高強耐腐木/竹材膠合板和層積材及其製造方法
2023-05-09 09:39:41 3
專利名稱：高強耐腐木/竹材膠合板和層積材及其製造方法
技術領域：
本發明涉及的是一種高強耐腐木/竹材膠合板和層積材及其製造方法，屬於結構 功能人造板產品製造技術領域。
背景技術：
目前，單板類工程木(竹)材製品主要包括以下兩類產品特種膠合板和單板層積 材(LVL)/竹材層積材。前者主要用於工業地板、貨櫃底板和水泥模板，後者廣泛用作結 構構件，如橫梁/楣、柱、梁和工字梁等。隨著應用的拓展，除 彈性模量(剛度)、強度、表面 外觀、硬度以及尺寸穩定性等性能外，由於產品耐久(腐)性直接影響到構件仍至整個結構 的使用壽命和安全，在易受生物侵蝕的場合下使用的工程木材產品，其產品的耐腐性也必 須滿足相關的要求，高強耐腐是該類材料的基本特性。為保證產品彈性模量和強度，目前採用應力分等方法將單板分等，篩選高性能單 板以生產滿足要求的工程木材製品。由於木材性能變異性大，普通針、闊葉材的旋切單板不 能全部用於生產高性能產品。為提高彈性模量和強度，改善表面外觀、耐磨和尺寸穩定性， 這類產品通常用樹脂浸漬紙覆面或用其他的合成纖維增強，或通過熱壓密實化提高產品密 度等方法；也可通過化學改性(尤其是單板樹脂浸漬處理)並結合密實化，來顯著提高產品 的彈性模量和強度等性能。如實用新型專利塑化竹木複合板(01272831. 4)涉及一種用浸漬紙或浸漬微薄 木、塑化竹蓆或塑化竹簾板、塑化木單板製成的塑化竹木複合板。其特徵在於用浸漬紙或浸 漬微薄木作表面裝飾材、塑化竹蓆或塑化竹簾板作面材、塑化木單板作為芯材，但涉及「浸 膠_乾燥_塗膠」等步驟，生產過程和工藝相對複雜。而目前通過低分子量樹脂浸漬處理單板以生產高性能單板類工程木材產品通常 有兩種方法。第一種方法涉及兩次施膠，首先將一種低分子量的樹脂，特別是酚醛(PF)樹 月旨，通過浸漬(常壓)或抽真空-加壓處理單板，然後在低溫下將單板乾燥到含水率3-6%。 由於單板從低分子量樹脂中吸收了大量的水分，並且進一步施膠對單板含水率有嚴格的要 求，因此乾燥過程花費較長的時間和較多的能量。隨後，為了單板間的界面膠合，進一步施 膠所用的PF樹脂需加入增稠劑和填充劑進行調膠，確保其具有容易適合塗膠等施膠方法 所需的粘度，保證膠液不會過度滲透，並避免熱壓時的流失。此外，調製後的膠對季節變化 引起的室內溫度、單板溫度和陳化時間極其敏感而容易乾涸。再者，調製後的膠通過輥筒 塗膠、簾式施膠或噴膠等方式施加到單板的表面上，由於單板表面各處粗糙度和厚度的變 異，達到均勻施膠一直是一個挑戰。實際生產中，施膠前單板表面溫度應該控制在約40°C 以下，並且熱壓前的陳化時間應低於15分鐘，否則板材很可能出現分層。第二種方法採 用低分子量的樹脂特別是酚醛(PF)樹脂對單板進行浸漬處理，再低溫乾燥到一定含水率 (5-10%)後組坯熱壓。為促進單板之間界面膠合，單板固體樹脂含量必須很高(通常達到 25%以上)，導致單板中含有大量的水分。為防止膠預固化，單板乾燥溫度必須非常低(通 常50-85°C )，因此單板乾燥時間相當長(從幾個小時到數天不等)，雖然生產過程簡單但相當不經濟。通常，使用酚醛(PF)樹脂浸漬處理單板等化學改性方法生產膠合板和單板層積 材(LVL)的主要目標是提高產品的彈性模量，強度和尺寸穩定性，而不是增加產品的耐久 (腐)性。儘管PF樹脂浸漬單板製成的產品，耐久(腐)性在一定程度上有所提高。但迄 今為止，與防腐劑處理製成的產品的防腐性能的比較研究尚沒有系統做過，不同PF樹脂固 體含量的產品的耐久(腐)性目前還不清楚。更重要的是，等同於防腐劑處理效果的最低 PF樹脂固體含量(閾值水平)尚未建立。為提高產品在室外非接觸地面場所或地面接觸場 所使用的耐久(腐)性，通常要求用防腐劑如銅鉻砷(CCA)或氨溶季銨銅(ACQ)來處理單 板或最終的產品。但防腐處理涉及到施加防腐劑所需的附加設備、工序、防腐藥劑的回收， 防腐劑對產品膠合強度的消極影響，產品使用中防腐劑浸出對環境的影響，廢舊材料回收 處理以及成本高等一系列問題。因此，研發更加經濟有效的方法來生產高性能和耐久(腐) 性的單板類工程木(竹)材製品仍然是一個很大的挑戰。
發明內容
本發明提出了一種綠色環保高強耐腐木/竹材膠合板和層積材及其製造方法，其 目的旨在克服現有技術所存在的上述缺陷，它不用防腐劑但使用酚醛(PF)樹脂膠來處理 木(竹)單板(或單元)。當單板PF樹脂固體含量達到12%或以上時，所生產的工程木 (竹)材產品達到強耐腐的標準(失重率 12%,以提高木/竹板材產品的強度，並使產品具有與防腐劑處理相 等效的耐腐性能。採用單一低分子量PF浸漬樹脂處理木(竹)單板(或單元)達到一定的樹脂固體 含量來生產具有與防腐劑處理相等效的耐腐(久)性能產品。它包括浸漬，低溫乾燥(或 塗膠)和組坯熱壓等工藝步驟(具體參考實施實例1)。但本發明特別提出採用一種高分子 量(1000-3000)的PF樹脂和一種低分子量(200-1000)的PF樹脂以一定的固體樹脂質量 百分比(10 90-90 10)直接混合而成的樹脂膠來簡化生產。其特徵是該方法包括如下 工藝步驟一、製備混合樹脂，將一種高分子量酚醛(PF)樹脂，其分子量1000-3000，25°C粘 度600-900cps，固體樹脂含量40-50%，和另一種低分子量酚醛(PF)，其分子量200-1000， 25°C粘度100-250cps，固體樹脂含量50-60%，以固體樹脂質量百分比10 90-90 10攪 拌均勻而成混合樹脂；高分子量酚醛(PF)樹脂類似於普通膠合板和LVL生產用的樹脂；低 分子量酚醛(PF)樹脂類似用於定向刨花板(OSB)表層或竹材層積材生產用的樹脂。二、在混合樹脂中浸泡/浸漬，對一些滲透性較好的針葉材和闊葉材樹種如速生 楊，旋切得到的2. 5-3. 2mm厚的單板，在混合樹脂中浸泡10分鐘，平均PF固體樹脂含量達 到12%以上；對一些低滲透性的樹種如雲杉，旋切得到的2. 5-3. 2mm厚的單板，在不增加壓力容器的情況下，採用浸漬/浸泡15-30分鐘後低溫乾燥15-30分鐘，再浸漬15-30分鐘， 或採用緊面刻痕的單板，使低分子量酚醛(PF)樹脂滲透到木材細胞壁或腔的同時，高分子 量酚醛(PF)樹脂均勻覆蓋木單板或木板單元表面，並使單板平均酚醛(PF)固體樹脂含量 達到12%或以上；三、低溫乾燥，若單板含水率在15%或以下則直接採用組坯熱壓，否則單板在乾燥 機內50-85°C溫度情況下低溫乾燥，乾燥時間0. 5小時-5. 0小時，含水率控制在15%或以 下，再進行組坯熱壓。本發明的優點與目前單板浸漬和板材製造中採用的「浸漬_乾燥_塗膠」的兩 次施膠方法 或是採用單一低分子量樹脂長時間浸漬和長時間乾燥的方法不同的是，使用上 述混合酚醛(PF)樹脂，對一些滲透性較好的針、闊葉材旋切單板，可通過簡單一次性的浸 漬(或浸泡)或塗膠的方式達到12%或以上的平均固體樹脂含量，板材的製造僅涉及單板 浸漬/施膠和組坯/熱壓二個步驟，因此製造方法簡單可行；對一些低滲透性的樹種，在不 購買壓力容器增加額外設備投資的情況下，為了達到固體樹脂含量> 12%，可採用單板浸 漬-乾燥-浸漬(或塗膠_乾燥_塗膠)的方法，也可採用單板緊面刻痕，或它們二者的組 合，以替代真空-壓力等處理方式，因此製造方法設備投資少，經濟合算。本發明可應用於現有的層積材和膠合板的生產線，也可以改善工程木材產品外觀 顏色，尤其是可成功地掩蓋蟲害木材旋切而成的單板色變。與未經樹脂浸漬處理單板生產 的工程木材產品比較，本發明生產的工程木材產品貌似塑料，具有均勻的外觀，更高的硬 度、彎曲和剪切強度，良好的尺寸穩定性和耐久(腐)性，並且有很好的防火性能。用本發 明生產的產品綠色環保，由於不添加防腐劑，在使用中沒有防腐劑浸出問題，其甲醛釋放量 和木材本身一樣極低，因此對環境無毒無害。
附圖1是樣品重量損失和PF固體樹脂含量的關係圖(暴露在真菌C. puteana中 12個星期)，該圖表明當樣品PF固體樹脂含量達到12%時的產品，其試件(19mmX19mm)暴 露於真菌C. puteana 12個月後的失重率低於3%。附圖2是樣品重量損失和PF固體樹脂含量的關係圖(暴露在真菌N. Iepideus中 24個星期)，該圖說明當樣品PF固體樹脂含量達到12%時的產品，其試件(19mmX19mm)暴 露於真菌N. 1印ideus 24個月後的失重率低於3%。
具體實施例方式實施實例1 採用單一低分子量PF樹脂浸漬處理的方法。將酚醛(PF)樹脂(分子 量200-1000，25°C粘度100-250cps，固體樹脂含量50-60% )加水稀釋成固含量為25-30% 的樹脂，對一些滲透性較好的針葉材和闊葉材樹種(速生楊等)旋切得到的2. 5-3. 2mm厚 的單板浸漬(或浸泡)2-4小時，單板平均酚醛(PF)固體樹脂含量可達到12%以上；對一 些低滲透性的樹種(雲杉等)旋切得到的2. 5-3. 2mm厚的單板，用壓力容器處理5分鐘左 右(2. 5分鐘達到真空狀態然後施加0. 54MPa壓力2. 5分鐘)，單板平均酚醛(PF)固體樹脂 含量可達到12%以上；在不購買壓力容器增加額外設備投資的情況下，可採用浸漬(或浸 泡)30分鐘-低溫乾燥15-30分鐘-再浸漬30分鐘的方法，使單板平均酚醛(PF)固體樹脂含量達到12%以上；也可採用緊面刻痕的單板，對其浸漬(或浸泡)處理2-6小時，使單 板平均酚醛(PF)固體樹脂含量達到12%以上，以替代傳統的真空-壓力等處理方式。在以 上處理後，單板在乾燥機內50-85°C溫度情況下低溫乾燥0. 5-5. 0小時達到10-15%含水率 後組坯熱壓，產品具有很好的耐久(腐)性，無須進行防腐處理，足以在室外使用。實施例2 採用單一低分子量PF樹脂浸漬處理的方法。將酚醛(PF)樹脂(分子量 200-1000，25°C粘度100-250cps，固體樹脂含量60%)加水稀釋成固含量為30%的樹脂，對 厚度1. Omm左右的竹片(寬度10-15mm，長度2. 5m)浸漬(或浸泡)24小時左右，或用壓力 容器處理10分鐘左右(5分鐘達到真空狀態然後施加0. 54MPa壓力5分鐘)，竹片平均酚醛 (PF)固體樹脂含量可達到12%以上；在不購買壓力容器增加額外設備投資的情況下，也可 採用浸漬(或浸泡)3小時-低溫乾燥60-120分鐘-再浸漬 3小時的方法，使竹片平均酚 醛(PF)固體樹脂含量達到12%以上。在以上處理後，竹片在30-50°C低溫乾燥10-24小時 達到10-15%含水率後縱向組坯熱壓成竹材層積材，產品具有很好的耐久(腐)性，無須進 行防腐處理，足以在室外使用。實施例3 採用一種高分子量PF樹脂(分子量1000-3000，25°C粘度600-900cps， 固體樹脂含量40-50 % )和一種低分子量PF樹脂(分子量200-1000，25°C粘度100-250cpS， 固體樹脂含量50-60%)以50% 50%的固體樹脂質量百分比製成混合樹脂。對一些滲透 性較好的針葉材和闊葉材樹種(速生楊等)旋切得到的2. 5-3. 2mm厚的單板在此混合樹脂 中浸泡10分鐘，平均PF固體樹脂含量可達到12%以上。對一些低滲透性的樹種旋切得到 的2. 5-3. 2_厚的單板，在不增加額外設備(壓力容器)投資的情況下，可採用緊面刻痕的 單板，也可採用浸漬(或浸泡)15-30分鐘後低溫乾燥15-30分鐘，再浸漬15-30分鐘的方 法，使單板平均PF固體樹脂含量達到12%以上。也可直接用塗膠機，採用塗膠後低溫乾燥 15-30分鐘再塗膠的方法處理單板使單板平均PF固體樹脂含量達到12%以上。根據處理後 單板含水率的大小，單板可直接組坯熱壓，或在乾燥機內50-85°C溫度情況下低溫乾燥。幹 燥時間取決於溫度和處理條件，大體從0.5-5.0小時不等。一般熱壓前單板(或單元)含 水率控制在15%或以下。該法將木(竹)單板樹脂浸漬和施膠結合在一起，徹底不需在幹 燥後(或熱壓前)進一步施膠，因此單板表面各處容許具有較高的粗糙度和較大的厚度變 異。採用該混合樹脂，處理後的單板容許較長的開式陳化時間(如12個小時)而不引起膠 的預固化和乾涸。由於樹脂中不含有增稠劑和填充劑，因此板材的膠合剪切強度可顯著提 高。等單板達到15%含水率或以下後再組坯熱壓，產品具有很好的耐久(腐)性，無須進行 防腐處理，足以在室外使用。實施例4 厚度為3. 2mm的松木單板，製作5層結構的單板層積材(LVL)。單板採 用一種高分子量PF樹脂(固體樹脂含量49% )和一種低分子量PF樹脂(固體樹脂含量 55%)以50% 50%的固體樹脂質量百分比製成的混合樹脂進行處理。根據單板浸漬時 間長短和是否浸漬處理，製作了共4種不同的產品。單板處理工藝如下產品1單板浸漬10分鐘，使單板平均固體樹脂含量達到10. 0%。產品2單板浸漬30分鐘-低溫乾燥15分鐘-再浸漬30分鐘，使單板平均固體 樹脂含量達到12.5%。產品3單板浸漬60分鐘-低溫乾燥30分鐘-再浸漬60分鐘，使單板平均固體樹脂含量達到25.0%。產品4單板(即空白對照樣)用普通的膠合板用PF膠(固體樹脂含量49%)對 單板塗膠處理，塗膠量150g/m2.將處理或不處理的五層單板組坯，在溫度為150°C、熱壓壓力為1.5MPa(壓縮率 8% )，熱壓5分鐘成上述4種單板層積材產品。板材產品存放48小時後，測試產品的縱向 彈性模量(MOE)，靜曲強度(MOR)，剪切強度，硬度，24h吸水率和厚度膨脹率以及暴露於真 菌C. puteana 12個月和真菌N. Iepideus 24個月後的失重率(試件19mmxl9mm)。表1說 明單板經浸漬處理後，產品彈性模量，彎曲強度，硬度，剪切強度和尺寸穩定性都在一定程 度上得到改善。當板材PF固體樹脂含量達到12. 5%時，其試件(19mmX19mm)暴露於真菌 C. puteana 12個月和真菌N. 1印ideus 24個月後的平均失重率只有2% (低於3%)，達到 強耐腐的標準。其防腐性能等同氨溶季銨銅(ACQ)處理的產品(ACQ產品需要100%防腐劑 覆蓋，在吸入量6. 4kg/m時，21周暴露後測量獲得的失重率為1.6%)。而用普通方法生產 的LVL (PF固體樹脂含量約2. 5%)的平均失重率可高達47.6%，基本沒有防腐性能(見表 1)。
根據歐洲標準(EN 120 92)平均穿孔值測試結果可以比較游離甲醛含量(見表 2)。單板經浸漬處理後，其產品甲醛釋放量和木材本身(未處理單板)一樣極低，達到El 級。因此該產品綠色環保，由於不添加防腐劑，在使用中沒有防腐劑浸出問題，對環境無毒無害。表1五層松木LVL產品的性能和重量損失比較 注* 它僅包含100% ACQ覆蓋的木材樣品，21周後測量獲得的重量損失.表2 游離甲醛含量結果比較 實施例5 厚度為3. 2mm的松木單板，採用一種高分子量PF樹脂(固體樹脂含量 50%)和一種低分子量PF樹脂(固體樹脂含量55%)以50% 50%的固體樹脂質量百分 比製成混合樹脂，再加水稀釋成30%固含量的浸漬樹脂產品1 將單板浸漬30分鐘-低溫乾燥15分鐘-再浸漬30分鐘，使單板平均固 體樹脂含量達到12%。產品2 用普通的膠合板用PF膠(固體樹脂含量49% )對單板塗膠處理，塗膠量 140g/m2·將處理或不處理的五層單板組坯，在溫度為150°C、熱壓壓力為1.5MPa(壓縮率 8% )，熱壓5分鐘成上述2種五層膠合板產品。板材產品存放48小時後，根據有關標準切 割試樣，測試產品的縱向彈性模量(MOE)，靜曲強度(MOR)，膠合剪切強度，硬度，24h吸水率 和厚度膨脹率以及暴露於真菌C. puteanal2個月和真菌N. Iepideus 24個月後的失重率 (試件19mmX19mm)。表3說明單板經浸漬處理後，產品彈性模量，彎曲強度，硬度，膠合剪切 強度和尺寸穩定性都在一定程度上得到改善。當板材PF固體樹脂含量達到12%時，其試 件(19mmxl9mm)暴露於真菌C. puteana 12個月和真菌N. 1印ideus 24個月後的平均失重 率只有2. 3% (低於3%)，達到強耐腐的標準。其防腐性能等同氨溶季銨銅(ACQ)處理的 產品(吸入量6. 4kg/m3時失重率1.6%)。而用普通方法生產的膠合板(PF固體樹脂含量 約2. 3% )的平均失重率可高達45. 5%，基本沒有防腐性能(見表3)。表3 五層松木膠合板產品的性能和重量損失比較
權利要求
一種高強耐腐木/竹材膠合板和層積材產品及其製造方法，其特徵是不用防腐劑，而是採用酚醛(PF)樹脂來處理木/竹單板或單元，並使單板中PF固體樹脂含量達到≥12％，以提高木/竹板材產品的強度，並使產品具有與防腐劑處理相等效的耐腐性能。
2.根據權利要求1所述的一種高強耐腐木/竹材膠合板和層積材產品及其製造方 法，其特徵是木/竹材膠合板和層積材，採用低分子量PF樹脂浸漬；或採用一種高分子量 (1000-3000)的PF樹脂和一種低分子量(200-1000)的PF樹脂以10 90-90 10的固體 樹脂質量百分比直接混合而成的混合樹脂不加填充劑和增稠劑處理木/竹單板，混合樹脂 膠在部分滲透到木/竹細胞壁或腔的同時均勻覆蓋在木/竹單板表面。
3.根據權利要求1所述的一種高強耐腐木/竹材膠合板和層積材產品及其製造方法， 其特徵是處理木/竹單板或單元無需採用真空加壓設備，單板僅進行普通浸漬或塗膠處理 來達到> 12%的PF固體樹脂含量；滲透性好的樹種單板採用常壓一次浸漬或塗膠後低溫 乾燥的工藝；滲透性差的樹種採用單板浸漬_乾燥_浸漬或塗膠_乾燥_塗膠的方法，或採 用緊面刻痕的單板，或它們二者的組合；處理竹單元對厚度1. 0mm的竹片，寬度10-15mm，長 度2. 5m，浸漬或浸泡24小時左右，或採用浸漬或浸泡3小時後低溫乾燥60-120分鐘，再浸 漬3小時，使竹片平均酚醛(PF)固體樹脂含量達到12%以上；處理後的木/竹單板或單元 含水率達到10-15%組坯熱壓成高強耐腐木/竹材膠合板和層積材產品。
全文摘要
本發明是一種高強耐腐木/竹材膠合板和層積材及其製造方法，不用防腐劑，而是使用酚醛樹脂膠，採用低分子量樹脂浸漬處理，特別是由一種低分子PF樹脂和一種高分子PF樹脂以一定的固體質量百分比混合而成的樹脂通過普通浸漬或塗膠的方法來處理木/竹單板。該混合樹脂無需添加填充劑和增稠劑，陳化時間長。該樹脂可部分滲透到細胞壁或腔的同時又可均勻覆蓋在木(竹)單板表面，生產過程簡化。為達到所需的固體樹脂含量，採用單板浸漬-乾燥-浸漬的方法，或採用緊面刻痕的單板，無需採用真空加壓設備。優點當單板固體樹脂含量≥12％，產品腐朽失重率＜3％，具有耐腐防火性能，強度高，尺寸穩定，對環境無害，適合在室外承載場所使用。
文檔編號B27D1/08GK101863057SQ20101018005
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者徐英熙, 王建和, 金菊婉 申請人:南京林業大學