一种无醛添加刨花板生产工艺技术开发

导读:
分别以桉木和杨木刨花为原料,以生物质胶黏剂和异氰酸酯分别为表层刨花和芯层刨花用胶黏剂,探讨了一种无醛添加刨花板的制备工艺,并在连续压机生产线上进行中试试验,结果表明该种工艺可行。

随着人们环保意识的增强,人造板作为室内装修的 主要材料,其环保性能——甲醛释放量越来越受到人们 的关注。胶黏剂是人造板甲醛释放的主要来源,目前我 国人造板产业使用较多的仍然是脲醛树脂、三聚氰胺甲 醛等甲醛基胶黏剂。因此,开发环保型胶黏剂,尤其是 开发无醛型胶黏剂成为未来人造板行业的发展趋势。

目前,我国刨花板生产中使用的无醛型胶黏剂主要 有异氰酸酯和生物质胶黏剂。与传统脲醛树脂相比,用 无醛型胶黏剂生产刨花板虽然彻底解决了甲醛释放量问 题,但是其推广应用还需要解决两方面问题:一是生产成本高且价格波动大,尤其是异氰酸酯在价格上远高于 脲醛树脂;二是整个生产工艺不成熟,如全部使用异氰 酸酯制备刨花板时,存在粘钢带、初黏性不好、板坯不 成型、易粘堵、产能低等问题。

在刨花板成本中占比最大的是木质原料成本和胶黏 剂成本,降低木质原料成本的方法主要是扩大原材料利 用范围和降低原材料质量要求,而降低原材料质量会严 重影响产品品质,因此从胶黏剂和热压工艺方面着手是 降低成本的较好的解决方案。本文根据笔者单位的研发 成果,综合生物质胶黏剂的成本优势和异氰酸酯的黏合性能优势,探讨一种低成本、高质量的无醛添加刨花板 生产工艺,以供刨花板生产企业参考。

1 可行性分析

三层结构的刨花板,通常其表层刨花较细,比表面 积大,耗胶量大;芯层刨花尺寸大,比表面积相对小, 耗胶量少,但刨花间形成的胶钉相对于表层刨花要少, 要求胶黏剂粘结力越强越好。

生物质胶黏剂、异氰酸酯作为刨花板用胶黏剂, 属新型胶种。与脲醛树脂相比,生物质胶黏剂的成本略 高,且胶结强度低,但当其施胶量达到一定量时,其制 备的刨花板性能能达到标准要求。此外,生物质胶黏剂 还具有无毒环保,施胶后分散性和初黏性好,不粘皮带 和钢带等优点。

异氰酸酯具有很高的粘结性能,胶结性能好,且不 释放甲醛等有害气体,被越来越多地应用到刨花板生产 中。目前,我国已有企业使用异氰酸酯生产刨花板。与 脲醛树脂相比,异氰酸酯具有如下缺点:1)反应能力 强,易出现粘钢带现象;2)初黏性差,板坯成型不好, 结构疏松,不利于输送;3)未添加催化剂时,热固化效 率比脲醛树脂低;4)价格高且波动大。这些缺点严重制 约了异氰酸酯在刨花板生产中的应用。

针对以上问题,探讨可能的解决方案如下:

1)表层使用生物质无醛胶黏剂代替异氰酸酯,利用生物质胶黏剂分散性好、不粘皮带、不堵透气网带、 易清洗等优点,解决全使用异氰酸酯生产时出现的粘皮带、粘钢带、堵透气网带问题,以及由于表层异氰酸酯 提前固化粘结在皮带上无法清理,进而导致铺装线上称 重计量不准确的问题。

2)表层使用生物质胶黏剂、芯层使用异氰酸酯+特 殊催化剂,或表层使用生物质胶黏剂、芯层使用异氰酸 酯+特殊催化剂和添加少量初黏性增强剂的工艺,解决全 使用异氰酸酯时由于其初黏性差导致的板坯疏松、板坯 表层料丢失、板坯打折等问题,并提高固化效率和全使 用生物质胶黏剂时的黏结强度低等问题。

2 实验室试验

2.1 材料

生物质胶黏剂:南宁科天水性科技有限责任公司 自制,pH值11.0~14.0,固体含量(52±0.5)%,黏度 (25℃)85.0~140.0 mPa.s,存储期(10~30 ℃)3个月。

异氰酸酯:市场购买,pH值7.0~7.5,NCO基团含量 30.5%~32.5%,黏度(25℃)160.0~240.0 mPa.s,存储期 (10~30 ℃密封)5个月。

初黏性增强剂和催化剂,南宁科天水性科技有限责 任公司自制。 刨花:选用桉木刨花,从刨花原料中随机抽取9组刨 花样品,每组100 g,测试其刨花形态和含水率,结果见 表1。

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2.2 仪器和设备

热压机(XLB-D600×600)、卧式搅拌机 1 台(转 速为 200 r/min )、手动喷枪、手动喷壶、电子秤、304不锈钢钢板 2 块(500 mm × 510 mm × 3 mm ),万能力学 试验机( WDW-100 )、恒温水浴锅( HH.S21-4 )、721 分光光度计、电热恒温鼓风干燥箱、穿孔萃取仪等。

2.3 生产工艺

根据前期试验,选定了A、B两种工艺,压制幅面规 格为500 mm × 510 mm,目标密度和厚度分别为650~670 kg/m3 、18 mm的刨花板,每种条件重复压制刨花板样板 50块。A、B两种工艺中,所有添加组分的添加量均按干 刨花的质量比计算。试验中,表层、芯层共用一台拌胶机,铺装采用长500 mm ×宽500 mm×高300 mm木箱,手动铺装,直接使用热压机预压。

A工艺条件:将100份刨花含水率调至2.5%~4%; 表层刨花与芯层刨花质量占比分别为34%~40%和 60%~66%;表层施加生物质胶黏剂11份,加入液体防 水剂1份;芯层施加异氰酸酯3.5份,特殊催化剂2.5份, 防水剂0.5份,初黏性增强剂0.5份;铺装预压成型;热压 板温度235~240 ℃,三段式热压(高压3~4 MPa、中压 2~2.5MPa,低压 1~1.5 MPa)高温段温度240 ℃,高压 段压力3.5 MPa,热压因子5 s/mm。

B工艺条件:将100份刨花含水率调节至2.5%~4%; 表层刨花与芯层刨花质量占比分别为34%~40%和 60%~66%;表层施加生物质胶黏剂13份,加入液体防 水剂1.2份;芯层施加异氰酸酯3份,特殊催化剂2份,防 水剂0.5份,初黏性增强剂0.5份,铺装预压成型;热压 板温度235~240 ℃,三段式热压(高压3~4 MPa、中压 2~2.5MPa,低压 1~1.5 MPa),高温段温度240 ℃,高 压段压力3.5 MPa,热压因子6 s/mm。

2.4 性能测试与分析

从A、B两类样板中,各随机抽取5块样板,按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》 中密度、内胶合强度、静曲强度等性能测试方法的规定,测试样板的性能。其中,试件制取方法是距离板边 50 mm处开始截取试件,静曲强度试件纵向、横向各6 个,甲醛释放量测试方法为穿孔萃取法。计算5块样板测 试结果的算术平均值作为本次实验室试验样板的性能测 试结果,结果见表2。

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从表2可知,两种工艺条件下刨花板样品的性能均较 高,都达到GB/T 4897—2015《刨花板》中规定的干燥状 态下使用的家具型刨花板的要求。另外,整个试验过程 中,板坯成型好,施胶后刨花分散性好,热压时不粘压 板。由此可知,在实验室条件下,上述A、B两个方案可行。

3 工厂中试生产试验

根据实验室试验结果,2018年1月24日在河南省商丘 市鼎丰木业有限公司年产20万m3 的刨花板连续压机生产 线上,以杨木刨花为原料,采用本文第2节中的胶黏剂、 初黏性增强剂和催化剂,进行中试生产实验,生产目标 厚度18 mm的刨花板。整个生产过程顺利,铺装没有出现 堵料,且分散性很好;铺装板坯经预压后,成型好;热 压时没有出现粘压板现象。试验采用的工艺和中试产品 的性能测试结果如下。

3.1 生产工艺流程 无醛刨花板中试生产的工艺流程见图1。

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3.2 生产工艺

采用本文第2节中的A工艺,其中表芯层刨花质量比为 40∶60,三段式热压为3~3.5 MPa、2~2.5 MPa、1~1.5 MPa, 热压温度 230~240 ℃、220~230 ℃、210~220 ℃、195~205 ℃,热压因子为5~6.5 s/mm,生物质胶黏剂、异氰酸 酯、特殊催化剂、初黏性增强剂和防水剂等的添加顺序 见图2,所需硬件及施加和计量方式如下:

一种无醛添加刨花板生产工艺技术开发

1)表层刨花施胶计量泵3台,芯层刨花施胶计量泵4 台,泵流量按照“泵流量=生产线产能(m3 /h)×立方米 施胶量(kg/m3 )”进行核算,各泵后配有相应的流量计 对各组分用量准确计量;

2)胶黏剂及各添加组分的施胶方式为雾化喷胶; 表层喷头8个(防水剂1个、胶黏剂6个、水1个),排布 顺序为防水剂、生物质胶黏剂和水;芯层喷头7个(防 水剂1个,异氰酸酯3个、特殊固化剂2个、初黏性增强剂 1个),芯层排布顺序为防水剂、异氰酸酯、特殊催化 剂、初黏性增强剂;计量采用质量流量计;两种胶黏剂 施胶温度宜控制在20~35 ℃;

3)表层刨花的防水剂为乳化液,芯层刨花的防水 剂可添加乳化液或者熔融石蜡(此次生产使用乳化石蜡);

4)特殊催化剂可与胶黏剂混合添加,也可单独添加 (本次实验为分开添加);

5)异氰酸酯为溶剂型,不溶于水,生产过程中不可 单独与水接触;添加量小,注意核实泵流量与工艺要求 是否匹配,确保异氰酸酯添加量的准确性;还需注意添 加位置、分散均匀性,芯层刨花不能太碎;注意芯层板 坯成型效果,对预压机压力、皮带与皮带间接口、皮带 与压机钢带间做匹配调节;

6)初黏性增强剂可与水互溶。

3.3 产品性能

在压机后斜切锯处截取长500 mm、宽2 440 mm样板 一块,并对样板直接砂光后,参照GB/T 4897—2015的相 关规定锯样测试其性能。图3和图4为中试实验样板的正 面和侧面,从图可知,板面无断痕、透裂,板面色泽均 匀、光滑,预固化层很薄,无胶斑,未砂光板的厚度偏差在+1 mm、-0.5 mm以内,平整度好,符合刨花板表面 质量标准要求。

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一种无醛添加刨花板生产工艺技术开发

表3为中试样板的物理力学性能测试结果。从表3可 知,中试试验样板的性能达到了GB/T 4897—2015中干燥 状态下使用的家具型刨花板各项物理力学性能的要求, 表明采用表层用生物质胶黏剂、芯层用异氰酸酯+特殊催 化剂和添加少量初黏性增强剂的工艺,在连续压机生产线上生产干燥状态下使用的家具型刨花板可行。

4 结语

从实验室试验和中试试验结果可知,采用“表层生 物质胶黏剂、芯层异氰酸酯+特殊催化剂”,或“表层生 物质胶黏剂、芯层异氰酸酯+特殊催化剂和添加少量初黏 性增强剂”的工艺可以制备性能符合GB/T 4897—2015中 干燥状态下使用的家具型刨花板要求的刨花板,虽成本 略高,但产品性能优异且无甲醛释放,有较好的市场前景。

1)按照连续平压生产线生产1 m3 刨花板用脲醛树脂 (以板材甲醛释放量≤ 5 mg/100 g用的脲醛树脂胶黏剂计 算)的一般用量105 kg/m3 计算,每立方米刨花板的脲醛 树脂成本约230元/m3 (脲醛树脂单价按市场售价2.2元/kg 计算),而采用本实验提供的“表层生物质胶黏剂+芯层 异氰酸酯”的合计成本约520元/m3 ,其中每立方米消耗 生物质胶黏剂45 kg(单价4.5元/kg)、异氰酸酯14 kg(单 价18元/kg)、特殊催化剂13 kg(4元/kg)、初黏性增强 剂2 kg(单价8元/kg,工艺优化好可不使用);

2)热压因子与脲醛树脂相近,以18 mm计,可达 5 s/mm;

3)刨花板密度可下调约5%,可减少木材消耗;

4)刨花干燥含水率可由传统的1%~2%放宽至 3%~4%,减少了干燥时的能耗;

5)刨花原料要求放宽,除适用于木材刨花,还适用 于竹材、秸秆、蔗渣等材料。

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