施膠量對異氰酸酯膠高密度纖維板性能的影響

楊木（Populus spp.）纖維，外購。含水率9.5%，長度主要分布在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%；長徑比＜4.5的纖維占纖維總質(zhì)量的25%；長徑比＜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。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。

拌膠機(DRAIS FTR 250型)、纖維光學(xué)分析儀（Fiber Cam100）、掃描電子顯微鏡（SEM）(S-4800)、電子萬能拉力機（CMT-4104）等。

將纖維放入滾筒拌膠機中，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 ℃，熱壓時間1 mm/min。每組試驗條件制備多塊試板，然后從中選取密度為(900±20) kg/m³的3塊板材進(jìn)行鋸切。

1）微觀形貌：采用SEM對板材內(nèi)部的微觀結(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方法》，檢測試板的內(nèi)結(jié)合強度、靜曲強度、彈性模量及吸水厚度膨脹率和吸水率，每項指標(biāo)取6個有效試件的平均值。結(jié)果按照GB/T 31765—2015《高密度纖維板》進(jìn)行評價。

不同施膠量制備高密度纖維板的實物圖以及采用SEM表征不同施膠量試板的微觀結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1  異氰酸酯膠高密度纖維板的實物圖和微觀結(jié)構(gòu)

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

實物圖1a~d顯示，施膠量從3%增加到15%時，異氰酸酯膠高密度纖維板的外觀良好；當(dāng)施膠量增加到20%時（實物圖1e），板材發(fā)生鼓泡；當(dāng)施膠量增加到25%時（實物圖1f），板材直接開裂，無法成型。主要原因是異氰酸酯膠在固化時，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)生鼓泡甚至開裂的現(xiàn)象。

當(dāng)施膠量為3%時（微觀結(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)合強度不高，這些孔隙也容易形成應(yīng)力集中點，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（微觀結(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間的延長而變大，這是因為浸泡時間越長，水分滲入越多。隨著施膠量進(jìn)一步升高，在相同浸泡時間內(nèi)，板材的吸水厚度膨脹率和吸水率進(jìn)一步降低，這是因為施膠量越大，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，吸水厚度膨脹率和吸水率反而上升，這是因為20%的施膠量時，板材內(nèi)部發(fā)生鼓泡、開裂，水分滲入之后，容易發(fā)生膨脹。

此外，通過SEM微觀結(jié)構(gòu)分析可知，在施膠量較低時，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，但隨著浸泡時間的延長，增幅逐漸減小。這是因為板材施膠量越大，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，說明水分的滲透在400 h之后，接近飽和狀態(tài)。

采用SPSS軟件對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)果見表1。

由表1可知，施膠量對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，說明施膠量對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，纖維板的靜曲強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，靜曲強度、彈性模量分別為77.0、7 300 MPa。這是因為施膠量逐漸增加，纖維表面覆蓋更多的膠黏劑，高溫固化時，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，板材受到外界載荷時，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，板材的力學(xué)性能反而逐漸降低，尤其是施膠量為20%時，板材熱壓之后發(fā)生鼓泡。這是因為異氰酸酯膠黏劑在固化時，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軟件對異氰酸酯膠高密度纖維板靜曲強度的顯著性進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

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

但當(dāng)施膠量在3%~20%之間變化時，其顯著性水平為0.195，大于0.05，表明施膠量對靜曲強度的影響不顯著。因為施膠量達(dá)到20%時，板材的靜曲強度大大降低。

2）內(nèi)結(jié)合強度

異氰酸酯膠高密度纖維板的內(nèi)結(jié)合強度以及沸水煮2 h內(nèi)結(jié)合強度測試結(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，內(nèi)結(jié)合強度從1.35 MPa逐步上升到4.10 MPa；沸水煮2 h內(nèi)結(jié)合強度從0.42 MPa上升到2.37 MPa，然后逐漸下降，與靜曲強度的變化規(guī)律相似。這主要是因為隨著施膠量的增加，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，從而提高內(nèi)結(jié)合強度。

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

通過表3可知，當(dāng)施膠量在3%~15%之間變化時，施膠量對內(nèi)結(jié)合強度影響的顯著水平為0.01＜0.05，說明此范圍的施膠量對內(nèi)結(jié)合強度具有顯著性影響。

但當(dāng)施膠量在3%~20%之間變化時，其顯著性水平為0.889，大于0.05，表明施膠量對內(nèi)結(jié)合強度的影響不顯著。因為施膠量達(dá)到20%時，板材的內(nèi)結(jié)合強度大大降低。

對照GB/T 31765—2015《高密度纖維板》要求可知，當(dāng)施膠量為3%時，板材的抗彎性能和內(nèi)結(jié)合強度滿足標(biāo)準(zhǔn)對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，板材的抗彎性能和內(nèi)結(jié)合強度滿足標(biāo)準(zhǔn)對高濕型高密度纖維板的要求，可應(yīng)用于高濕度領(lǐng)域。