丙烯酸接枝改善玄武巖纖維/楊木膠合板的膠合性能1)

陳暑冰 申士杰 范詒杰 羅文 吳睿

(木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

丙烯酸接枝改善玄武巖纖維/楊木膠合板的膠合性能1)

陳暑冰 申士杰 范詒杰 羅文 吳睿

(木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)

采用偶聯(lián)劑處理玄武巖纖維(BF)，然后用丙烯酸二次接枝的方法改善玄武巖纖維增強(qiáng)膠合板的膠合性能，研究了丙烯酸溶液濃度、處理時(shí)間和處理溫度對BF/楊木膠合板膠合性能的影響。結(jié)果表明：玄武巖纖維經(jīng)丙烯酸溶液處理后，BF/楊木膠合板的膠合性能得到明顯改善。通過正交試驗(yàn)優(yōu)化得出的處理?xiàng)l件為：丙烯酸溶液濃度0.3 mol/L、處理時(shí)間2 h、處理溫度30 ℃；在此優(yōu)化條件下，BF/楊木膠合板的性能達(dá)到干態(tài)膠合強(qiáng)度2.71 MPa、濕態(tài)膠合強(qiáng)度1.68 MPa，較未經(jīng)丙烯酸溶液處理的對照組分別提高了57.6%、54.1%，且煮沸剝離率由15%下降為0。

丙烯酸；膠合板；玄武巖纖維；膠合性能

中國的森林資源匱乏，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和木材供應(yīng)的矛盾日益突出，這一國情下大力發(fā)展人工速生林成為緩解木材供需矛盾的有效途徑之一[1]。第八次森林資源調(diào)查顯示，截止到2013年，我國人工林保存面積達(dá)到0.69億hm2，面積居世界第一[2]。然而，由于人工林生長速度快、生長年限短，存在徑級較小、強(qiáng)度較低、尺寸穩(wěn)定性差等問題，使得速生材在工程承重上的應(yīng)用受到限制[3-6]。玄武巖纖維具有強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、不易水解等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低于碳纖維[7]。采用玄武巖纖維增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料能夠?qū)煞N材料的優(yōu)良性能結(jié)合起來，從而提高木質(zhì)復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度以及整體的穩(wěn)定性，滿足更高的設(shè)計(jì)要求。由于玄武巖纖維與木材是性質(zhì)完全不同的兩種材料，采用直接膠合的方式無法滿足使用要求。因此，纖維增強(qiáng)木質(zhì)復(fù)合材料首先要解決纖維與木材的膠合問題[8]。

本研究采用偶聯(lián)劑KH550處理玄武巖纖維引發(fā)丙烯酸二次接枝的表面改性方法，優(yōu)化出丙烯酸溶液處理玄武巖纖維的適宜濃度、處理時(shí)間和處理溫度，優(yōu)化改善玄武巖纖維表面性能的工藝技術(shù)，提高玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面結(jié)合性能和復(fù)合材料的性能，拓展玄武巖纖維增強(qiáng)膠合板的應(yīng)用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

楊木單板400 mm×400 mm，平均厚度1.5 mm，含水率5%，科冕木業(yè)有限公司；連續(xù)玄武巖纖維布：纖維平均直徑≤8 μm，含水率≤0.5%，軟化溫度≥750 ℃，密度2.63 g/cm3，厚度0.30 mm，遼寧省營口市建筑材料研究所；硅烷偶聯(lián)劑KH550：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，上海耀華化工廠；丙烯酸純?nèi)芤?，西隴化工股份有限公司。

膠黏劑：水溶性酚醛樹脂，黏度60～100 Pa·s(25 ℃)，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(43±1)%(2 h，120 ℃)，pH=12～14(25 ℃)，固化時(shí)間1 000～1 500 s(105 ℃)，北京太爾化工有限公司；醇溶性酚醛樹脂，涂4杯黏度15～30 s(25 ℃)，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，新鄉(xiāng)市伯馬風(fēng)帆有限公司。

萬能試驗(yàn)壓機(jī)：BY302×2/15(100T)，蘇州新協(xié)力機(jī)器制造有限公司；電子天平：BSM 3200，上海卓精電子科技有限公司；推臺鋸：YC30，河北友創(chuàng)機(jī)械廠；電熱鼓風(fēng)干燥箱：DGH-9140A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；電熱恒溫水浴鍋：DZKW-S-4，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：AG-IS 100 kN，日本島津公司。

1.2 方法

采用一次成型工藝制造玄武巖纖維增強(qiáng)楊木膠合板，即將玄武巖纖維布與楊木單板進(jìn)行組坯，然后一次性熱壓成復(fù)合板材。制備工藝流程如圖1所示。

圖1 BF/楊木膠合板制備流程

1.2.1 試驗(yàn)組設(shè)置

試驗(yàn)采用先對玄武巖纖維進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑KH550處理，然后再進(jìn)行丙烯酸單體接枝的表面改性方法。以丙烯酸溶液的處理時(shí)間、溫度、濃度為3因素，進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn)(L9(34))，并設(shè)置玄武巖纖維布未經(jīng)任何處理的空白組與玄武巖纖維布用偶聯(lián)劑KH550進(jìn)行表面處理后未進(jìn)行丙烯酸單體接枝的對照組(見表1)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

1.2.2 BF/楊木膠合板制備

玄武巖纖維布處理：將玄武巖纖維布裁剪為400 mm×400 mm的規(guī)格尺寸，放入250 ℃的干燥箱內(nèi)高溫處理30 min，除去纖維表面的浸潤劑。然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的KH550溶液浸泡3 h，取出后用蒸餾水清洗干凈，放入干燥箱中，溫度設(shè)定為110 ℃，時(shí)間15 min。按照試驗(yàn)方案，將干燥完成的纖維布放入丙烯酸溶液中進(jìn)行單體接枝。浸泡完成后取出纖維布，用蒸餾水清洗干凈，干燥后備用。

涂膠：①玄武巖纖維布。玄武巖纖維布雙面涂膠，醇溶性酚醛樹脂涂膠量為玄武巖纖維質(zhì)量的1.5倍。涂膠后放入干燥箱中，在140 ℃下預(yù)固化20 min；②楊木單板。以手工涂膠的方式將水溶性酚醛樹脂膠黏劑均勻涂在楊木單板上，涂膠量為250 g/m2，涂布后開口陳放5～10 min。

組坯：將涂膠后的纖維布和楊木單板按紋理方向縱橫交錯(cuò)進(jìn)行組坯，BF/楊木膠合板的組坯方式如圖2所示。

圖2 BF/楊木膠合板組坯示意圖

熱壓：熱壓溫度140 ℃，壓力1.5 MPa，時(shí)間20 min。結(jié)束后卸壓取出，冷卻，陳放備用。

根據(jù)試驗(yàn)方案，每個(gè)試驗(yàn)組制備3塊BF/楊木膠合板，各檢測項(xiàng)目均制備6個(gè)檢測試件。

1.2.3 檢測依據(jù)

依據(jù)GB/ T17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》檢測BF/楊木膠合板的膠合強(qiáng)度與剝離性能。其中濕態(tài)膠合強(qiáng)度依據(jù)4.17.5.2.3煮-干-煮的方法進(jìn)行檢測，剝離性能按照I類浸漬剝離試驗(yàn)進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠合性能

表2為BF/楊木膠合板膠合性能試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯涸囼?yàn)組11的干態(tài)膠合強(qiáng)度和濕態(tài)膠合強(qiáng)度均高于試驗(yàn)組10，且煮沸剝離率低于試驗(yàn)組10；正交試驗(yàn)組的干態(tài)膠合強(qiáng)度和濕態(tài)膠合強(qiáng)度均高于空白組和對照組。這表明硅烷偶聯(lián)劑KH550能夠在一定程度上提高BF/楊木膠合板的膠合強(qiáng)度，并且采用丙烯酸單體接枝的方法能夠進(jìn)一步提高BF/楊木膠合板的膠合性能。

試驗(yàn)組10為玄武巖纖維布未經(jīng)任何處理的空白組；試驗(yàn)組11為玄武巖纖維布用偶聯(lián)劑KH550進(jìn)行表面處理后未進(jìn)行丙烯酸單體接枝的對照組。

2.1.1 干態(tài)膠合強(qiáng)度

表3為干態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析?？梢钥闯?，丙烯酸溶液的濃度對BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度的影響最為明顯。當(dāng)濃度為0.3 mol/L時(shí)，BF/楊木膠合板的干態(tài)膠合強(qiáng)度最高；隨著丙烯酸濃度的的升高，BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度呈先明顯降低再緩慢升高的趨勢。丙烯酸溶液的溫度為BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度的第二影響因素，當(dāng)丙烯酸溶液的溫度為70 ℃時(shí)，BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度最大；隨著丙烯酸溶液溫度的升高，BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度呈現(xiàn)先緩慢降低再急劇升高的趨勢。當(dāng)丙烯酸溶液的處理時(shí)間為2 h時(shí)，板材的干態(tài)膠合強(qiáng)度達(dá)到最大。

表2 膠合性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)各項(xiàng)因素對BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度影響的主次排序以及各項(xiàng)因素極差值得出BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度的優(yōu)化方案為C1B3A2，即丙烯酸溶液的濃度0.3 mol/L，溫度70 ℃，處理時(shí)間2 h。

表3 BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表4為BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析。可以看出，丙烯酸溶液的濃度、溫度和處理時(shí)間對干態(tài)膠合強(qiáng)度均有很顯著的影響。丙烯酸溶液的濃度、溫度、處理時(shí)間3個(gè)因素對BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度影響程度從大到小依次為丙烯酸溶液濃度、丙烯酸溶液溫度、丙烯酸溶液處理時(shí)間，與極差分析結(jié)果一致。

2.1.2 濕態(tài)膠合強(qiáng)度

表5為濕態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析。可知，丙烯酸溶液的濃度對BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度的影響最為明顯。當(dāng)濃度為0.3 mol/L時(shí)，BF/楊木膠合板的濕態(tài)膠合強(qiáng)度最高；隨著丙烯酸濃度的升高，BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度呈下降趨勢。丙烯酸溶液的處理時(shí)間為BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度的第二影響因素，處理時(shí)間為2 h時(shí)，板材的濕態(tài)膠合強(qiáng)度為最大。當(dāng)丙烯酸溶液的溫度為70 ℃時(shí)，BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度為最大；隨著丙烯酸溶液溫度的升高，BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度先降低再升高。

表4 BF/楊木膠合板干態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析

注：** 表示因素水平的改變對試驗(yàn)結(jié)果有很顯著的影響。

根據(jù)各項(xiàng)因素對BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度影響的主次排序以及各項(xiàng)因素極差值得出了針對提升BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度的優(yōu)化方案為C1A2B3，即丙烯酸溶液的濃度0.3 mol/L，處理時(shí)間2 h，溫度70 ℃。

表5 BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表6為BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析。可以看出，丙烯酸溶液的濃度、溫度、處理時(shí)間3個(gè)因素對BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度影響程度從大到小依次為丙烯酸溶液濃度、丙烯酸溶液處理時(shí)間、丙烯酸溶液溫度，與極差分析結(jié)果一致。

表6 BF/楊木膠合板濕態(tài)膠合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析

注：*表示因素水平的改變對試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響。

2.1.3 剝離性能

表7為BF/楊木膠合板剝離性能試驗(yàn)結(jié)果極差分析?？芍┧崛芤旱奶幚頃r(shí)間對BF/楊木膠合板剝離性能的影響最為明顯。處理時(shí)間為2 h時(shí)，板材的為剝離率最小。丙烯酸溶液的溫度為BF/楊木膠合板剝離性能的第二影響因素，當(dāng)丙烯酸溶液的溫度為30 ℃時(shí)，BF/楊木膠合板剝離率為最??；隨著丙烯酸溶液溫度的升高，BF/楊木膠合板剝離率先增大再減小。丙烯酸溶液的濃度為0.3 mol/L時(shí)，BF/楊木膠合板的剝離率為最??；隨著丙烯酸濃度的的升高，BF/楊木膠合板的剝離率也呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。

根據(jù)各項(xiàng)因素對BF/楊木膠合板剝離性能影響的主次排序以及各項(xiàng)因素極差值得出了針對提升BF/楊木膠合板剝離性能的優(yōu)化方案為A2B1C1，即丙烯酸溶液的處理時(shí)間2 h，溫度30 ℃，濃度0.3 mol/L。

表7 BF/楊木膠合板剝離性能試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表8為BF/楊木膠合板剝離性能結(jié)果方差分析?？梢钥闯觯┧崛芤旱臐舛?、溫度、處理時(shí)間3個(gè)因素對BF/楊木膠合板剝離性能影響程度從大到小依次為丙烯酸溶液處理時(shí)間、丙烯酸溶液溫度、丙烯酸溶液濃度，與極差分析結(jié)果一致。

表8 BF/楊木膠合板剝離性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析

2.1.4 影響因子

所有正交試驗(yàn)組的各項(xiàng)性能與空白組對比可以看出，除試驗(yàn)組2的剝離性能外，其他性能均有較大幅度的增強(qiáng)。丙烯酸接枝的試驗(yàn)組與只經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的對照組相比，除組2、組3外，其余組各項(xiàng)性能均得到提高。結(jié)合對正交試驗(yàn)制得的BF/楊木膠合板膠合強(qiáng)度以及剝離性能測試結(jié)果的極、方差分析，得出性能優(yōu)化方案為A2B1C1，即丙烯酸溶液處理纖維布時(shí)間為2 h，處理溫度為30 ℃，丙烯酸濃度為0.3 mol/L。

2.2 驗(yàn)證性試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化出的試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果見表9?？梢钥闯觯凑諆?yōu)化工藝參數(shù)處理的玄武巖纖維布制成的楊木膠合板各項(xiàng)性能得到顯著提高。其中干態(tài)膠合強(qiáng)度由處理前1.72 MPa增加到處理后的2.71 MPa，增幅為57.56%；濕態(tài)膠合強(qiáng)度由處理前的1.09 MPa增加到處理后的1.68 MPa，增幅為54.13%，剝離率由15%下降到0。

表9 性能檢測結(jié)果

3 結(jié)論

硅烷偶聯(lián)劑KH550處理玄武巖纖維布能夠提高BF/楊木膠合板的膠合性能。結(jié)合對正交試驗(yàn)制得的BF/楊木膠合板膠合強(qiáng)度以及剝離性能測試結(jié)果的極、方差分析，得出了BF/楊木膠合板膠合強(qiáng)度優(yōu)化方案為A2B1C1，即丙烯酸溶液處理纖維布時(shí)間為2 h，處理溫度為30 ℃，丙烯酸濃度為0.3 mol/L。在此優(yōu)化條件下，BF/楊木膠合板的膠合性能達(dá)到：干態(tài)膠合強(qiáng)度2.71 MPa、濕態(tài)膠合強(qiáng)度1.68 MPa，較未經(jīng)丙烯酸溶液處理的對照組分別提高了57.6%、54.1%，且煮沸剝離率由15%下降為0。

[1] 鐘偉,王潔,鄭敏,等.增強(qiáng)型楊木單板層積材力學(xué)性能分析[J].林業(yè)科技開發(fā),2015,29(3):93-96.

[2] 國家林業(yè)局.第八次全國森林資源清查結(jié)果[J].林業(yè)資源管理,2014(1):1-2.

[3] 丁杰,申世杰,許小芳,等.玄武巖連續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用膠合板的研究[J].中國人造板,2008,15(5):33-35.

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BondingPropertyofPoplarPlywoodReinforcedwithAcrylicAcidTreatedBasaltFiber

//Chen Shubing, Shen Shijie, Fan Yijie, Luo Wen, Wu Rui

(MOE Key Laboratory of Wooded Material Science and Application, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)

The basalt fiber was treated by coupling agent, and then the two fiber grafting method was used to improve the bonding property of basalt fiber reinforced plywood. The experiment was conducted to study the effects of the concentration of acrylic acid solution, treatment time and treatment temperature on the bonding properties of basalt fiber reinforced plywood. The bonding property of basalt fiber reinforced plywood was improved obviously after the basalt fiber was treated with acrylic acid solution. By orthogonal experiment, the optimized conditions were: the content of acrylic acid solution was 0.3 mol/L, the treatment time was 2 h, and the treatment temperature was 30 ℃. Under the optimum conditions, the performance of basalt fiber reinforced plywood: dry bonding strength of 2.71 MPa, and wet bonding strength of 1.68 MPa, compared with the untreated control group solution of acrylic acid were increased by 57.6% and 54.1%, respectively, and the boiling stripping rate was decreased from 15% to 0.

Acrylic acid; Plywood; Basalt fiber; Bonding property

S784；TS653.3

1)國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA03A204-1)。

陳暑冰，男，1991年4月生，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。E-mail:ndchen@126.com。

申士杰，木質(zhì)材料科學(xué)與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail:shijies@263.com。

2017年4月3日。

責(zé)任編輯：戴芳天。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：60-63.