劉其松

(福建省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

我國木地板年總產(chǎn)量和銷量均超過5億m2，居世界第一[1]。現(xiàn)有的竹木復(fù)合地板結(jié)構(gòu)主要有2種，一是竹材為表面層，芯層為實(shí)木拼板(多為杉木拼板)，底層木材單板如楊木單板較為常見[2-4]，另一種是上下層均為竹材，芯層為實(shí)木拼板或人造板(如膠合板或中密度纖維板)[5-7]。

福建是竹林與桉樹資源的重要主產(chǎn)區(qū)之一，竹產(chǎn)業(yè)與桉樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為福建重要的林業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)。從其產(chǎn)值占林業(yè)產(chǎn)值的比例分析，20世紀(jì)80年代不到5%上升到目前的40%以上，其地位的重要性可見一斑，但發(fā)展過程中仍然存在效率低、利用率低、附加值低，新產(chǎn)品少、新技術(shù)少、新工藝少等問題。通常復(fù)合地板如果芯層為多層膠合板，則其工藝為二次工藝，即先獲得多層膠合板后再貼表層和底層。本研究將表層、芯層和底層一次性熱壓，可以減化工藝流程，降低能耗。因此，本文結(jié)合竹材表面光滑平整、變形量小，以及堅(jiān)硬、防水等物理力學(xué)性能較好的特點(diǎn)，用竹材為表面、桉樹單板為芯層與底層，構(gòu)成復(fù)合集成地板，不但具有與高檔硬木相似的觀感與質(zhì)感，并且在生產(chǎn)效率與原料利用率、產(chǎn)品附加值方面都可以得到大幅提高。

1 試驗(yàn)儀器、材料及方法

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

熱壓機(jī)(BY302*2/15)，熱壓壓力和溫度由設(shè)備自動(dòng)控制，表壓力波動(dòng)<5 kgf·cm-2，溫度波動(dòng)<3 ℃，蘇州新協(xié)力機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(CMT5504)，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)材料

巨尾桉桉樹單板(外購)、竹篾(含水率控制在7%～9%)取自連城縣竹匠新材料有限公司、酚醛樹脂膠粘劑(固體含量40%～45%、初始黏度140 mPa·S(25 ℃)、pH值=l1～12)取自福建雙棱竹業(yè)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

采用去青去黃的竹篾，寬15～25 mm、厚1.8 mm。竹篾沿長度方向平行排列，用垂直于竹篾長度方向的線繩交錯(cuò)編織集成，并沿縱橫向剪成400 mm×400 mm的幅面，將原膠液加水稀釋至20%～30%的固體含量，用于竹篾的浸漬，浸膠量約15%，干燥后作為復(fù)合集成地板的表層；桉樹旋切單板厚度1.1～1.3 mm、幅面400 mm×400 mm、含水率控制在6%～9%，采用涂膠工藝涂刷酚醛樹脂膠，芯層底層單板交錯(cuò)鋪排，共5層，復(fù)合集成地板名義厚度為8 mm。

經(jīng)過查閱大量的相關(guān)資料并多次實(shí)踐探索后，確定利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)探討施膠量、熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力4個(gè)因素對(duì)竹桉復(fù)合地板熱壓工藝的影響。各因素水平的選擇范圍是根據(jù)探索性試驗(yàn)結(jié)果和參考有關(guān)資料文獻(xiàn)確定的，見表1；具體試驗(yàn)方案見表2。

表1 熱壓工藝正交試驗(yàn)因素及水平表

表2 正交試驗(yàn)方案

1.4 測定方法

采用GB/T 1927—2009木材力學(xué)試材采集方法[8]、GB/T 1928—2009木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則[9]和GB/T 1929—2009木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法[10]檢測巨尾桉木材的物理力學(xué)性能。壓制成型后的竹桉集成地板坯按照GB/T 17657—1999人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法[11]進(jìn)行檢測，測定產(chǎn)品的密度、吸水厚度膨脹率、靜曲強(qiáng)度、彈性模量及甲醛釋放量等物理力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 桉樹的物理力學(xué)性能

尾桉木材的物理力學(xué)性能測定結(jié)果見表3、表4。資料表明，毛竹的徑向與弦向全干干縮率分別為3.0%、4.5%[7]，從表3可知，巨尾桉的徑、弦向干縮率都大于毛竹。本研究復(fù)合地板的表板采用沿長度方向平行排列的竹篾，并用垂直于竹篾長度方向的線繩交錯(cuò)編織集成，表板的徑弦向干縮比竹材本身更小，更加大了其與基材巨尾桉之間的干縮率差異。因此，必須在施膠與熱壓工藝上進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而避免復(fù)合地板產(chǎn)生表面層竹材與基材巨尾桉之間的開裂。從表4可知，巨尾桉的力學(xué)性能可以滿足一般要求的地板使用。

表3 巨尾桉物理性質(zhì)

*：氣干密度是含水率為12%時(shí)的密度。

表4 巨尾桉力學(xué)性質(zhì)

2.2 竹桉復(fù)合集成地板坯的生產(chǎn)工藝

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合地板的工藝流程

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析 竹桉復(fù)合集成地板物理力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表5，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行極差分析與方差分析結(jié)果見表6、表7。對(duì)9組試驗(yàn)板材進(jìn)行甲醛釋放量檢測，均達(dá)到國家E0級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

從表6可知，在膠粘劑種類不變的條件下，施膠量、熱壓溫度、熱壓時(shí)間、熱壓壓力對(duì)竹桉復(fù)合地板的各物理力學(xué)性能影響程度不一。對(duì)吸水厚度膨脹率的影響強(qiáng)弱依次是：熱壓壓力>施膠量>熱壓時(shí)間>熱壓溫度，各因素的較優(yōu)水平為：A2、B2、C2、D3；對(duì)靜曲強(qiáng)度的影響強(qiáng)弱依次是：熱壓壓力>施膠量>熱壓時(shí)間>熱壓溫度，各因素的較優(yōu)水平為：A2、B1、C2、D3；對(duì)彈性模量的影響強(qiáng)弱依次是：熱壓壓力>熱壓時(shí)間>熱壓溫度>施膠量，各因素的較優(yōu)水平為：A2、B3、C2、D2。

從表7可知，在膠粘劑種類不變的情況下考慮施膠量、熱壓溫度、熱壓時(shí)間及熱壓壓力對(duì)竹桉復(fù)合集成地板物理力學(xué)各性能指標(biāo)的影響，可知熱壓壓力對(duì)吸水厚度膨脹率影響非常顯著，施膠量和熱壓時(shí)間對(duì)吸水厚度膨脹率影響顯著；施膠量、熱壓壓力對(duì)靜曲強(qiáng)度影響顯著；熱壓時(shí)間、熱壓壓力對(duì)彈性模量影響顯著。

表5 竹桉復(fù)合集成地板物理力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

表6 竹桉復(fù)合集成地板物理力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)極差分析

表7 竹桉復(fù)合集成地板物理力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)方差分析

*：F0.1(2，2)=9；F0.05(2，2)=19；*為差異顯著；**為差異極顯著。

2.2.2 竹桉復(fù)合集成地板坯的生產(chǎn)工藝研究 從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，施膠量對(duì)吸水厚度膨脹率、靜曲強(qiáng)度的影響顯著。隨著施膠量從140 g·m-2增加至160 g·m-2，產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度和彈性模量隨著施膠量的增大而增大，吸水厚度膨脹率下降；隨后靜曲強(qiáng)度和彈性模量呈下降趨勢，吸水厚度膨脹率有所上升。這是因?yàn)殡S著施膠量的增加，膠粘劑滲入原材料的深度增加，膠釘作用效果顯著提升，材料與膠液之間形成良好膠合的機(jī)會(huì)增多，總體膠合層界面膠粘力增加，因而板材的靜曲強(qiáng)度、彈性模量隨之增大。吸水厚度膨脹率較低是由于膠粘劑形成一個(gè)膠接面，能夠抵抗水分進(jìn)入細(xì)胞，同時(shí)脲醛樹脂膠粘劑本身耐水性能好。樹脂熔融固化后，會(huì)形成一層封閉致密的表面，填充了基材表面的不平整和微小的孔隙，板材耐磨性能好。施膠量大小應(yīng)當(dāng)適宜，施膠量過大，膠層增厚，應(yīng)力增大，使膠合強(qiáng)度下降，也不經(jīng)濟(jì)；施膠量太小形成不了連續(xù)膠層，不容易使膠液從一張單板表面向另一張單板轉(zhuǎn)移。定量的膠粘劑是使產(chǎn)品具有一定的力學(xué)性能的基本條件，因此，從保證產(chǎn)品力學(xué)性能考慮，施膠量選擇為160 g·m-2比較恰當(dāng)。

本次試驗(yàn)采用分段加壓的熱壓工藝，熱壓后期緩慢卸壓可防止分層、鼓泡對(duì)抗彎強(qiáng)度和表面質(zhì)量的影響，熱壓過程中，壓力、時(shí)間、溫度相互聯(lián)系，采用合理的熱壓工藝對(duì)竹桉復(fù)合地板的性能具有重要影響。從試驗(yàn)結(jié)果分析中可知，熱壓壓力對(duì)所有指標(biāo)的影響非常顯著，隨著熱壓壓力從2.2 MPa增加至3.4 MPa，產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度、彈性模量隨著熱壓壓力的增大而增大，吸水厚度膨脹率和磨耗值下降。壓力增大使相同體積內(nèi)的竹、木纖維和膠粘劑的含量增加，纖維之間接觸更加緊密，同時(shí)膠液也能夠充分流展，膠合能力得到提高，板材密度得以增加，特別是板材表層密度的增加，有助于板材抗彎能力的提高，使得板材斷面上承受載荷的實(shí)質(zhì)性物質(zhì)增加，板材的性能增強(qiáng)。因此，從保證產(chǎn)品力學(xué)性能考慮，熱壓壓力選擇為3.4 MPa比較恰當(dāng)。

隨著熱壓時(shí)間從0.4 min·mm-1增加至0.8 min·mm-1，產(chǎn)品的靜曲強(qiáng)度和彈性模量隨著施膠量的增大而增大，吸水厚度膨脹率下降；隨后靜曲強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)下降的趨勢，吸水厚度膨脹率和磨耗值有所上升。這是由于在高溫下會(huì)引起板材表面膠粘劑的熱分解和木材纖維素大分子的降解，除了閉合時(shí)間和熱壓時(shí)間這些以外，其他的時(shí)間減少也有經(jīng)濟(jì)意義，任何部分時(shí)間的減少，都可以提高生產(chǎn)率和降低成本，因此，從保證產(chǎn)品力學(xué)性能考慮，熱壓時(shí)間選擇為0.8 min·mm-1比較恰當(dāng)。

從試驗(yàn)結(jié)果分析中可知，熱壓溫度對(duì)板材性能影響不顯著，由于復(fù)合地板在達(dá)到規(guī)定的抗彎強(qiáng)度下，不宜選擇較高的溫度，溫度越高，板內(nèi)的水蒸氣壓力愈高，而一層層單板因阻礙水分的遷移，易產(chǎn)生鼓泡等工藝缺陷，又使板內(nèi)溫度在板堆放的過程中難以釋放，造成膠層熱分解。因此從保證產(chǎn)品力學(xué)性能考慮，熱壓溫度選擇為145 ℃比較恰當(dāng)。

根據(jù)以上各因素對(duì)竹桉復(fù)合地板力學(xué)性能的分析，各項(xiàng)指標(biāo)影響程度不一，但其強(qiáng)弱趨勢較為明顯，綜合分析可以得出施膠量160 g·m-2、熱壓溫度145 ℃、熱壓時(shí)間0.8 min·mm-1、熱壓壓力3.4 MPa為較佳工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，利用高強(qiáng)度的竹材作為表面層，巨尾桉單板為地板基材進(jìn)行組合獲得的復(fù)合地板性能可以滿足要求。綜合考慮復(fù)合地板的吸水厚度膨脹率及其力學(xué)性能，建議施膠量160 g·m-2、熱壓溫度145 ℃、熱壓時(shí)間0.8 min·mm-1、熱壓壓力3.4 MPa作為其較佳工藝參數(shù)。