高密度聚乙烯薄膜/杨木单板复合胶合板界面改性方法及机理研究

【摘要】胶合板由于加工简单、性能优异，得到了世界各国的重视和前所未有的发展，其产品已广泛应用于各个领域。然而，当前胶合板生产所用的胶黏剂仍以脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂并称的“三醛胶”为主，“三醛胶”及其制品使用时存在甲醛污染环境、危害身心健康等问题。因此，亟待开发无甲醛胶黏剂以解决现有含醛胶合板对我国人居环境的污染问题，这种胶合板品种的问世必将带来巨大的社会效益和经济效益。本论文以无甲醛的高密度聚乙烯（Highdensitypolyethylene,HDPE）薄膜作为木材胶黏剂，采用改进的人造板生产工艺，与杨木单板复合制备HDPE薄膜/杨木单板复合胶合板（木塑复合胶合板），评价了HDPE薄膜的黏结能力，探讨了改性方法及工艺因子对木塑复合胶合板物理力学性能及其胶接界面结构的影响机制，并评价了木塑复合胶合板的耐湿循环能力。论文的主要结论如下：（1）采用响应面试验考察了热压温度（140、155、170oC）、热压时间（0.4、0.8、1.2min/mm）和HDPE层数（1、3、5层）3个因素对木塑复合胶合板胶合强度的影响。结果表明：热压温度、热压时间和HDPE层数以及热压温度和热压时间的交互效应对胶合强度都有显著影响。当热压温度为152oC，热压时间为1.1min/mm，薄膜用量为4~5层（等价施胶量为264.92g/m2）时，胶合强度（“热水浸泡”处理）达到最大值1.68MPa，远超过GB/T9846.3-2004中II类胶合板的使用要求。（2）采用动态力学分析（DMA）及扫描电镜（SEM）等方法分别测定木塑复合胶合板与脲醛树脂/杨木单板复合胶合板（UF树脂胶合板）的性能，评价了HDPE薄膜替代UF树脂胶黏剂的可行性。结果表明：HDPE薄膜与UF树脂在热压过程中都可以流动进入杨木单板的多孔性结构中，与单板形成机械啮合结构，HDPE薄膜具有与UF树脂可比的黏结能力；HDPE薄膜的耐水性能更加优异，浸泡168h后木塑复合胶合板的吸水率（WA）与吸收厚度膨胀率（TS）分别为85.75%和7.65%，分别比UF树脂胶合板低18.8%和4.9%。HDPE的熔融特性对木塑复合胶合板的动态热力学性能有很大影响，当测试温度达到130oC时，木塑复合胶合板中的胶层逐渐软化并滑移，胶接结构失效，表现为储能模量E’值急剧降低和损耗角正切tan值急剧增加。（3）利用红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、接触角（CA）、动态水蒸气吸附仪（DVS）和SEM等方法评价了高温加热（130、160、180、200oC）和乙烯基三甲氧基硅烷A-171（1、2、5%）喷淋处理对杨木单板表面性能的影响。结果表明：高温处理后半纤维素不同程度的降解，以及硅烷处理后单板表面憎水性涂层的沉积及Si-O-C共价键的形成，降低了单板表面的极性，与HDPE薄膜的相容性提高。当单板经200oC高温或2%硅烷A-171处理后，表面的水接触角分别由42o增加到122o和114o，平衡含水率分别由15.36%降低到13.3%和14.71%。高温处理后单板变脆，表面出现了明显的断裂现象；硅烷溶液喷淋处理后，单板表面因覆盖了硅烷涂层而变得光滑。（4）高温加热和硅烷偶联剂喷淋处理均能提高木塑复合胶合板的胶合强度和耐水性能及木材/塑料的界面黏结力。当单板经200oC高温或2%硅烷A-171处理后，胶合强度（“煮-干-煮”处理）分别达到1.24MPa和1.8MPa，比未处理材分别增加51%和128%；24h吸水率从65.81%分别降至49.33%和52.97%。但高温处理会降低胶合板的抗弯性能，200oC处理后MOR和MOE值分别降低了41%和32%。表面预处理后，胶接界面层的刚性提高，木塑复合胶合板储能模量E’值增加，损耗角正切tanmax降低。DMA结果显示：未处理胶合板的E’值终保留率为4.48%，tanmax为0.234；经200oC高温或2%硅烷A-171处理后，E’值的终保留率分别增至27.42%和30.48%，tanmax分别降至0.211和0.115。SEM结果表明：杨木单板在硅烷偶联剂A-171和引发剂过氧化二异丙苯（DCP）的共同作用下，与HDPE大分子发生了有效的化学反应，形成能有效提高杨木单板-HDPE薄膜界面黏结力的胶接结构。这种优良的胶接结构促进了胶接性能的提高，木塑复合胶合板的木破率保持在90%以上。（5）以硅烷A-171和引发剂DCP为改性剂，制备高性能HDPE薄膜/杨木单板复合胶合板，研究了热压温度、HDPE层数、A-171和DCP添加量对木材/塑料界面结构及其性能的影响机制。当热压温度从140oC升高到160oC时，胶合强度（“煮-干-煮”处理）、MOR和MOE的值分别由1.27MPa、63.9MPa和5970MPa增加到1.89MPa、72.2MPa和6710MPa，但热压温度继续增加，胶合强度和抗弯性能均呈现降低趋势；胶接界面层的耐高温破坏能力随着热压温度增加逐渐增强：当热压温度从140oC增至170oC时，胶合板130oC的E’保留率由62.31%提高到92.01%，到达tanmax的温度点从141oC延后至200oC。引发剂是促进硅烷改性单板与HDPE薄膜形成良好胶接结构的重要因子：当DCP的添加量从0增至0.15%时，胶合强度、MOR和MOE值分别达到2.07MPa、77.2MPa和6822MPa，130oC时的E’保留率提高到88.34%，到达tanmax的温度点延至194oC；当硅烷A-171用量为2%，HDPE的用量为1层时，增容效果最好，界面黏结力最大，胶合强度达到1.89MPa，130oC时的E’保留率为85.58%，180oC到达tanmax；当HDPE用量为4层时，耐水性能最强，24h吸水率和吸水厚度膨胀率分别为48.86%和3.40%。（6）利用SEM和DMA研究了木塑复合胶合板及其胶接界面结构的耐湿循环能力。SEM结果显示：经3次湿-冷冻-热循环处理后，木材-塑料胶接结构中同时存在内聚破坏和界面破坏。在未处理和高温处理材的胶接界面结构中，可观察到明显的裂缝及脱落的HDPE碎片；而硅烷改性胶接界面结构中仅存在少量的裂纹，破坏程度减弱。胶接界面结构的破坏引起了木塑复合胶合板胶合强度和抗弯性能不同程度的降低，未处理、200oC高温处理和2%硅烷处理材胶合强度的保留率分别为57%、72%和84%；抗弯性能的保留率均在80%以上。DMA结果表明：湿循环处理后，木塑复合胶合板的耐高温破坏能力降低，当环境温度达到200oC，未处理和200oC高温处理材的胶接界面结构完全破坏，木材单板与塑料薄膜两相完全分离；而硅烷改性的胶接界面结构并未破坏，单板与HDPE薄膜两相仍保持紧密胶合状态。
【作者】方露；
【导师】王正；
【作者基本信息】中国林业科学研究院，木基复合材料科学与工程，2014，博士
【关键词】木塑复合胶合板；界面黏结力；表面预处理；耐湿循环能力；物理力学性能；

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