doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.025中图分类号：TQ433；TS653
刘铎1，何理辉2，鲍滨福1，陈浩1，沈哲红1*
（1.浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300；2.浙江省家具与五金研究所）
摘要：为提高胶合板性能，以苯丙/SiO2作为改性剂，通过物理共混的方法制备了改性脲醛树脂（UF）胶。研究了苯丙/SiO2改性剂添加量和改性UF胶施胶量对胶合板胶合强度和阻燃性能的影响。结果表明：随着改性剂添加量和施胶量的增加，胶合板的胶合强度和阻燃性能提高明显，但过量的改性剂添加量和施胶量会使胶合强度和阻燃性能有所下降，当施胶量为220 g/m2，改性剂添加量为15%时，制备的胶合板性能较佳，胶合强度为1.63 MPa，热释放总量为12.7 MJ/m2，释烟总量为213.79 m2/m2。
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关键词 ：脲醛树脂胶；苯丙/SiO2改性剂；胶合板；胶合强度；阻燃性能
Preparation of urea?formaldehyde resin modified by styrene?acrylic?SiO2 and its influence on plywood properties
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LIU Duo， HE Lihui， BAO Binfu， CHEN Hao， SHEN Zhehong
Abstract：In order to improve the performance of plywood， a novel urea?formaldehyde （UF） resin was prepared through physical blending with styrene?acrylic?SiO2 as modifier. The influences of modifier content and glue spreading content on bonding strength and flame retardancy properties of plywood were investigated. The results showed that both properties were improved with the increasing of styrene?acrylic?SiO2 content and glue spreading content except for excessive addition. When the addition of styrene?acrylic?SiO2 reached 15% and the spreading content of UF resin was 220 g/m2， the samples exhibited optimal performance with bonding strength of 1.63 MPa， total heat release of 12.7 MJ/m2 and total smoke release of 213.79 m2/m2.
Key words：urea?formaldehyde resin； styrene?acrylic?SiO2 modifier； plywood； bonding strength； flame retardancy property
First author’s address： School of Engineering， Zhejiang A&F University， Lin’an 311300， Zhejiang， China
收稿日期：2014-12-30
修回日期：2015-02-01
基金项目：浙江省创新团队项目（2012R10023-16）；浙江农林大学基金（生物质资源利用项目2013SWZ01-2，人才启动项目2011FR041）。
作者简介：刘铎（1989-），女，硕士生，研究方向为木竹材材质改良。通信作者：沈哲红，女，教授。E?mail：zhehong.shen@vip.163.com
脲醛树脂（UF）胶黏剂由于工艺简单，原料价廉，性能较佳［1］，已被广泛应用于胶合板生产及室内装修等行业［2-5］。为使胶合板具备更高使用价值，研究人员从改性脲醛树脂胶性能入手提升胶合板整体性能，如利用三聚氰胺［6］、淀粉［7］等改性脲醛树脂胶。这些改性方法可提高胶合板的胶合性能，降低甲醛释放量，但要改善胶合板的阻燃性能，仍需添加阻燃剂，而大部分阻燃剂中的酸性物质及盐类会影响胶合板的物理力学性能。因此，可利用二氧化硅（SiO2）、二氧化钛等无机粒子改性脲醛树脂胶。杨桂娣等［8］采用物理共混法将纳米SiO2加入低摩尔比脲醛树脂中，发现纳米SiO2的加入可以降低脲醛树脂胶游离甲醛含量，增大黏度，提高胶合板的胶合强度。李改云等［9］用三聚氰胺改性脲醛树脂胶，加入阻燃助剂后制备阻燃胶合板，其胶合性能和甲醛释放量可以达到国家标准要求，并且表面处理阻燃性能良好。
虽然无机粒子本身具有一定的硬度和阻燃性，添加在胶黏剂中具有增稠增强作用［8，10］，但其与脲醛树脂胶黏剂的相容性并不十分良好。笔者以表面具有有机基团修饰的SiO2（苯丙/SiO2）作为改性剂改性脲醛树脂胶黏剂，研究改性剂的添加量及改性后脲醛树脂胶的施胶量对所制胶合板胶合强度及阻燃性能的影响，优化改性剂添加量及脲醛树脂胶的施胶量。
1材料与方法
1.1试验材料
杨木（Populus euramericana）单板，尺寸为400 mm×420 mm×1.14 mm，含水率为8%~13%；脲醛树脂胶粉体，甲醛质量分数0.18%；苯丙/SiO2，粉末状，颜色灰白，粒径149 μm，浙江龙游木邦化工有限公司；氯化铵，分析纯，上海国药试剂有限公司。
1.2试验仪器与设备
热压机，XLB-08500X500型，上海予正仪器设备有限公司；数显恒温水浴锅，HH.S.1型，上海江星仪器有限公司；万能力学试验机，MW-4型，济南实验机械厂；锥形量热仪，3092820型，英国Fire Testing Technology公司；旋转式黏度计，NDJ-5S型，上海迪也姆仪器有限公司。
1.3试样制备
1）胶黏剂制备。以物理共混的方法，将一定比例的苯丙/SiO2改性剂加入UF粉体胶形成的胶黏剂中，混匀后加入胶黏剂固含量1%的固化剂，制备固含量为55%（按照UF粉体胶形成胶黏剂的总质量计算）的改性脲醛树脂胶黏剂（pH 8.2，脲醛树脂胶黏度为500 mPa·s，混合均匀后的黏度为1 500 mPa·s）。
2）胶合板制备。含5%质量分数苯丙树脂的苯丙/SiO2改性剂添加量（质量分数，下同）分别为5%，10%，15%，20%和25%，改性脲醛树脂胶的双面施胶量分别为250，220，180和150 g/m2。热压压力1.0 MPa，热压时间3 min，热压温度110 ℃，同一条件下重复3次，制得的三层胶合板的厚度为3 mm。
1.4试验方法
胶合强度参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中Ⅱ类胶合板胶合强度测定标准进行测定。阻燃试验采用锥形量热仪测定了材料在热辐射功率为50 kW/m2，温度为728 ℃条件下的热释放速率（HRR）、释热总量（THR）、释烟总量（TSR）和质量损失速率（MLR）。
2结果与分析
2.1改性剂添加量对性能的影响
2.1.1对胶合强度影响
不同改性剂添加量对杨木胶合板的胶合强度影响见表1。改性脲醛树脂所制胶合板的胶合强度在总体上大于对照组，当改性剂添加量低于15%时，胶合强度随改性剂添加量的增大而增大；继续增加改性剂添加量至20%时，胶合强度开始下降；25%添加量改性剂改性脲醛树脂所制胶合板胶合强度与改性剂添加量为20%时几乎相同。这是因为SiO2表面具有不饱和残键（正硅酸乙酯在碱性条件下未水解完全）及羟基，可通过缩合或氢键结合而被苯丙树脂包覆，增加了其与脲醛树脂的混合均匀性和相容性。同时，苯丙树脂作为一种弹性体，可以有效降低脲醛树脂的脆性，而无机粒子本身硬度好，强度高，可增加脲醛树脂胶的胶合强度。虽然SiO2的加入会影响UF胶的固化，引起胶合强度的下降，但由于苯丙树脂表面有丰富的官能团，可以提高脲醛树脂的交联反应程度，增强胶固化后的树脂结构。因此，苯丙/SiO2改性剂改性的脲醛树脂胶可以明显提高胶合板的胶合强度。当改性剂添加量超过20%后，胶黏剂黏度的增加会影响施胶均匀性及胶层在单板表面的渗透，最终影响胶合强度，所以改性剂添加量不宜超过15%。
2.1.2对阻燃性能影响
1）热释放速率和释热总量。改性剂添加量对胶合板HRR和THR的影响结果如表2所示。从点燃到表面燃烧180 s区间内HRR大小关系为对照>10%>5%>20%>25%>15%。胶合板THR大小关系为对照>10%>20%>5%>25%>15%。因此，当改性剂添加量为15%时，能明显提高胶合板阻燃性能。这可能是因为改性剂中的无机粒子会阻碍胶合板燃烧，但当改性剂添加量为5%和10%时，无机纳米粒子较少，对胶合板燃烧影响不明显，当添加量为25%时，胶黏剂中游离苯丙增多，也会影响无机粒子对胶合板的阻燃性能。
2）释烟总量。释烟总量是单位面积的材料在燃烧过程中释放烟气的总和，其值越大，说明材料燃烧所释放的烟气越多，火灾危害性越高。改性剂添加量对胶合板燃烧过程中TSR的影响如图1所示。对于TSR，改性剂添加量作用大小为15%>25%>20%>5%>10%，因此，当改性剂添加为15%时（TSR为2.1379 m2/m2），可有效降低胶合板燃烧过程中释放的有害烟气。这可能是因为改性剂中的SiO2粒子具有一定的比表面积，可以吸附胶合板燃烧过程中生成的烟雾和气体。但当改性剂添加量继续增大时，胶黏剂中的有机物含量也会增加，在一定程度上促进了板材燃烧及烟的释放。
3）质量损失速率。改性剂添加量对胶合板燃烧质量损失速率的影响结果如表3所示。经15%添加量改性剂改性UF树脂胶所制胶合板的MLR和质量损失总量均为最小，说明该胶合板在该条件下受一定热源辐射时最不易燃烧。
2.2施胶量对性能的影响
2.2.1对胶合强度的影响
改性剂添加量为15%时，施胶量对胶合板胶合强度的影响结果如表4所示。随着施胶量从150 g/m2增加至220 g/m2，胶合强度从1.06 MPa增加到1.63 MPa，而当施胶量继续上升至250 g/m2时，胶合强度仅为0.76 MPa。这是因为过高的施胶量很难保证均匀施胶，且易引入过多水分，从而影响胶黏剂固化，导致胶合强度下降。
2.2.2对胶合板阻燃性能影响
1）热释放速率和释热总量。改性剂添加量为15%时，施胶量对胶合板HRR和THR的影响结果如表5所示。当施胶量为220 g/m2时，胶合板的HRR最小，THR最低。无机粒子本身具有阻燃作用，当施胶量为180和200 g/m2时，HRR峰值增大；当施胶量为250 g/m2时，THR增加，并且在开始燃烧后的60，120，180 s间HRR较高。这可能是因为施胶量过少，胶合板表面的无机粒子也较少，导致阻燃效果不明显；施胶量过多，胶合板中有机物含量过多，会促进板材的燃烧。
2）释烟总量。施胶量对胶合板TSR的影响如图2所示。当施胶量为150 g/m2时TSR最大，当施胶量为220 g/m2时TSR最小。这可能是因为无机粒子具有一定的比表面积，对有害烟气具有一定的吸附作用。但当施胶量为250 g/m2时，木材中的有机物含量上升，会促进木材的燃烧，增大烟释放量，导致无机粒子的吸附作用不明显。
3）质量损失速率。施胶量对胶合板MLR的影响结果如表6所示。施胶量为220 g/m2的胶合板MLR最小，说明在受一定热源辐射情况下最不易燃烧。原因应与上述THR、HRR及MLR相同。
综合以上分析可知，当施胶量为220 g/m2时，胶合板的THR、TSR和MLR均为最低，说明施胶量为220 g/m2的胶合板在火灾发生时所释放的热量和烟气均较少，有益于火场逃生。
3结论
随着苯丙/SiO2改性剂添加量从5%增加到15%，胶合强度和阻燃效果总体呈上升趋势，继续增加改性剂添加量，胶合板胶合强度几乎不变，阻燃性能反而降低。随着施胶量从150 g/m2增大至220 g/m2，胶合强度逐渐增大，HRR、THR、TSR和MLR总体呈降低趋势；继续增加改性剂施胶量，胶合强度和阻燃性能均有所降低。因此，苯丙/SiO2改性剂较佳使用量为15%，胶合板的较佳施胶量为220 g/m2。由于添加苯丙/SiO2改性剂可明显提高胶合板胶合强度和阻燃性能，因此，对于扩大胶合板的应用范围，提高使用安全性具有潜在应用价值。
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（责任编辑 莫弦丰）