張鑫豪，方露*，吳智慧，趙建忠

(1. 南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院,南京 210037; 2. 浙江升華云峰新材股份有限公司,德清 313200)

我國是木制品生產(chǎn)大國，其產(chǎn)能與產(chǎn)值均居世界第一，但是珍貴木材資源匱乏，供需矛盾日益明顯。將珍貴樹種的木材旋切或刨切成厚度為0.2～0.8 mm的裝飾薄木，是提高珍貴木材利用率及木制品附加值的有效方法。裝飾薄木因具有自然的紋理和優(yōu)雅的色澤質(zhì)感被廣泛應(yīng)用于木門、木地板和木家具等的表面裝飾[1]，是目前應(yīng)用最多的飾面材料之一。然而，原始薄木的脆性大、強度低，很難用于異型面的裝飾[2-3]，且在運輸、貯存和加工過程中易受外力作用發(fā)生開裂、破碎，導(dǎo)致資源的浪費。通常對于厚度較小的微薄木(<0.3 mm)，會在其背面覆貼牛皮紙或無紡布等增強材料[4]，使其具有良好的柔韌性。但由于加工和飾面過程中需要使用液態(tài)膠黏劑，不僅增加了工序成本，還會產(chǎn)生游離甲醛釋放和透膠的問題。對于厚度較大的裝飾薄木，盡管可以直接用于飾面加工，但通常需要保持高含水率(約30%)狀態(tài)運輸和儲存，容易發(fā)生霉變，且飾面之前需要進行干燥處理，生產(chǎn)能耗和倉儲成本也會隨之增加。因此，開發(fā)環(huán)保型飾面新材料[5-6]、探索低能耗飾面新技術(shù)[7-8]，對現(xiàn)有家具產(chǎn)業(yè)升級具有良好的推動作用。

采用環(huán)保型熱塑性樹脂薄膜對裝飾薄木進行復(fù)合改性可以從根源上解決上述問題。聚乙烯(polyethylene，PE)薄膜由于分子結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，應(yīng)用較為廣泛。彭曉瑞等[3]以改性低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)薄膜作為紅櫟(Quercusrubra)薄木增強材料，制備了柔韌性優(yōu)良、橫向抗拉強度達4.08 MPa的PE基復(fù)合薄木。但由于塑膜與薄木的熱膨脹系數(shù)差異顯著[9]，且LDPE材料的熔融溫度較高，使得加工溫度高達150 ℃。高溫帶來的卷曲變形問題是PE薄膜增強裝飾薄木工業(yè)化應(yīng)用過程中的技術(shù)難題。彭曉瑞等[10-11]采用等離子體技術(shù)對LDPE薄膜進行改性，將加工溫度降低至120 ℃，并采用凹凸模熱壓成型技術(shù)緩解和控制了復(fù)合薄木的卷曲，但這也在一定程度上增加了生產(chǎn)工序和加工成本，不利于促進工業(yè)化發(fā)展。

乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)是一種在乙烯基中引入極性醋酸乙烯酯單體(vinyl acetate，VA)的熱塑性樹脂材料，其熔融溫度要明顯低于PE，具有穩(wěn)定性、柔韌性良好等特點[12]。EVA薄膜目前主要應(yīng)用于太陽能電池的封裝，食品、醫(yī)藥的包裝，安全玻璃的中間層等，涉及包裝、化工、生物、醫(yī)藥等多個領(lǐng)域[13-14]。在家具領(lǐng)域中，EVA主要以粒子形式的熱熔膠用于木門門套加工、板式家具封邊等，而對于薄膜形式的應(yīng)用相對較少。

基于此，筆者提出采用EVA薄膜作為水曲柳裝飾薄木的增強材料制備EVA基復(fù)合薄木，并對中密度纖維板(MDF)基材進行飾面，系統(tǒng)研究熱壓溫度對此復(fù)合薄木各項性能的影響，同時與無紡布基復(fù)合薄木、PE基復(fù)合薄木產(chǎn)品性能進行對比，旨在為提高裝飾薄木的有效利用率，開發(fā)綠色環(huán)保型飾面材料提供新的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水曲柳(Fraxinusmandshurica)薄木：規(guī)格200 mm×200 mm×0.5 mm，含水率8%～12%，外購；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜：熔融溫度85 ℃(圖1)，VA含量為22.4%[15]，厚度0.1 mm，密度0.91 g/cm3，外購；中密度纖維板：規(guī)格180 mm×180 mm×8 mm，密度0.88 g/cm3，含水率8%～10%，外購。

圖1 EVA薄膜的DSC曲線Fig. 1 DSC curve of EVA film

1.2 試驗方法

前期試驗結(jié)果顯示熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木性能的影響極顯著[15]，因此，筆者采用單因素法，重點研究了熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木各項性能的影響。其中，熱壓溫度包括制備復(fù)合薄木的熱壓溫度和二次飾面的熱壓溫度，具體如表1所示。研究采用柔韌性和橫向抗拉強度評價復(fù)合薄木的性能，采用浸漬剝離性能和表面膠合強度評價其二次飾面性能。EVA增強裝飾薄木及其飾面MDF板材的工藝流程如圖2所示。

表1 復(fù)合薄木制備及二次飾面的熱壓參數(shù)Table 1 Hot-pressing parameters for preparation and secondary processing of composite veneers

圖2 試樣制備加工流程示意圖Fig. 2 Process diagram of the sample preparation

1.3 性能測試與表征

1)柔韌性：參照標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2879—2017《裝飾微薄木》，將制備的復(fù)合薄木樣品按順紋方向裁剪成200 mm ×75 mm規(guī)格，依次繞直徑尺寸由大到小的圓形鋼棒一圈，以試件發(fā)生破裂時的鋼棒直徑表征其柔韌性。

2)橫向抗拉強度：參照標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2879—2017《裝飾微薄木》，將樣品裁剪成100 mm(橫紋)×15 mm規(guī)格，每個試驗水平下取6片試件，陳放24 h后檢測其破壞時的最大載荷，由此計算橫向抗拉強度，結(jié)果取平均值。

3)浸漬剝離性能：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15104—2006《裝飾單板飾面人造板》，制備規(guī)格為75 mm×75 mm的試件，各試驗水平下取 6 塊進行測試。

4)表面膠合強度：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，制備規(guī)格為50 mm×50 mm的試件，各試驗水平下取6塊試件進行測量，結(jié)果取平均值。

5)膠接界面微觀形貌：將制得試件裁切成 5 mm×5 mm 的規(guī)格，噴金處理后使用環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)對膠接界面進行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 EVA薄膜增強裝飾薄木的性能

2.1.1 柔韌性

未經(jīng)復(fù)合改性的水曲柳薄木柔韌性差(最小鋼棒直徑超過18 mm)，受力彎曲后很容易碎裂。采用塑膜對水曲柳薄木進行增強，可以大幅提升其柔韌性。如圖3所示，EVA薄膜增強裝飾薄木的柔韌性達到6 mm左右，可以滿足異型貼面的要求。這主要是因為塑膜與薄木熱壓復(fù)合后，形成了類似膠釘一樣的機械嚙合結(jié)構(gòu)，滲透進入裝飾薄木多孔性結(jié)構(gòu)中的EVA在固化后承擔(dān)的作用類似于土混結(jié)構(gòu)中配筋的作用，在彎曲應(yīng)力的作用下這種嚙合結(jié)構(gòu)可以起到良好的卸力效果，使復(fù)合薄木所受的彎曲應(yīng)力維持在薄木所能承受的范圍之內(nèi)，直至發(fā)生脆性斷裂[16]。熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木柔韌性的影響較小(圖3)，這是因為當(dāng)熱壓溫度為95 ℃時，EVA薄膜熔融，并與薄木形成了初步的機械嚙合，已經(jīng)起到了卸力的作用。當(dāng)熱壓溫度增加至110 ℃時，柔韌性最優(yōu)，最小鋼棒直徑為5.3 mm。繼續(xù)提升熱壓溫度，會出現(xiàn)EVA分子的過度滲透，進而引起膠接界面層變薄，使得復(fù)合薄木抵抗收縮應(yīng)力的能力降低。

圖3 熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木柔韌性的影響Fig. 3 Effect of hot-pressing temperature on flexibility of decorative veneer enhanced with EVA film

2.1.2 橫向抗拉強度

市售的裝飾薄木初始強度較低，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 2879—2017《裝飾微薄木》，裝飾薄木的橫向抗拉強度≥0.35 MPa時才能滿足飾面要求。本研究所使用水曲柳薄木的橫向抗拉強度約為0.24 MPa，略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)采用EVA薄膜對水曲柳薄木進行增強后，薄木的橫向抗拉強度大幅提升，如圖4所示。隨著熱壓溫度的升高，橫向抗拉強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是由于在較低的加工溫度下(95 ℃)，滲透進入薄木中的EVA大分子相對較少，界面結(jié)合力相對較弱。當(dāng)熱壓溫度為110 ℃時，機械鎖合力增強，復(fù)合薄木的橫向抗拉強度達0.99 MPa，比原始的薄木提升了412.5%。當(dāng)熱壓溫度達到125 ℃時，薄木的本體強度降低，膠接界面層變薄，橫向抗拉強度出現(xiàn)減小趨勢。

圖4 熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木橫向抗拉強度的影響Fig. 4 Effect of hot-pressing temperature on transverse tensile strength of decorative veneer enhanced with EVA film

2.2 EVA薄膜增強裝飾薄木的二次飾面性能

2.2.1 表面膠合強度

采用最優(yōu)工藝條件下制備的EVA薄膜增強裝飾薄木對MDF基材進行飾面，并以浸漬剝離性能和表面膠合強度為指標(biāo)評價此復(fù)合薄木的二次飾面性能。在飾面過程中，EVA薄膜發(fā)生二次熔融，發(fā)揮膠黏劑的作用。二次熔融EVA的分子量會有所下降，流動性增強，因此選取適當(dāng)?shù)偷臒釅簻囟燃纯赏瓿娠椕孢^程。本研究中設(shè)定飾面熱壓溫度為90,100和110 ℃。

熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木二次飾面性能的影響見圖5。不同貼面溫度制備EVA薄膜增強裝飾薄木飾面板的膠接界面形貌如圖6所示。由圖5可見，所有飾面板件的表面膠合強度均高于0.4 MPa，滿足GB/T 15104—2006標(biāo)準(zhǔn)中的最低要求。熱壓溫度對表面膠合強度有顯著影響。當(dāng)熱壓溫度為90 ℃時，復(fù)合薄木中的EVA再次熔融滲透進入MDF基材的多孔結(jié)構(gòu)，與MDF基材形成機械互鎖。但在有限的熱壓時間內(nèi)滲透進入MDF基材中的EVA大分子受限，這導(dǎo)致EVA薄膜與MDF膠接不充分，膠接界面間存在一定的間隙(圖6a)。當(dāng)熱壓溫度為100 ℃時，EVA的黏度進一步降低，在相同的熱壓時間內(nèi)更多的EVA大分子會進入MDF中，膠合界面間隙明顯縮小(圖6b)，由于機械鎖合力的增強，表面膠合強度提升至1.28 MPa。繼續(xù)增加熱壓溫度至110 ℃，EVA大分子的流動性進一步提高，但與傳統(tǒng)的液態(tài)膠黏劑相比，其黏度仍然較大。在恒定的熱壓時間和熱壓壓力條件下，熔融的EVA大分子并不足以滲透到MDF的更深處。相反，它們可能會積聚在膠合界面上(圖6c)，并且受高溫影響逐漸發(fā)生降解，導(dǎo)致表面膠合強度降低。

圖5 熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木二次飾面性能的影響Fig. 5 Effect of hot-pressing temperature on secondary finishing performance of decorative veneer enhanced with EVA film

圖6 不同貼面溫度制備EVA薄膜增強裝飾薄木飾面板的膠接界面形貌Fig. 6 Bonding interface morphology of EVA film reinforced decorative veneered panels prepared at different secondary processing temperatures

2.2.2 浸漬剝離性能

材料自身的耐水性能以及膠接界面的強度均影響飾面板材的浸漬剝離性能。如圖5所示，當(dāng)熱壓溫度為90 ℃時，由于膠接不充分，飾面板材出現(xiàn)了4.5 mm的剝離長度，但是仍然符合GB/T 15104—2006中Ⅱ類裝飾單板貼面人造板的相關(guān)要求(浸漬剝離長度 ≤25 mm)。繼續(xù)增加熱壓溫度，界面結(jié)合力增大，浸漬剝離長度為0。 由于EVA的熔融溫度較低(85 ℃)，將飾面板置于100 ℃沸水中4 h(Ⅰ類測試條件)，會出現(xiàn)明顯的脫膠和分層現(xiàn)象。因此，EVA薄膜增強裝飾薄木的應(yīng)用場所目前僅限于環(huán)境濕度與溫度相對較穩(wěn)定的室內(nèi)。

2.3 不同增強材料對復(fù)合薄木性能的影響

目前，無紡布和PE薄膜是研究較為廣泛的增強材料，其性能如表2所示。3種增強材料均可顯著提升裝飾薄木的柔韌性和橫向抗拉強度。與無紡布相比，采用塑膜作為增強材料可以獲得更優(yōu)的柔韌性和耐水性，且生產(chǎn)過程中不需要額外施加膠黏劑，既簡化了生產(chǎn)工藝又杜絕了游離甲醛釋放的危害和透膠問題的產(chǎn)生。從橫向抗拉強度和浸漬剝離性能來看，馬來酸酐改性LDPE薄膜(MAPP-LDPE)與未經(jīng)任何特殊處理的EVA薄膜相比，各項性能都具有很大的優(yōu)勢，但是增加改性處理后的PE薄膜成本也會相應(yīng)提高。

表2 不同增強材料制備復(fù)合薄木的性能對比Table 2 Performance comparison of different reinforcement materials for composite veneers

由表2可見，EVA薄膜相比MAPP-LDPE薄膜具有更低的加工溫度，這有利于緩解塑膜增強裝飾薄木因高溫加工產(chǎn)生的卷曲變形[18]。為了進一步分析熱壓溫度對復(fù)合薄木卷曲程度的影響，本研究對比了兩種塑膜增強裝飾薄木的卷曲變形情況，其中PE基復(fù)合薄木的加工溫度為135 ℃，EVA基復(fù)合薄木的加工溫度為110 ℃，薄膜的厚度均為0.1 mm，壓力、時間如表1。通過對比兩者的實物卷曲情況以及測量平均曲率半徑值(R)，結(jié)果顯示EVA基復(fù)合薄木的卷曲程度遠低于PE基復(fù)合薄木(圖7)。陳放7 d后，PE基復(fù)合薄木的平均曲率半徑明顯縮小，卷曲程度進一步增大，而EVA基復(fù)合薄木性能相對穩(wěn)定，基本處于平整的狀態(tài)，這既有利于運輸、貯存和包裝，又有利于二次飾面加工，具有很大的市場應(yīng)用潛力。

圖7 優(yōu)化工藝下的EVA和PE薄膜增強裝飾薄木的卷曲程度對比Fig. 7 Curly degree comparison of EVA and PE film reinforced decorative veneer under optimized process

3 結(jié) 論

1) 熱壓溫度對EVA薄膜增強裝飾薄木的性能影響較顯著。當(dāng)熱壓溫度為110 ℃時，EVA薄膜增強裝飾薄木最小鋼棒直徑為5.3 mm，橫向抗拉強度達0.99 MPa，可以有效提高裝飾薄木的利用率，且滿足異型飾面的要求。

2)EVA薄膜增強裝飾薄木可直接用于MDF等人造板基材的表面裝飾，無須施加額外的液態(tài)膠黏劑，既簡化生產(chǎn)工藝，又具有一定的環(huán)保性。當(dāng)飾面熱壓溫度為100 ℃時，飾面板的表面膠合強度達到1.28 MPa，浸漬剝離性能符合GB/T 15104—2006中的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

3)與未經(jīng)特殊處理的無紡布基復(fù)合薄木、PE基復(fù)合薄木相比，EVA基復(fù)合薄木的柔韌性好，飾面效果理想，卷曲變形程度小，加工能耗低，具有較大的應(yīng)用前景。