巨尾桉聚乙烯膜热压-冷压工艺研究

巨尾桉聚乙烯膜热压-冷压工艺研究

木材强度好，刚性强，密度高，材料细腻，纹理美观。它是纸浆和人工板（胶型、纤维板、刨花板）的重要原材料。桉木作为南方速生林的战略品种,具有林分林相整齐、产量高、材质一致等诸多优点,尽管存在结疤多、应力大等缺陷,但强度、刚度和纹理是杨木等其他速生人工林木材无法比拟的,适用于家具用材、地板基材甚至结构用材。而且,以桉木为面板的复合材料具有其他片材以及传统实木无法达到的性能,例如尺寸稳定性、均匀性和机械性能的改善。同时,也可大规模生产,这样不仅可以降低处理成本,改进应力分布特性,还具有外型美观、易成型的特点。此外,人造板胶黏剂大多研究集中于传统酚醛树脂、脲醛树脂和生物质胶黏剂,改性仅仅旨在不改变现有生产条件下,提高其基本属性。然而近年来,我国对桉木的研究主要集中在桉树的培育和制浆方面,对桉木胶合板、单板层积材、重组木等研究较少。本研究尝试采用热塑性树脂替代常规胶黏剂制备巨尾桉/聚乙烯膜复合材料,并探索其制备的最优工艺。1试验和方法1.1西巷道生长特点巨尾桉(E.grandisxE.urophylla):取自广西柳州,树龄3~5年,含水率为8.34%~9.15%,规格400mm×400mm×2mm。高密度聚乙烯膜(HDPE):外购,厚度0.06mm,密度0.89g/cm3,熔点为120℃~140℃。1.2台锯、微生物及水浴锅万能试验压机BY302*2/15150T;精密推台锯,型号10-10-80-027;微机控制人造板万能试验机,型号mMWW-50;电热恒温水浴锅,型号DZKW-S-4;JA10002电子天平等。1.3测试方法1.3.1试验因素与水平采用正交表L9(34)进行试验设计,分析热压温度(A)、热压时间(B)、热压压力(C)和聚乙烯膜用量(D)四因素三水平对复合材料物理力学性能的影响,试验因素与水平见表1。1.3.2聚乙烯膜的制备采用人造板生产工艺中热压-冷压的方法,三层交叉纹理组坯。本试验工艺路线:备料→组坯→热压→冷压→裁边→试件制作→检测。将聚乙烯膜裁切为400mm×400mm,按照三水平:119g/m2(二层膜),238g/m2(四层膜),357g/m2(六层膜)进行铺装。将单板交叉纹理组坯后放进热压机中热压。热压过程中,通过分两段卸压的方式保证热量充分传递。为防止聚乙烯膜在冷却过程中收缩回弹,热压后应立即进行冷压,时长5min。1.4巨尾桉/聚乙烯膜复合材料的力学性能将复合材料放置室温下自然冷却24h后锯制试件,根据胶合板国家标准GB/T9846.7-2004,试件在63℃±3℃的热水中浸渍3h后取出,冷却10min。依据国家标准GB17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》,本试验将研究三因素四水平对巨尾桉/聚乙烯膜复合材料各力学性能指标(胶合强度、静曲强度、弹性模量)的影响。获得的检测结果见表2。2工艺因子的影响表3和表4分别是极差分析结果和方差分析结果。图1为工艺因子对复合材料胶合强度、静曲强度和弹性模量的影响。由表3可知,各工艺因子对复合材料物理力学性能的各项指标影响程度不一,其强弱趋势明显。各工艺因子对复合材料的胶合强度、静曲强度和弹性模量的影响强弱依次为:聚乙烯膜用量>热压温度>热压时间>热压压力;热压温度>热压时间>热压压力>聚乙烯膜用量;热压时间>聚乙烯膜用量>热压压力>热压温度。2.1热压温度的影响热压温度是影响木塑复合材料性能的重要参数之一。一定温度下,塑料由无定型固态转化成具有流动性的粘流态物质,并且在木材表面流展、扩散,进而与木材表面形成胶钉,产生机械互锁。复合温度越高,塑料的粘度越低,流动性越好,在木材表面的扩散也越好。从图1可以看出,随着热压温度的上升,胶合强度呈不断上升的趋势:热压温度从140℃到160℃胶合强度上升幅度达25%;而从160℃到180℃时上升幅度下降到5%。这是因为当热压温度由140℃(聚乙烯膜的熔点)升温到160℃时,聚乙烯膜从固态刚融化到液态,对胶合强度的影响明显;而当从160℃上升到180℃时,热压温度远远超过了聚乙烯膜的熔点,膜已完全呈液态,对胶合强度不会有显著影响。同时,热压温度的选择必须遵循2点原则:一是其必须高于塑料的熔点温度;二是防止过高温度引起木材本身热降解的前提下尽量提高复合温度。因此选择160℃为最佳热压温度。2.2热压时间的影响从表3、4可以看出,热压时间对胶合强度和弹性模量影响非常显著,对静曲强度的影响显著。随着热压时间的延长,胶合强度和静曲强度呈先减小后增大的趋势,弹性模量呈先增大后减小的趋势。本研究中热压时间基本能够保证塑料热熔后在木材表面流展达到渗透,热压时间过短塑料的渗透不够充分,而热压时间过长塑料进入本体过多,影响了界面处的塑料分布,同时使细胞壁薄的速生材桉木容易被软化压缩或部分分解,而导致基材强度降低。综合聚乙烯膜的熔融时间、木纤维的热降解时间和功效三个方面考虑,热压时间不宜过长,故本研究认为热压时间50s/mm为优水平。2.3热压压力的影响由表3、图1可知,从1水平到2水平,弹性模量呈上升趋势,增幅为56.5%;从2水平到3水平,则呈缓慢下降的趋势,降幅为4.9%。这是因为聚乙烯属于热塑性树脂,其线性分子结构使韧性为热固性树脂的十倍以上,同时聚乙烯还具有耐冲击好,吸湿性小,成型时间短等特点,所以随着热压温度、时间和压力的逐渐增大,复合材料的弹性模量不断提高。从表4可以看出,热压压力对胶合强度无显著影响。这可能是由于塑料作为非极性高分子材料,在木材内部渗透较为困难,热压压力对于渗透深度的影响不是很大。因此,在保证胶合强度的前提下,将热压压力设置一个较低的水平,可以降低热压中的板材压缩率。故将0.7MPa设定为热压压力的最佳水平。2.4聚乙烯膜用量从图1可直观看出,聚乙烯膜用量对胶合强度影响几乎呈直线上升的趋势;在本试验因素水平选取的范围内,聚乙烯膜用量越大,胶合效果越好。随聚乙烯膜用量从119g/m2增加到238g/m2时,其静曲强度从61.247MPa提高到72.576MPa,进一步增加聚乙烯膜用量至357g/m2,静曲强度强度反而下降。主要是由于聚乙烯膜用量越大,胶层越厚,收缩应力就越大,到一定程度时,非但不会提高反而会使力学强度降低。在保证复合材料各项性能达标的前提下,应尽可能减少聚乙烯膜用量,这样也利于企业降低生产成本。因此选择聚乙烯用量119g/m2为优水平。3巨尾桉/聚乙烯膜复合材料的制备工艺1)用热塑性树脂聚乙烯膜代替传统胶黏剂制成巨尾桉/聚乙烯膜复合材料是切实可行的。2)聚乙烯膜用量和热压温度对板材的力学性能影响显著,随着聚乙烯膜用量和热压温度的提高,板材各项力学性能呈上升趋势。