塑料含量和分布对定向木塑复合刨花板性能的影响

塑料含量和分布对定向木塑复合刨花板性能的影响
漆楚生;李恺琳;赵博识;杨思奇;李森然;周苗苗
【摘要】为制备耐水性能优良且绿色环保的木质复合材料,以高密度聚乙烯塑料（HDPE）为主要黏接剂制备定向木塑复合刨花板,研究HDPE含量（0%-16%）和分布对定向木塑复合刨花板物理力学性能的影响。

研究结果表明：定向木塑复合刨花板的弹性模量、静曲强度和内结合强度随HDPE含量的增大而增大,当HDPE 含量达到12%时,上述性能在试验范围内达到最大值;塑料含量继续增加则力学性能均有降低的趋势。

HDPE添加量越多,定向木塑复合刨花板的吸水厚度膨胀率越小,且均低于8%。

HDPE在板坯中均匀分布时静曲强度最高,当HDPE仅分布在上下表面时内结合强度最大,且吸水厚度膨胀率较低。

【期刊名称】《林业工程学报》
【年(卷),期】2016(001)006
【总页数】6页(P39-44)
【关键词】定向木塑复合刨花板;高密度聚乙烯;热压成型;物理力学性能
【作者】漆楚生;李恺琳;赵博识;杨思奇;李森然;周苗苗
【作者单位】[1]北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室,北京100083;[2]中国林业科学研究院木材工业研究所,北京100091
【正文语种】中文
【中图分类】TS653
木材是多种亲水性高分子的复合物，与憎水性的热塑性塑料复合可降低水分对其性能的不良影响[1]。

此外，热塑性塑料与人造板中常用的脲醛和酚醛胶黏剂相比不
释放甲醛等挥发性有害气体，从源头上解决了游离甲醛的污染问题[2]。

国内外很
多研究者使用挤出法制备了木塑复合材料，并采用新的方法提高了木粉在木塑复合材料中的比重以降低生产成本[3]。

Ayrilmis等[1]和Benthien等[4]的研究表明，与挤出法相比，热压制备法所需的压力低，产率高，且能生产更大幅面的产品。

很多学者以木粉和粉末状的热塑性塑料为原料，经机械混合后采用热压法制备了木塑复合材料[4-5]，但由于木粉在磨粉过程中细胞结构受到破坏，以及极性的木粉
与非极性的塑料界面结合强度低，因此所制备的木塑复合材料力学性能较低[6]。

一个有效的解决方法是增加木质原料的长径比，大长径比木材单元能建立一个互相交织的网状系统，可以增加产品的弯曲性能[7]。

Thamae等[8]和Migneault等[9]认为增加木材原料的长径比能加大塑料基体与木材之间的接触面积，从而增加木材与塑料复合材的性能。

笔者前期研究结果也表明，刨花长径比越大，制备的棉秆
/HDPE复合材料的力学性能越高[10]。

但上述复合材料以塑料粉末为原料，在制
备过程中观察到部分塑料粉末在铺装和板坯热压过程中通过刨花之间的空隙滑落至板坯底部，导致塑料在产品中分布不均匀，Zampaloni[11]也观察到类似的现象。

上述问题的一个可行的解决方法是使用热塑性塑料薄膜替代塑料粉末原料用于制备含有大尺寸木质单元的木塑复合材料。

方露和常亮等[2, 12-13]较早使用高密度聚乙烯(HDPE)薄膜作为黏接剂，采用热压法制备了木塑复合胶合板，制备的产品胶合强度最大值达到1.68 MPa，且24 h
吸水厚度膨胀率低于5%，无游离甲醛释放。

制备木塑复合胶合板需要较大径级的木材，但大径级木材供应短缺，需开发出一种适合小径级材的高强度木塑复合产品。

笔者在前期研究中以HDPE薄膜为黏接剂，开发了定向甜高梁秆/HDPE复合材料，与传统人造板和热压木塑复合材料相比有较大的物理力学性能优势，尤其降低了吸
水厚度膨胀率；前期研究结果还表明，塑料薄膜在板坯的厚度方向容易出现聚集，从而形成波浪型断面密度分布(VDP)，需对制备工艺进一步改进[10, 14]。

但甜高梁秆原料受收获季节的限制，因此，可充分利用速生木材制备高强度定向木塑复合材料，从而既发挥热塑性塑料优异的耐水性能和环保性能，又能体现定向刨花板(OSB)在纤维方向上的高强度。

非极性憎水性的塑料与极性亲水性的生物质秸秆界面相容性较差，接合界面易受到破坏，添加偶联剂是一种增强界面接合力的有效方法[15]。

木塑复合材料制备中，异氰酸酯偶联剂具有液态形式，便于施胶和后处理，它与生物质秸秆中的纤维素等成分发生化学反应形成高能量的共价键，其偶联效果优于硅烷[16]。

因此，本研究以异氰酸酯作为偶联剂，以大长径比木材刨花和热塑性塑料薄片为原料制备定向木塑复合刨花板(OSPB)，通过单因素试验，研究塑料含量和板坯结构对最终产品物理力学性能的影响，为定向木塑复合刨花板的生产和应用提供参考。

1.1 试验材料
大长径比杨木刨花购自山东鲁丽集团，长60～100 mm，宽15～20 mm，厚0.2～0.5 mm，刨花经晾晒后储存，使用时含水率调控至8%。

HDPE薄膜购自武汉市凯蒂塑料制品有限公司，厚度0.1 mm，将薄膜裁剪成长80 mm，宽20 mm的塑料薄片备用。

聚合二苯甲基丙烷二异氰酸酯(MDI)偶联剂购自烟台万华聚氨酯股份有限公司，牌号为PM200，NCO基团质量分数为30%～32%，使用前将MDI放置在冷库中保存，使用时在室温下解冻，然后按质量比1∶1与丙酮混合稀释，保证喷胶时具有良好的流动性。

1.2 试验方法
1.2.1 定向木塑复合刨花板制备
定向木塑复合刨花板的制备方法如图1所示。

通过干燥和恒温恒湿的方法将木材刨花的含水率调控至目标含水率8%，对木材刨花称质量后放入滚筒中，将占刨花
质量2%的MDI用高压喷枪喷到刨花表面，之后将塑料薄片放入滚筒中使两者均
匀混合。

刨花和塑料混合物通过定向装置进行定向铺装，在板坯的上下表面放置脱模纸，并以厚度规控制目标厚度。

将板坯放入热压机中在180 ℃下热压，热压压
力曲线如图2所示，在300 s时将压力降为零并保持零压力30 s对板坯进行放气。

热压后迅速将板坯转移至冷压机中，在室温和1 MPa压力下保压20 min取出制
成定向木塑复合刨花板。

定向木塑复合刨花板设计目标密度为0.8 g/cm3，四周
至少各裁边50 mm后产品尺寸为450 mm×450 mm×12 mm，每个样品至少重复3次。

试验设计方案如表1所示，为研究塑料含量对产品物理力学性能的影响，在前期
研究的基础上[15]，将HDPE薄片的含量(质量分数)确认为0%，4%，8%，12%
和16%，杨木刨花和塑料薄片经滚筒均匀混合后一起进行定向铺装。

将塑料薄片
与杨木刨花在板坯中均匀混合的铺装结构命名为S0；将板坯按质量均分为3层，
将塑料薄片只加入到上下两个表层的铺装结构称为S1；将塑料只加入到中间层的
结构称为S2。

板坯结构示意图如图3所示。

通过对S0结构板材的物理力学性能
进行分析，确定HDPE含量为12%时物理力学综合性能较优。

因此，将12%的塑料薄片加入S1和S2结构中，研究塑料在板坯中的分布对产品物理力学性能的影响。

1.2.2 物理力学性能测试
物理力学性能测试前，先将定向木塑复合刨花板置于温度为20 ℃，相对湿度为65%的恒温恒湿室中进行恒温恒湿处理，然后根据ASTM D1037标准测试板材的静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)和吸水厚度膨胀率(TS)。

由于
定向木塑复合刨花板在横向和纵向的力学性能存在差异，因此分别测试了平行和垂直于纤维方向的MOR和MOE。

1.2.3 数据均一化处理
密度是复合材料的重要参数之一，对产品性能有较大的影响。

本研究采用数据均一化方法对试验数据进行处理，以消除测试样品密度对性能的影响。

首先对定向木塑复合刨花板试件的密度和性能数据进行F测试(SAS软件)，采用线性回归方法检验其是否在99%水平显著：如果显著，则其物理力学性能可通过线性回归方程均一化至设定的目标密度；如果F测试不显著，则取该物理力学性能的平均值[4]。

2.1 塑料含量对物理力学性能的影响
HDPE的成本高于木材原料，HDPE含量的减少可以降低定向木塑复合刨花板的生产成本。

塑料含量对定向木塑复合刨花板物理力学性能的影响见图4。

从图中可以看出，随着HDPE含量的增加，定向木塑复合刨花板的MOR、MOE和IB都有所增加；当HDPE质量分数达到12%时，上述性能在试验范围内达到最大值；若塑料含量继续增加，则上述各项性能反而有所降低。

与未添加HDPE的板材相比，添加12%HDPE时纤维方向的MOR、MOE和IB分别增加了18.3%，11.9%和50.8%。

因此，HDPE的添加对IB的影响最大。

添加HDPE后定向木塑复合刨花板性能的增加主要是由于HDPE独特的热塑性性质。

在复合材料热压过程中，塑料熔化并在压力的作用下进入木材刨花间的空隙，HDPE塑料无规则填充空隙增加了机械互锁。

此外，MDI既起到胶黏剂的作用，使未添加HDPE的木材刨花间产生化学接合，又起到偶联剂的作用，使HDPE与木材刨花连接在一起。

因此，添加一定量的HDPE后，定向木塑复合刨花板在平行和垂直纤维方向上的MOR和MOE均有所增加。

根据经典力学理论，定向木塑复合刨花板的力学性能取决于木材刨花的强度、HDPE塑料的强度、HDPE的含量以及木材与HDPE之间的界面接合。

添加适量的HDPE增强了塑料与木材之间的机械互锁作用，从而最终增强定向木塑复合刨花板的物理力学性能。

当HDPE过量添加时，由于HDPE的力学强度远小于木材刨花的强度，根据混合法则，力学性能会有所下降。

因此，HDPE含量为16%时的MOR、MOE和IB与12%含量
相比均有所下降，表明塑料含量为12%时板材力学性能在试验范围内较优。

吸水厚度膨胀率是高湿环境下复合材料的重要性能之一，特别是室外用材对吸水厚度膨胀率和吸水率有极其严格的要求，HDPE含量对定向木塑复合刨花板吸水厚度膨胀率的影响见图4d。

随着HDPE含量的增加，定向木塑复合刨花板的吸水厚度膨胀率逐渐变小，且均低于8%，表明耐水性能较好。

HDPE塑料为憎水性材料，其添加量越大，则亲水性的木材含量越少，产品中能吸水膨胀的物质也就越少；此外，塑料包裹木材，减少了水分进入木材的通道；再者，塑料在产品中形成连通的网状结构，阻碍了木材的吸水膨胀。

因此，HDPE含量越高，吸水厚度膨胀率越低。

2.2 塑料分布对物理力学性能的影响
HDPE在板坯中的分布对定向木塑复合刨花板物理力学性能的影响见图5。

由图5可知，塑料在板坯中均匀分布(S0结构)时静曲强度最高，塑料分布在上下表面1/3层和分布在中间1/3层时MOR相似，但均低于塑料均匀分布时的静曲强度，这
主要是由于塑料不均匀分布时，会使定向木塑复合刨花板局部塑料含量增加，而塑料与木材界面结合强度较低，降低了OSPB应力的传递能力。

塑料的不同分布对MOE影响较小，而对内结合强度和吸水厚度膨胀率影响较大。

内结合强度主要取决于板材中心层密度以及刨花与塑料的界面结合强度，当HDPE仅分布在上下表
面时IB值最大，表明MDI能较好地使刨花胶接在一起，而HDPE与刨花的界面
结合强度低于MDI的胶接强度，因此需进一步增强刨花与塑料之间的界面接合。

S1结构具有较低的吸水厚度膨胀率，而S2结构的吸水厚度膨胀率较高。

S1结构
中的HDPE塑料更多地分布在上下表面，阻碍了水分从表层向芯层传递；而S2结构则相反，在上下表面没有HDPE塑料，因此水分更容易渗透进入木材刨花，刨
花的非结晶区吸水后膨胀，耐水性能较差。

2.3 定向木塑复合刨花板的优势
定向木塑复合刨花板主要力学性能与常用人造板力学性能的比较见表2。

通过力学
性能比较发现，本研究制备的HDPE含量为12%的定向木塑复合刨花板，其MOR和MOE优于杨木定向刨花板(添加5% MDI胶)以及传统的纤维板和刨花板，此外，其吸水厚度膨胀率也优于上述板材。

与10%HDPE的定向甜高梁秆/HDPE
复合材料相比，本研究制备的定向木塑复合刨花板在平行纤维方向的MOR和MOE更优，主要原因在于木材本身的力学性能优于甜高梁秆；但内结合强度值较低，这是由于甜高梁秆的孔隙更大，便于偶联剂和塑料渗透，界面接合更加紧密。

因此，定向木塑复合刨花板具有原料无甲醛释放和高性能的优势，可在木结构建筑、室内外装饰和家具等方面进行应用。

高密度聚乙烯塑料含量越高，定向木塑复合刨花板的MOR、MOE和IB越大，当HDPE质量分数达到12%时，上述力学性能在试验范围内达到最大值，平行纤维
方向的MOR和MOE分别达到73.97 MPa和8.43 GPa；塑料含量继续增加时上述各项性能均有降低的趋势。

HDPE添加量越多，定向木塑复合刨花板的吸水厚度膨胀率越小，且均低于8%。

塑料在板坯中均匀分布时静曲强度最高，塑料在板坯中的分布对MOE影响较小。

当HDPE仅分布在上下表面时IB值最大，且吸水厚
度膨胀率最低；当塑料仅分布在板坯中间层时吸水厚度膨胀率最高。

与传统定向刨花板和其他常用人造板相比，定向木塑复合刨花板具有物理力学性能优势，可在木结构建筑、室内外装饰和家具等方面广泛应用。

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