施胶量对异氰酸酯胶高密度纤维板性能的影响

杨木（Populus spp.）纤维，外购。含水率9.5%，长度主要分布在0.3~2.5 mm，约占纤维总质量的80%；直径主要分布在0.05~0.3 μm，约占纤维总质量的90%；长径比＜4.5的纤维占纤维总质量的25%；长径比＜8.5和＜15的纤维，分别占纤维总质量的50%和75%。

异氰酸酯（MDI）胶黏剂，工业品，外购。棕黄色液体，以二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)为主要原料，黏度275 mPa·s(25 ℃)。丙酮，分析纯，北京化工厂。

拌胶机(DRAIS FTR 250型)、纤维光学分析仪（Fiber Cam100）、扫描电子显微镜（SEM）(S-4800)、电子万能拉力机（CMT-4104）等。

将纤维放入滚筒拌胶机中，采用高压雾化方式将丙酮稀释的MDI胶（m_丙酮∶m_MDI=1∶5）施加到木纤维表面，设置施胶量分别为3%、6%、10%、15%、20%。将施胶纤维手工铺装在模具中，人工预压形成板坯，再放入热压机中热压。纤维板的幅面为250 mm×250 mm，厚度控制在(7.0±0.5) mm，设定密度为(900±50) kg/m³，热压温度为190 ℃，热压时间1 mm/min。每组试验条件制备多块试板，然后从中选取密度为(900±20) kg/m³的3块板材进行锯切。

1）微观形貌：采用SEM对板材内部的微观结构进行表征。

2）物理力学性能：依据GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，检测试板的内结合强度、静曲强度、弹性模量及吸水厚度膨胀率和吸水率，每项指标取6个有效试件的平均值。结果按照GB/T 31765—2015《高密度纤维板》进行评价。

不同施胶量制备高密度纤维板的实物图以及采用SEM表征不同施胶量试板的微观结构，见图1。

图1  异氰酸酯胶高密度纤维板的实物图和微观结构

Fig.1  Pictures and microstructures of isocyanate high-density fiberboards

实物图1a~d显示，施胶量从3%增加到15%时，异氰酸酯胶高密度纤维板的外观良好；当施胶量增加到20%时（实物图1e），板材发生鼓泡；当施胶量增加到25%时（实物图1f），板材直接开裂，无法成型。主要原因是异氰酸酯胶在固化时，除发生自身交联以及‒NCO与木纤维表面的‒OH发生反应之外，还与纤维中水分发生反应，释放CO₂，当异氰酸酯胶施胶量越大，CO₂释放越多，板材越不容易胶合，因此发生鼓泡甚至开裂的现象。

当施胶量为3%时（微观结构图1a），纤维板内部纤维之间结合比较松散，孔隙较多，结合强度不高，这些孔隙也容易形成应力集中点，从而导致纤维板力学性能较低。随着施胶量的增加，纤维表面包覆的胶黏剂增多，板材内部纤维之间结合更加紧密，因而有利于提高板材的力学性能。当施胶量达到20%时（微观结构图1e），纤维固化成团，板材内部形成胶块，虽然施胶量上升了，但是板材发生了鼓泡现象，从而导致其力学性能下降。

异氰酸酯胶高密度纤维板吸水厚度膨胀率和吸水率的测试结果，如图2所示。

图2  异氰酸酯胶高密度纤维板的吸水厚度膨胀率和吸水率

Fig.2  Water absorption and thickness swelling of isocyanate high-density fiberboards

从图2可以看出，不同施胶量的板材，其吸水厚度膨胀率和吸水率均随浸泡时间的延长而变大，这是因为浸泡时间越长，水分渗入越多。随着施胶量进一步升高，在相同浸泡时间内，板材的吸水厚度膨胀率和吸水率进一步降低，这是因为施胶量越大，纤维表面覆盖的胶黏剂越多，固化之后，木纤维表面被胶黏剂包覆的越多，裸露在外的羟基越少，水分不易浸入板材中，从而降低了板材的吸水厚度膨胀率和吸水率。但是当施胶量增加到20%时，吸水厚度膨胀率和吸水率反而上升，这是因为20%的施胶量时，板材内部发生鼓泡、开裂，水分渗入之后，容易发生膨胀。

此外，通过SEM微观结构分析可知，在施胶量较低时，板材内部结构较为松散，水分易于浸入板材内部，随着施胶量增加，板材内部结合更加紧密，水分难以渗透，从而降低板材的吸水率和吸水厚度膨胀率。

图2还显示，在100 h之前，异氰酸酯胶高密度纤维板的吸水厚度膨胀率和吸水率明显上升，但随着浸泡时间的延长，增幅逐渐减小。这是因为板材施胶量越大，纤维表面包覆的胶黏剂越多，水分越难渗透，大大提高了板材的耐水能力。当浸泡时间增加到400 h后，板材的吸水厚度膨胀率和吸水率逐步趋向平衡，说明水分的渗透在400 h之后，接近饱和状态。

采用SPSS软件对异氰酸酯胶高密度纤维板的吸水厚度膨胀率和吸水率的显著性进行分析，结果见表1。

由表1可知，施胶量对吸水厚度膨胀率和吸水率的显著水平为0.022和0.005，均小于0.05，说明施胶量对吸收厚度膨胀率和吸水率影响显著。

1）抗弯性能

不同施胶量压制的异氰酸酯胶高密度纤维板抗弯性能的测试结果，如图3所示。

图3  异氰酸酯胶高密度纤维板的抗弯性能

Fig.3  Bending properties of isocyanate high-density fiberboards

图3显示，施胶量为3%时，纤维板的静曲强度和弹性模量分别为40.5 MPa和4 800 MPa；当施胶量增加到10%时，静曲强度、弹性模量分别为77.0、7 300 MPa。这是因为施胶量逐渐增加，纤维表面覆盖更多的胶黏剂，高温固化时，异氰酸酯胶的一部分‒NCO基团发生自交联反应，得到网状大分子，另外一部分‒NCO与木纤维表面的‒OH发生反应，生成氨基甲酸酯基团，将异氰酸酯胶和木纤维通过化学键紧密结合在一起，使板材的内部形成更多的交联点，板材受到外界载荷时，纤维之间能够有效地传递应力，从而大大提高板材的力学性能。

当施胶量从10%增加到20%时，板材的力学性能反而逐渐降低，尤其是施胶量为20%时，板材热压之后发生鼓泡。这是因为异氰酸酯胶黏剂在固化时，与纤维中水分发生反应，释放CO₂，导致板材不容易胶合，其抗弯性能明显下降。如果降低纤维含水率，估计还可以进一步提高MDI胶的施胶量，也就意味着纤维板性能还有提升的空间。如将高密度纤维板应用于汽车内饰件等领域中，该领域对板材性能的要求远高于装饰装修领域对纤维板的要求。

采用SPSS软件对异氰酸酯胶高密度纤维板静曲强度的显著性进行分析，结果如表2所示。

通过表2可知，当施胶量在3%~15%之间变化时，施胶量对静曲强度影响的显著水平为0.048，小于0.05，说明此范围的施胶量对静曲强度具有显著性影响。

但当施胶量在3%~20%之间变化时，其显著性水平为0.195，大于0.05，表明施胶量对静曲强度的影响不显著。因为施胶量达到20%时，板材的静曲强度大大降低。

2）内结合强度

异氰酸酯胶高密度纤维板的内结合强度以及沸水煮2 h内结合强度测试结果，如图4所示。

图4  异氰酸酯胶高密度纤维板的内结合强度

Fig.4  Internal bending strength of isocyanate high-density fiberboards

从图4中可以看出，随着施胶量从3%增加到10%时，内结合强度从1.35 MPa逐步上升到4.10 MPa；沸水煮2 h内结合强度从0.42 MPa上升到2.37 MPa，然后逐渐下降，与静曲强度的变化规律相似。这主要是因为随着施胶量的增加，纤维表面覆盖了更多的胶黏剂，高温固化之后，形成更多的交联点，从而提高内结合强度。

采用SPSS软件对异氰酸酯胶高密度纤维板内结合强度显著性进行分析，结果如表3所示。

通过表3可知，当施胶量在3%~15%之间变化时，施胶量对内结合强度影响的显著水平为0.01＜0.05，说明此范围的施胶量对内结合强度具有显著性影响。

但当施胶量在3%~20%之间变化时，其显著性水平为0.889，大于0.05，表明施胶量对内结合强度的影响不显著。因为施胶量达到20%时，板材的内结合强度大大降低。

对照GB/T 31765—2015《高密度纤维板》要求可知，当施胶量为3%时，板材的抗弯性能和内结合强度满足标准对普通型高密度纤维板的要求，可应用于普通领域；当施胶量为6%时，板材的抗弯性能和内结合强度满足标准对高湿型高密度纤维板的要求，可应用于高湿度领域。