CN104786342A - 低密度“三明治”结构的木质复合板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

低密度“三明治”结构的木质复合板材及其制备方法，涉及一种木质复合板材及其制备方法。本发明是为了解决现有的低密度木质复合板材存在力学强度低、多层结构的木质复合板材制备工艺复杂的技术问题。低密度“三明治”结构的木质复合板材，由单板、低密度木质刨花、可发泡聚苯乙烯、木材胶黏剂和单板热压制成。制备方法：将低密度木质刨花干燥，喷施木材胶黏剂，加入可发泡聚苯乙烯，均匀混合，铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂的单板，热压，即得。本发明制得的板材，其密度在0.40g/cm3～0.48g/cm3之间、内结合强度在0.32～0.40MPa之间、静曲强度在35～40MPa、导热系数0.044～0.050W/m.k之间。本发明属于复合板材制备领域。

Description

低密度“三明治”结构的木质复合板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种木质复合板材及其制备方法，具体涉及一种具有良好力学性能的低密度复合板材及其制备方法。
背景技术
2013年我国人造板产量高达2.86亿m3，而我国有限的木材资源难以满足国内生产对木材的需求，致使每年的木材消耗量缺口在1亿m3以上，并且呈现出逐年上升的趋势，这使得木材供需矛盾尤其突出。由于人造板的密度与其力学强度成正比，为了确保人造板的力学性能和使用要求，目前国内外生产的人造板的密度通常在0.6～0.8g/cm3之间，其木质原料成本占人造板生产成本的60％以上。因此，在保证其主要使用性能满足要求的前提下，如使人造板的密度降到0.5g/cm3以下，将使木材用量减少20～50％，从而能有效节约木材，缓解我国木材供需矛盾，降低人造板原料成本，并使我国人造板工业保持健康持续发展。
近年来，人们采用了多种方法，以降低传统人造板的密度。最为常见的方法是将低密度材料(聚苯乙烯泡沫、珍珠岩等)与木质纤维或木质刨花复合。例如，在公开号为“CN102020862A”关于“一种轻质木塑复合材料及其制造方法”和公开号为“CN102504557B”关于“一种低密度木塑复合刨花板及其制造方法”的发明专利中，分别描述了利用可发泡聚苯乙烯(EPS)与木纤维或木质刨花复合制备的密度为0.35-0.50g/cm3的木塑复合材料，由于制备过程中需要使用价格昂贵的硅烷偶联剂，增加成本；同时需要使用较高的热压温度(140-230℃)，热压温度高不仅增加能耗，还会使发泡聚苯乙烯(其软化点温度为106℃左右)形成的泡沫粒子在高温下熔融变形乃至塌陷，难以保持低密度泡沫型态，不利于复合材料的密度减少和力学性能的改善，由此所制备低密度复合材料的力学强度偏低，例如公开号为“CN102020862A”专利中，制备密度小于0.45g/cm3的复合板，其内结合强度为最低仅为0.15MPa、静曲强度最低仅为5MPa，使其产品的应用范围收到了很大限制。在公开号为“CN103624859A”中关于“膨胀珍珠岩低密度复合刨花板及其制造方法”的发明专利中，描述的是制备了一种密度为0.45-0.52g/cm3的膨胀珍珠岩复合刨花板，其内结合强度最低仅为0.25MPa，静曲强度最低也仅为11.8MPa，力学强度偏低。
另一种常见制备低密度木质板材的方法是通过结构设计方法实现多层木质结构的复合。例如，公开号为“CN103846981A”关于“一种轻质复合板材”的发明专利中，描述的由表面装饰层，上夹层，上纤维层，芯层(正六边形蜂窝板)，下纤维层和下夹层六部分通过结构设计制备多层结构复合材料；专利“CN201924778U”关于“复合轻质难燃密度板门板”的发明专利中，描述的由面板、背板和设置在面板与背板之间同向相互间隔排列的芯板、隔条复合构成的轻质木质复合材料，生产效率低，成本较高。由此可见，常见的通过结构设计方法制备轻质(低密度)多层木质复合板材的制备工艺过于繁琐。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的低密度木质复合板材存在力学强度低、多层结构的木质复合板材制备工艺复杂的技术问题，提供一种低密度“三明治”结构的木质复合板材及其制备方法。
低密度“三明治”结构的木质复合板材，该木质复合板材从上到下由单板、100重量份低密度木质刨花、0.5～10重量份可发泡聚苯乙烯、5～20重量份木材胶黏剂和单板热压制成。
所述低密度木质刨花为密度小于0.45g/cm3的木材制备的刨花碎料。
所述可发泡聚苯乙烯的粒径小于0.5mm、发泡比为10～50。
低密度“三明治”结构的木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为2～10％；
二、在100重量份含水率为2～10％的低密度木质刨花中，喷施5-25重量份木材胶黏剂后，加入0.5～10重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有厚度规的热压机上，于110～135℃热压，热压速率为0.2～0.5min/mm，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
上述的低密度木质刨花为采用密度小于0.45g/cm3木材制备而得到的木材刨花碎料，常见的有杨木、杉木、桐木。我国具有较大种植面积的速生杨木和杉木，尤其适于制备本发明的低密度“三明治”结构的木质复合板材。
上述的可发泡聚苯乙烯，为一种发泡比为10～50的，在加热条件下能够自行发泡的形成密度为0.03～0.05g/cm3聚苯乙烯泡沫颗粒的聚苯乙烯粒料，为了使聚苯乙烯粒子能够均匀挂附在施胶后的木质刨花上，避免在刨花底部堆积，其粒径应小于0.5mm，最好选用粒径在0.05～0.3mm的可发泡聚苯乙烯粒子。可发泡聚苯乙烯的用量过少，会使得复合板材因为填充不足(即压缩率过小)而使力学性能降低；用量过大，使板材内本身强度较低的聚苯乙烯泡沫含量过高，不利于胶黏剂对木质刨花的胶接，最终虽能有效降低密度、提高压缩率，但会使复合板材的内结合强度明显降低，甚至在热压时易出现鼓泡问题。因此可发泡聚苯乙烯的用量以最终复合板总重量的3～7.5％为最佳，由此既能有效降低板材密度，又能确保板材的力学性能。
上述的木材胶黏剂可以是异氰酸酯胶黏剂、脲醛树脂胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂等，但异氰酸酯胶黏剂存在成本高、需要脱模处理、施胶后的刨花不易吸挂可发泡聚苯乙烯粒子等不足，酚醛树脂则存在热压温度要求高、易使发泡的聚苯乙烯泡沫发生熔融塌缩等不足，因此最好选用脲醛树脂胶黏剂，具有成本低、施胶后的刨花易铺装成型和易均匀吸挂聚苯乙烯粒子(因为施胶量较大、施胶后的刨花含水率较高)的优点。
上述在“三明治”结构的木质复合板材上下表面各贴附用单板，为杨木、椴木、柳桉、桦木等木材旋切得到的单板；对于采用杨木、椴木等密度较小的轻质木材单板，其厚度以1～2mm为宜，而对于柳桉、桦木等密度较大的木材单板，其厚度以0.5～1mm为宜，确保所制备的“三明治”结构的木质复合板材具有较低的密度，同时具有较好的力学强度。
本发明的低密度“三明治”结构的木质复合板材，利用含量较少的发泡聚苯乙烯粒料通过原位发泡填充低密度刨花之间内的空隙，提高了木质刨花的压缩比，由此不仅使得材料的密度降低，同时确保其内结合强度；通过表面贴附单板，不仅使板材美化，呈现实木板的外观，还能有效提高木质复合板材的静曲强度。本发明制得的低密度“三明治”结构的木质复合板材，其密度在0.40g/cm3～0.48g/cm3之间、内结合强度在0.32～0.40MPa之间、静曲强度在35～40MPa、导热系数0.044～0.050W/m.k之间，力学性能上满足国家A类刨花板二等品力学性能指标，因此，所制备的“三明治”结构木质复合板，不仅可用作吸音板、保温墙板，还可应用于家具制造和室内装饰的非受力部件。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式低密度“三明治”结构的木质复合板材从上到下由单板、100重量份低密度木质刨花、0.5～10重量份可发泡聚苯乙烯、5～20重量份木材胶黏剂和单板热压制成。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述低密度木质刨花为密度小于0.45g/cm3的木材制备的刨花碎料。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述可发泡聚苯乙烯的粒径小于0.5mm、发泡比为10～50。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述木材胶黏剂为脲醛树脂胶黏剂，所述的单板为厚度为1～2mm杨木、厚度为1～2mm椴木、厚度为0.5～1mm柳桉或厚度为0.5～1mm桦木旋切得到的单板。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式中低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为2～10％；
二、在100重量份含水率为2～10％的低密度木质刨花中，喷施5-25重量份木材胶黏剂后，加入0.5～10重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有厚度规的热压机上，于110～135℃热压，热压速率为0.2～0.5min/mm，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是步骤一中所述低密度木质刨花为密度小于0.45g/cm3的木材制备的刨花碎料。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五至六之一不同的是步骤二中所述可发泡聚苯乙烯的粒径小于0.5mm、发泡比为10～50。其它与具体实施方式五至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是步骤二中所述木材胶黏剂为脲醛树脂胶黏剂。其它与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是步骤三中所述的单板为厚度为1～2mm杨木、厚度为1～2mm椴木、厚度为0.5～1mm柳桉或厚度为0.5～1mm桦木旋切得到的单板。其它与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是步骤四中在125℃热压。其它与具体实施方式五至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
低密度“三明治”结构的木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杨木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂后，加入5重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂(单面施胶量140g/m2)厚度为1.6mm的杨木的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有12.5mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.4min/mm(0.4min/mm×12.5mm＝5min)，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
将所制备的低密度“三明治”结构的木质复合板材按照国家标准GB/T 4897-2003测试其密度、内结合强度和静曲强度，按照标准ASTM C518-10测试其导热率，结果如表1的板A所示。
实验二：
低密度“三明治”结构的木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杉木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂后，加入5重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂(单面施胶量140g/m2)厚度为1.6mm的杨木的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有12.5mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.4min/mm(0.4min/mm×12.5mm＝5min)，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
所得低密度“三明治”结构的木质复合板材的主要性能如表1的板B所示。
实验三：
低密度“三明治”结构的木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杨木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂后，加入5重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂(单面施胶量140g/m2)厚度为0.8mm的桦木单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有12.5mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.40min/mm(0.4min/mm×12.5mm＝5min)，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
所得低密度“三明治”结构的木质复合板材的主要性能如表1的板C所示。
实验四：
低密度“三明治”结构的木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杨木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂后，加入5重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂(单面施胶量140g/m2)厚度为1.6mm的杨木的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有11mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.4min/mm(0.4min/mm×11mm＝4.4min)，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
所得低密度“三明治”结构的木质复合板材的主要性能如表1的板D所示。
实验五(参比实验I)：
木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杨木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，将板胚放置在具有12.5mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.40min/mm(0.4min/mm×12.5mm＝5min)，即得到没有添加聚苯乙烯泡沫和表面无单板贴面的低密度杨木刨花板材。
所得刨花板材的主要性能如表1的板E所示。
实验(参比实验II)六：
木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杨木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂后，加入5重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，
将板胚放置在具有12.5mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.4min/mm(0.4min/mm×12.5mm＝5min)，即得到表面无单板贴面的聚苯乙烯泡沫-杨木刨花复合板材。
所得复合板材的主要性能如表1的板F所示。
实验七(参比实验III)：
木质复合板材制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为3～5％，所述木质刨花为杨木刨花；
二、在100重量份含水率为3～5％的低密度木质刨花中，喷施22.8重量份固体份含量为52.6％的脲醛树脂胶黏剂，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂(单面施胶量140g/m2)厚度为1.6mm的杨木的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有12.5mm厚度规的热压机上，于120℃热压，热压速率为0.4min/mm(0.4min/mm×12.5mm＝5min)，即得到没有添加聚苯乙烯泡沫的低密度“三明治”结构的木质复合板材。
所得木质复合板材的主要性能如表1的板G所示。
表1.各种低密度“三明治”结构的木质复合板材和参比板材的主要性能
对比实验六和实验五所得板材可见：由于聚苯乙烯泡沫的密度远小于木质刨花，在木质刨花中添加适量低密度聚苯乙烯泡沫能够提高板材的压缩比，一定程度上增加木质刨花间的接触面积和胶合效果，因此内结合强度和静曲强度有所提高，却又使板材的密度没有增加，从而具有较底的导热率(即更好的保温性)。
对比实验七和实验五所得板材可见：在低密度刨花板的上下表面各贴附一张杨木单板，能使其静曲强度明显提高，但由于单板的密度大于刨花的堆积密度，在相同的压缩率下，所制备板材的密度略有增加，因此内结合强度和导热率都略有增加。
将实验五、实验六和实验七所得板材与实验一所得板材进行对比可见，在木质刨花中添加低密度聚苯乙烯泡沫并在板材的上下表面各贴附一张杨木单板，由于他们的复合效应，使得在相同的密度下，复合板材的内结合强度和静曲强度都得到明显的提高，导热率也得到较为明显的降低。
对比实验二和实验一所得板材可见：由于采用了密度比杨木刨花(杨木密度0.42g/cm3)更小的杉木刨花(杉木密度0.38g/cm3)，因此在相同其他条件下所制备的“三明治”结构的木质复合板材具有更低的密度和导热率，力学强度基本相当。
对比实验二和实验一所得板材可见：由于采用了密度比杨木刨花(杨木密度0.42g/cm3)更小的杉木刨花(杉木密度0.38g/cm3)，因此在相同其他条件下所制备的“三明治”结构的木质复合板材具有更低的密度和导热率，力学强度基本相当。
对比实验三和实验一所得板材可见：由于桦木密度(0.63g/cm3)大于杨木(0.42g/cm3)，其桦木本身的力学强度和导热率都大与杨木，因此采用0.8mm桦木单板所制备的“三明治”结构的木质复合板材比采用1.6mm杨木单板所制备的“三明治”结构的木质复合板材具有稍高些的密度和导热率，但力学强度基本相当。
对比实验四和实验一所得板材可见：将所制备的“三明治”结构的木质复合板材的密度由0.42g/cm3提高到0.48g/cm3，其内结合强度、静曲强度和导热率都有所增加，并使其内结合强度和静曲强度都完全达到国家标准A类刨花板二等品的性能要求(内结合强度≥0.35MPa、静曲强度≥15MPa)，完全可替代普通刨花板用作家具制造和室内装饰的非受力部件。

Claims (10)

1.低密度“三明治”结构的木质复合板材，其特征在于该木质复合板材从上到下由单板、100重量份低密度木质刨花、0.5～10重量份可发泡聚苯乙烯、5～20重量份木材胶黏剂和单板热压制成。
2.根据权利要求1所述低密度“三明治”结构的木质复合板材，其特征在于所述低密度木质刨花为密度小于0.45g/cm3的木材制备的刨花碎料。
3.根据权利要求1所述低密度“三明治”结构的木质复合板材，其特征在于所述可发泡聚苯乙烯的粒径小于0.5mm、发泡比为10～50。
4.根据权利要求1所述低密度“三明治”结构的木质复合板材，其特征在于所述可发泡聚苯乙烯木材胶黏剂为脲醛树脂胶黏剂，所述的单板为厚度为1～2mm杨木、厚度为1～2mm椴木、厚度为0.5～1mm柳桉或厚度为0.5～1mm桦木旋切得到的单板。
5.权利要求1所述低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法，其特征在于该制备方法如下：
一、将低密度木质刨花干燥至含水率为2～10％；
二、在100重量份含水率为2～10％的低密度木质刨花中，喷施5-25重量份木材胶黏剂后，加入0.5～10重量份的可发泡聚苯乙烯，并搅拌均匀混合，得混合物；
三、将步骤二得到的混合物铺装，形成板胚，并在板胚上表面、下表面各放置一张一面涂施木材胶黏剂的单板，形成“三明治”结构板胚；
四、将“三明治”结构板胚放置在具有厚度规的热压机上，于110～135℃热压，热压速率为0.2～0.5min/mm，即得低密度“三明治”结构的木质复合板材。
6.根据权利要求5所述低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述低密度木质刨花为密度小于0.45g/cm3的木材制备的刨花碎料。
7.根据权利要求5所述低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法，其特征在于步骤二中所述可发泡聚苯乙烯的粒径小于0.5mm、发泡比为10～50。
8.根据权利要求5、6或7所述低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法，其特征在于步骤二中所述可发泡聚苯乙烯木材胶黏剂为脲醛树脂胶黏剂。
9.根据权利要求5、6或7所述低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法，其特征在于步骤三中所述的单板为厚度为1～2mm杨木、厚度为1～2mm椴木、厚度为0.5～1mm柳桉或厚度为0.5～1mm桦木旋切得到的单板。
10.根据权利要求5、6或7所述低密度“三明治”结构的木质复合板材的制备方法，其特征在于步骤四中在125℃热压。
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