梁善慶 李思程 柴媛 傅峰

(中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京，100091)

電熱木質(zhì)功能材料是通過炭黑、碳纖維、石墨、金屬粉末、金屬纖維等導(dǎo)電物質(zhì)直接形成發(fā)熱元件后與木質(zhì)材料復(fù)合形成的一種功能材料。目前發(fā)熱元件主要為金屬電熱線、碳纖維線纜、導(dǎo)電油墨層、碳纖維紙和電熱膜，電熱層可直接與基材疊層膠合或置于基材上的凹槽再與裝飾表板復(fù)合制成一體化電熱木質(zhì)制品[1-3]。此類電熱木質(zhì)制品通過電能轉(zhuǎn)換為熱能的形式，具有環(huán)保、舒適、節(jié)能、易安裝維護(hù)和潛熱性能好等特點(diǎn)，主要用于冬季室內(nèi)采暖，該類木質(zhì)制品屬于低溫輻射供暖技術(shù)，符合我國電供暖發(fā)展策略和環(huán)保趨勢，且近年極端氣候頻發(fā)，南方電采暖需求增大，為木質(zhì)電熱制品提供了廣闊的市場前景[4-6]。

目前電熱木質(zhì)功能材料代表性制品是內(nèi)置電熱層電采暖木質(zhì)地板(簡稱電熱地板)，該制品是由木質(zhì)基材與封裝其內(nèi)的電熱層(碳纖維紙、電熱膜等)組成，通電后能夠發(fā)熱的木質(zhì)地板，包括內(nèi)置電熱層電采暖實(shí)木復(fù)合地板(簡稱電熱實(shí)木復(fù)合地板)和內(nèi)置電熱層電采暖浸漬紙層壓木質(zhì)地板(簡稱電熱強(qiáng)化地板)。部分研究者開展了電熱地板制備工藝、發(fā)熱材料電熱性能以及耐老化方面的研究[7-8]，如利用4種膠黏劑制備竹木復(fù)合電熱地板材料，發(fā)現(xiàn)酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂均可作為竹木復(fù)合電熱地板材用膠黏劑，但從能耗和制造成本上考慮，酚醛樹脂更合適；而三聚氰胺脲醛樹脂膠則需進(jìn)行一定的改性，增強(qiáng)耐熱性和韌性[9]。通過三聚氰胺改性脲醛樹脂膠與纖維板基材熱壓制備電熱功能復(fù)合板，可知熱壓壓力對(duì)電熱功能復(fù)合纖維板電阻下降率的影響不顯著，對(duì)而施膠量的影響則極顯著[10]。此外，部分研究者開展了木竹電熱材料的老化性能和由杉木集成材薄板制備的電熱地板熱工性能研究，而木質(zhì)電熱功能材料及制品的研究還處于起步階段，在工藝參數(shù)優(yōu)化、電熱性能、耐老化性能、電安全性能等方面有待深入研究和解決[11-13]。

筆者以碳纖維發(fā)熱紙作為發(fā)熱元件，采用三聚氰胺改性脲醛樹脂為膠黏劑，探討工藝參數(shù)對(duì)電熱實(shí)木復(fù)合地板性能的影響，優(yōu)選工藝參數(shù)，并深入分析不同施膠量對(duì)電阻性能的影響規(guī)律，為電熱實(shí)木復(fù)合地板制備技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桉木單板(幅面300×160 mm，厚1.2 mm)、橡木表板(幅面300×160 mm，厚1.8 mm)、櫸木背板(幅面300×160 mm，厚0.8 mm)、桉木地板基材(幅面300×160 mm，厚11 mm)均由浙江某地板有限公司提供。銅箔電極(長180 mm，寬10 mm，厚0.02 mm)和碳纖維紙(長280 mm，寬140 mm，厚0.08 mm，方阻210Ω)購于北京某材料有限公司，粉狀三聚氰胺改性脲醛樹脂膠黏劑購于太爾化工(上海)有限公司。

主要儀器有平板硫化機(jī)、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、恒溫水浴鍋、鼓風(fēng)干燥箱、恒溫恒濕箱、數(shù)字萬用表、掃描電鏡(日本日立，Hitachi S4800)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(美國TA公司，Q800)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以熱壓時(shí)間、熱壓溫度、熱壓壓力和施膠量為試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，制備電熱實(shí)木復(fù)合地板基材。每個(gè)因素分別設(shè)置3個(gè)水平(表1)，選用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)最終得到9種不同復(fù)合工藝，根據(jù)正交設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)選。

1.3 電熱實(shí)木復(fù)合地板制備

首先拌膠，按m(膠粉)∶m(改性劑)∶m(水)=100∶25∶45將這些材料混合攪拌均勻，然后加入25份固化劑攪拌均勻，靜置待用。分別在桉木地板基材和桉木單板上采用輥涂施膠(單面施膠)，并將碳纖維紙鋪裝在基材和單板之間，放置銅箔電極，然后分別對(duì)橡木表板和櫸木背板施膠，與基材、碳纖維紙、單板進(jìn)行組坯；放置10 min后，使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)制備電熱實(shí)木復(fù)合地板；最后室溫下靜置24 h以上測試?yán)砘阅?。為研究不同施膠量對(duì)熱壓后電阻的影響，根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)選的壓力、時(shí)間和溫度，采用單面施膠量分別為50、60、70、80、90、100 g/cm2制備電熱實(shí)木復(fù)合地板，用于測試熱壓前和熱壓后電阻變化，同時(shí)采用相同的施膠量涂布在碳纖維紙上，上下覆蓋脫模紙，熱壓獲得碳纖維發(fā)熱膜，用于動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析測試。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

1.4 性能測試

膠合強(qiáng)度參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9846—2015《普通膠合板》[14]進(jìn)行測試(按Ⅱ類膠合板)，為獲得碳纖維紙發(fā)熱層的膠合強(qiáng)度，試樣制作如圖1所示。耐濕尺寸穩(wěn)定性和耐熱尺寸穩(wěn)定性按標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1700—2007《地采暖用木質(zhì)地板》[15]進(jìn)行測試；熱壓前使用數(shù)字萬用表測試碳纖維發(fā)熱紙電阻，制備電熱實(shí)木復(fù)合地板后，靜置24 h，測試其熱壓后的電阻，獲得熱壓前壓后電阻變化值；掃描電鏡(SEM)樣品從3種熱壓壓力制備的電熱實(shí)木復(fù)合地板內(nèi)截取發(fā)熱層樣品，與未經(jīng)熱壓的碳纖維紙(對(duì)照樣)一起置于樣品臺(tái)上，進(jìn)行噴金處理后觀察不同壓力下的碳纖維紙微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)置電壓10 kV；動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)樣品取于6種施膠量的碳纖維發(fā)熱膜(長15 mm，寬5 mm)，設(shè)置頻率1 Hz、振幅30 μm、升溫速度為5 ℃/min、溫度為0～250 ℃。

圖1 膠合強(qiáng)度試件示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝因素對(duì)膠合強(qiáng)度的影響

電熱實(shí)木復(fù)合地板由于內(nèi)置了碳纖維紙發(fā)熱層，如工藝參數(shù)選擇不合理，在長期通電冷熱循環(huán)工況下，容易引起發(fā)熱層與木材膠合界面分離，形成脫膠剝離現(xiàn)象，存在短路或局部高溫的電安全隱患，因此發(fā)熱層的膠合強(qiáng)度應(yīng)高于普通膠合板。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得9種工藝的膠合強(qiáng)度見表2。各因素水平的膠合強(qiáng)度均達(dá)到GB/T 9846—2015《普通膠合板》Ⅱ類要求，由極差分析可知(見表3)，壓力、時(shí)間、溫度和施膠量的極差分別為0.81、0.20、0.56、0.29MPa，因此各因素對(duì)膠合強(qiáng)度影響順序從大到小依次為壓力、溫度、施膠量、時(shí)間。不同因素的平均膠合強(qiáng)度最大值分別為2.41(k1A)、2.07(k1B)、2.25(k3C)和2.24(k2B)MPa，其中時(shí)間的k1和k2相差極小，根據(jù)膠合強(qiáng)度優(yōu)選復(fù)合工藝參數(shù)為A1B1C3D2或A1B2C3D2。進(jìn)一步對(duì)膠合強(qiáng)度作方差分析，在顯著水平α=0.01時(shí)，壓力對(duì)膠合強(qiáng)度具有極顯著性影響(FA=15.646，F(xiàn)C=7.634，F(xiàn)D=4.631，F(xiàn)0.01(3，45)=4.249，F(xiàn)B=1.255)。由方差分析得到的各因素對(duì)膠合強(qiáng)度影響主次順序與正交試驗(yàn)分析相同。

表2 不同工藝參數(shù)電熱實(shí)木復(fù)合地板理化性能

表3 不同工藝參數(shù)電熱實(shí)木復(fù)合地板膠合強(qiáng)度極差分析

2.2 工藝因素對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響

2.2.1 耐熱尺寸穩(wěn)定性

尺寸穩(wěn)定性是地采暖木質(zhì)地板的關(guān)鍵性指標(biāo)，電熱實(shí)木復(fù)合地板使用過程中易出現(xiàn)翹曲變形等現(xiàn)象，可能導(dǎo)致地板內(nèi)部電極脫膠或電源插件接觸不良等問題，引起漏電或短路。表4為耐熱尺寸穩(wěn)定性正交分析結(jié)果，4個(gè)因素中長度方向的耐熱尺寸穩(wěn)定性極差差異不明顯，而寬度方向的耐熱尺寸穩(wěn)定性極差分別為0.13、0.18、0.11和0.08，即各因素對(duì)寬度耐熱尺寸穩(wěn)定性影響比長度方向明顯。其重要程度從大到小順序?yàn)闀r(shí)間、壓力、溫度、施膠量，根據(jù)耐熱尺寸穩(wěn)定性優(yōu)選工藝參數(shù)為A1B2C3D3。各因素對(duì)長度方向耐熱尺寸穩(wěn)定性影響極小，僅對(duì)寬度方向耐熱穩(wěn)定性進(jìn)行方差分析，在顯著水平α=0.1時(shí)，時(shí)間對(duì)耐熱尺寸穩(wěn)定性有顯著影響(FB=2.881，F(xiàn)0.1(3，18)=2.42，F(xiàn)A=1.329，F(xiàn)C=0.338，F(xiàn)D=0.474)，各因素對(duì)耐熱尺寸穩(wěn)定性影響主次順序與正交試驗(yàn)分析結(jié)果相同。

表4 不同工藝參數(shù)電熱實(shí)木復(fù)合地板耐熱尺寸穩(wěn)定性極差分析

2.2.2 耐濕尺寸穩(wěn)定性

表5為耐濕尺寸穩(wěn)定性極差分析結(jié)果，影響長度方向耐濕尺寸穩(wěn)定性因素主次順序?yàn)闇囟?、壓力、時(shí)間、施膠量，優(yōu)選工藝參數(shù)為A2B1C1D1或A2B3C1D1；寬度方向耐濕尺寸穩(wěn)定性極差分別為0.03、0.03、0.05和0.13，因素重要性主次順序?yàn)槭┠z量、溫度、時(shí)間=壓力，優(yōu)選工藝參數(shù)為A1B1C2D3或A3B1C2D3。因壓力對(duì)長度方向穩(wěn)定性影響排第二，對(duì)寬度方向影響排最后，因此取A2；時(shí)間對(duì)長度方向和寬度方向尺寸穩(wěn)定性影響均較小，綜合后優(yōu)選B1；溫度對(duì)長度方向穩(wěn)定性影響大于寬度方向，因此選C1，同理施膠量取D3，因此優(yōu)選復(fù)合工藝參數(shù)為A2B1C1D3。由方差分析可知，施膠量對(duì)耐濕尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響(FD=4.506，F(xiàn)0.05(3，18)=3.16，F(xiàn)A=0.366，F(xiàn)B=0.303，F(xiàn)C=0.731)，進(jìn)一步說明施膠量優(yōu)選D3的合理性。

綜合膠合強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性正交結(jié)果分析和方差分析，A因素分別有0.9、1.2 MPa兩個(gè)水平達(dá)到最優(yōu)。在此基礎(chǔ)上依據(jù)尺寸穩(wěn)定性選擇壓力，壓力對(duì)其長度、寬度方向上的尺寸收縮率影響結(jié)果相反，耐熱尺寸穩(wěn)定性中長度方向收縮率減小與寬度方向收縮率增大相仿，而耐濕尺寸穩(wěn)定性中壓力1.2 MPa的長度方向尺寸收縮率減小量明顯大于寬度方向尺寸收縮率增大量，優(yōu)選壓力1.2 MPa。根據(jù)方差分析結(jié)果，膠合強(qiáng)度、耐濕尺寸穩(wěn)定性二者B因素的F值均最小，以耐熱尺寸穩(wěn)定性的方差分析結(jié)果為依據(jù)，選擇時(shí)間為6 min；根據(jù)對(duì)膠合強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性正交試驗(yàn)結(jié)果，C因素分別有100、130 ℃兩個(gè)水平最優(yōu)，同時(shí)溫度僅對(duì)膠合強(qiáng)度具有顯著影響，溫度130 ℃的膠合強(qiáng)度比100 ℃增加了9.2%，優(yōu)選溫度為130 ℃；根據(jù)對(duì)膠合強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性正交試驗(yàn)分析結(jié)果，施膠量有100、150 g/m2兩個(gè)水平達(dá)到最優(yōu)，施膠量150 g/m2的膠合強(qiáng)度比100 g/m2增加14.9%，而耐濕尺寸穩(wěn)定性下降12%，由于施膠量100 g/m2的膠合強(qiáng)度完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，為提高尺寸穩(wěn)定性優(yōu)選施膠量為100 g/m2。本試驗(yàn)最終優(yōu)選的工藝參數(shù)為熱壓壓力1.2 MPa，熱壓時(shí)間6 min，熱壓溫度130 ℃，施膠量100 g/m2。

表5 不同工藝參數(shù)電熱實(shí)木復(fù)合地板耐濕尺寸穩(wěn)定性極差分析

2.3 工藝因素對(duì)電阻的影響

采用不同工藝參數(shù)制備電熱實(shí)木復(fù)合地板發(fā)現(xiàn)，碳纖維紙熱壓后電阻均出現(xiàn)不同程度降低(表6)，通過方差分析可知各因素對(duì)電阻變化影響的重要程度從大到小順序?yàn)槭┠z量、溫度、壓力、時(shí)間(見表7)，方差分析表明施膠量對(duì)電阻具有極顯著影響(FD=34.005>F0.01(3、18)=5.09)，主要源于碳纖維紙?jiān)跓釅哼^程中被膠黏劑滲透，形成的膠膜干擾碳纖維之間搭接；同時(shí)膠層固化后發(fā)熱層形成致密結(jié)構(gòu)，提高了碳纖維網(wǎng)格的導(dǎo)電性能[10]。此外單位壓力增加使電阻下降幅度增大，主要是由于碳纖維紙經(jīng)熱壓后，碳纖維搭接緊密性增大從而提高了導(dǎo)電性，但熱壓壓力不能過大，過大的壓力易引起碳纖維斷裂，導(dǎo)電通道被阻斷，電阻增大。通過SEM觀察碳纖維發(fā)熱層內(nèi)碳纖維分布情況，在壓力0.9～1.5 MPa范圍內(nèi)，與未熱壓的碳纖維發(fā)熱層相比，熱壓后的碳纖維發(fā)熱層更為密實(shí)，膠膜填充發(fā)熱層空隙，使碳纖維搭接更為緊密，同時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂情況(圖2)。

表6 不同工藝參數(shù)電熱實(shí)木復(fù)合地板電阻變化Ω

表7 不同工藝參數(shù)電熱實(shí)木復(fù)合地板電阻變化方差分析

注：F0.01(3，18)=5.09；F0.05(3，18)=3.16；F0.1(3，18)=2.42。** 表示顯著，*** 表示極顯著。

由于施膠量對(duì)電阻具有極顯著影響，采用優(yōu)選的工藝參數(shù)(壓力1.2 MPa、時(shí)間6 min、溫度130 ℃)，分別使用6種施膠量制備電熱實(shí)木復(fù)合地板，進(jìn)一步探討施膠量對(duì)電阻變化影響規(guī)律，電阻變化結(jié)果見圖3。在相同的工藝條件下，不同的施膠量熱壓后電阻下降幅度范圍在36.3%～41.3%。施膠量由50 g/m2增加至80 g/m2時(shí)，電阻下降呈小幅增加趨勢；當(dāng)繼續(xù)增加施膠量時(shí)，電阻下降率反而呈小幅降低趨勢。施膠量的增加提高了碳纖維發(fā)熱層的密實(shí)程度，使碳纖維之間的導(dǎo)電率增加，然而當(dāng)施膠量繼續(xù)增大后，膠黏劑在熱壓固化過程的滲透對(duì)碳纖維搭接形成一定程度的破壞，導(dǎo)致電阻增加，因此在工藝參數(shù)優(yōu)選上需綜合考慮各因素的相互影響。

圖4為不同施膠量的碳纖維發(fā)熱層斷面SEM圖，經(jīng)熱壓后碳纖維發(fā)熱層表面形成較為平整的膠膜，50 g/m2的施膠量碳纖維發(fā)熱層截面上尚存微小空隙。隨施膠量增加，膠黏劑滲透碳纖維紙更充分；當(dāng)施膠量達(dá)到100 g/m2時(shí)，截面內(nèi)部充滿膠黏劑說明膠液對(duì)整個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的滲透充分。同時(shí)也表明，在壓力作用下，施膠過多會(huì)擠開已搭接的碳纖維，部分破壞原有導(dǎo)電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，一定程度上弱化了壓力作用效果。圖5為碳纖維發(fā)熱膜在不同溫度下的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能圖譜，可知隨著施膠量增加儲(chǔ)能模量總體呈下降趨勢，說明不同的施膠量對(duì)碳纖維發(fā)熱層剛性影響顯著。施膠量的增加導(dǎo)致碳纖維發(fā)熱層的儲(chǔ)能模量下降明顯，即剛性降低脆性增大。碳纖維發(fā)熱層隨溫度的增加儲(chǔ)存能量的分子鏈逐漸開始運(yùn)動(dòng)，部分鏈段產(chǎn)生的熱量較多，約220 ℃后儲(chǔ)能模量快速消耗；但僅增加施膠量，發(fā)熱層璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍變幅不大。

a.未經(jīng)熱壓；b.壓力0.9 MPa；c.壓力1.2 MPa；d.壓力1.5 MPa。

圖3 不同施膠量電熱實(shí)木復(fù)合地板電阻變化

a.斷面宏觀圖；b.施膠量50 g/m2；c.施膠量80 g/m2；d.施膠量100 g/m2。

圖5 不同施膠量碳纖維發(fā)熱膜DMA圖譜

3 結(jié)論

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲得9種工藝條件下電熱實(shí)木復(fù)合地板的膠合強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，各因素對(duì)膠合強(qiáng)度影響順序從大到小為壓力、溫度、施膠量、時(shí)間，顯著水平α=0.01時(shí)，熱壓壓力對(duì)膠合強(qiáng)度具有極顯著影響；4個(gè)因素對(duì)長度方向的耐熱尺寸穩(wěn)定性差異不明顯，而對(duì)寬度耐熱尺寸穩(wěn)定性影響比長度方向明顯，各因素影響順序從大到小為時(shí)間、壓力、溫度、施膠量；耐濕尺寸穩(wěn)定性結(jié)果表明，各因素影響長度方向耐濕尺寸穩(wěn)定性順序從大到小為溫度、壓力、時(shí)間、施膠量，寬度方向影響順序?yàn)槭┠z量、溫度、時(shí)間=壓力，顯著水平α=0.05時(shí)，施膠量對(duì)耐濕尺寸穩(wěn)定性具有顯著影響。綜合膠合強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性正交結(jié)果分析和方差分析，最終優(yōu)選的工藝參數(shù)為壓力1.2 MPa，時(shí)間6 min，溫度130 ℃，施膠量100 g/m2。

制備的電熱實(shí)木復(fù)合地板熱壓前和熱壓后電阻均出現(xiàn)不同程度降低，方差分析結(jié)果表明各因素對(duì)電阻變化影響的重要程度從大到小順序?yàn)槭┠z量、溫度、壓力、時(shí)間，顯著水平α=0.01時(shí)，施膠量對(duì)電阻變化具有極顯著影響。在相同的工藝參數(shù)條件下，施膠量由50 g/m2增加至100 g/m2時(shí)，電阻下降幅度范圍在36.3%～41.3%，在實(shí)際制備工藝選擇中，應(yīng)重點(diǎn)考慮施膠量對(duì)電阻變化的影響。