功能膠合板研究進展

發布時間:   2021-08-06 10:31:40   文章來源:   木材王國   瀏覽量:   860  
導讀

膠合板一般是由旋切單板或刨切薄木以相鄰層單板纖維方向垂直組坯,經膠黏劑膠壓而成的一種多層木基復合材料,具有變形系數小、力學性能優良等優點,廣泛應用于建筑、包裝、家具、地板、車船制造等行業。

功能膠合板研究進展

膠合板一般是由旋切單板或刨切薄木以相鄰層單板纖維方向垂直組坯,經膠黏劑膠壓而成的一種多層木基復合材料,具有變形系數小、力學性能優良等優點,廣泛應用于建筑、包裝、家具、地板、車船制造等行業。多年來,膠合板一直是我國人造板產業中的主導產品之一。隨著技術進步和產業結構調整,膠合板產業的發展也進入轉型和升級的關鍵階段,功能增值成為增加膠合板附加值、擴大其應用領域及提升膠合板產品競爭力的重要途徑之一。本文旨在通過探討功能膠合板的研究進展,提出其發展建議,為推動膠合板產業轉型升級和高質量發展提供思路。

 

1 功能膠合板

 

功能膠合板一般是指保持原有膠合板基本理化性能的前提下,具備某種功能特性,如具有熱、電、聲、光、磁、生物、保健等特定功能的膠合板,可用于特定功能場景的使用。功能膠合板的制備方法主要有幾種:1)對膠合板單板進行功能處理,如阻燃、防腐防蟲等浸漬處理法,單板表面的化學鍍處理法;2)對膠合板膠黏劑進行功能處理,如阻燃劑、防腐防蟲劑、香味劑、負氧離子粉先與膠黏劑混合,再用于單板膠合;3)改變膠合板的多層結構,如多層單板間加入導電、導熱、電磁屏蔽、阻尼層,形成復合型膠合板。目前市場上已有商業化產品的功能膠合板主要是阻燃膠合板和防腐防蟲膠合板,電熱膠合板主要應用于實木復合電熱地板的基材,電磁屏蔽、吸聲隔聲、保健等功能膠合板還處于研究階段。

 

1.1 阻燃膠合板

 

膠合板作為室內裝修的主要材料,得到廣泛使用,但普通膠合板存在易燃性,使其在許多領域的應用受到限制[1]。建筑、車船等內部裝修重要部位所用木質材料都要求達到一定的難燃等級。阻燃膠合板的研究和開發具有廣闊的市場和重要的現實意義。

 

目前,阻燃膠合板生產方法主要有浸漬法、單板層壓復合法、表層涂覆法。其中通過單板浸漬工藝制備阻燃膠合板最為常用,主要是將阻燃成分通過加壓(或常壓)方式浸漬單板或膠合板,目前的研究主要集中在開發浸漬效率高、阻燃效果好、對力學性能影響小以及不易析出的新型環保阻燃劑。此外,為了滿足更嚴苛的實際應用環境,開發阻燃多功能(降醛、低煙、防霉、防潮、抗菌等)膠合板具有重要意義[2]。采用雙氰銨、磷酸、硫酸鎂、硼酸等復配處理膠合板,熱釋放量顯著降低91.9%,煙釋放量降低76.8%,并具有一定的防腐防霉功能,同時膠合板的甲醛釋放量降低82.3%。

 

近年來,隨著多領域跨界融合深入發展,市場不斷涌現出單板與金屬薄板或不燃無機復合板(硅酸鈣板、石膏板、玻鎂平板等)復合加工而成的阻燃復合板材。利用楊木單板和鋁箔制備多層膠合板[3],試驗結果表明,隨著鋁箔由板坯中心層逐漸向上下兩面對稱配置,膠合板點燃時間逐漸延長,熱釋放速率和總熱釋放量顯著降低。然而由于鋁箔較薄,膠合板阻燃增強效果有限,且覆面遮擋了膠合板表面木材紋理,也極大地增加了材料燃燒后期的煙釋放量。此外,通過膠層的阻燃功能設計也可獲得阻燃性能較好的膠合板材料[4]。研究表明,鎂基無機膠黏劑(氧化鎂、氯化鎂等)對單板進行雙面施膠制備阻燃膠合板,阻燃處理后膠合板熱釋放速率和總熱釋放量顯著降低,分別約為酚醛樹脂膠黏劑膠合板的2/5和1/2,具有較好的阻燃性能。但是采用阻燃膠黏劑方式開發阻燃膠合板對單板質量要求較高,一般要求單板厚度不超過1.5 mm、表面無明顯缺陷的高質量單板。

 

在膠合板眾多的阻燃處理技術中,利用膨脹型防火涂料對膠合板進行涂刷或噴涂也可獲得具有一定阻燃效果的膠合板材料。膨脹型防火涂料一般由酸源、氣源、炭源和成膜物質構成[5]。研究表明,以三聚氰胺脲醛樹脂為成膜物質,磷酸脒基脲、季戊四醇磷酸酯為協同阻燃成分的防火涂料具有較好的阻燃性能和透明性,透明度高達81%,點燃時間延長196 s,熱釋放速率峰值和煙釋放速率峰值分別顯著下降71.1%和60.6%。

 

對膠合板進行阻燃處理不僅是保護人們生命財產的需要,也符合膠合板行業自身高質量發展的要求。相較于普通膠合板,阻燃膠合板成本平均增加280~460元/m3,但據調查,市場阻燃膠合板售價可提高50%~80%,增值顯著。生產阻燃膠合板,有助于提升產品附加值,擴大膠合板產品種類和應用范圍,降低火災隱患。

 

1.2 電磁屏蔽膠合板

 

為了減少電磁輻射造成的電磁污染,開發電磁屏蔽材料是抵抗電磁污染的方法之一。其中,電磁屏蔽膠合板是將單板與電磁屏蔽材料采用疊層、混雜及柔性加壓等方法制備出的具有電磁屏蔽效果的木基復合材料。

 

將銅粉、鎳粉、石墨粉等導電粉末以及鐵纖維、銅纖維等金屬導電纖維添加到膠黏劑中可以用來制備電磁屏蔽膠合板[6]。研究表明,一定尺寸范圍內的金屬銅纖維通過增加纖維施加量和涂膠量,電磁屏蔽效能可以超過35 dB,具備一定的實用價值。增加導電材料的施加量雖能提升電磁屏蔽效能,但卻對膠合強度產生損傷。在導電材料施加量同等條件下,金屬導電纖維比導電粉末更利于電磁屏蔽效能的提升。

 

將銅纖維/脲醛樹脂通過模壓制備成導電膜片,再與單板通過疊層復合制備出電磁屏蔽膠合板[7],并研究其在電磁兼容設計中的搭接接口固定方式。研究表明,隨著銅纖維在脲醛樹脂中填充量的增加,樹脂內部形成三維導電網絡結構,屏蔽效能不斷增加;隨著導電膜片層數增加,屏蔽效能增加;兩層導電膜片疊層膠合板平均電磁屏蔽效能達到49.65 dB。在搭接接口固定方式方面,相比導電膠黏劑與非導電膠黏劑,銅箔效果最好。

 

通過不同網孔尺寸的不銹鋼網和銅網與單板膠合也可以獲得良好電磁屏蔽效果的膠合板,隨著網孔尺寸的減小,電磁屏蔽效能顯著提高[8]。相比金屬箔、網以及纖維等電磁屏蔽材料密度大的缺點,碳纖維具有輕質高強、耐腐蝕、韌性好等優點,因此,將碳纖維電磁屏蔽碳氈與單板疊層復合可以制備輕質的電磁屏蔽膠合板[9]。當碳纖維在碳氈內填充量達到一定程度時(25 g/m2),才會在其內部形成 “三維電磁屏蔽網絡”,而且隨著填充量的增加,所制備的電磁屏蔽膠合板的屏蔽效能也越大,雙層疊加的屏蔽效能和膠合強度也優于單層疊加;當填充量為120 g/m2時,雙層電磁屏蔽碳氈疊層型膠合板的屏蔽效能為52~68 db,達到中等屏蔽效果。


通過對單板表面進行化學鍍處理再經膠合,也可以獲得良好電磁屏蔽效果的膠合板[10]。鍍銅單板和鍍鎳單板制備的電磁屏蔽膠合板,其平均電磁屏蔽效能分別達到55.83 dB和49.13 dB[11]。 在鍍銅單板上復合納米四氧化三鐵顆??梢孕纬蓮秃襄儗?,可進一步提高其電磁屏蔽效能。通過多次化學鍍方法,可以在單板上形成鐵鎳合金鍍層,并可擴展單板的吸波寬度,提升吸波能力。所制備的反射吸收一體化膠合板,電磁屏蔽效能均超過60 dB[12]。


此外,將磁性錳鋅鐵氧體附著在膨脹石墨層間并與單板膠合,可制備出電磁屏蔽效能良好的膠合板[13]。當錳鋅鐵氧體/石墨質量比例為7∶3,厚度達到3 mm時,電磁屏蔽效能超過45 dB。隨著錳鋅鐵氧體/石墨層數的增加,電磁屏蔽效能逐漸增加,可達到54 dB(層數為3層)。隨后,將錳鋅鐵氧體/石墨與二氧化硅/二氧化碳浸漬單板通過多層結構疊層復合,制備得到的電磁屏蔽膠合板,電磁屏蔽效能最低為75 dB。同樣的,以鋇鐵氧體/石墨與單板膠合制備的電磁屏蔽膠合板,當鋇鐵氧體/石墨層數為3層,厚度1 mm時,電磁屏蔽效能超過49 dB[14]。利用稀土鈰摻雜鋇鐵氧體可改善其吸波性能,隨著稀土鈰摻雜量的增加,電磁屏蔽效能增加,平均在63 dB以上。將鋇鐵氧體/石墨/稀土鈰與二氧化硅/二氧化碳浸漬單板,通過多層結構疊層復合,制備得到的電磁屏蔽膠合板,電磁屏蔽效能平均在72 dB以上。

 

1.3 防腐防蟲膠合板

 

普通膠合板易受蟲菌侵害而腐朽,使用壽命和場景受到限制。經過防腐防蟲處理后,膠合板具備一定的防腐、防蟲及防霉效果,進而延長膠合板的使用年限。

 

以氨溶烷基胺銅、硼酸鹽與不同助劑復配物為防腐劑,采用浸漬法對馬尾松和楊木單板進行防腐處理,經酚醛膠或脲醛膠膠合后可獲得良好防腐效果的膠合板[15]。研究發現,酚醛膠氨溶烷基胺銅馬尾松和楊木防腐膠合板平均載藥量最高,分別達到7.80 kg/m3和9.10 kg/m3,脲醛膠氨溶烷基胺銅馬尾松和楊木防腐膠合板平均載藥量分別為4.21 kg/m3和4.53 kg/m3,脲醛膠硼酸楊木防腐膠合板平均載藥量為4.96 kg/m3。酚醛膠乙二醛/丙三醇與硼酸復配馬尾松防腐膠合板和酚醛膠乙二醛/丙三醇與硼砂復配楊木防腐膠合板的平均硼保持率分別為45.52%和49.38%,最佳工藝條件制得的防腐膠合板可以達到強耐腐等級。

 

以季銨銅類(ACQ-D)和銅鉻砷類(CCA-C)為防腐劑制備的中山杉防腐膠合板,經防腐處理后,其含水率與膠合強度均達到室外用膠合板I類要求,抗彎強度、抗彎彈性模量相比未處理材變化不大。防腐膠合板載藥量增加,耐腐性提高。1年的野外耐真菌腐朽試驗后,防腐膠合板失重率平均小于10%。經22個月的天然耐腐朽和天然抗白蟻試驗后表明,天然耐腐朽性分級值達到10,抗白蟻分級值最高可達10[16]。楊木和桉木單板經季銨銅和銅鉻砷滿細胞法加壓浸漬處理后,用于制備酚醛樹脂防腐膠合板,研究發現,銅鉻砷防腐膠合板可達到Ⅰ級耐腐等級。防腐處理對膠合強度影響很小,但彈性模量和靜曲強度等力學強度降低[17]。

 

采用銅唑防腐劑對木結構覆板用膠合板進行防腐處理,經過真空0.04 MPa浸漬10 min和常壓浸漬10 min,防腐膠合板受褐腐菌和白腐茵侵染后的質量損失率均小于5%,可達到強耐腐等級。防腐處理后,膠合板的力學性能能夠滿足GB/T 22349—2008《木結構覆板用膠合板》要求[18]。

 

往膠層中添加防腐劑或殺蟲劑,也可以對膠合板起到一定的防腐防蟲效果。通過將低毒性緩釋型除蟲菊酯類添加到膠黏劑中用于防蟲膠合板的制備,結果表明,防蟲膠合板的理化指標均達到了相關國家標準的要求,防蟲性能也符合膠合板日本農林標準(JAS)要求的指標范圍[19]。將聯苯菊酯、溴氰菊酯和高效氯氰菊酯等防蟲劑添加到三聚氰胺甲醛樹脂膠黏劑中用于制備防蟲楊木膠合板,結果表明,防蟲楊木膠合板具有良好的防白蟻效果。但防蟲楊木膠合板的膠合強度、靜曲強度和彈性模量均出現不同程度的下降,防蟲劑濃度越高,影響越明顯[20]。將毒死蜱、聯苯菊酯、氰戊菊酯和氯菊酯添加到脲醛樹脂中制備防蟲楊木膠合板,結果表明,一定藥膠比的毒死蜱、聯苯菊酯防蟲膠合板可達Ⅰ級抗蟻蛀水平,而氰戊菊酯和氯菊酯防蟲膠合板抗蟻蛀作用不明顯,與對照組無顯著差異,可能與兩種藥物熱穩定性差有關系,110 ℃熱壓10 min的工藝條件下導致其藥效降低[21]。

 

現有對單板進行防腐處理的方法主要是浸漬、涂刷和噴涂處理,浸漬處理使單板載藥更均勻,載藥量更多,防腐效果最好,持久性也更長。但是,對膠合板的膠合性能和力學強度會有一定的影響。主要原因是防腐劑對木材的表面自由基團、表面膠黏劑浸潤性產生不利影響。選擇相容性較好的膠黏劑和防腐劑及其合理配比是制備防腐膠合板首要考慮的因素[22]。此外,常用的防腐劑多為化學制劑,雖然防腐效果佳,但部分毒性較大,殘留度高對環境和人身健康產生不利影響,采用中草藥(如苦參、樟樹葉、藿香、艾葉等)的提取物可對部分菌種產生一定的抑菌和防霉效果,可為防腐膠合板的應用提供新的研究思路[23]。

 

1.4 電熱功能膠合板

 

通過在膠合板多層結構中引入電熱材料,可以獲得具有電熱功能的膠合板,可在電熱木地板、電熱裝飾墻板及電熱除潮功能衣柜等領域得到廣泛應用。采用碳纖維紙作為電熱材料與單板復合形成電熱功能膠合板,研究發現,單板層-膠層-碳纖維紙層形成的多層界面間具有良好的界面相容性,碳纖維紙內置到膠合板后,電阻下降率呈現負增長,表面溫度均勻度得到改善。此外,在膠合過程中(加壓和保壓),碳纖維紙的電阻表現出下降趨勢,施膠量增加,電阻下降率也逐漸下降,不利于熱輻射的釋放。內置碳纖維紙的電熱功能膠合板呈現“輻射-吸收-再輻射-再吸收”的電熱輻射傳熱效應[24]。

 

將三聚氰胺樹脂浸漬膠膜紙附在碳纖維紙上下表面形成電熱膠層,其余膠層采用三聚氰胺樹脂膠膜,與桉木單板復合得到電熱功能膠合板[25]。研究發現,浸漬膠膜紙的加入,改善了電熱膠合板的電阻變化率,賦予碳纖維紙良好的絕緣包裹作用。熱壓壓力、熱壓時間、熱壓溫度和施膠量等因素對內置電熱層實木復合地板性能和電阻變化具有很大影響,熱壓壓力對膠合強度影響最大,其次是熱壓溫度、施膠量和熱壓時間[26]。施膠量對電阻下降影響最大,其次是熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時間。在相同的工藝參數條件下,施膠量增加一倍,電阻下降率至36. 3% ~41. 3%。以楊木膠合板為上下基材,將自限溫發熱帶內置到兩層楊木膠合板之間,以雙組份異氰酸酯膠進行冷壓膠合處理。研究發現,冷壓時間對電熱膠合板基材間的膠合強度影響最大,其次是施膠量,冷壓壓力并無顯著影響[27]。

 

1.5 聲學功能膠合板

 

普通膠合板具有一定的吸聲和隔聲等聲學功能,膠合板結構、厚度、面密度和孔隙率等是影響其聲學性能主要因素。在吸聲方面,通過對泡桐、楊木、樺木、桉木及竹膠合板的吸聲性能進行研究表明,樹種自身密度的不同致使樹種對膠合板吸聲系數影響顯著,密度越大,中低頻吸聲系數增大,高頻影響不大。膠合板厚度增加,可在一定范圍內增強其吸聲系數[28]。木質穿孔板具有良好的吸聲性能,可用于音樂廳、劇院、體育館等場所,一般以中/高密度纖維板為基材進行穿孔處理,也可采用膠合板制備穿孔板,比如,通過對桉木多層膠合板進行穿孔處理可制備桉木多層穿孔吸聲板,研究發現,穿孔率對吸聲板吸聲性影響最大,其次是板材厚度,孔徑基本無影響[29]。

 

在隔聲方面,以馬尾松膠合板的管胞直徑、孔隙率、紋孔直徑等微觀特性為影響因素,對其隔聲性能進行模擬研究,發現膠層對隔聲性能具有一定影響。由于酚醛樹脂膠層的波速更高,使酚醛樹脂膠合板隔聲量整體上高于脲醛樹脂膠合板;膠合板層數和厚度增加,可抑制共振產生,從而使隔聲量有所提高[30]??傮w而言,以膠合板為代表的木質材料,其隔聲性能表現為中至略差,主要原因還是其面密度偏低[31]。因此,如果采用膠合板應用在隔墻等建筑構件時,要達到同等條件下鋼質材料的隔聲性能,需要大幅度提高其厚度和面密度。

 

還有一種方式是通過將膠合板和高分子阻尼材料進行復合,通過改變單板與阻尼材料的層數,可以提高原有膠合板的隔聲性能,可用于木質隔聲門、木質隔聲墻以及高鐵隔音材料等領域。比如以膠合板作為外層板,夾芯層由填充塑料、泡沫或橡膠組成,所形成的復合板材具有質量輕、隔聲效果優良的特點,可用于高速列車的隔音板[32]。此外,將三層膠合板和兩層橡膠相間組合,通過調節膠合板和橡膠層的厚度,可以改善列車用靜音地板的隔聲性能。當橡膠層厚度均為2 mm,膠合板三層不等厚(3 mm、5 mm、7 mm)時,其隔聲效果比三層等厚更優[33]。

 

1.6 保健功能膠合板

 

通過向膠合板中引入香味劑,可以獲得具有保健功能的膠合板。將薰衣草香精微膠囊與膠黏劑混合后可用于制備釋香型膠合板[34]。當薰衣草香精微膠囊添加量為5%時,釋香型膠合板的表面膠合強度≥0.4 MPa。經氣相色譜檢測釋香型膠合板的香味釋放情況,香味不會因高溫而短時間揮發殆盡,也不會因膠黏劑的固化包裹而無法揮發,初步證實了釋香型膠合板研制的可行性。

 

香味劑的加入,還可以掩蓋原有膠合板的VOCs等氣味,抑制其對室內環境的污染。比如,將樺木薄木分別浸漬在松木精油微膠囊和薰衣草精油微膠囊的混懸液中進行香味劑的處理,然后將其作為飾面薄木貼在膠合板基材表面,可以得到具有釋香特性的膠合板。經氣相色譜檢測發現,微膠囊中的香味成分可以得到有效釋放,香味劑的加入改變了原有膠合板釋放的氣味成分,膠合板自身VOCs的氣味化合物含量也有所改變,部分化合物的含量呈下降趨勢[35]。

 

具有可釋放負氧離子的硅酸鹽類礦物具有一定的環境效應,可起到凈化空氣和消除部分VOCs的作用,因此將其引入膠合板中,也可以獲得具有一定保健功能的膠合板[36]。將電氣石粉添加到脲醛樹脂膠黏劑中用于制備可釋放負氧離子的楊木膠合板,結果表明,隨著電氣石粉添加量的增加,負氧離子釋放量逐漸提高,5%~7%添加量的濃度可達425~570 個/cm3,且可在60天內保持負氧離子含量恒定;甲醛釋放量逐漸減少,但是膠合強度降低[37]。將負氧離子無機材料添加到大豆膠黏劑中制備可釋放負氧離子的桉木膠合板,結果表明,隨著負氧離子無機材料在膠黏劑中添加量的增加,膠黏劑黏度變大,且膠合板的膠合強度增大,負氧離子釋放量提高,4%添加量的濃度可達590 個/cm3[38]。

 

2 結語

 

作為我國人造板產業中的主導產品,膠合板的發展受到業界的廣泛關注。隨著國家“十四五”的開局,綠色轉型、創新引領和提質升級,也成為膠合板下一步發展的關鍵詞,而功能增值將是膠合板創新發展最為直接和有效的方式之一。通過功能創新、功能設計和功能復合,將阻燃、電磁屏蔽、防腐防蟲、電熱、吸聲隔聲以及保健等特性融合入傳統膠合板得到特定功能的膠合板,可進一步滿足細分市場的消費需求,是當前膠合板產業轉型發展的出路之一。目前,阻燃、防腐防蟲、電熱等部分功能膠合板已經走向市場,電磁屏蔽、吸聲隔聲、保健等功能膠合板雖制備技術已經基本成熟,但其商業化開發與應用還面臨成本高、市場小等問題,還需要經一步挖掘其潛力,以便得到行業和市場的認可。


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監制:謝冠遠 編輯:程琪,黃良容 技術編輯:李宇軒,姜博文

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