PVC薄膜/桉木单板制备胶合板的工艺优化

摘要

近几年，全球经济的快速发展与变革影响着工业化和现代化的飞速前进，我国珍贵的森林资源日益匮乏，并且随着天然林的禁伐政策实施和木材需求量的提高，供需矛盾严峻，因此人造板的使用也受到极大的限制。为了缓解木材资源的短缺，促进人造板行业的可持续发展，发展速生材人工林作为人造板的主要原料显得尤为必要。桉树生长周期短、出材率高，因此，合理利用桉树资源在缓解天然林匮乏、人造板行业可持续发展方面具有重要的意义。人造板是家居、建筑以及装饰材料的主导产品，在市场上具有很大的需求量。人造板中的胶合板因其在生产加工、用材率等方面所具有的独特性能，其产量占人造板总产量的一半且应用于多个领域。目前用于生产胶合板的胶黏剂仍以酚醛树脂和脲醛树脂为主，这些“醛类胶黏剂”及其制成品在使用和生产的过程中存在着甲醛释放、污染环境以及危害身体健康等一系列安全的问题。 本文以无甲醛的聚氯乙烯(PVC)薄膜作为替代胶合板胶黏剂的材料，采用热压-冷压生产工艺制备PVC薄膜/桉木单板复合胶合板。通过对PVC薄膜软化点的分析以及响应面分析法探究PVC添加量(g/m2)、热压时间(min/mm)、热压温度(℃)等工艺因子对木质复合胶合板物理力学性能及其胶接界面相容性的影响。随后通过对桉木单板进行不同温度热处理来进一步提高PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的胶合性能以及各项物理力学性能。由于热压过程中板坯的传热方式主要在压力作用下并通过水分传递热量，因此，采用PVC薄膜开缝技术对生产工艺以及板材的胶合性能做进一步的优化。将优化的最佳工艺参数组合应用到生产企业中并进行试验，为进一步研究新的热压工艺技术提供参考，同时为生产实践提供理论支撑和技术支持。通过本课题研究，具体得出以下结论： （1）通过响应面分析方法得出：采用热压-冷压工艺优化了热压温度（170℃、175℃、180℃）、PVC薄膜添加量（62g/m2、124g/m2、186g/m2）、热压时间（0.8min/mm、1.0min/mm、1.2min/mm）3个工艺因子对PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的各项物理力学性能的影响。影响胶合强度的工艺因子排列顺序为PVC薄膜添加量＞热压温度＞热压时间。薄膜添加量和热压时间、薄膜添加量和热压温度的交互作用对PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的胶合强度均有着显著的影响。最优的热压工艺参数为：热压温度175℃，PVC薄膜添加量124g/m2，热压时间1.0min/mm，此工艺条件下制备的PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的胶合强度达到0.85MPa，达到国家普通胶合板Ⅱ类国标GB/T9846-2015的标准要求。 （2）采用单因素试验方法将桉木单板进行热处理，并设定其温度为120℃、150℃、180℃、200℃，通过物理方法降低桉木单板表面的羟基和羰基基团，使桉木单板和PVC薄膜更好的形成界面胶接并增加相容性，从而提高复合胶合板的胶合强度。对制备的PVC薄膜/桉木单板复合胶合板性能进行检测，热处理温度为180℃时，PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的胶合强度可以达到0.79MPa，满足GB/T9846-2015普通胶合板国家Ⅰ类标准要求。 （3）依据板坯热压过程中的传热机理，对每张PVC薄膜进行均匀开缝（0条、5条、10条、15条）预处理，同时控制桉木单板含水率（5%、10%、15%、20%）、热压时间（0.6min/mm、0.8min/mm、1.0min/mm、1.2min/mm）和热压温度（150℃、160℃、170℃、180℃）对PVC薄膜/桉木单板复合胶合板物理力学性能的影响。通过正交试验L16（45）分析方法研究出：在热压温度160℃、热压时间0.8min/mm、PVC薄膜开缝数10条、单板含水率15%的工艺参数下制备的复合胶合板胶合强度达到0.76MPa且满足GB/T9846-2015普通胶合板Ⅰ类胶合板标准要求。此工艺条件下制备的胶合板与PVC薄膜未处理的工艺相比温度降低了15℃，时间缩短了0.2min/mm，这大大提高了企业生产效益并降低了企业的能耗。 （4）扫描电镜分析（SEM）表明：未做任何预处理的PVC薄膜/桉木单板复合胶合板胶接界面清楚地看到界面结合的不充分，部分结合界面没有形成胶钉、机械啮合状态；经过PVC薄膜开缝处理和桉木单板热处理后，复合胶合板胶接界面的啮合程度，胶合强度显著提高。红外光谱分析（FTIR）表明：热处理后桉木单板的羟基和羰基基团吸收峰强度明显降低，扫描电镜发现此状态下界面机械啮合程度更充分。这种现象与物理力学性能测定结果完全吻合，进一步验证所用工艺的准确性和可行性。 （5）通过调查分析，以产品规格为1220*2440*10mm的五层胶合板为例，综合原料成本、生产能耗成本以及市场定价，生产1m3的PVC薄膜/桉木单板胶合板比生产采用MUF的胶合板新增利润700元。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 选题研究背景及意义

1.1.1 木材资源的现状

木材作为人类持续发展所依赖的重要材料之一，是地球上绿色资源和可再生资源[1]，在我国国民经济高速发展

1.1.2 人造板的发展现状

人造板的出现，使居民对森林资源的利用方式有了革新，从单纯的改变板材的外观升级为改变板材的性能，而板材

因其成分比较单一，适用性较差，而且容易变性和腐蚀，很难满足各种不同用途的需求。随着合成高分子化合物的

胶合板作为人造板的主要板材，目前多应用于室内装饰和装修，但胶合板生产所采用的胶黏剂主要以UF胶黏剂、

由于使用醛类胶黏剂制备的胶合板严重影响生产加工从业者和消费者的身体健康，以及对周围环境的空气污染，不

国家林业局在2009年颁布了行业标准LY/T 1860-2009《非醛类热塑性树脂胶合板》，这个行业

1.1.3 木塑复合人造板的发展状况

国内外木塑复合材料（WPC）是利用热塑性高聚物，与不同形态的木材以不同的加工工艺复合制备的材料。热塑

我国胶合板的年产量受产品的市场需求以及木材供给量的影响而浮动。近几年来，全球范围内的市场对胶合板的需

1.3 桉木资源利用研究现状

1.4 热塑性树脂/单板胶合板的研究现状

1.4.1 国外研究现状

热塑性树脂塑料薄膜复合胶合板是以木材单板作为复合胶合板的基材，以热塑性树脂薄膜代替传统的热固性树脂胶

1.4.2国内研究现状

（1）通过响应面分析方法，控制PVC薄膜添加量、热压温度、热压时间工艺因子，优化出最佳的PVC薄膜/

（2）采用单因素试验方法对桉木单板进行热处理，设定温度（120℃、150℃、180℃、200℃），通

（3）通过对每张PVC薄膜表面进行均匀开缝（0条、5条、10条、15条）处理，同时探究桉木单板含水率

（4）通过PVC薄膜/桉木单板复合胶合板对比传统胶黏剂胶合板的生产原料、干燥成本、热压能耗，优化出经

1.5.2 创新点

（2）首次利用板材间靠水分传递热量的原理，将不透气的PVC薄膜进行均匀的表面开缝处理，使热量更快的传

1.5.3 技术路线

第二章 PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的制备工艺

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验设备

2.2.3 试验方法

2.3试验结果与分析

2.3.1 PVC塑料薄膜的热分析

2.3.2工艺参数对复合胶合板性能的影响

图2-9 PVC薄膜/桉木单板复合胶合板界面胶合

2.4 本章小结

第三章 桉木单板热处理对PVC薄膜/桉木单板胶合板胶合性能的影响

3.1 引言

3.2 试验材料与方法

3.2.1 试验材料

3.2.2 试验设备

3.2.3 试验方法

3.3 单因素试验结果分析

3.3.1 复合胶合板胶合性能的影响

热处理采用单因素试验方法，采用热压-冷压方式，生产工艺为设定热压时间1.0min/mm、冷压时间5m

3.3.2 试验结果分析

研究热处理对桉木单板表面性能的影响，采用红外光谱分析法对不同温度处理后的桉木单板进行了扫描分析，结果

图3-5 热处理后桉木XRD衍射图

图3-6 桉木单板热处理后的结晶度

如图3-7所示为PVC薄膜/桉木单板复合胶合板和PVC薄膜的质量损失图。可以得到，PVC薄膜从50℃

复合胶合板由于桉木单板中木质纤维的作用，使得PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的起初分解温度与PVC薄膜

Note: Composite plywood gluing surface A.(30×);B.(

图3-8 PVC薄膜/桉木单板复合胶合板界面胶合

图3-8为热处理后PVC薄膜/桉木单板复合胶合板胶合面胶合的电镜扫描形貌图。本工艺条件下可以

3.4 本章小结

第四章 PVC薄膜预处理对PVC/单板胶合板的性能影响

4.1 引言

4.2 试验材料与方法

4.2.1 试验材料

4.2.2 试验设备

4.2.3 工艺流程

本试验设定热压-冷压压力为1MPa，冷压时间为5min，PVC薄膜添加量为124g/m2压制

4.2.4 试验方法

采用正交L16（45）分析方法研究桉木单板含水率、PVC薄膜开缝条数、热压时间和热压温度四个因素对该

4.3 结果与分析

4.3.1 正交试验结果及分析

从表4-5、表4-6以及4-7可以得出，采用正交试验分析方法通过控制热压温度、热压时间、桉木单板含水

4.3.2 开缝处理对PVC薄膜/桉木单板胶合板性能影响

通过正交试验分析得出图4-4薄膜开缝处理对复合板胶合强度的影响；图4-5薄膜开缝处理对复合板静曲强度

（1）从热压温度的折线图可以清楚地看出来，当温度从150℃上升到180℃的过程中，呈现先上升后下降的

（2）由热压时间的折线图上可以得出，当热压时间为0.8min/mm时，复合胶合板的胶合强度表现出最大值。反

4.3.3 复合胶合板胶接界面分析

注： 复合胶合板的胶合面A.（500×）；B.（1000×）；C.（500×）；D（1000×）；E

Note: Composite plywood gluing surface A.(500×);B.

图4-7 PVC薄膜/桉木单板复合胶合板界面结合

注： 复合胶合板的端面A.（500×）；B.（800×）；C.（500×）；D（800×）。

Note: Composite plywood end face A.(500×);B.(800×)

图4-8 PVC薄膜/桉木单板复合胶合板界面结合

4.4本章小结

第五章 成本分析

5.1 原材料成本

5.2 加工成本

5.3 产品售价

从产品售价可以得到，PVC薄膜复合胶合板更受人们的喜爱和市场的青睐，价格高出MUF胶合板1200元/

5.4 本章小结

从原材料成本、加工成本以及产品售价三个方面分析，运用本工艺生产PVC薄膜复合胶合板，不仅在原材料上可

每m3的PVC薄膜/桉木单板复合胶合板比MUF为胶黏剂生产的胶合板利润增加约702元，规格为1220

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

（1）界面相容性的改善以及PVC薄膜在木材中的渗透路径等机理需要进一步的分析和研究。

（2）研究一套适合于生产PVC薄膜/桉木单板复合胶合板的连续化、自动化、机械化设备。

（3）进一步研究复合胶合板的使用寿命、阻燃性能、抗老化等性能。

（4）研究开发复合胶合板的结构型应用材料。

参考文献

致谢