功能胶合板研究进展

发布时间:   2021-08-06 10:31:40   文章来源:   木材王国   浏览量:   215  
导读

胶合板一般是由旋切单板或刨切薄木以相邻层单板纤维方向垂直组坯,经胶黏剂胶压而成的一种多层木基复合材料,具有变形系数小、力学性能优良等优点,广泛应用于建筑、包装、家具、地板、车船制造等行业。

功能胶合板研究进展

胶合板一般是由旋切单板或刨切薄木以相邻层单板纤维方向垂直组坯,经胶黏剂胶压而成的一种多层木基复合材料,具有变形系数小、力学性能优良等优点,广泛应用于建筑、包装、家具、地板、车船制造等行业。多年来,胶合板一直是我国人造板产业中的主导产品之一。随着技术进步和产业结构调整,胶合板产业的发展也进入转型和升级的关键阶段,功能增值成为增加胶合板附加值、扩大其应用领域及提升胶合板产品竞争力的重要途径之一。本文旨在通过探讨功能胶合板的研究进展,提出其发展建议,为推动胶合板产业转型升级和高质量发展提供思路。

 

1 功能胶合板

 

功能胶合板一般是指保持原有胶合板基本理化性能的前提下,具备某种功能特性,如具有热、电、声、光、磁、生物、保健等特定功能的胶合板,可用于特定功能场景的使用。功能胶合板的制备方法主要有几种:1)对胶合板单板进行功能处理,如阻燃、防腐防虫等浸渍处理法,单板表面的化学镀处理法;2)对胶合板胶黏剂进行功能处理,如阻燃剂、防腐防虫剂、香味剂、负氧离子粉先与胶黏剂混合,再用于单板胶合;3)改变胶合板的多层结构,如多层单板间加入导电、导热、电磁屏蔽、阻尼层,形成复合型胶合板。目前市场上已有商业化产品的功能胶合板主要是阻燃胶合板和防腐防虫胶合板,电热胶合板主要应用于实木复合电热地板的基材,电磁屏蔽、吸声隔声、保健等功能胶合板还处于研究阶段。

 

1.1 阻燃胶合板

 

胶合板作为室内装修的主要材料,得到广泛使用,但普通胶合板存在易燃性,使其在许多领域的应用受到限制[1]。建筑、车船等内部装修重要部位所用木质材料都要求达到一定的难燃等级。阻燃胶合板的研究和开发具有广阔的市场和重要的现实意义。

 

目前,阻燃胶合板生产方法主要有浸渍法、单板层压复合法、表层涂覆法。其中通过单板浸渍工艺制备阻燃胶合板最为常用,主要是将阻燃成分通过加压(或常压)方式浸渍单板或胶合板,目前的研究主要集中在开发浸渍效率高、阻燃效果好、对力学性能影响小以及不易析出的新型环保阻燃剂。此外,为了满足更严苛的实际应用环境,开发阻燃多功能(降醛、低烟、防霉、防潮、抗菌等)胶合板具有重要意义[2]。采用双氰铵、磷酸、硫酸镁、硼酸等复配处理胶合板,热释放量显著降低91.9%,烟释放量降低76.8%,并具有一定的防腐防霉功能,同时胶合板的甲醛释放量降低82.3%。

 

近年来,随着多领域跨界融合深入发展,市场不断涌现出单板与金属薄板或不燃无机复合板(硅酸钙板、石膏板、玻镁平板等)复合加工而成的阻燃复合板材。利用杨木单板和铝箔制备多层胶合板[3],试验结果表明,随着铝箔由板坯中心层逐渐向上下两面对称配置,胶合板点燃时间逐渐延长,热释放速率和总热释放量显著降低。然而由于铝箔较薄,胶合板阻燃增强效果有限,且覆面遮挡了胶合板表面木材纹理,也极大地增加了材料燃烧后期的烟释放量。此外,通过胶层的阻燃功能设计也可获得阻燃性能较好的胶合板材料[4]。研究表明,镁基无机胶黏剂(氧化镁、氯化镁等)对单板进行双面施胶制备阻燃胶合板,阻燃处理后胶合板热释放速率和总热释放量显著降低,分别约为酚醛树脂胶黏剂胶合板的2/5和1/2,具有较好的阻燃性能。但是采用阻燃胶黏剂方式开发阻燃胶合板对单板质量要求较高,一般要求单板厚度不超过1.5 mm、表面无明显缺陷的高质量单板。

 

在胶合板众多的阻燃处理技术中,利用膨胀型防火涂料对胶合板进行涂刷或喷涂也可获得具有一定阻燃效果的胶合板材料。膨胀型防火涂料一般由酸源、气源、炭源和成膜物质构成[5]。研究表明,以三聚氰胺脲醛树脂为成膜物质,磷酸脒基脲、季戊四醇磷酸酯为协同阻燃成分的防火涂料具有较好的阻燃性能和透明性,透明度高达81%,点燃时间延长196 s,热释放速率峰值和烟释放速率峰值分别显著下降71.1%和60.6%。

 

对胶合板进行阻燃处理不仅是保护人们生命财产的需要,也符合胶合板行业自身高质量发展的要求。相较于普通胶合板,阻燃胶合板成本平均增加280~460元/m3,但据调查,市场阻燃胶合板售价可提高50%~80%,增值显著。生产阻燃胶合板,有助于提升产品附加值,扩大胶合板产品种类和应用范围,降低火灾隐患。

 

1.2 电磁屏蔽胶合板

 

为了减少电磁辐射造成的电磁污染,开发电磁屏蔽材料是抵抗电磁污染的方法之一。其中,电磁屏蔽胶合板是将单板与电磁屏蔽材料采用叠层、混杂及柔性加压等方法制备出的具有电磁屏蔽效果的木基复合材料。

 

将铜粉、镍粉、石墨粉等导电粉末以及铁纤维、铜纤维等金属导电纤维添加到胶黏剂中可以用来制备电磁屏蔽胶合板[6]。研究表明,一定尺寸范围内的金属铜纤维通过增加纤维施加量和涂胶量,电磁屏蔽效能可以超过35 dB,具备一定的实用价值。增加导电材料的施加量虽能提升电磁屏蔽效能,但却对胶合强度产生损伤。在导电材料施加量同等条件下,金属导电纤维比导电粉末更利于电磁屏蔽效能的提升。

 

将铜纤维/脲醛树脂通过模压制备成导电膜片,再与单板通过叠层复合制备出电磁屏蔽胶合板[7],并研究其在电磁兼容设计中的搭接接口固定方式。研究表明,随着铜纤维在脲醛树脂中填充量的增加,树脂内部形成三维导电网络结构,屏蔽效能不断增加;随着导电膜片层数增加,屏蔽效能增加;两层导电膜片叠层胶合板平均电磁屏蔽效能达到49.65 dB。在搭接接口固定方式方面,相比导电胶黏剂与非导电胶黏剂,铜箔效果最好。

 

通过不同网孔尺寸的不锈钢网和铜网与单板胶合也可以获得良好电磁屏蔽效果的胶合板,随着网孔尺寸的减小,电磁屏蔽效能显著提高[8]。相比金属箔、网以及纤维等电磁屏蔽材料密度大的缺点,碳纤维具有轻质高强、耐腐蚀、韧性好等优点,因此,将碳纤维电磁屏蔽碳毡与单板叠层复合可以制备轻质的电磁屏蔽胶合板[9]。当碳纤维在碳毡内填充量达到一定程度时(25 g/m2),才会在其内部形成 “三维电磁屏蔽网络”,而且随着填充量的增加,所制备的电磁屏蔽胶合板的屏蔽效能也越大,双层叠加的屏蔽效能和胶合强度也优于单层叠加;当填充量为120 g/m2时,双层电磁屏蔽碳毡叠层型胶合板的屏蔽效能为52~68 db,达到中等屏蔽效果。


通过对单板表面进行化学镀处理再经胶合,也可以获得良好电磁屏蔽效果的胶合板[10]。镀铜单板和镀镍单板制备的电磁屏蔽胶合板,其平均电磁屏蔽效能分别达到55.83 dB和49.13 dB[11]。 在镀铜单板上复合纳米四氧化三铁颗粒可以形成复合镀层,可进一步提高其电磁屏蔽效能。通过多次化学镀方法,可以在单板上形成铁镍合金镀层,并可扩展单板的吸波宽度,提升吸波能力。所制备的反射吸收一体化胶合板,电磁屏蔽效能均超过60 dB[12]。


此外,将磁性锰锌铁氧体附着在膨胀石墨层间并与单板胶合,可制备出电磁屏蔽效能良好的胶合板[13]。当锰锌铁氧体/石墨质量比例为7∶3,厚度达到3 mm时,电磁屏蔽效能超过45 dB。随着锰锌铁氧体/石墨层数的增加,电磁屏蔽效能逐渐增加,可达到54 dB(层数为3层)。随后,将锰锌铁氧体/石墨与二氧化硅/二氧化碳浸渍单板通过多层结构叠层复合,制备得到的电磁屏蔽胶合板,电磁屏蔽效能最低为75 dB。同样的,以钡铁氧体/石墨与单板胶合制备的电磁屏蔽胶合板,当钡铁氧体/石墨层数为3层,厚度1 mm时,电磁屏蔽效能超过49 dB[14]。利用稀土铈掺杂钡铁氧体可改善其吸波性能,随着稀土铈掺杂量的增加,电磁屏蔽效能增加,平均在63 dB以上。将钡铁氧体/石墨/稀土铈与二氧化硅/二氧化碳浸渍单板,通过多层结构叠层复合,制备得到的电磁屏蔽胶合板,电磁屏蔽效能平均在72 dB以上。

 

1.3 防腐防虫胶合板

 

普通胶合板易受虫菌侵害而腐朽,使用寿命和场景受到限制。经过防腐防虫处理后,胶合板具备一定的防腐、防虫及防霉效果,进而延长胶合板的使用年限。

 

以氨溶烷基胺铜、硼酸盐与不同助剂复配物为防腐剂,采用浸渍法对马尾松和杨木单板进行防腐处理,经酚醛胶或脲醛胶胶合后可获得良好防腐效果的胶合板[15]。研究发现,酚醛胶氨溶烷基胺铜马尾松和杨木防腐胶合板平均载药量最高,分别达到7.80 kg/m3和9.10 kg/m3,脲醛胶氨溶烷基胺铜马尾松和杨木防腐胶合板平均载药量分别为4.21 kg/m3和4.53 kg/m3,脲醛胶硼酸杨木防腐胶合板平均载药量为4.96 kg/m3。酚醛胶乙二醛/丙三醇与硼酸复配马尾松防腐胶合板和酚醛胶乙二醛/丙三醇与硼砂复配杨木防腐胶合板的平均硼保持率分别为45.52%和49.38%,最佳工艺条件制得的防腐胶合板可以达到强耐腐等级。

 

以季铵铜类(ACQ-D)和铜铬砷类(CCA-C)为防腐剂制备的中山杉防腐胶合板,经防腐处理后,其含水率与胶合强度均达到室外用胶合板I类要求,抗弯强度、抗弯弹性模量相比未处理材变化不大。防腐胶合板载药量增加,耐腐性提高。1年的野外耐真菌腐朽试验后,防腐胶合板失重率平均小于10%。经22个月的天然耐腐朽和天然抗白蚁试验后表明,天然耐腐朽性分级值达到10,抗白蚁分级值最高可达10[16]。杨木和桉木单板经季铵铜和铜铬砷满细胞法加压浸渍处理后,用于制备酚醛树脂防腐胶合板,研究发现,铜铬砷防腐胶合板可达到Ⅰ级耐腐等级。防腐处理对胶合强度影响很小,但弹性模量和静曲强度等力学强度降低[17]。

 

采用铜唑防腐剂对木结构覆板用胶合板进行防腐处理,经过真空0.04 MPa浸渍10 min和常压浸渍10 min,防腐胶合板受褐腐菌和白腐茵侵染后的质量损失率均小于5%,可达到强耐腐等级。防腐处理后,胶合板的力学性能能够满足GB/T 22349—2008《木结构覆板用胶合板》要求[18]。

 

往胶层中添加防腐剂或杀虫剂,也可以对胶合板起到一定的防腐防虫效果。通过将低毒性缓释型除虫菊酯类添加到胶黏剂中用于防虫胶合板的制备,结果表明,防虫胶合板的理化指标均达到了相关国家标准的要求,防虫性能也符合胶合板日本农林标准(JAS)要求的指标范围[19]。将联苯菊酯、溴氰菊酯和高效氯氰菊酯等防虫剂添加到三聚氰胺甲醛树脂胶黏剂中用于制备防虫杨木胶合板,结果表明,防虫杨木胶合板具有良好的防白蚁效果。但防虫杨木胶合板的胶合强度、静曲强度和弹性模量均出现不同程度的下降,防虫剂浓度越高,影响越明显[20]。将毒死蜱、联苯菊酯、氰戊菊酯和氯菊酯添加到脲醛树脂中制备防虫杨木胶合板,结果表明,一定药胶比的毒死蜱、联苯菊酯防虫胶合板可达Ⅰ级抗蚁蛀水平,而氰戊菊酯和氯菊酯防虫胶合板抗蚁蛀作用不明显,与对照组无显著差异,可能与两种药物热稳定性差有关系,110 ℃热压10 min的工艺条件下导致其药效降低[21]。

 

现有对单板进行防腐处理的方法主要是浸渍、涂刷和喷涂处理,浸渍处理使单板载药更均匀,载药量更多,防腐效果最好,持久性也更长。但是,对胶合板的胶合性能和力学强度会有一定的影响。主要原因是防腐剂对木材的表面自由基团、表面胶黏剂浸润性产生不利影响。选择相容性较好的胶黏剂和防腐剂及其合理配比是制备防腐胶合板首要考虑的因素[22]。此外,常用的防腐剂多为化学制剂,虽然防腐效果佳,但部分毒性较大,残留度高对环境和人身健康产生不利影响,采用中草药(如苦参、樟树叶、藿香、艾叶等)的提取物可对部分菌种产生一定的抑菌和防霉效果,可为防腐胶合板的应用提供新的研究思路[23]。

 

1.4 电热功能胶合板

 

通过在胶合板多层结构中引入电热材料,可以获得具有电热功能的胶合板,可在电热木地板、电热装饰墙板及电热除潮功能衣柜等领域得到广泛应用。采用碳纤维纸作为电热材料与单板复合形成电热功能胶合板,研究发现,单板层-胶层-碳纤维纸层形成的多层界面间具有良好的界面相容性,碳纤维纸内置到胶合板后,电阻下降率呈现负增长,表面温度均匀度得到改善。此外,在胶合过程中(加压和保压),碳纤维纸的电阻表现出下降趋势,施胶量增加,电阻下降率也逐渐下降,不利于热辐射的释放。内置碳纤维纸的电热功能胶合板呈现“辐射-吸收-再辐射-再吸收”的电热辐射传热效应[24]。

 

将三聚氰胺树脂浸渍胶膜纸附在碳纤维纸上下表面形成电热胶层,其余胶层采用三聚氰胺树脂胶膜,与桉木单板复合得到电热功能胶合板[25]。研究发现,浸渍胶膜纸的加入,改善了电热胶合板的电阻变化率,赋予碳纤维纸良好的绝缘包裹作用。热压压力、热压时间、热压温度和施胶量等因素对内置电热层实木复合地板性能和电阻变化具有很大影响,热压压力对胶合强度影响最大,其次是热压温度、施胶量和热压时间[26]。施胶量对电阻下降影响最大,其次是热压温度、热压压力和热压时间。在相同的工艺参数条件下,施胶量增加一倍,电阻下降率至36. 3% ~41. 3%。以杨木胶合板为上下基材,将自限温发热带内置到两层杨木胶合板之间,以双组份异氰酸酯胶进行冷压胶合处理。研究发现,冷压时间对电热胶合板基材间的胶合强度影响最大,其次是施胶量,冷压压力并无显著影响[27]。

 

1.5 声学功能胶合板

 

普通胶合板具有一定的吸声和隔声等声学功能,胶合板结构、厚度、面密度和孔隙率等是影响其声学性能主要因素。在吸声方面,通过对泡桐、杨木、桦木、桉木及竹胶合板的吸声性能进行研究表明,树种自身密度的不同致使树种对胶合板吸声系数影响显著,密度越大,中低频吸声系数增大,高频影响不大。胶合板厚度增加,可在一定范围内增强其吸声系数[28]。木质穿孔板具有良好的吸声性能,可用于音乐厅、剧院、体育馆等场所,一般以中/高密度纤维板为基材进行穿孔处理,也可采用胶合板制备穿孔板,比如,通过对桉木多层胶合板进行穿孔处理可制备桉木多层穿孔吸声板,研究发现,穿孔率对吸声板吸声性影响最大,其次是板材厚度,孔径基本无影响[29]。

 

在隔声方面,以马尾松胶合板的管胞直径、孔隙率、纹孔直径等微观特性为影响因素,对其隔声性能进行模拟研究,发现胶层对隔声性能具有一定影响。由于酚醛树脂胶层的波速更高,使酚醛树脂胶合板隔声量整体上高于脲醛树脂胶合板;胶合板层数和厚度增加,可抑制共振产生,从而使隔声量有所提高[30]。总体而言,以胶合板为代表的木质材料,其隔声性能表现为中至略差,主要原因还是其面密度偏低[31]。因此,如果采用胶合板应用在隔墙等建筑构件时,要达到同等条件下钢质材料的隔声性能,需要大幅度提高其厚度和面密度。

 

还有一种方式是通过将胶合板和高分子阻尼材料进行复合,通过改变单板与阻尼材料的层数,可以提高原有胶合板的隔声性能,可用于木质隔声门、木质隔声墙以及高铁隔音材料等领域。比如以胶合板作为外层板,夹芯层由填充塑料、泡沫或橡胶组成,所形成的复合板材具有质量轻、隔声效果优良的特点,可用于高速列车的隔音板[32]。此外,将三层胶合板和两层橡胶相间组合,通过调节胶合板和橡胶层的厚度,可以改善列车用静音地板的隔声性能。当橡胶层厚度均为2 mm,胶合板三层不等厚(3 mm、5 mm、7 mm)时,其隔声效果比三层等厚更优[33]。

 

1.6 保健功能胶合板

 

通过向胶合板中引入香味剂,可以获得具有保健功能的胶合板。将薰衣草香精微胶囊与胶黏剂混合后可用于制备释香型胶合板[34]。当薰衣草香精微胶囊添加量为5%时,释香型胶合板的表面胶合强度≥0.4 MPa。经气相色谱检测释香型胶合板的香味释放情况,香味不会因高温而短时间挥发殆尽,也不会因胶黏剂的固化包裹而无法挥发,初步证实了释香型胶合板研制的可行性。

 

香味剂的加入,还可以掩盖原有胶合板的VOCs等气味,抑制其对室内环境的污染。比如,将桦木薄木分别浸渍在松木精油微胶囊和薰衣草精油微胶囊的混悬液中进行香味剂的处理,然后将其作为饰面薄木贴在胶合板基材表面,可以得到具有释香特性的胶合板。经气相色谱检测发现,微胶囊中的香味成分可以得到有效释放,香味剂的加入改变了原有胶合板释放的气味成分,胶合板自身VOCs的气味化合物含量也有所改变,部分化合物的含量呈下降趋势[35]。

 

具有可释放负氧离子的硅酸盐类矿物具有一定的环境效应,可起到净化空气和消除部分VOCs的作用,因此将其引入胶合板中,也可以获得具有一定保健功能的胶合板[36]。将电气石粉添加到脲醛树脂胶黏剂中用于制备可释放负氧离子的杨木胶合板,结果表明,随着电气石粉添加量的增加,负氧离子释放量逐渐提高,5%~7%添加量的浓度可达425~570 个/cm3,且可在60天内保持负氧离子含量恒定;甲醛释放量逐渐减少,但是胶合强度降低[37]。将负氧离子无机材料添加到大豆胶黏剂中制备可释放负氧离子的桉木胶合板,结果表明,随着负氧离子无机材料在胶黏剂中添加量的增加,胶黏剂黏度变大,且胶合板的胶合强度增大,负氧离子释放量提高,4%添加量的浓度可达590 个/cm3[38]。

 

2 结语

 

作为我国人造板产业中的主导产品,胶合板的发展受到业界的广泛关注。随着国家“十四五”的开局,绿色转型、创新引领和提质升级,也成为胶合板下一步发展的关键词,而功能增值将是胶合板创新发展最为直接和有效的方式之一。通过功能创新、功能设计和功能复合,将阻燃、电磁屏蔽、防腐防虫、电热、吸声隔声以及保健等特性融合入传统胶合板得到特定功能的胶合板,可进一步满足细分市场的消费需求,是当前胶合板产业转型发展的出路之一。目前,阻燃、防腐防虫、电热等部分功能胶合板已经走向市场,电磁屏蔽、吸声隔声、保健等功能胶合板虽制备技术已经基本成熟,但其商业化开发与应用还面临成本高、市场小等问题,还需要经一步挖掘其潜力,以便得到行业和市场的认可。


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