无甲醛添加刨花板生产工艺探讨

无甲醛添加刨花板生产工艺探讨

曾灵

南宁科天水性科技有限责任公司，广西南宁，530000

摘要：本文主要介绍了无甲醛添加刨花板的基本生产工艺，通过对比分析目前国内外无甲醛添加刨花板的不同生产工艺及其技术可行性和经济可行性，讨论并列举出生产无甲醛添加刨花板的一种较优的生产工艺。经过讨论笔者认为水性聚氨酯改性生物基胶粘剂生产无醛刨花板的工艺更加成熟和环保，同时具有较强的商业价值。

关键词：无甲醛；刨花板；水性聚氨酯改性生物基；

Abstract:：This paper introduces the basic production technology of formaldehyde-free added particleboard, and through comparing and analyzing the technical feasibility and economic feasibility of different production technologies of formaldehyde-free added particleboard at home and abroad, discusses a better production technology of formaldehyde-free added particleboard. The results show that the process of producing aldehyde-free particleboard with waterborne polyurethane modified bio-based adhesive is more mature and has strong commercial value.

Key words: Formaldehyde-free; Particleboard; Waterborne polyurethane modified bio-base

前言

刨花板由于结构比较均匀，加工性能良好，被广泛应用于定制家居的生产制造。而由于在传统生产刨花板方法中，一般会使用脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺－甲醛树脂三种甲醛基胶粘剂，其成品会释放出大量的甲醛，危害人的身体健康[1]。随着对环保要求的提高，人们开发了各种无甲醛添加的刨花板工艺。本文旨在通过分析对比国内外无醛刨花板的不同生产工艺的技术可行性和经济可行性，讨论出生产无醛刨花板的一种较优的生产工艺，为企业生产无甲醛添加刨花板提供参考。

1.无甲醛添加刨花板的基本生产工艺

无甲醛添加的刨花板指的是在刨花板的生产过程中由不包含有甲醛的原材料生产的刨花板，板材的甲醛释放量低于所用木材或非木质原料自身的甲醛释放量[2]。生产无醛刨花板工艺有很多，每一道的生产工序对刨花板的后续成型都很重要。在制作无醛刨花板时要严格的按照其步骤进行生产。总的来说，无醛刨花板的工艺流程与普通的刨花板类似[3, 4]，基本分为四部分的内容：第一，刨花板制作前的准备工作；第二，刨花板的干燥处理和施胶程序；第三，刨花板铺装预压；第四，刨花板的热压工序和后期处理。其中，施胶工艺对于刨花板的环保性能起着决定性的作用。

1.1刨花板制作前的准备工作

在刨花板制作前的准备工作中，首先是对于刨花的制备。不同的原材料有着不同的处理方式，除了木材以外，还可以用麦秸、稻草、竹材等材料进行无醛刨花板的生产制备，一般都要将原材料用专业的刨片机来改善刨花形态。刨花形态影响刨花板生产的产量和质量，大规格、大产能的刨片机对改善刨花形态，提高刨花板产量和质量有着重要意义。

1.2刨花板的干燥处理和施胶工艺

生产刨花板时，原材料的含水率对于成品的质量影响很大，因此在制备出无醛刨花板的刨花后，通常采用通道式刨花干燥机[5]对刨花进行干燥处理，一般来说干燥后的刨花含水率在1.5%~2.5%之间。随后在拌胶机中进行施胶处理，不同的胶粘剂施胶量不同，根据刨花种类和实际情况适当施胶[6]。

1.3刨花板铺装预压

在刨花板的铺装预压工艺中，需要按照设定的密度称取用于施胶处理的原料，并放入成形框中进行铺装，铺装时尽量减少刨花与板面的夹角。铺装完成后，应沿着垂直于板面的方向施加一定的压力，使得板坯初步定型，减少散坯的现象。目前企业多采用多头组合式铺装机进行铺装预压，铺装后的板坯厚度偏差较小，断面密度较为均匀，粉尘斑与旋涡斑能够得到消除，该铺装形式得到大多数刨花板厂家的认可[7, 8]。

1.4刨花板的热压工序及后期处理

板材经过预压后进入连续平压热压机，同时控制热压温度和热压时间[9]。热压工艺会很大程度的影响刨花板的甲醛释放量和力学性能。将热压温度适当提高、热压时间适当延长，会大大降低刨花板的甲醛释放量。近年来，大型刨花板的生产线中常用的热压装备多以连续平压机为主

[10]。热压后的板材经过一段时间的冷却处理后，一般采用砂光锯切生产线进行锯断、裁边等工序。

2.国内外无甲醛添加刨花板的生产工艺

制作无醛刨花板的生产工艺基本相同，主要区别是所用的无醛胶粘剂不同。目前，无甲醛添加刨花板工业化生产普遍采用聚氨酯类异氰酸酯（PMDI）和改性生物质胶两大类胶黏剂。国内外都有着很多相关的报道，下面笔者将分别介绍以上两类胶粘剂生产刨花板的工艺特点。

2.1异氰酸酯胶粘剂

异氰酸酯胶粘剂作为聚氨酯类胶粘剂是目前人造板工业应用成熟的无醛胶黏剂。在刨花板领域中应用广泛。相较于传统的脲醛胶粘剂来说，用异氰酸酯胶粘剂生产的刨花板成品耐水性能和力学性能较好，而且其对于原材料和刨花的含水率要求较低，这种胶粘剂在封闭的环境中化学性质保持稳定长达一年，适合生产厂家的储存。在无甲醛添加的刨花板生产工艺中使用广泛[11, 12]。

宝源木业[13]引进德国迪芬巴赫公司定向刨花板（OSB）连续平压生产线，以湖北当地种植的意杨树为原材料，率先采用异氰酸酯树脂作为无醛胶粘剂，成功的生产无醛级OSB板材。生产工艺为：杨木经剥皮—刨片—干燥—筛分—施胶—铺装—热压—锯切—包装。产品的各项物理指标达到甚至超过进口的OSB板材。

广西的华峰集团采用异氰酸酯树脂与制浆造纸工业废液中提取的木质素合成树脂，成功突破了连续压机生产产能效率低和多层压机批量生产困难的技术难关，其生产的“高林”牌系列人造板产品具有环保、高效等特点。

为了解决粘度较大的异氰酸酯胶粘剂生产使用时造成的管道杜塞，宏伟木业使用异氰酸酯粘胶剂成功的制备出18mm无醛刨花板，其产品并通过了无醛豁免认证（NAF）。其主要的生产流程为：施胶时在芯、表层各施加3%~4%的异氰酸酯胶粘剂，并使用少量的增强剂和催化剂，从而避免在添加胶粘剂的过程中，整个泵、管道、混合器等位置的粘堵问题。在铺装时要注意控制芯表层的含水率、重量分布等因素。

林秋兰[14]等人将使用异氰酸酯胶粘剂制造的无甲醛添加刨花板与用脲醛胶粘剂制作的普通E0、E1级刨花板进行比较发现，无甲醛添加刨花板的各项性能优于普通刨花板。无甲醛添加刨花板不仅生产流程无甲醛添加，而且其防潮性能和力学性能也有很大的提高。但是其生产成本增加了将近50%。主要体现在两个方面：一是异氰酸酯胶粘剂生产无甲醛的添加刨花板时由于其固化速度慢，厂家的热压因子需要从（4~6）s/mm提高到（5~8）s/mm,，因此其生产效率降低了20%~30%；二是无甲醛添加刨花板的原料成本比普通刨花板高1倍多，单是胶粘剂的成本就高117%。

2.2生物质胶粘剂

基于自然资源的胶粘剂称为生物质胶粘剂，主要分为植物油基、大豆基和淀粉基胶粘剂。但是这种天然的胶粘剂的粘性不好，无法满足刨花板的制作需求，逐渐被合成的胶粘剂取代。在过去的几十年时间里，刨花板的胶粘剂基本上全部依赖甲醛基胶粘剂。但是随着人们对于甲醛的危害重视起来，人们又重新把视线聚集在这种天然的胶粘剂研究上，天然蛋白质通过不同的改性方法，其内部的结构被改变，失去生物活性，化学和物理的性质也发生了改变。用于制作无甲醛添加刨花板的水性聚氨酯胶粘剂的改性方法，主要是通过对天然生物物质进行改性。

2.2.1植物油基胶粘剂

植物油作为一种可再生资源，主要成分是不饱和脂肪酸甘油酯。植物油是近年来成为刨花板胶粘剂的原料之一，其来源广泛，经济环保。Fiorelli[15]等人研究了由甘蔗渣和蓖麻油单组分和双组分树脂制成的刨花板的生产和性能。材料的平均密度为0.93 g/cm3，可以归类为工业推荐的高密度材料，表明蓖麻油基树脂可以有效地用作生产甘蔗复合板的聚合物基质渣。随后Fiorell[16]等人又分别使用使用蓖麻油基聚氨酯胶粘剂和脲醛树脂对椰子纤维作为生产两种密度（0.8 g / cm3和1.0 g / cm3）的刨花板，生产工艺为：将长度为8mm的颗粒在行星式混合器中和胶粘剂混合。混合后将材料放入模具中，并以50kg/cm2的压力和100-140℃的温度插入液压机中10分钟后制得刨花板。对制得的刨花板的生产工艺和各项性能进行了对比，发现与脲醛树脂制作的刨花板相比，用蓖麻油基聚氨酯树脂制作的椰子刨花板的吸水厚度膨胀率降低，强度增加。并发现这是由于蓖麻油基聚氨酯粘合剂占据了刨花颗粒之间的间隙，因此刨花板的物理和机械性能良好。与脲醛树脂胶粘剂相比，蓖麻油聚氨酯粘合剂是更有效的制作刨花板的胶粘剂。

Santos[17]等人使用蓖麻油基双组分聚氨酯胶粘剂将木材废料作为生产平均密度为930~940kg/m3的木材刨花板。在压缩温度为130℃，压实压力为5MPa且压实率大于1.5的生产工艺下，生产出压缩密度超过900kg/m3且厚度在10mm的刨花板。所制得刨花板的物理和机械性能适合商业和工业应用。

Silva[18]等人使用研究了使用蓖麻油双组分聚氨酯树脂木纤维制造的刨花板的物理性能。所生产的刨花板的刨花颗粒水分含量为5％，标称密度为0.80 g / cm

3，树脂含量为15％，压力循环为10分钟，在100℃下施加的压力为5 MPa。所制得刨花板的机械和物理性能优于巴西NBR 14810：2002标准所规定的材料性能，可以归类为高密度刨花板。

2.2.2大豆蛋白基胶粘剂

大豆基胶粘剂对于刨花板的生产具有很多天然的优势，大豆蛋白中有很多浓缩物和分离物，它们是合适的胶粘剂原料。由大豆粉和固化剂组成的基于大豆的无甲醛胶粘剂已成功用于胶合板的生产，但是由于这种胶粘剂的粘性太强、流动性较差，在用于制造刨花板时不易将其喷涂在刨花材料上。为了使用这种胶粘剂制造无醛刨花板，将固化剂（聚合物的水溶液）喷涂到木材颗粒和脱脂的大豆粉混合物上，制备出的刨花板强度较好。但是这种方法的生产效率较低。为此，Prasittisopin[19]等人开发了一种新方法使用这种无醛胶黏剂生产刨花板。制造流程为：将大豆粉和水以适当的比例进行搅拌混合，之后将木材刨花放入得到的大豆浆液里，之后进行干燥并将固化剂（聚合物的水溶液）喷涂到木材颗粒上，将木材刨花压制形成刨花板。但是在这种工艺下，湿的大豆涂层刨花的储存时间较短，不适合大规模商业生产。

为了提高大豆蛋白基胶粘剂的耐水性，Haijing Liu[20]等人采用大豆油基水性聚氨酯（WPU）将WPU分散到大豆蛋白分离物（SPI）浆中，制作的无醛刨花板剪切湿强度大大提高。WPU-SPI混合胶粘剂拥有良好的湿强度，证明了它们作为木材胶粘剂的潜力。

李衫[21]等人以大豆蛋白为基体，以环氧改性聚酰胺制作出胶粘剂。热压温度为175~180℃，热压时间为420s。热压压力分为两段，第一段3.0MPa，第二段为0.5MPa。施胶时，刨花的温度控制在40-50℃。在刨花含水率小于1%的工艺条件下制作出无甲醛添加的刨花板，其主要的物理力学性能达到所规定GB/T 4897—2015标准的使用要求。

2.2.3淀粉基胶粘剂

淀粉基胶粘剂改性主要是基于本身的糖苷键和羟基等基团，通过氧化、交联和酯化等方法，在分子链上引入聚氨酯键、酯键等。Moubarik[22]等人开发了由玉米粉/ 氢氧化钠粘合剂混合物和含羞草单宁/六胺中间成份组成的无甲醛粘合剂，并生产出机械性能良好的刨花板。其生产工艺为：将刨花颗粒干燥至约2±0.5％的水份含量，然后施加刨花质量的7.5%的粘合剂混合物（玉米粉/ 氢氧化钠和含羞草单宁/己胺）。压制温度为195℃，最大比压为3.5MPa，制备尺寸为350×310×14 mm的单层实验室刨花板。但是这种方法生产的刨花板为了达到最高的粘结强度，板压制的时间非常长，生产效率难以保证。

时君友[23]等人发明了一种玉米淀粉基改性水性聚氨酯的胶粘剂，将玉米淀粉经酸解氧化、接枝共聚改性制得改性玉米淀粉乳液，并在一定酸碱度条件下，通过二元酸酯化剂，与聚乙烯醇共聚共混制得玉米淀粉基水性聚氨酯胶粘剂，配合使用固化剂（未经封闭处理得聚合异氰酸酯）可作为制作无甲醛添加得刨花板胶粘剂。

3.无甲醛添加刨花板生产工艺讨论

异氰酸酯作为聚氨酯类刨花板用胶粘剂，具有很强的粘结强度以及优异的耐水性，对于含水量较高的刨花也有着很好的粘结效果，而且其做成的刨花板成品不会释放甲醛等有害气体。通常他们是单体二苯甲烷二异氰酸酯和亚甲基桥接的低级芳族异氰酸酯的混合物，每个分子上都有几个NC/O基团。但是异氰酸酯也会由于自身的特点给生产刨花板的过程增加难题，比如其具有较强的反应能力，能与金属等材料进行反应，在生产过程中会造成“粘钢带”现象；而且异氰酸酯胶粘剂的初粘性很差，刨花板的板坯的成型性不好，热固化的效率比脲醛树脂要低，在使用的过程中需要加入增粘剂、脱模剂和催化剂，不仅增加了生产成本，而且也使正常的生产操作变得更加复杂。生产刨花板的后续加工流程中，异氰酸酯胶粘剂对于刀具的损坏也比较大。最重要的一点是在生产中需要对铺装机、压机等工序进行特殊的隔离保护，否则异氰酸酯胶粘剂在热压的工艺流程中会释放出有毒挥发性的物质，这些物质对于生产工人的危害甚至会高于甲醛气体，严重危害了一线生产工人的健康。另外异氰酸酯胶粘剂能够解决刨花板甲醛的释放问题，但是其价格比脲醛树脂胶粘剂的价格要高得多，大大的增加了刨花板企业的生产成本。这些问题导致用异氰酸酯胶粘剂生产无醛刨花板受到了极大的局限性[24-26]。

而对于生物质胶粘剂来说，水性聚氨酯改性生物基（植物油基、大豆基、淀粉基等）胶粘剂在众多的改性方法中显示了更为成熟的工艺和经济价值。水性聚氨酯胶粘剂的粘性较差，只应用在鞋、箱包等应力较小的基材上，而且在温度升高时粘度下降，耐热性较差，无法直接应用在刨花板的生产上。单组份的聚氨酯胶粘剂分子交联时的密度较小，而且由于其亲水特性，在和水接触时，水分子容易渗入到胶膜内部以及胶膜和基材之间，胶膜的强度以及胶膜和基材的附着力变低，导致其粘结性能变差。

因此，为了更好的应用水性聚氨酯，常需要对其进行改性，通过引入交联结构和改性基团所具有的性能，从而提高其粘结强度、耐热性等性能

[27]。胶粘剂占了刨花板的生产成本很大一部分，水溶性聚氨酯胶粘剂不仅解决了溶剂型聚氨酯胶粘剂（例如异氰酸酯）的溶剂污染问题，而且也降低了生产成本[28]。植物油基水性聚氨酯分散液的储存稳定性超过6个月，水性聚氨酯基薄膜的初始分解温度超过250℃。而且植物油基胶粘剂生产的刨花板比传统工艺淀粉改性的水性聚氨酯胶粘剂，不但具有可生物降解的优良性能，而且可以在指定时间内生物降解，是一种全新的环保材料。笔者所在的企业已完成了水性聚氨酯改性生物基胶粘剂生产无甲醛添加刨花板的工艺研究，并形成了大规模工业化生产；笔者认为目前水性聚氨酯改性生物基胶粘剂制造无醛刨花板工艺已经相当成熟，各企业可以进行针对自身的特点和地理位置选择合适的水性聚氨酯生物基改性胶粘剂，进行无甲醛添加的刨花板中试化生产探究，早日进行生产线的搭建和生产。

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