利用响应面法研究微孔处理杨木单板的胶合性能

利用响应面法研究微孔处理杨木单板的胶合性能
唐忠荣;黄健;戴玉玲;丰江拓
【摘要】利用响应面法分析研究了经微孔处理后的杨木单板的胶合性能。

通过对杨木单板进行微孔处理，可使胶黏剂通过微孔渗入单板体内，增加杨木单板的本体强度，同时也可使相邻胶层透过微孔形成一体而增加单板的胶合强度等，以期制造出一种高性能的地板基材。

结果表明：在试验范围内，随微孔孔径增大，孔距减小和施胶量的增加，其胶合强度增加；随热压压力增加，胶合强度先增强，当压力超过0．8 MPa，胶合强度反而降低。

%We studied the bonding properties of poplar veneer punched with micro-holes by using response surface experiment. The permeability of poplar veneer increased after micro-hole punching.The adhesive could penetrate into the veneer through these micro holes, and the poplar veneer was strengthened.Through micro holes, the neighboring glue lines formed a whole to increase the bonding strength of veneers.Expecting to produce a high performance floor material.The bonding strength of poplar plywood increased with the increasing of micro-hole diameter,resin content , and the decreasing of holes distance.With the increasing of hot pressing pressure, the bonding strength was improved firstly, however, it declined when the pressure exceeded 0.8 MPa.
【期刊名称】《东北林业大学学报》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】4页(P66-69)
【关键词】杨木单板;微孔处理;胶合强度;响应面法
【作者】唐忠荣;黄健;戴玉玲;丰江拓
【作者单位】中南林业科技大学，长沙，410004;中南林业科技大学，长沙，410004;中南林业科技大学，长沙，410004;中南林业科技大学，长沙，410004【正文语种】中文
【中图分类】S781.65
We studied the bonding properties of poplar veneer punched with micro-holes by using response surface experiment. The permeability of poplar veneer increased after micro-hole punching. The adhesive could penetrate into the veneer through these micro holes, and the poplar veneer was strengthened. Through micro holes, the neighboring glue lines formed a whole to increase the bonding strength of veneers. Expecting to produce a high performance floor material. The bonding strength of poplar plywood increased with the increasing of micro-hole diameter, resin content， and the decreasing of holes distance. With the increasing of hot pressing pressure, the bonding strength was improved firstly, however, it declined when the pressure exceeded 0.8 MPa.
人工林杨树具有生长速度快、干形好，密度低、材质松软、颜色浅、含水率高且分布不均等特点[1]，我国杨树总面积达1 010多万hm2，其中人工林面积757.23万hm2，成为人造板工业重要原材料[2]。

许多研究也表明，胶黏剂在木材表面的渗透可显著提高木材的胶合强度[3-5]。

胶黏剂渗透对胶合性能的提高已得到广泛认同，它渗入细胞腔能提高其与木材的机械
嵌合作用，同时修复木材加工过程中被破坏的表面细胞，显著提高胶合界面的刚性[6]。

微孔处理木材在改变木材渗透/渗入和表面性能方面具有明显的优越性和显著的作用，并且能有效地改变木材和有机体的复合特性，将传统的两维胶层结构改成三维的胶层结构，且通过微孔的胶黏剂渗入木材内部而增加木材的本体强度，有效提高人工复合木材的力学性能。

本研究采用微孔处理杨木单板，以改变有机或无机体进入木材内部的途径和减小进入阻力，增加杨木单板本体强度和胶合力，改善杨木材质松软、强度低的缺点，并可以根据木材改性和复合的要求，进行不同的改性处理，达到复合材的要求。

它是一个具有前瞻性的研究，对工业速生材的改性及高效优质利用具有重要的现实意义。

1.1 材料
杨木单板规格为1 260 mm×430 mm×2 mm，湖南湘丰木业提供。

脲醛树脂胶
黏剂的固体质量分数为49.6%，黏度为250 MPa·s。

填充剂为食用面粉。

固化剂
为氯化铵(分析纯)。

1.2 主要仪器设备
电热恒温鼓风干燥机，SKFG-01，湖北省黄石市医疗器械厂；Y33-50500KN型四柱油压机，九州精密压机有限公司；MWD-W10万能力学测试机，济南试金集团；打孔机，浸胶容器，吸水容器，涂胶辊等；NDJ-1型旋转黏度计，上海昌吉仪器
有限公司。

1.3 试验设计
本研究选取微孔孔径、孔中心距、单板单面施胶量和热压压力4个变量，采用响
应面法，借助Design-expert-7软件，进行试验设计和分析。

试验因素和水平选
择参见表1。

1.4 试验步骤
单板准备。

将杨木单板裁制成400 mm×400 mm规格，按照试验设计要求选取打孔参数，用坐标纸定位孔中心距，采用微孔机进行穿孔，然后将所有微孔处理单板进行干燥，控制含水率约10%，并密封保存。

调胶施胶。

首先调制质量分数为20%的氯化铵溶液，然后按m(固体脲醛
胶)∶m(面粉)∶m(固体氯化铵)=100∶10∶1配胶，再根据设计的施胶量对处理单板进行刷胶、辊胶，并通过称质量法准确控制施胶量大小。

且表板和背板只单面施胶。

组坯。

施胶后单板开口陈放30 min后按照胶合板的构成原则进行组坯，并要求相邻层的孔位居中错开，参见图1。

热压。

热压温度选定105 ℃，热压压力按照试验设计选定，保压时间为6 min，然后在接近零压力时保压30 s，最后张开压机。

检测。

按照GB/T 17657—1999人造板试验方法进行试件制作、处理、检测和数据处理。

2.1 结果
根据响应面试验方案设计及结果分析，以x1(微孔孔径)、x2(孔中心距)、x3(单板单面施胶量)和x4(热压压力)为自变量，以Y(胶合强度)为响应值进行响应面的分析试验。

共有29次试验，其中24个为分析原因试验，5个为中心试验，用以估计误差。

29组响应面试验结果，见表2所示。

2.2 方差分析
根据表2的试验结果对4个自变量模型单独存在及交互作用下的方差分析结果，见表3所示。

通过对试验结果进行响应面软件分析，经二次回归拟合后，得到4个自变量因素与胶合强度之间的模拟方程为：
Y=1+0.1x1-0.066x2+0.15x3-2.083×10-3x4-0.049x1x2+0.052x1x3-
0.059x1x4-0.044x2x3-0.035x2x4+8.25×10-3x3x4-4.183×10-3x12-0.016x22-
1.308×10-3x32-0.28x42
对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果显示该模型回归显著(P<0.000 1)，
且该模型的复合相关系数R2=0.991 5，说明该模型与试验值拟合较好，可用于微孔处理单板胶合的理论预测。

此模型中x1、x2、x3对响应值影响非常显著
(P<0.000 1)，x4对响应值的影响不显著，在有交互作用存在的情况下，x1x2、
x1x3、x1x4、x2x3和x2x4有显著影响，而x3x4对响应值的影响不显著。

2.3 响应面分析
应用Design-expert软件，通过模型方程，对表1中试验结果做出两个因素交互
作用对杨木单板胶合强度的影响的响应面三维图(见图2—图7)。

图2表明胶合强度随着孔径的加大、孔中心距的减小而增加，这是因为孔径加大，胶液通过微孔渗入单板内部的阻力减小，渗入数量增加，胶液在微孔内直接形成“胶柱”或“胶钉”提高了木材本体强度，进而起到提高木材胶合强度的效果。

且随着孔数量的增加，胶合强度增加。

图3表明随着孔径和施胶量的增大而胶合强度增加，且孔径越大，施胶量的影响
越明显。

孔径较大，胶液进入微孔的阻力变小，进入的胶量就多，反之亦然。

当涂胶量增大时，胶黏剂大量进入微孔内及微孔四周的木材内，从而有效地提高了胶合强度。

图4表明随孔径的增大，胶合强度增大，但热压压力适中时(0.8 MPa)，其胶合强度最大。

这是因为胶合板胶合过程中加压的目的是使板坯中木材与胶层，x1x2紧
密结合，使胶料部分渗入木材中去，为胶合创造必要条件[7]。

在胶合时对板坯施
加压力的目的是使各层单板表面最大限度地接触。

孔径的加大有利于胶黏剂的渗入，而压力过大将会使胶黏剂过多渗入单板内部，而胶合界面的胶层较少，甚至造成表面缺胶，而压力太小，则未能形成合适的胶层厚度，胶黏剂渗入木材内部的数量减
少，从而降低了胶合强度。

图5表明随着施胶量的增大，孔中心距减小，其胶合强度增大，且施胶量越大，
其影响越明显，在施胶量为最小时，其影响甚微。

这是因为施胶量小，没有多余的胶黏剂渗入孔内，胶黏剂大多留在了单板表面，只有在施胶量较大的时候，微孔处理对胶合强度的影响才有明显效果。

图6表明随着热压压力的增大，胶合强度增强，但当热压压力超过0.8 MPa时强
度则下降，并且变化趋势明显，因为压力过小，单板表面接触不够充分，且不利于胶液的进一步扩散和渗入；而过大的热压压力，则会将胶液过度挤入单板内部或从四周溢出，造成胶合界面胶液不足。

因此，合适的热压力压力对胶合强度十分重要。

同时还可以看出，微孔中心距的变化对胶合强度也有一定的影响，随着孔距的加大，胶合强度下降，这是因为孔的密度加大，胶液通过微孔将相邻两个胶层面黏合且形成“胶钉”作用，致使胶合强度增大。

图7表明随着施胶量的增加，胶合强度直线上升，且在适合的压力作用下，胶合
强度达到最大值，而当压力过大时，强度反而下降。

这是因为施胶量越大，渗入单板内部的胶黏剂量越多，从而形成的胶钉越多，胶合效果越好。

而热压压力过小，不能形成均匀的胶膜或不能有利于胶液渗入单板内，因而胶合强度就低，热压压力过大将会造成单板表面少胶或缺胶，胶合强度又会下降。

此外还可以看出，热压压力的变化对不同施胶量的单板胶合都具有同样的影响效果，即适合的热压压力有利于单板胶合。

微孔孔径、孔距、施胶量、热压压力4个因素对单板胶合强度具有不同程度的影响：随着微孔距的减小，胶合强度增加，但小于一定值时，强度反而下降；随着热压压力的增加，胶合强度增加，当压力超过0.8 MPa时，胶合强度反而降低；随
着施胶量的增加，胶合强度增加；随着孔径的增大，胶合强度增大，超过一定值，胶合强度反而降低。

采用微孔处理单板，胶黏剂在涂胶热压过程中，可加大胶黏剂进入单板内部的量，有效地增强了杨木单板的本体强度，尤其是垂直板面的抗压强度；同时，胶黏剂渗穿单板，将相邻胶层形成一个贯穿的“钉铆”整体结构，增大了胶合强度。

【相关文献】
[1] 王恺.木材工业实用大全：木材保护卷[M].北京:中国林业出版社,2002.
[2] 李坚.木材科学[M].北京：高等教育出版社，2002:477-496.
[3] Brady D E, Kamke F A. Effects of hot-pressing parameters on resin penetration[J]. Forest Products Journal,1988,38(11/12):63-68.
[4] Collett B M. A review of surface and interfacial adhesion in wood science and related fields[J]. Wood Science and Technology,1972,6(1):1-42.
[5] Jakal L. Effect of the penetration of adhesive on the strength of adhesive[J]. Faipar,1984,34(2):59-60.
[6] White M S. Influence of resin penetration on the fracture toughness of wood adhesive bonds[J]. Wood Science,1977,10(1):6-14.
[7] 孟凡丹，余养伦，祝荣先，等.浸胶量对纤维化竹单板层积材物理力学性能的影响[J].木材工业，2011，25(2)：1-7.。