中高密度纖維板用高性能膠粘劑的研究

在制作中、高密度纖維板時(shí)，應(yīng)添加一定的劑量和一定類型的粘合劑，使板材達(dá)到一定的強(qiáng)度和其他性能指標(biāo)。否則，無(wú)法生產(chǎn)合格的中、高密度纖維板。因此,纖維施膠是中/高密度纖維板生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一。1粘合劑的類型和要求1.1中/高密度纖維板膠接反應(yīng)原理目前,生產(chǎn)中/高密度纖維板使用的膠粘劑有脲醛樹(shù)脂、三聚氰胺改性脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和異氰酸酯樹(shù)脂等。膠粘劑種類的確定必須根據(jù)樹(shù)脂的膠合性能、產(chǎn)品的用途及成本等綜合考慮。室內(nèi)使用的中/高密度纖維板,如用于家具、家用電器、地板基材和建筑內(nèi)部裝修材料等,最常用的膠粘劑是脲醛樹(shù)脂。因?yàn)殡迦?shù)脂的膠合性能好、成本低、顏色淺(乳白色)、能夠滿足室內(nèi)使用的耐水要求。中/高密度纖維板生產(chǎn)使用的脲醛樹(shù)脂是尿素與甲醛在催化劑作用下,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而成的。它具有較高的膠接強(qiáng)度和耐冷水性能,耐熱水性能較差(臨界溫度70℃~80℃),耐化學(xué)藥劑的侵蝕。目前,我國(guó)中/高密度纖維板生產(chǎn)采用的脲醛樹(shù)脂膠,甲醛與尿素的摩爾比為1.5~1.2,尿素分批加入。反應(yīng)溫度控制在75~95℃之間,反應(yīng)液的pH值為堿-酸-堿工藝,樹(shù)脂終點(diǎn)的控制是當(dāng)反應(yīng)液黏度達(dá)到20×10mPa·s時(shí)停止反應(yīng)。樹(shù)脂生產(chǎn)周期為3.5~4.0h,其技術(shù)指標(biāo)為:樹(shù)脂含量50±1%,固化時(shí)間(100℃)60~120s,pH值7.0~7.5,活性期(25℃)24h以上,黏度(25±5)×10mPa·s,水溶性(20℃蒸餾水)3~4倍,密度1.20±0.05kg/m3,外觀乳白色液體,游離甲醛含量0.5%~0.2%。另一類為脲醛-三聚氰胺樹(shù)脂,是由尿素、甲醛、三聚氰胺、硫酸胺等為原料,在低溫(70℃)下調(diào)制而成。當(dāng)膠濃度為50%時(shí)其黏度為50×10mPa·s。它與一般脲醛樹(shù)脂的不同之處在于:在膠粘劑調(diào)制中不發(fā)生聚合反應(yīng),而是在施膠后的熱壓過(guò)程中一次聚合而成,因此又稱之為“現(xiàn)場(chǎng)”型膠粘劑。膠中三聚氰胺的存在不僅使膠液具有較好的滲透性及較低的熱塑溫度,而且使膠具有廣泛的樹(shù)脂適應(yīng)性,使中/高密度纖維板的材質(zhì)有較好的穩(wěn)定性和堅(jiān)硬性。室內(nèi)防潮型和室外型中/高密度纖維板,使用的膠粘劑為酚醛樹(shù)脂或異氰酸酯樹(shù)脂等。其原因是這些樹(shù)脂的膠合強(qiáng)度高,耐水性能好。1.2效率及黏度的要求用于中/高密度纖維板生產(chǎn)的膠粘劑,首先應(yīng)能適應(yīng)干法制造工藝,與纖維有很好的結(jié)合性能,原料來(lái)源豐富,價(jià)格便宜。除此之外,還應(yīng)具備:1)膠粘劑應(yīng)具有一定的固化速度。如在溫度165℃或更高時(shí),其固化時(shí)間不超過(guò)1min。2)膠粘劑的酸堿度應(yīng)隨纖維的酸度而定。因?yàn)闊釅簳r(shí),pH值對(duì)膠粘劑的固化速度具有較大的影響。一般pH值為7~8。3)膠粘劑與其他添加劑如防水劑、防火劑、防腐劑等有較好的混溶性。4)膠粘劑黏度大小直接影響著施膠量、膠液分布的均勻性、膠液的流動(dòng)性和滲透性。生產(chǎn)中/高密度纖維板的膠粘劑不同于刨花板、膠合板生產(chǎn)用膠。這主要是因?yàn)槔w維比刨花、單板具有更大的比表面積。為使纖維板具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度,膠粘劑必須充分地覆蓋纖維表面。為此,膠粘劑應(yīng)具有低黏度和較高的滲透性。一般要求黏度低于50×10mPa·s。5)中/高密度纖維板生產(chǎn)用的膠粘劑固含量為55%~60%,這是對(duì)中/高密度纖維板生產(chǎn)用膠粘劑的最基本要求,但是一些生產(chǎn)企業(yè)使用不脫水膠,固體含量低于此標(biāo)準(zhǔn)。1.3確定合適的固化劑當(dāng)使用脲醛樹(shù)脂膠時(shí),為了提高縮聚反應(yīng)速度,縮短固化時(shí)間,使樹(shù)脂能達(dá)到一定膠合強(qiáng)度,一般使用前應(yīng)在樹(shù)脂中加入固化劑。脲醛樹(shù)脂膠的固化劑有酸和酸性鹽兩類。酸有草酸、磷酸、檸檬酸等;酸性鹽有氯化銨、硫酸銨、鹽酸苯胺、氯化鋅等。這些固化劑的性質(zhì)不同,效果不一,使用時(shí)應(yīng)依脲醛樹(shù)脂的理化性能、氣溫條件、熱壓工藝等確定合適的施加量。目前,國(guó)內(nèi)外廣泛使用的固化劑是氯化銨(NH4Cl),一般施加量為0.5%~1.5%(固體氯化銨與固體樹(shù)脂之比)。2給藥膠法2.1用粘合劑法在中/高密度纖維板生產(chǎn)中,施加膠粘劑有多種方法。不同的施加方法有各自的特點(diǎn),且有相應(yīng)的適用范圍或局限性。2.1.1施膠纖維含水率采用纖維先施膠后干燥工藝,不需要設(shè)備復(fù)雜的拌膠機(jī),能簡(jiǎn)化工藝流程;施膠設(shè)備簡(jiǎn)單,費(fèi)用低,操作維修方便;纖維干燥后的含水率(9%~13%)比先干燥后施膠纖維的含水率(3%~6%)要高,節(jié)省能源,也減少了干燥過(guò)程著火的可能性;施膠均勻,產(chǎn)品表面不會(huì)出現(xiàn)膠斑等缺陷。但是此方法也存在少量膠粘劑提前固化的可能性,施膠量相對(duì)較高。此外,還有組合施膠工藝,即表層纖維采用先施膠后干燥工藝,芯層纖維采用先干燥后施膠工藝。表層纖維施加高溫固化的膠粘劑,芯層纖維施加低溫固化的膠粘劑,這樣,盡管熱壓時(shí)表芯層溫度不同,但表芯層的膠粘劑可同時(shí)固化,大大縮短了熱壓周期。2.2膠凝劑的用量在中/高密度纖維板生產(chǎn)中,膠粘劑的施加量直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和成本,施膠量的高低以固體膠量與絕干纖維量的百分比來(lái)表示。通常情況下,中/高密度纖維板生產(chǎn)的靜曲強(qiáng)度、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度隨施膠量增加而增加;吸水率和吸水厚度膨脹率隨施膠量增加而降低(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn),纖維板強(qiáng)度提高、耐水性的改善,并非隨施膠量的增加而呈直線比例提高,其中施膠量在6%~8%時(shí),產(chǎn)品的物理力學(xué)性能提高顯著;而施膠量在8%~10%時(shí),則產(chǎn)品性能指標(biāo)的變化較小。這是因?yàn)槭┠z量增至一定程度后,膠量的增加僅能提高膠層的厚度,對(duì)纖維之間的膠合影響不大,故產(chǎn)品性能提高幅度較小。通常中/高密度纖維板的施膠量以8%~12%(固體樹(shù)脂對(duì)絕干纖維之比)為宜。但這個(gè)施膠量范圍還應(yīng)根據(jù)具體情況來(lái)調(diào)整。例如生產(chǎn)多層結(jié)構(gòu)板時(shí),表層纖維施膠量略高于芯層,通常表層為10%~12%,芯層為8%~10%;原料中半纖維素、木素含量較高的樹(shù)種配比較大時(shí),施膠量可適當(dāng)減少;纖維質(zhì)量均勻、形態(tài)好,施膠量也可降低;產(chǎn)品使用環(huán)境不同,施膠量也應(yīng)有所變化,如使用環(huán)境濕度較大,為防止產(chǎn)品變形,保持足夠的強(qiáng)度和耐水性,則施膠量應(yīng)適當(dāng)增加。上述施膠量是指固體樹(shù)脂對(duì)絕干纖維之比,但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)所使用的膠粘劑是液體狀,即液體膠粘劑內(nèi)有一定的固體樹(shù)脂,故應(yīng)將纖維的施膠量按照膠粘劑的濃度不同換算成液體膠粘劑施加量。液體膠粘劑施膠量根據(jù)公式W—絕干纖維質(zhì)量,kg;P—施膠量(固體樹(shù)脂與絕干纖維之比),%;m—液體膠粘劑中的固體樹(shù)脂含量,%。2.3熱磨機(jī)帶螺旋施膠控制系統(tǒng)施膠的目的是使膠粘劑按一定的比例均勻地分布在纖維表面上。如果纖維和膠粘劑的比例不適當(dāng),則將嚴(yán)重影響纖維板的質(zhì)量。目前,國(guó)內(nèi)外中/高密度纖維板生產(chǎn)中,纖維的計(jì)量有的通過(guò)電子稱連續(xù)對(duì)纖維稱量,也有通過(guò)熱磨機(jī)帶式螺旋運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換來(lái)計(jì)量纖維量的。在采用電子稱的情況下,由于纖維堆積密度較小(22~25kg/m3),而皮帶機(jī)本身質(zhì)量較大(一般在1200kg左右),加之周圍其他設(shè)備的振動(dòng)和風(fēng)速對(duì)其影響,因此電子稱顯示的量與實(shí)際量誤差難以控制,所以國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)廠家采用通過(guò)熱磨機(jī)帶式螺旋運(yùn)輸機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)轉(zhuǎn)換成纖維質(zhì)量,包括進(jìn)口生產(chǎn)線。而此方法最大缺點(diǎn)是當(dāng)原材料種類改變(原材料密度不同)會(huì)引起計(jì)量誤差;膠粘劑的計(jì)量有體積計(jì)量和質(zhì)量計(jì)量,由于膠粘劑的密度比較穩(wěn)定,所以上述兩種計(jì)量精度相差不多。圖5所示為上海人造板機(jī)器廠有限公司開(kāi)發(fā)的新的纖維施膠控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)控制原理是:根據(jù)熱磨機(jī)帶式螺旋轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算纖維量,失重計(jì)量桶單位時(shí)間膠量流失信號(hào)輸入到控制器(PLC),與控制器中事先設(shè)置的熱磨機(jī)帶式螺旋轉(zhuǎn)速與施膠量的線性進(jìn)行比較,(下轉(zhuǎn)第29頁(yè))(上接第22頁(yè))輸出一個(gè)信號(hào),此信號(hào)經(jīng)控制器觸發(fā)可控硅控制器控制施膠泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到施膠量隨熱磨機(jī)帶式螺旋轉(zhuǎn)速的變化而得到相應(yīng)的調(diào)整。該系統(tǒng)兩個(gè)失重計(jì)量桶交替使用,既能直觀地顯示瞬間的施膠量,又可直觀地顯示累計(jì)施膠量,并且可通過(guò)操作臺(tái)直接打印出來(lái)。其工作原理是:調(diào)膠桶、過(guò)濾器及氣動(dòng)閥1在高位,膠粘劑通過(guò)自重流向失重計(jì)量桶,向施膠泵供膠。系統(tǒng)設(shè)定失重計(jì)量桶內(nèi)膠量的上、下限,如其中失重計(jì)量桶1內(nèi)膠量達(dá)到下限時(shí),氣動(dòng)閥2自動(dòng)切換到由失重計(jì)量桶2向施膠泵供膠,同時(shí)氣動(dòng)閥1切換到給失重計(jì)量桶1供膠。需特別注意的是氣動(dòng)閥1通徑,要保證其通過(guò)流量大于施膠泵的流量,這樣才能滿足一個(gè)失重計(jì)量桶中膠粘劑使用完了,另一個(gè)失重計(jì)量桶已灌滿。在木片進(jìn)行纖維分離時(shí),從熱磨機(jī)的帶式螺旋與磨室體間加入(見(jiàn)圖1)膠粘劑。這是較早采用的施膠方法,雖然能達(dá)到纖維與膠液均勻混合的目的,但由于高溫會(huì)引起部分膠粘劑提前固化,所以此方法一般僅限于施加粉狀酚醛樹(shù)脂膠,現(xiàn)在很少采用這種方法。2.1.2施工用“膠”原料控制施膠量先將熱磨后得到的纖維干燥,然后在高速攪拌機(jī)中施加膠粘劑(見(jiàn)圖2),這種施膠方法稱為拌膠機(jī)施膠,可準(zhǔn)確控制施膠量。由于不會(huì)產(chǎn)生膠粘劑干燥時(shí)的預(yù)固化現(xiàn)象,因此施膠量相對(duì)節(jié)省。但是若膠粘劑濃度低、黏度小,易使纖維含水率過(guò)高,增加熱壓工藝的難度;反之,膠液濃度高、黏度增大,膠液難以滲透,由于纖維蓬松易結(jié)團(tuán),從而導(dǎo)致膠粘劑分布不均,板坯鋪裝不勻,板材密度、厚度的穩(wěn)定性受到影響,并且還會(huì)產(chǎn)生板面的膠斑、膠塊等外觀缺陷。2.1.3管道施膠噴咀目前,國(guó)內(nèi)外中/高密度纖維板生產(chǎn)基本上都采用先施膠后干燥的方法(見(jiàn)圖3)。膠粘劑通過(guò)施膠泵送入熱磨機(jī)與干燥機(jī)之間的施膠管組。纖維借助熱磨機(jī)內(nèi)高壓蒸汽快速噴出,處于分散懸浮狀態(tài),施膠噴咀以高于管道內(nèi)汽壓0.1~0.2MPa的壓力噴出霧狀膠液,