宮 成 辛 波 晉艷麗 涂 松 齊旺順

近十年來，中國人造板行業(yè)得到了飛速發(fā)展。隨著供給側(cè)改革的深入和環(huán)保要求的提升，人造板行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。一方面在生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備升級(jí)成為近年來人造板發(fā)展的主旋律，另一方面隨著人們環(huán)保觀念的加強(qiáng)，退稅政策的改變，人造板的綠色升級(jí)也進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)刻。

MDI作為一種新型膠黏劑近年來得到了廣泛的關(guān)注，由于MDI本身無甲醛添加，粘接機(jī)理屬于化學(xué)粘接，性能優(yōu)異，施膠量低，因此生產(chǎn)過程更加安全，污染物排放更低；并且能夠帶來人造板制品環(huán)保、性能雙重提升。MDI還可作為脲醛膠（UF）的改性劑，有效提升膠合強(qiáng)度，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。因此MDI膠黏劑必然會(huì)成為人造板行業(yè)環(huán)保升級(jí)的新選擇。

1 MDI簡介

MDI中文名為多亞甲基多苯基異氰酸酯，是廣泛應(yīng)用于聚氨酯行業(yè)的重要原料之一。

1.1 MDI的化學(xué)特性及物理屬性

圖1 MDIFig.1 MDI

MDI是一種半透明狀的棕色液體，相對密度1.22～1.25 g/cm3（25 ℃），黏度150～250 mPa·s（25 ℃），是一種具有活潑反應(yīng)特性的高分子化合物。在MDI分子結(jié)構(gòu)中—NCO含量是表征其反應(yīng)位點(diǎn)多寡的有效指標(biāo)，含量一般為30 wt%～32wt%。MDI在密閉條件下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，保質(zhì)期可以長達(dá)1年，極大地方便了廠家的日常使用和儲(chǔ)存。

1.2 MDI的反應(yīng)特性

與脲醛膠依靠膠黏劑自身交聯(lián)固化，通過對纖維/刨花的包裹滲透形成的物理粘接原理不同，MDI的粘接原理屬于化學(xué)粘接，是通過分子中的—NCO基團(tuán)與木材纖維中的羥基和結(jié)合水反應(yīng)，將整個(gè)刨花以錨接的形式形成一個(gè)大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此具有更高的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。而由于化學(xué)粘接較物理粘接能夠大幅降低施膠量，在同等性能要求條件下，MDI施膠量僅為脲醛膠的1/5～1/6(干膠量)。

由于MDI的反應(yīng)屬于不可逆反應(yīng)，不存在反應(yīng)后的水解，因此其壓制的板材吸水膨脹率極低，并且在一定條件下可以達(dá)到室外用材的要求。

MDI膠黏劑是一種高分子化合物，不含水或其他溶劑，并且可以與水發(fā)生反應(yīng)，因此應(yīng)用MDI可適當(dāng)提高纖維/刨花含水率，降低干燥能耗。

MDI飽和蒸氣壓較低，因此揮發(fā)性極低，帶來更加安全的生產(chǎn)環(huán)境和更低的廢氣排放。

除此之外，MDI中不含甲醛，可以使板材達(dá)到更高的環(huán)保等級(jí)乃至近乎無醛添加級(jí)別。

因此，企業(yè)由MDI生產(chǎn)板材,生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)出的板材分別具有以下優(yōu)勢：

1）生產(chǎn)工藝具有的優(yōu)勢:更低的干燥能耗；更安全的生產(chǎn)環(huán)境；更低的施膠量；無甲醛膠添加。

2）生產(chǎn)出的板材具有的優(yōu)勢:更高的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度；耐水性能好，可做室外材；更低的干燥能耗；更安全的生產(chǎn)環(huán)境。

另外，MDI可廣泛用于生產(chǎn)刨花板（尤其是定向刨花板）、纖維板等，包括用于雙組分拼板膠的固化劑，以及目前比較熱門的大豆蛋白膠改性。

1.3 MDI的應(yīng)用歷程

自20世紀(jì)50年代MDI工業(yè)化生產(chǎn)后，MDI就廣泛應(yīng)用于膠黏劑和橡膠制品的生產(chǎn)。在北美，MDI在人造板行業(yè)的工業(yè)應(yīng)用歷史超過30年，已經(jīng)成為MDI在美國的第二大消費(fèi)行業(yè)。在中國，20世紀(jì)80年代，學(xué)術(shù)界就已經(jīng)開始MDI在木材方面的應(yīng)用研究。90年代，福人在國內(nèi)首次應(yīng)用MDI生產(chǎn)高密度纖維板(HDF)，并且同期，也興起了一大批秸稈板生產(chǎn)企業(yè)，打開MDI工業(yè)化應(yīng)用的先局。2006年萬華生態(tài)板業(yè)收購湖北基立開啟了秸稈板工業(yè)化的新時(shí)代；與此同時(shí)，國內(nèi)多家纖維板生產(chǎn)企業(yè)開展了MDI在纖維板生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的探索。2010年寶源引進(jìn)亞洲第一套連續(xù)定向結(jié)構(gòu)刨花板（OSB）壓機(jī)，開辟了中國乃至亞洲大工業(yè)化MDI生產(chǎn)OSB的先河。2013年，漢鴻與華洲引領(lǐng)了纖維板和刨花板商業(yè)化生產(chǎn)MDI板材的新趨勢，自此MDI的應(yīng)用進(jìn)入加速期。2015年刨花板生產(chǎn)用MDI混膠在行業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)同，魯麗、康欣、園方3條OSB的上線再次將MDI的應(yīng)用推向高潮，越來越多的家具企業(yè)推出了無醛添加的概念，MDI作為一個(gè)新的膠黏劑發(fā)展方向得到越來越多的認(rèn)同。

在這期間，通過行業(yè)前輩為MDI的應(yīng)用作出的努力，經(jīng)過多年的開發(fā)和應(yīng)用，MDI已經(jīng)成為人造板提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本的重要選擇。

2 MDI在人造板行業(yè)中的應(yīng)用

MDI在人造板行業(yè)中的應(yīng)用多種多樣，目前基本可以覆蓋全部板種和膠黏劑的應(yīng)用及改性，包括刨花板(含定向結(jié)構(gòu)刨花板)、纖維板、膠合板等，以及脲醛膠、生物質(zhì)膠黏劑的改性。

2.1 在OSB中的應(yīng)用

OSB是近幾年國內(nèi)引進(jìn)的新興板種，但在北美，其產(chǎn)量超過3 000萬 m3/a，目前絕大多數(shù)廠家都是采用MDI進(jìn)行生產(chǎn)，主要應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)房屋。國內(nèi)由于住房主要以鋼混結(jié)構(gòu)為主，因此應(yīng)用有限。但隨著新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)和OSB家具應(yīng)用的推廣，國內(nèi)用戶對OSB的接受程度大幅提升。目前國內(nèi)新上連續(xù)生產(chǎn)線基本全部采用MDI生產(chǎn)，MDI為其提供了更優(yōu)的成本方案和性能優(yōu)勢。

脲醛膠或三聚氰胺改性膠往往無法達(dá)到OSB/3及以上等級(jí)的生產(chǎn)要求，而酚醛膠的應(yīng)用會(huì)極大地降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。MDI通過對施膠量的調(diào)節(jié)可以覆蓋OSB/1～OSB/4全等級(jí)的板材生產(chǎn)。

OSB連續(xù)生產(chǎn)線應(yīng)用MDI較為成熟，多層線和單層線需要進(jìn)行一定的設(shè)備改造。針對不同的生產(chǎn)線，萬華提供膠黏劑應(yīng)用、設(shè)備改造、脫模方案及生產(chǎn)工藝的全方位支持，使廠家真正實(shí)現(xiàn)投入少，見效快的產(chǎn)品升級(jí)。

應(yīng)用實(shí)例：以國內(nèi)某單層生產(chǎn)線為例，經(jīng)過施膠系統(tǒng)的簡單更改，在MDI施膠量3.5%的水平，即可以生產(chǎn)出遠(yuǎn)超OSB/3(承載板材，厚度在10～18 mm之間,適用于潮濕狀態(tài)條件下)要求的板材，并且甲醛釋放基于木材本底水平。此生產(chǎn)線使用MDI生產(chǎn)OSB板材性能測試值與行標(biāo)LY/T 1580—2010《定向刨花板》相對應(yīng)的指標(biāo)對比見表1[1]。

表1 MDI生產(chǎn)OSB/3板材性能評價(jià)Tab.1 Performance evaluation of MDI produced OSB/3

2.2 MDI在刨花板中的應(yīng)用

近年，定制家具對刨花板印象的改觀，促進(jìn)了刨花板行業(yè)的迅速發(fā)展。而定制家具對刨花板性能要求的提升，也推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。一大批連續(xù)壓機(jī)投入使用，使刨花板的質(zhì)量得到大幅度提升。MDI對刨花板理化性能的提升以及生產(chǎn)效率的提升，使其在刨花板生產(chǎn)中大放異彩；同時(shí)配合增黏劑的應(yīng)用，還帶來了無醛刨花板解決方案，為刨花板的高端升級(jí)提供了可能。

2.2.1 表層使用UF膠，芯層使用MDI＋UF混膠（方案1）

該方案主要用于E0級(jí)板材生產(chǎn)，或用于提高刨花板物理化學(xué)性能，且在歐洲及美國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。由于僅在芯層添加MDI，對原有設(shè)備及工藝基本無須改動(dòng)，可在使用脲醛膠的多層熱壓機(jī)及連續(xù)平壓線上直接切換。而MDI在UF膠的反應(yīng)中，可以起到加速固化交聯(lián)的作用，本身還可以產(chǎn)生一定強(qiáng)度，因此該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可降低板材中UF膠的添加量，降低甲醛釋放量；

2）芯層添加MDI，熱壓速度大約可以提高10%～15%；

3）可在干燥段提高刨花含水率，降低能源損耗；

4）可以在保證板材性能的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低板材密度；

5）提高成品合格率，產(chǎn)生廢板的可能性低；

6）與全部使用MDI相比，不需要添加脫模設(shè)備和使用脫模劑；

7）對設(shè)備基本沒有改動(dòng)，性價(jià)比高。

當(dāng)芯層MDI用量為1%刨花重量時(shí)，芯層UF膠用量可以減少20 kg（水膠）以上。干燥含水率可適當(dāng)提高，以填補(bǔ)UF膠減少的水，保證芯層含水率。關(guān)于板材性能測試值對比數(shù)據(jù)見表2。

芯層使用MDI＋UF混膠，不僅可以降低膠黏劑及防水劑的直接成本，而且在達(dá)到同等板材性能的條件下，還可以有效提高生產(chǎn)效率、降低能耗、提高成板合格率，并且為符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的更低纖維板材的生產(chǎn)提供了可能。從目前價(jià)格水平核算，該方案膠黏劑成本直接下降10%以上，生產(chǎn)效率提升10%以上。以上優(yōu)勢將大大降低刨花板廠的綜合成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

表2 刨花板板材性能對比Tab.2 Performance comparison of particleboard

2.2.2 表層使用UF膠，芯層使用MDI（方案2）

該方案主要用于生產(chǎn)超E0及F☆☆☆☆以上等級(jí)板材，在日本應(yīng)用最廣。由于芯層全部使用MDI，可以最大程度地降低板材的甲醛釋放量，并且不需要考慮脫模問題，板坯依然具有一定的初黏性，可保障在多層熱壓機(jī)及連續(xù)平壓機(jī)上無縫切換使用。該方案具有以下特點(diǎn)：

1）可以降低板材中UF膠的添加量，降低甲醛釋放量；

2）芯層膠黏劑中不含水，可以通過提高干燥后刨花含水率和配合添加工藝水的方式保證芯層含水率；

3）不需要脫模設(shè)備和脫模劑。

2.2.3 表層和表芯層均使用MDI（方案3）

該方案可以生產(chǎn)完全無醛添加的刨花板。由于MDI施膠后的板坯沒有初黏性，成為限制其發(fā)展的桎梏。MDI熱壓后還具有極強(qiáng)的粘結(jié)性，會(huì)與熱壓鋼帶、鋼板發(fā)生粘結(jié)，因此必須配套使用脫模劑，這在一定程度上增加了應(yīng)用的難度。但是采用萬華公司開發(fā)的增黏劑及脫模方案，可在保障鋼帶安全的前提下，完成無醛添加刨花板的生產(chǎn)。該方案具有以下特點(diǎn)：

1）可以做到無醛添加，使板材躋身高端市場；

2）板材的力學(xué)強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好，吸水膨脹性能優(yōu)異。

對于初黏性問題，從圖2、3可得到直觀的認(rèn)識(shí)。由于MDI預(yù)壓后板坯沒有初始強(qiáng)度，在輸送皮帶過渡到熱壓機(jī)端時(shí)，會(huì)造成表層刨花散落，導(dǎo)致板面缺陷，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過在表層添加增黏劑，使板坯在預(yù)壓后具有一定的初始強(qiáng)度，保障其順利輸送，并且達(dá)到在熱壓后固化提高表層結(jié)合強(qiáng)度的作用。

在有限的成本增加條件下，無醛添加刨花板可以達(dá)到較優(yōu)的理化性能指標(biāo)，結(jié)合強(qiáng)度、握釘力等性能大幅上升，吸水厚度膨脹率下降。生產(chǎn)速度的下降可通過添加快速固化劑進(jìn)行改善。使用MDI生產(chǎn)出的刨花板性能與GB/T 4897—2015《刨花板》對比見表3。

圖2 未使用增黏劑的板坯過渡情況Fig.2 The slab transition situation without tackif i er

圖3 使用增黏劑后的板坯過渡情況Fig.3 The slab transition situation with tackif i er

表3 使用MDI生產(chǎn)的刨花板性能與國標(biāo)對比Tab.3 Performance of MDI produced particleboard compared with the national standard

2.3 MDI在中密度纖維板中的應(yīng)用

中密度纖維板是國內(nèi)較早應(yīng)用MDI的一種板種，然而濕法施膠及熱壓脫模問題一直影響著中密度纖維板對MDI的應(yīng)用。隨著對MDI及設(shè)備、工藝方面的理解，MDI在中密度纖維板方面的應(yīng)用日趨成熟，主要有以下兩種應(yīng)用方式：

1）與UF混膠使用，主要用在對內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度或防水性能有特殊要求的特種板材；

2) 全MDI施膠體系的應(yīng)用。

2.3.1 MDI與UF混用

纖維板施膠量較大，在保障板材性能的前提下，提升甲醛釋放等級(jí)與板材等級(jí)較為困難，對脲醛膠的配方工藝要求較高。通過MDI與UF的配合使用，可有效提升板材性能，降低甲醛釋放，并且生產(chǎn)效率得到有效的提升。

應(yīng)用實(shí)例：某廠生產(chǎn)潮濕狀態(tài)下使用的家具型中密度纖維板，MDI添加量為0.6%，脲醛膠添加量下降2.5%。中密度纖維板混膠理化性能指標(biāo)與國標(biāo)GB 11718—2009《中密度纖維板》、GB 18580—2001《室內(nèi)裝飾裝修材料 人造板及其制品中甲醛釋放限量》對比見表4[2，3]。

表4 中密度纖維板混膠板材性能對比Tab.4 Performance comparison of adhesive mixing MDF

由表4可見，MDI混合UF可以顯著降低施膠量，甲醛釋放量降低，生產(chǎn)效率提升25%左右。

2.3.2 全MDI施膠體系應(yīng)用

全MDI生產(chǎn)的無醛添加MDF，為纖維板無醛化提供了可能，極大地提升了纖維板的環(huán)保性能，并且MDI帶來的防水性能的提升，拓展了其在家具、地板等領(lǐng)域的應(yīng)用。

表5 中密度纖維板無醛添加MDI板材性能Tab.5 Performance of aldehyde-free MDI produced MDF

應(yīng)用實(shí)例：施膠量可以控制在3.5%，綜合成本沒有明顯提高，但制品可以達(dá)到近乎無醛添加級(jí)別。

2.4 在膠合板生產(chǎn)中的應(yīng)用

膠合板是我國產(chǎn)量最大的板材品種，生態(tài)板的出現(xiàn)代表了行業(yè)對綠色升級(jí)的需要。MDI在膠合板方面的應(yīng)用有兩種方式：

1)與UF混合：有效降低成本，提升結(jié)合強(qiáng)度；

2)與水性高分子膠黏劑/天然植物膠黏劑混用：提升結(jié)合強(qiáng)度以及耐水性。

2.4.1 MDI與UF混用

當(dāng)前UF生產(chǎn)膠合板存在膠合強(qiáng)度不高，甲醛釋放高的缺陷。尤其在建筑模板領(lǐng)域，三聚氰胺改性脲醛膠往往難以達(dá)到結(jié)合強(qiáng)度要求。針對這一領(lǐng)域，萬華在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的前提下，開發(fā)了MDI與UF的混合應(yīng)用技術(shù)，用以解決膠合板生產(chǎn)的諸多問題。

應(yīng)用實(shí)例：以UF∶MDI=100∶2.5混合，制得的板材性能與GB/T 9846.3—2004《膠合板 第3部分：普通膠合板通用技術(shù)條件》對比見表6[4]。

表6 膠合板混膠板材性能對比Tab.6 Performance comparison of adhesive mixing plywood

由表6數(shù)據(jù)可見，MDI的添加可大幅降低膠黏劑用量，成本降低20%左右，并且大幅提高板材膠合強(qiáng)度，提升約50%。

2.4.2 MDI與水性高分子膠黏劑/天然植物膠黏劑混用

高端膠合板領(lǐng)域?qū)o醛添加的需求與日俱增，催生出一系列無醛解決方案。其中以水性高分子膠黏劑和天然植物膠黏劑方案最為成熟。通過MDI的復(fù)配應(yīng)用，在有限的成本增加前提下，能夠大幅提升板材的膠合強(qiáng)度。

膠合板應(yīng)用MDI有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可做到板材零甲醛添加;

2）膠合強(qiáng)度，板材耐水性顯著提高;

3）活性期長，滿足施工要求，無需額外增加設(shè)備。

應(yīng)用實(shí)例1：某膠合板廠生產(chǎn)時(shí)，水性高分子A組份∶MDI=100∶12，施膠量300g/m2。該廠所生產(chǎn)的膠合板膠合強(qiáng)度、甲醛釋放量與國標(biāo)GB/T 9846.3—2004《膠合板 第3部分：普通膠合板通用技術(shù)條件》[4]和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS A 5908—2003-ENG 《Japanese Industrial Standard》[5]對比見表7。

應(yīng)用實(shí)例2：某膠合板廠上線，豆膠∶MDI=100∶5，施膠量500g/m2，表8中為添加與未添加MDI的兩種膠合板的膠合強(qiáng)度與國標(biāo)[4]的對比。

表8 兩種膠合板膠合強(qiáng)度與國標(biāo)對比Tab.8 Bonding strength of plywood produced with or without MDI compared with the national standard

3 結(jié)語

MDI作為人造板行業(yè)新興的膠黏劑具有廣泛的應(yīng)用前景，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)保提升，到板材制品的性能提升，再到制品的綠色升級(jí)，為人造板生產(chǎn)企業(yè)提供了低成本，高品質(zhì)的換代升級(jí)方案。MDI的應(yīng)用有助于人造板行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升產(chǎn)品品質(zhì)，為板材生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造更多財(cái)富，為家具制造企業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值，為消費(fèi)者提供更加環(huán)保安全的產(chǎn)品。

[1]LY/T 1580—2010 定向刨花板[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[2]GB 18580—2001 室內(nèi)裝飾裝修材料人造板及其制品中甲醛釋放限量[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[3]GB 11718—2009 中密度纖維板[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4]GB/T 9846.3—2004 膠合板 第3部分:普通膠合板通用技術(shù)條件[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[5]JIS A 5908—2003-ENG Japanese Industrial Standard[S].Tokyo:Japanese Standards Association,2003.