一個（或多個）吸熱（或放熱）峰。在放熱峰上任一點的高度表示某一溫度（或時間）時反應的熱流速度，峰面積表示反應過程中總的放熱量，可以通過對DSC曲線積分求得[6]。

大豆蛋白膠的熱反應曲線在134.90℃（外推起始溫度，Onset）時開始出現吸熱反應，對應峰溫為135.19℃，到136.04℃時，曲線趨于平緩，△H為6.468 J/g。從圖1中可以看出，吸熱峰比較窄，這說明反應的協(xié)同性較高。Onset溫度與結束溫度相差1.14℃，說明熱反應完成時間短。因此大豆基膠粘劑的固化反應主要在135 ℃以下進行，所以在對其進行熱壓工藝的探討時，熱壓溫度應考慮在135 ℃以上，以保證大豆基膠粘劑能夠充分固化，從而達到最佳的膠合效果。

2.2 陳化時間對竹地板性能的影響

合理的板坯陳化時間可增加大豆基膠粘劑對竹片的浸潤，有利于膠粘劑分子與竹材分子之間的相互吸附、擴散和滲透，熱壓時形成膠釘，能夠有效提高板材的性能。從圖2可以看出，隨著陳化時間的延長，其靜曲強度也隨之增加，浸漬剝離先減小后增大，這主要是隨著時間的延長其膠形成了連續(xù)的膠膜，有利于膠合，但是陳化時間過長，會造成大豆膠膜水分過度揮發(fā)，不利于膠合。從試驗結果可以看出，陳化時間以1 h為宜。

圖1 大豆蛋白膠的熱反應曲線Figure1 Heat reaction of soybean adhesives

2.3 施膠量對竹地板性能的影響

由于試驗中使用的大豆基膠粘劑的膠粘度大、固含量低，涂膠量較少時，易形成不連續(xù)膠層，也不容易使膠粘劑從一個竹片表面向另一個竹片表面轉移，影響其性能。隨著施膠量的不斷增大，膠層不斷增厚，而膠層過厚時應力增加，降低耐水性能。同時由于大豆基膠粘劑固含量低，施膠量增大后，在熱壓過程中會產生排氣困難、易爆板的現象，也會影響竹地板的力學性能[7]。從圖3可以看出，隨著施膠量從140 g/m2增加到220 g/m2，其靜曲強度一直增加，但從200 g/m2增加到220 g/m2時，靜曲強度增幅不大；浸漬剝離先減少后增大，特別是施膠量為220 g/m2時，其浸漬剝離又開始增大，且已超出竹地板標準要求，根據浸漬剝離標準要求及成本考慮，施膠量以達到200g/m2為宜。

2.4 熱壓工藝對竹地板性能的影響

2.4.1 各因素對大豆膠膠粘劑竹地板性能的影響 按照竹地板的標準要求，對其靜曲強度和浸漬剝離的性能進行檢測，結果見表2。從表2可以看出：因素A（熱壓溫度）對靜曲強度和浸漬剝離的影響最大，其次是因素B（熱壓時間）和因素C（熱壓壓力）。

熱壓溫度對靜曲強度和浸漬剝離的影響：在大豆基膠粘劑固化過程中，溫度是影響其固化速度的直接因素，在一定的時間內，溫度越高，大豆基膠粘劑固化程度越高。隨著溫度的增加，其靜曲強度也增加，浸漬剝離減少，且在熱壓溫度為 145℃時，已達到竹地板標準要求，但是溫度過高會引起竹地板的色差問題，進一步影響產品的外觀，所以本實驗的熱壓溫度以145℃為宜。

圖2 陳化時間與靜曲強度、浸漬剝離的關系Figure2 Relation of aging time with MOR and delamination

圖3 施膠量與靜曲強度、浸漬剝離的關系Figure3 Relation ofglue consumption with MOR and delamination

熱壓時間對靜曲強度和浸漬剝離的影響：在熱壓過程中大豆基膠粘劑需要一定的時間達到完全固化，隨熱壓時間的延長，大豆基膠粘劑的固化程度越佳，其靜曲強度也增加，浸漬剝離減少。但熱壓時間影響竹地板的生產周期，并直接影響生產成本，同時，它也影響到竹地板的表面質量和預固化等，本試驗熱壓時間為2.5 min/mm時滿足標準要求，所以熱壓時間以2.5 min/mm為宜。

表2 熱壓工藝正交實驗結果Table2 Orthogonal experiment of hot-pressing technology

熱壓正 壓 力對靜曲 強 度和浸漬剝 離 的 影響：大豆基膠粘劑的粘度較大，一定的熱壓壓力有利于大豆蛋白膠與竹材結合，熱壓壓力越大，膠黏劑與竹材間的結合越緊密，但是由于大豆基膠粘劑的含水量較高，熱壓壓力較高的情況下，大豆蛋白膠內的水分不易排出，發(fā)生鼓泡現象，而且過高的熱壓壓力破壞竹材分子的強度，使竹地板的力學強度減小。隨著正壓力的增加，其靜曲強度先增大后減小，浸漬剝離也是同樣規(guī)律，這主要是豆膠的固含量低，含水率高，熱壓過程中，板坯排氣困難，板子內部膠合不良，導致板子性能下降，本試驗熱壓正壓力以4 Mpa為宜。

圖4 熱壓工藝對靜曲強度、浸漬剝離的影響Figure4 Relation of hot-pressing technology with MOR and delamination

2.4.2 方差分析 由表3可以看出，在大豆基膠粘劑生產竹地板熱壓工藝中，熱壓溫度對竹地板的靜曲強度影響達到了5%的顯著，對浸漬剝離影響達到了10%的顯著，而熱壓時間和熱壓正壓力對竹地板的靜曲強度和浸漬剝離影響不顯著。

表3 靜曲強度和浸漬剝離方差分析Table3ANOVA on MOA and delaminztion

2.4.3 優(yōu)化工藝及驗證實驗結果分析 綜合正交試驗結果和各因素對竹地板的影響分析，生產大豆基膠粘劑竹地板的較佳水平組合可確定為熱壓溫度145℃，熱壓時間2.5 min/mm，熱壓正壓力4 MPa。用優(yōu)選工藝壓制的大豆基膠粘劑竹地板的性能經檢測達到竹地板標準要求，靜曲強度為146.1MPa，浸漬剝離合格，其甲醛釋放量為0.07 mg/L，超過了國家標準(E0級為0.5 mg/L)和日本的F★★★★標準(0.3 mg/L)。2008年由日本農林省公布的JAS936號限量等級標準，由低到高分別分為F★、F★★、F★★★、F★★★★4個等級，其級別F★★★等同于國標E0級，F★★等同于國標E1級，F★等同于國標E2級。F★★★★標準要求甲醛釋放量不超過0.3 mg/L，比E0標準優(yōu)40%，是目前國際公認最先進最嚴格的限量等級。

3 結論

（1）大豆基膠粘劑的固化反應主要在135℃以下進行，所以在對其進行膠合工藝的探討時，熱壓溫度應考慮在135 ℃以上，以保證大豆基膠粘劑能夠充分固化，從而達到最佳的膠合效果。

（2）隨著陳化時間的延長，其靜曲強度也隨之增加，浸漬剝離先減少后增大，從試驗可以看出，陳化時間1 h為宜。隨著施膠量從140 g/m2增加到220 g/m2，其靜曲強度也隨之增加，浸漬剝離先減少后增大，根據浸漬剝離標準要求及成本考慮，施膠量以200g/m2為宜。

（3）在試驗范圍內，熱壓溫度145℃，熱壓時間2.5 min/mm，正壓力4 MPa條件下，采用大豆基膠粘劑生產的竹地板物理力學性能較佳，符合國家標準，且甲醛釋放量為0.07 mg/L，完全達到日本的F★★★★標準。

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