施膠量對(duì)異氰酸酯膠高密度纖維板性能的影響

楊木（Populus spp.）纖維，外購(gòu)。含水率9.5%，長(zhǎng)度主要分布在0.3~2.5 mm，約占纖維總質(zhì)量的80%；直徑主要分布在0.05~0.3 μm，約占纖維總質(zhì)量的90%；長(zhǎng)徑比＜4.5的纖維占纖維總質(zhì)量的25%；長(zhǎng)徑比＜8.5和＜15的纖維，分別占纖維總質(zhì)量的50%和75%。

異氰酸酯（MDI）膠黏劑，工業(yè)品，外購(gòu)。棕黃色液體，以二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)為主要原料，黏度275 mPa·s(25 ℃)。丙酮，分析純，北京化工廠(chǎng)。

拌膠機(jī)(DRAIS FTR 250型)、纖維光學(xué)分析儀（Fiber Cam100）、掃描電子顯微鏡（SEM）(S-4800)、電子萬(wàn)能拉力機(jī)（CMT-4104）等。

將纖維放入滾筒拌膠機(jī)中，采用高壓霧化方式將丙酮稀釋的MDI膠（m_丙酮∶m_MDI=1∶5）施加到木纖維表面，設(shè)置施膠量分別為3%、6%、10%、15%、20%。將施膠纖維手工鋪裝在模具中，人工預(yù)壓形成板坯，再放入熱壓機(jī)中熱壓。纖維板的幅面為250 mm×250 mm，厚度控制在(7.0±0.5) mm，設(shè)定密度為(900±50) kg/m³，熱壓溫度為190 ℃，熱壓時(shí)間1 mm/min。每組試驗(yàn)條件制備多塊試板，然后從中選取密度為(900±20) kg/m³的3塊板材進(jìn)行鋸切。

1）微觀(guān)形貌：采用SEM對(duì)板材內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2）物理力學(xué)性能：依據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》，檢測(cè)試板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度、彈性模量及吸水厚度膨脹率和吸水率，每項(xiàng)指標(biāo)取6個(gè)有效試件的平均值。結(jié)果按照GB/T 31765—2015《高密度纖維板》進(jìn)行評(píng)價(jià)。

不同施膠量制備高密度纖維板的實(shí)物圖以及采用SEM表征不同施膠量試板的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1  異氰酸酯膠高密度纖維板的實(shí)物圖和微觀(guān)結(jié)構(gòu)

Fig.1  Pictures and microstructures of isocyanate high-density fiberboards

實(shí)物圖1a~d顯示，施膠量從3%增加到15%時(shí)，異氰酸酯膠高密度纖維板的外觀(guān)良好；當(dāng)施膠量增加到20%時(shí)（實(shí)物圖1e），板材發(fā)生鼓泡；當(dāng)施膠量增加到25%時(shí)（實(shí)物圖1f），板材直接開(kāi)裂，無(wú)法成型。主要原因是異氰酸酯膠在固化時(shí)，除發(fā)生自身交聯(lián)以及?NCO與木纖維表面的?OH發(fā)生反應(yīng)之外，還與纖維中水分發(fā)生反應(yīng)，釋放CO₂，當(dāng)異氰酸酯膠施膠量越大，CO₂釋放越多，板材越不容易膠合，因此發(fā)生鼓泡甚至開(kāi)裂的現(xiàn)象。

當(dāng)施膠量為3%時(shí)（微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖1a），纖維板內(nèi)部纖維之間結(jié)合比較松散，孔隙較多，結(jié)合強(qiáng)度不高，這些孔隙也容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，從而導(dǎo)致纖維板力學(xué)性能較低。隨著施膠量的增加，纖維表面包覆的膠黏劑增多，板材內(nèi)部纖維之間結(jié)合更加緊密，因而有利于提高板材的力學(xué)性能。當(dāng)施膠量達(dá)到20%時(shí)（微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖1e），纖維固化成團(tuán)，板材內(nèi)部形成膠塊，雖然施膠量上升了，但是板材發(fā)生了鼓泡現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。

異氰酸酯膠高密度纖維板吸水厚度膨脹率和吸水率的測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。

圖2  異氰酸酯膠高密度纖維板的吸水厚度膨脹率和吸水率

Fig.2  Water absorption and thickness swelling of isocyanate high-density fiberboards

從圖2可以看出，不同施膠量的板材，其吸水厚度膨脹率和吸水率均隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，這是因?yàn)榻輹r(shí)間越長(zhǎng)，水分滲入越多。隨著施膠量進(jìn)一步升高，在相同浸泡時(shí)間內(nèi)，板材的吸水厚度膨脹率和吸水率進(jìn)一步降低，這是因?yàn)槭┠z量越大，纖維表面覆蓋的膠黏劑越多，固化之后，木纖維表面被膠黏劑包覆的越多，裸露在外的羥基越少，水分不易浸入板材中，從而降低了板材的吸水厚度膨脹率和吸水率。但是當(dāng)施膠量增加到20%時(shí)，吸水厚度膨脹率和吸水率反而上升，這是因?yàn)?0%的施膠量時(shí)，板材內(nèi)部發(fā)生鼓泡、開(kāi)裂，水分滲入之后，容易發(fā)生膨脹。

此外，通過(guò)SEM微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析可知，在施膠量較低時(shí)，板材內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散，水分易于浸入板材內(nèi)部，隨著施膠量增加，板材內(nèi)部結(jié)合更加緊密，水分難以滲透，從而降低板材的吸水率和吸水厚度膨脹率。

圖2還顯示，在100 h之前，異氰酸酯膠高密度纖維板的吸水厚度膨脹率和吸水率明顯上升，但隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，增幅逐漸減小。這是因?yàn)榘宀氖┠z量越大，纖維表面包覆的膠黏劑越多，水分越難滲透，大大提高了板材的耐水能力。當(dāng)浸泡時(shí)間增加到400 h后，板材的吸水厚度膨脹率和吸水率逐步趨向平衡，說(shuō)明水分的滲透在400 h之后，接近飽和狀態(tài)。

采用SPSS軟件對(duì)異氰酸酯膠高密度纖維板的吸水厚度膨脹率和吸水率的顯著性進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，施膠量對(duì)吸水厚度膨脹率和吸水率的顯著水平為0.022和0.005，均小于0.05，說(shuō)明施膠量對(duì)吸收厚度膨脹率和吸水率影響顯著。

1）抗彎性能

不同施膠量壓制的異氰酸酯膠高密度纖維板抗彎性能的測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

圖3  異氰酸酯膠高密度纖維板的抗彎性能

Fig.3  Bending properties of isocyanate high-density fiberboards

圖3顯示，施膠量為3%時(shí)，纖維板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別為40.5 MPa和4 800 MPa；當(dāng)施膠量增加到10%時(shí)，靜曲強(qiáng)度、彈性模量分別為77.0、7 300 MPa。這是因?yàn)槭┠z量逐漸增加，纖維表面覆蓋更多的膠黏劑，高溫固化時(shí)，異氰酸酯膠的一部分?NCO基團(tuán)發(fā)生自交聯(lián)反應(yīng)，得到網(wǎng)狀大分子，另外一部分?NCO與木纖維表面的?OH發(fā)生反應(yīng)，生成氨基甲酸酯基團(tuán)，將異氰酸酯膠和木纖維通過(guò)化學(xué)鍵緊密結(jié)合在一起，使板材的內(nèi)部形成更多的交聯(lián)點(diǎn)，板材受到外界載荷時(shí)，纖維之間能夠有效地傳遞應(yīng)力，從而大大提高板材的力學(xué)性能。

當(dāng)施膠量從10%增加到20%時(shí)，板材的力學(xué)性能反而逐漸降低，尤其是施膠量為20%時(shí)，板材熱壓之后發(fā)生鼓泡。這是因?yàn)楫惽杷狨ツz黏劑在固化時(shí)，與纖維中水分發(fā)生反應(yīng)，釋放CO₂，導(dǎo)致板材不容易膠合，其抗彎性能明顯下降。如果降低纖維含水率，估計(jì)還可以進(jìn)一步提高M(jìn)DI膠的施膠量，也就意味著纖維板性能還有提升的空間。如將高密度纖維板應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)飾件等領(lǐng)域中，該領(lǐng)域?qū)Π宀男阅艿囊筮h(yuǎn)高于裝飾裝修領(lǐng)域?qū)w維板的要求。

采用SPSS軟件對(duì)異氰酸酯膠高密度纖維板靜曲強(qiáng)度的顯著性進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)表2可知，當(dāng)施膠量在3%~15%之間變化時(shí)，施膠量對(duì)靜曲強(qiáng)度影響的顯著水平為0.048，小于0.05，說(shuō)明此范圍的施膠量對(duì)靜曲強(qiáng)度具有顯著性影響。

但當(dāng)施膠量在3%~20%之間變化時(shí)，其顯著性水平為0.195，大于0.05，表明施膠量對(duì)靜曲強(qiáng)度的影響不顯著。因?yàn)槭┠z量達(dá)到20%時(shí)，板材的靜曲強(qiáng)度大大降低。

2）內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

異氰酸酯膠高密度纖維板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度以及沸水煮2 h內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。

圖4  異氰酸酯膠高密度纖維板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度

Fig.4  Internal bending strength of isocyanate high-density fiberboards

從圖4中可以看出，隨著施膠量從3%增加到10%時(shí)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度從1.35 MPa逐步上升到4.10 MPa；沸水煮2 h內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度從0.42 MPa上升到2.37 MPa，然后逐漸下降，與靜曲強(qiáng)度的變化規(guī)律相似。這主要是因?yàn)殡S著施膠量的增加，纖維表面覆蓋了更多的膠黏劑，高溫固化之后，形成更多的交聯(lián)點(diǎn)，從而提高內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度。

采用SPSS軟件對(duì)異氰酸酯膠高密度纖維板內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度顯著性進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

通過(guò)表3可知，當(dāng)施膠量在3%~15%之間變化時(shí)，施膠量對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度影響的顯著水平為0.01＜0.05，說(shuō)明此范圍的施膠量對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度具有顯著性影響。

但當(dāng)施膠量在3%~20%之間變化時(shí)，其顯著性水平為0.889，大于0.05，表明施膠量對(duì)內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度的影響不顯著。因?yàn)槭┠z量達(dá)到20%時(shí)，板材的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度大大降低。

對(duì)照GB/T 31765—2015《高密度纖維板》要求可知，當(dāng)施膠量為3%時(shí)，板材的抗彎性能和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)普通型高密度纖維板的要求，可應(yīng)用于普通領(lǐng)域；當(dāng)施膠量為6%時(shí)，板材的抗彎性能和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高濕型高密度纖維板的要求，可應(yīng)用于高濕度領(lǐng)域。