CN101863057B - 高强耐腐木/竹材胶合板和层积材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高强耐腐木/竹材胶合板和层积材及其制造方法，不用防腐剂，而是使用酚醛树脂胶，采用低分子量树脂浸渍处理，特别是由一种低分子PF树脂和一种高分子PF树脂以一定的固体质量百分比混合而成的树脂通过普通浸渍或涂胶的方法来处理木/竹单板。该混合树脂无需添加填充剂和增稠剂，陈化时间长。该树脂可部分渗透到细胞壁或腔的同时又可均匀覆盖在木(竹)单板表面，生产过程简化。为达到所需的固体树脂含量，采用单板浸渍-干燥-浸渍的方法，或采用紧面刻痕的单板，无需采用真空加压设备。优点：当单板固体树脂含量≥12％，产品腐朽失重率＜3％，具有耐腐防火性能，强度高，尺寸稳定，对环境无害，适合在室外承载场所使用。

Description

高强耐腐木/竹材胶合板和层积材及其制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种高强耐腐木/竹材胶合板和层积材及其制造方法，属于结构功能人造板产品制造技术领域。

背景技术

目前，单板类工程木(竹)材制品主要包括以下两类产品：特种胶合板和单板层积材(LVL)/竹材层积材。前者主要用于工业地板、集装箱底板和水泥模板，后者广泛用作结构构件，如横梁/楣、柱、梁和工字梁等。随着应用的拓展，除弹性模量(刚度)、强度、表面外观、硬度以及尺寸稳定性等性能外，由于产品耐久(腐)性直接影响到构件仍至整个结构的使用寿命和安全，在易受生物侵蚀的场合下使用的工程木材产品，其产品的耐腐性也必须满足相关的要求，高强耐腐是该类材料的基本特性。

为保证产品弹性模量和强度，目前采用应力分等方法将单板分等，筛选高性能单板以生产满足要求的工程木材制品。由于木材性能变异性大，普通针、阔叶材的旋切单板不能全部用于生产高性能产品。为提高弹性模量和强度，改善表面外观、耐磨和尺寸稳定性，这类产品通常用树脂浸渍纸覆面或用其他的合成纤维增强，或通过热压密实化提高产品密度等方法；也可通过化学改性(尤其是单板树脂浸渍处理)并结合密实化，来显著提高产品的弹性模量和强度等性能。

如实用新型专利塑化竹木复合板(01272831.4)涉及一种用浸渍纸或浸渍微薄木、塑化竹席或塑化竹帘板、塑化木单板制成的塑化竹木复合板。其特征在于用浸渍纸或浸渍微薄木作表面装饰材、塑化竹席或塑化竹帘板作面材、塑化木单板作为芯材，但涉及“浸胶-干燥-涂胶”等步骤，生产过程和工艺相对复杂。

而目前通过低分子量树脂浸渍处理单板以生产高性能单板类工程木材产品通常有两种方法。第一种方法涉及两次施胶，首先将一种低分子量的树脂，特别是酚醛(PF)树脂，通过浸渍(常压)或抽真空-加压处理单板，然后在低温下将单板干燥到含水率3-6％。由于单板从低分子量树脂中吸收了大量的水分，并且进一步施胶对单板含水率有严格的要求，因此干燥过程花费较长的时间和较多的能量。随后，为了单板间的界面胶合，进一步施胶所用的PF树脂需加入增稠剂和填充剂进行调胶，确保其具有容易适合涂胶等施胶方法所需的粘度，保证胶液不会过度渗透，并避免热压时的流失。此外，调制后的胶对季节变化引起的室内温度、单板温度和陈化时间极其敏感而容易干涸。再者，调制后的胶通过辊筒涂胶、帘式施胶或喷胶等方式施加到单板的表面上，由于单板表面各处粗糙度和厚度的变异，达到均匀施胶一直是一个挑战。实际生产中，施胶前单板表面温度应该控制在约40℃以下，并且热压前的陈化时间应低于15分钟，否则板材很可能出现分层。第二种方法采用低分子量的树脂特别是酚醛(PF)树脂对单板进行浸渍处理，再低温干燥到一定含水率(5-10％)后组坯热压。为促进单板之间界面胶合，单板固体树脂含量必须很高(通常达到25％以上)，导致单板中含有大量的水分。为防止胶预固化，单板干燥温度必须非常低(通常50-85℃)，因此单板干燥时间相当长(从几个小时到数天不等)，虽然生产过程简单但相当不经济。

通常，使用酚醛(PF)树脂浸渍处理单板等化学改性方法生产胶合板和单板层积材(LVL)的主要目标是提高产品的弹性模量，强度和尺寸稳定性，而不是增加产品的耐久(腐)性。尽管PF树脂浸渍单板制成的产品，耐久(腐)性在一定程度上有所提高。但迄今为止，与防腐剂处理制成的产品的防腐性能的比较研究尚没有系统做过，不同PF树脂固体含量的产品的耐久(腐)性目前还不清楚。更重要的是，等同于防腐剂处理效果的最低PF树脂固体含量(阈值水平)尚未建立。为提高产品在室外非接触地面场所或地面接触场所使用的耐久(腐)性，通常要求用防腐剂如铜铬砷(CCA)或氨溶季铵铜(ACQ)来处理单板或最终的产品。但防腐处理涉及到施加防腐剂所需的附加设备、工序、防腐药剂的回收，防腐剂对产品胶合强度的消极影响，产品使用中防腐剂浸出对环境的影响，废旧材料回收处理以及成本高等一系列问题。因此，研发更加经济有效的方法来生产高性能和耐久(腐)性的单板类工程木(竹)材制品仍然是一个很大的挑战。

发明内容

本发明提出了一种绿色环保高强耐腐木/竹材胶合板和层积材及其制造方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，它不用防腐剂但使用酚醛(PF)树脂胶来处理木(竹)单板(或单元)。当单板PF树脂固体含量达到12％或以上时，所生产的工程木(竹)材产品达到强耐腐的标准(失重率＜3％，见图1和图2)，防腐性能等同或超过氨溶季铵铜(ACQ)处理的产品，且具有很好的防火性能，强度高，外观好，尺寸稳定，对环境无毒无害，适合在室外使用，尤其是较大跨度的承载场所，如地面铺板和地板、脚手架铺板，木桥和基础，露台，永久性景观结构和船运等等。

本发明的技术解决方案：一种高强耐腐木/竹材胶合板和层积材产品及其制造方法，其特征是不用防腐剂，而是采用酚醛(PF)树脂来处理木/竹单板或单元，并使单板中PF固体树脂含量达到≥12％，以提高木/竹板材产品的强度，并使产品具有与防腐剂处理相等效的耐腐性能。

采用单一低分子量PF浸渍树脂处理木(竹)单板(或单元)达到一定的树脂固体含量来生产具有与防腐剂处理相等效的耐腐(久)性能产品。它包括浸渍，低温干燥(或涂胶)和组坯热压等工艺步骤(具体参考实施实例1)。但本发明特别提出采用一种高分子量(1000-3000)的PF树脂和一种低分子量(200-1000)的PF树脂以一定的固体树脂质量百分比(10∶90-90∶10)直接混合而成的树脂胶来简化生产。其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、制备混合树脂，将一种高分子量酚醛(PF)树脂，其分子量1000-3000，25℃粘度600-900cps，固体树脂含量40-50％，和另一种低分子量酚醛(PF)，其分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量50-60％，以固体树脂质量百分比10∶90-90∶10搅拌均匀而成混合树脂；高分子量酚醛(PF)树脂类似于普通胶合板和LVL生产用的树脂；低分子量酚醛(PF)树脂类似用于定向刨花板(OSB)表层或竹材层积材生产用的树脂。

二、在混合树脂中浸泡/浸渍，对一些渗透性较好的针叶材和阔叶材树种如速生杨，旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板，在混合树脂中浸泡10分钟，平均PF固体树脂含量达到12％以上；对一些低渗透性的树种如云杉，旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板，在不增加压力容器的情况下，采用浸渍/浸泡15-30分钟后低温干燥15-30分钟，再浸渍15-30分钟，或采用紧面刻痕的单板，使低分子量酚醛(PF)树脂渗透到木材细胞壁或腔的同时，高分子量酚醛(PF)树脂均匀覆盖木单板或木板单元表面，并使单板平均酚醛(PF)固体树脂含量达到12％或以上；

三、低温干燥，若单板含水率在15％或以下则直接采用组坯热压，否则单板在干燥机内50-85℃温度情况下低温干燥，干燥时间0.5小时-5.0小时，含水率控制在15％或以下，再进行组坯热压。

本发明的优点：与目前单板浸渍和板材制造中采用的“浸渍-干燥-涂胶”的两次施胶方法或是采用单一低分子量树脂长时间浸渍和长时间干燥的方法不同的是，使用上述混合酚醛(PF)树脂，对一些渗透性较好的针、阔叶材旋切单板，可通过简单一次性的浸渍(或浸泡)或涂胶的方式达到12％或以上的平均固体树脂含量，板材的制造仅涉及单板浸渍/施胶和组坯/热压二个步骤，因此制造方法简单可行；对一些低渗透性的树种，在不购买压力容器增加额外设备投资的情况下，为了达到固体树脂含量≥12％，可采用单板浸渍-干燥-浸渍(或涂胶-干燥-涂胶)的方法，也可采用单板紧面刻痕，或它们二者的组合，以替代真空-压力等处理方式，因此制造方法设备投资少，经济合算。

本发明可应用于现有的层积材和胶合板的生产线，也可以改善工程木材产品外观颜色，尤其是可成功地掩盖虫害木材旋切而成的单板色变。与未经树脂浸渍处理单板生产的工程木材产品比较，本发明生产的工程木材产品貌似塑料，具有均匀的外观，更高的硬度、弯曲和剪切强度，良好的尺寸稳定性和耐久(腐)性，并且有很好的防火性能。用本发明生产的产品绿色环保，由于不添加防腐剂，在使用中没有防腐剂浸出问题，其甲醛释放量和木材本身一样极低，因此对环境无毒无害。

附图说明

附图1是样品重量损失和PF固体树脂含量的关系图(暴露在真菌C.puteana中12个星期)，该图表明当样品PF固体树脂含量达到12％时的产品，其试件(19mmx19mm)暴露于真菌C.puteana 12个月后的失重率低于3％。

附图2是样品重量损失和PF固体树脂含量的关系图(暴露在真菌N.lepideus中24个星期)，该图说明当样品PF固体树脂含量达到12％时的产品，其试件(19mmx19mm)暴露于真菌N.lepideus 24个月后的失重率低于3％。

具体实施方式

实施实例1：采用单一低分子量PF树脂浸渍处理的方法。将酚醛(PF)树脂(分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量50-60％)加水稀释成固含量为25-30％的树脂，对一些渗透性较好的针叶材和阔叶材树种(速生杨等)旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板浸渍(或浸泡)2-4小时，单板平均酚醛(PF)固体树脂含量可达到12％以上；对一些低渗透性的树种(云杉等)旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板，用压力容器处理5分钟左右(2.5分钟达到真空状态然后施加0.54MPa压力2.5分钟)，单板平均酚醛(PF)固体树脂含量可达到12％以上；在不购买压力容器增加额外设备投资的情况下，可采用浸渍(或浸泡)30分钟-低温干燥15-30分钟-再浸渍30分钟的方法，使单板平均酚醛(PF)固体树脂含量达到12％以上；也可采用紧面刻痕的单板，对其浸渍(或浸泡)处理2-6小时，使单板平均酚醛(PF)固体树脂含量达到12％以上，以替代传统的真空-压力等处理方式。在以上处理后，单板在干燥机内50-85℃温度情况下低温干燥0.5-5.0小时达到10-15％含水率后组坯热压，产品具有很好的耐久(腐)性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例2：采用单一低分子量PF树脂浸渍处理的方法。将酚醛(PF)树脂(分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量60％)加水稀释成固含量为30％的树脂，对厚度1.0mm左右的竹片(宽度10-15mm，长度2.5m)浸渍(或浸泡)24小时左右，或用压力容器处理10分钟左右(5分钟达到真空状态然后施加0.54MPa压力5分钟)，竹片平均酚醛(PF)固体树脂含量可达到12％以上；在不购买压力容器增加额外设备投资的情况下，也可采用浸渍(或浸泡)3小时-低温干燥60-120分钟-再浸渍3小时的方法，使竹片平均酚醛(PF)固体树脂含量达到12％以上。在以上处理后，竹片在30-50℃低温干燥10-24小时达到10-15％含水率后纵向组坯热压成竹材层积材，产品具有很好的耐久(腐)性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例3：采用一种高分子量PF树脂(分子量1000-3000，25℃粘度600-900cps，固体树脂含量40-50％)和一种低分子量PF树脂(分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量50-60％)以50％∶50％的固体树脂质量百分比制成混合树脂。对一些渗透性较好的针叶材和阔叶材树种(速生杨等)旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板在此混合树脂中浸泡10分钟，平均PF固体树脂含量可达到12％以上。对一些低渗透性的树种旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板，在不增加额外设备(压力容器)投资的情况下，可采用紧面刻痕的单板，也可采用浸渍(或浸泡)15-30分钟后低温干燥15-30分钟，再浸渍15-30分钟的方法，使单板平均PF固体树脂含量达到12％以上。也可直接用涂胶机，采用涂胶后低温干燥15-30分钟再涂胶的方法处理单板使单板平均PF固体树脂含量达到12％以上。根据处理后单板含水率的大小，单板可直接组坯热压，或在干燥机内50-85℃温度情况下低温干燥。干燥时间取决于温度和处理条件，大体从0.5-5.0小时不等。一般热压前单板(或单元)含水率控制在15％或以下。该法将木(竹)单板树脂浸渍和施胶结合在一起，彻底不需在干燥后(或热压前)进一步施胶，因此单板表面各处容许具有较高的粗糙度和较大的厚度变异。采用该混合树脂，处理后的单板容许较长的开式陈化时间(如12个小时)而不引起胶的预固化和干涸。由于树脂中不含有增稠剂和填充剂，因此板材的胶合剪切强度可显著提高。等单板达到15％含水率或以下后再组坯热压，产品具有很好的耐久(腐)性，无须进行防腐处理，足以在室外使用。

实施例4：厚度为3.2mm的松木单板，制作5层结构的单板层积材(LVL)。单板采用一种高分子量PF树脂(固体树脂含量49％)和一种低分子量PF树脂(固体树脂含量55％)以50％∶50％的固体树脂质量百分比制成的混合树脂进行处理。根据单板浸渍时间长短和是否浸渍处理，制作了共4种不同的产品。

单板处理工艺如下：

产品1单板：浸渍10分钟，使单板平均固体树脂含量达到10.0％。

产品2单板：浸渍30分钟-低温干燥15分钟-再浸渍30分钟，使单板平均固体树脂含量达到12.5％。

产品3单板：浸渍60分钟-低温干燥30分钟-再浸渍60分钟，使单板平均固体树脂含量达到25.0％。

产品4单板(即空白对照样)：用普通的胶合板用PF胶(固体树脂含量49％)对单板涂胶处理，涂胶量150g/m².

将处理或不处理的五层单板组坯，在温度为150℃、热压压力为1.5MPa(压缩率8％)，热压5分钟成上述4种单板层积材产品。板材产品存放48小时后，测试产品的纵向弹性模量(MOE)，静曲强度(MOR)，剪切强度，硬度，24h吸水率和厚度膨胀率以及暴露于真菌C.puteana 12个月和真菌N.lepideus 24个月后的失重率(试件19mmx19mm)。表1说明单板经浸渍处理后，产品弹性模量，弯曲强度，硬度，剪切强度和尺寸稳定性都在一定程度上得到改善。当板材PF固体树脂含量达到12.5％时，其试件(19mmx19mm)暴露于真菌C.puteana 12个月和真菌N.lepideus 24个月后的平均失重率只有2％(低于3％)，达到强耐腐的标准。其防腐性能等同氨溶季铵铜(ACQ)处理的产品(ACQ产品需要100％防腐剂覆盖，在吸入量6.4kg/m时，21周暴露后测量获得的失重率为1.6％)。而用普通方法生产的LVL(PF固体树脂含量约2.5％)的平均失重率可高达47.6％，基本没有防腐性能(见表1)。

根据欧洲标准(EN 120：92)平均穿孔值测试结果可以比较游离甲醛含量(见表2)。单板经浸渍处理后，其产品甲醛释放量和木材本身(未处理单板)一样极低，达到E1级。因此该产品绿色环保，由于不添加防腐剂，在使用中没有防腐剂浸出问题，对环境无毒无害。

表1五层松木LVL产品的性能和重量损失比较

注^*：它仅包含100％ACQ覆盖的木材样品，21周后测量获得的重量损失.

表2：游离甲醛含量结果比较

实施例5：厚度为3.2mm的松木单板，采用一种高分子量PF树脂(固体树脂含量50％)和一种低分子量PF树脂(固体树脂含量55％)以50％∶50％的固体树脂质量百分比制成混合树脂，再加水稀释成30％固含量的浸渍树脂：

产品1：将单板浸渍30分钟-低温干燥15分钟-再浸渍30分钟，使单板平均固体树脂含量达到12％。

产品2：用普通的胶合板用PF胶(固体树脂含量49％)对单板涂胶处理，涂胶量140g/m².

将处理或不处理的五层单板组坯，在温度为150℃、热压压力为1.5MPa(压缩率8％)，热压5分钟成上述2种五层胶合板产品。板材产品存放48小时后，根据有关标准切割试样，测试产品的纵向弹性模量(MOE)，静曲强度(MOR)，胶合剪切强度，硬度，24h吸水率和厚度膨胀率以及暴露于真菌C.puteana12个月和真菌N.lepideus 24个月后的失重率(试件19mmx19mm)。表3说明单板经浸渍处理后，产品弹性模量，弯曲强度，硬度，胶合剪切强度和尺寸稳定性都在一定程度上得到改善。当板材PF固体树脂含量达到12％时，其试件(19mmx19mm)暴露于真菌C.puteana 12个月和真菌N.lepideus 24个月后的平均失重率只有2.3％(低于3％)，达到强耐腐的标准。其防腐性能等同氨溶季铵铜(ACQ)处理的产品(吸入量6.4kg/m3时失重率1.6％)。而用普通方法生产的胶合板(PF固体树脂含量约2.3％)的平均失重率可高达45.5％，基本没有防腐性能(见表3)。

表3：五层松木胶合板产品的性能和重量损失比较

Claims (1)

1.一种高强耐腐木材胶合板和层积材的制造方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：

一、制备混合树脂，将一种高分子量酚醛树脂，其分子量3000，25℃粘度600-900cps，固体树脂含量40-50％，和另一种低分子量酚醛树脂，其分子量200-1000，25℃粘度100-250cps，固体树脂含量50-60％，以固体树脂质量百分比10∶90-90∶10搅拌均匀而成混合树脂；

二、在混合树脂中浸泡，对渗透性较好的树种速生杨，旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板，在混合树脂中浸泡10分钟，平均酚醛固体树脂含量达到12％以上；对低渗透性的树种云杉，旋切得到的2.5-3.2mm厚的单板，在不增加压力容器的情况下，采用浸渍15-30分钟后低温干燥15-30分钟，再浸渍15-30分钟，使低分子量酚醛树脂渗透到木材细胞壁或腔的同时，高分子量酚醛树脂均匀覆盖木单板表面，并使单板平均酚醛固体树脂含量达到12％以上；

三、低温干燥，若单板含水率在15％以下则直接采用组坯热压，否则单板在干燥机内50-85℃温度情况下低温干燥，干燥时间0.5小时-5.0小时，含水率控制在15％以下，再进行组坯热压，得到高强耐腐木材胶合板和层积材。

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