集防火、防水和耐磨为一体的复合胶合板设计与研制*

梁星宇 蔡聪惠 何宇航 张荣卓 谷晓雨 王 正

（1. 南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2. 江苏善聪木业有限公司，江苏 连云港 222505）

在木材加工行业，胶合板为我国使用最为广泛且产量增幅最快的人造板产品。近十年，其产量年均增速已达15%。2019年，我国胶合板产量达1.8 亿m3，约占全球胶合板产量的60%以上，同时胶合板的消费和国际贸易也稳居世界首位[1-3]。胶合板主要是利用速生材原木和小径级材，经旋切成单板，再进行施胶、组坯、加压等工艺生产而成[4-8]。与实木相比，胶合板具有结构稳定、物理力学性能好、变异性小等优点，广泛应用于家具制造、建筑、包装、室内外装修、交通等诸多领域[9-14]。

然而，普通胶合板产品很难兼具较高的防火、防水、耐磨性和平整度等功能，较大程度制约了该板材的使用范围。胶合板的表面木质材料裸露在外，遇到水、火极易发生干缩湿胀和燃烧，导致板材尺寸变形、腐朽、霉变等。即使后期对胶合板产品进行饰面加工，以增加其防火性能、耐磨性和表面平整度，也会因其表面贴合不好、胶合强度不高，导致其使用寿命有限，且人工成本较高。对于防火性，传统的阻燃胶合板是通过浸渍阻燃剂的工艺实现，其工艺相对较为复杂，且成本较高[15]。近年来，科研人员通过将阻燃剂与胶黏剂混合形成新的阻燃体系或在胶合板表面涂布阻燃涂料，可有效增强胶合板的防火效果[16-18]。该方法同样可运用在饰面胶合板中，但会影响其表面涂饰性能，且增加生产投入。胶合板的表面耐磨性能通常通过贴上覆面材料或在表面涂布树脂的方法实现[19]。然而胶合板产品的工艺条件（如热压参数，基材种类等）多变且复杂，易导致表层的耐磨性能降低，从而影响其使用寿命[20-21]。

考虑到市场的实际需求，目前急需一种同时兼顾防火性，耐磨性以及表面平整度的饰面复合胶合板。因此，本文设计了三种集防火、防水和耐磨为一体的复合胶合板，探究了其制造工艺，并对性能进行了检测，表明该产品有助于提高企业的经济效益和社会效益。

1 复合胶合板的结构设计及生产工艺

1.1 结构设计

如图1所示，本研究设计了三种集防火、防水和耐磨功能为一体的复合胶合板产品，其尺寸为2 440 mm（长）× 1 220 mm（宽）× 16 mm（厚）。产品的结构大体由芯板层、防火层、找平层和表板层构成，编号分别为S1、S2和S3。其芯板层为厚度12 mm的普通胶合板；找平层为厚度1 mm的中密度纤维板（MDF），起饰面找平作用；防火层为厚度2 mm的葡萄牙软木板，起防火保温作用；表板层为厚度1 mm的热固性树脂浸渍纸高压层积板（HPL），起防火和耐磨作用。各层间的胶黏剂采用单组分聚氨酯胶黏剂，具有粘接性强、防水性好和无甲醛释放等特点。三种产品的具体组成如表1所示。

表1 防火、防水和耐磨复合胶合板结构设计Tab.1 Structural design of composite plywood that integrates fire resistance, water resistance, and wear resistance

图1 三种防火、防水和耐磨复合胶合板结构图Fig. 1 Structure diagram of three kinds of composite plywood that integrates fire resistance, water resistance, and wear resistance

1.2 材料与设备

1.2.1 材料

复合结构胶合板的芯板选用意杨（P o p u l u s deltoides）普通胶合板，含水率为8%~12%，气干密度为589.8 kg/m3。找平层为MDF，含水率为8%~11%，密度为547 kg/m3，吴江区狮虎木业有限公司。防火层为葡萄牙软木板，厚度为2 mm，密度为118 kg/m3，导热系数为0.04 W/(m·K)，比热≥2.0 J/g/℃，使用温度范围为-80~140 ℃，葡萄牙AMRIM ICB公司。面板层为HPL防火板，由耐磨纸、装饰纸和牛皮纸组成，上海富美家装饰材料有限公司。

普通胶合板采用酚醛树脂胶黏剂，酚醛树脂与面粉比例为4∶1，武汉卡诺斯科技有限公司。芯板层与找平层、找平层与防火层均采用单组分聚氨酯胶黏剂，富乐（中国）粘合剂有限公司。

1.2.2 生产设备

主要设备有磨头机、涂胶机、接长机、冷压机、热压机、锯边机、砂光机等，具体信息如表2所示。

表2 普通胶合板生产主要设备Tab.2 Main equipment for ordinary plywood production

1.3 生产工艺

如图2所示，防火、防水和耐磨复合胶合板的主要加工流程为：杨木单板分选（基材制造）→单板斜磨→干燥→铺装组坯→冷压热压→与薄MDF和HPL复合组坯→冷压→裁边、封边。

图2 防火、防水和耐磨复合胶合板生产流程图Fig.2 Production flow chart of composite plywood integrated fire resistance, water resistance and wear resistance

复合胶合板主要生产工序为：

1） 普通胶合板制备工序。将意杨速生材原木旋切成厚度为2 mm的单板单元，经斜磨、干燥、分等、施胶、组坯（相邻层之间纹理垂直）、冷压（预压）、热压后所得。

2） 开料工序。对养生7~10 d后的胶合板进行锯裁，砂光定厚和质量分选。

3） 与薄MDF和HPL施胶组坯工序。在30 min内，采用单组分的聚氨酯胶黏剂依次在胶合板表面、薄MDF表面及HPL表面施胶后，组坯铺装，施胶量为110~120 g/m2。

4） 冷压工序。对施胶组坯后的复合胶合板进行高频冷压处理，其压力为1.2 MPa，加压时间为24 h，养生时间为5 d。

5） 裁边、封边工序。裁边后的板边应无毛刺；板面平整、无压痕、无弯曲，其对角线差在2 mm内。

图3 复合胶合板冷压工序Fig.3 Cold pressing process of composite plywood

图4 复合胶合板裁边工序Fig.4 Edge cutting process of composite plywood

2 复合胶合板的物理力学性能与耐火性能测试

复合胶合板的性能测试参考GB/T 17657--2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行[22]，包括静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）、表面胶合强度、表面耐磨性、表面耐龟裂等指标。

2.1 试件制备

对压制好的复合胶合板试件按测试用的标准尺寸进行锯切，如表3所示。

表3 试件尺寸及其数量表Tab.3 Dimension and quantity table of test piece

2.2 测试仪器

MWE-40A液压式木材万能试验机，最大试验力4 kN，由济南试验机厂生产；DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱，温度波动±1 ℃，上海精宏实验设备有限公司；DB-2AB不锈钢恒温数显电热板，温控范围50~400 ℃，分辨率为0.1 ℃，济南森亚实验仪器有限公司；DC-0550-F低温恒温槽，分辨率为0.01 ℃，江苏奈乐仪器设备制造有限公司；JM-V磨耗仪，上海现代环境工程技术股份有限公司。丙烷燃料火枪3支，枪管直径和长度分别为19 mm和60 mm，最大火力温度约1 300 ℃，由CAMPSOR/凯玛仕提供。

2.3 测试原理及其主要步骤

2.3.1 物理力学性能测试

采用三点弯试验方法检测试件的静曲强度（MOR）和弹性模量（MOE）。表面胶合强度指饰面材料与基材之间的粘结强度，是表面层垂直于板的最大破坏荷载与胶合面积的比值。表面耐磨是利用一对粘有砂布的磨砂轮与旋转的试件摩擦，设定固定转数后，以磨损量的大小衡量表面耐磨性能。表面耐龟裂是观察试件在70 ℃条件下是否出现开裂现象，以衡量材料的耐久性能[22]。图5 为本复合结构的胶合板试件的物理力学性能测试现场照片。

图5 复合胶合板物理力学性能测试现场Fig. 5 Field test of physical and mechanical properties of composite plywood

2.3.2 耐火性能测试

耐火性能测试采用丙烷燃料火枪定点烧穿复合板材的方法，以烧穿时长作为评价耐火性能的指标[23-24]。如图6 所示，测试时枪嘴与试件保持固定100 mm距离，以最大火力45°角喷向试件固定位置。火枪点火时开始计时，与喷火面相反的板面出现黑印（炭黑）表示试件已烧穿，此时停止计时。试验中，使用红外测温仪每隔20 s时测试燃烧处面的温度。由于板材厚度略有差异，测得的耐火时长应结合厚度比例折算成实际时长。

图6 耐火试验测试Fig.6 Fire resistance test

3 结果与分析

三种复合胶合板的性能测试结果如表4所示。

表4 复合胶合板物理力学测试结果Tab.4 Physical and mechanical test results of composite plywood

由表4可知，复合胶合板的静曲强度和弹性模量测试结果均达到GB/T 9846—2015《普通胶合板》[25]的要求，即对于12 mm厚胶合板，规定静曲强度≥28 MPa，弹性模量≥5 000 MPa。

表面胶合强度主要衡量复合胶合板的饰面材料和基材的胶合质量。S1结构板的静曲强度值最大，其结构仅由芯板层、MDF找平层和HPL防火层构成，双层胶层相较于单层表现出更优异的胶合质量。由于软木板来源于葡萄牙栓皮栎的树皮，经过打碎自粘形成，其具有耐火保温性能，但本身相比木材较为松软。S2结构板由于加入了软木板，饰面层胶合强度相对较低，结果略低于标准值。

三种复合胶合板均达到了表面耐磨和表面耐龟裂要求，且每100转的磨损量相似。这是因为，这三种复合胶合板均采用了HPL防火板作为防火层，极大增加了板材的表面耐磨与耐龟裂性能。

对于耐火极限的测试结果，普通胶合板烧穿时间仅为321 s，而S1，S2和S3结构板的耐火时长均远超过普通胶合板。其中，S1结构板和S3结构板效果最好，时长分别约为普通胶合板的1.75倍和1.94倍。由于找平层MDF助燃的作用，S3结构板的时长略微大于S1结构板。然而，综合板材表面平整度、表面胶合强度和耐火性能三方面要求，S1结构板则具有更大优势。S2结构板的耐火性能处于普通胶合板和S1结构板、S3结构板之间。经研究发现，软木板在厚度较薄时，空隙明显，其无法产生耐火性能，空腔中的空气反而起到了极大的助燃效果，降低了HPL防火板的性能。

图7和图8为测试试件耐火极限时的时间温度曲线。对于普通胶合板，试件在100 s前的背面中心位置的温度并无显著变化，之后试件温度均匀增加，直至试件背面出现碳化变黑时停止。三种复合胶合板结构在160 s前的背面温度均没有显著变化，但之后S2结构板的温度递升较为显著。这是因为此时S2结构板防火层的HPL已被烧穿，火焰已进一步灼烧软木板。因薄软木板的空腔空气起到了一定的助燃作用，反而加快了试件的温度升高速度。对于S1结构板，因火焰进一步灼烧薄MDF，也起到了一定的助燃作用，加速其温度的升高。由时间温度曲线图得知，S2结构板所对应的曲线更为陡峭，S1结构板次之，而S3结构板因为不具有起到一定助燃效果的中间层，其温度升高的速率最为缓慢。显然，S1和S3结构板均有更加稳定的升温速率，能为火灾逃生提供更多的时间。其中，S3结构板的防火性能最佳。

图7 耐火试验时间-温度曲线（第一组）Fig.7 Time-temperature curve in fire resistance test (group 1)

图8 耐火试验时间-温度曲线（第二组）Fig.8 Time-temperature curve in fire resistance test (group 2)

为满足市场需求，进一步对标准尺寸为2 440 mm×1 220 mm的三种复合结构胶合板进行成本经济分析。1 mm厚HPL防火板采购单价为70元，1 mm厚MDF单价为70元，2 mm软木板单价为60元，单组分聚氨酯胶黏剂价格为58元/kg。相较于普通胶合板，每块S1、S2和S3结构板的成本分别增加约370、530元和180元，而普通胶合板每块单价为120元。就成本而言，S3的附加成本投入最低，其次是S1，而S2的成本投入较高。

4 结论

本研究介绍了三种复合胶合板的结构设计和生产工艺，并依据国家标准对其物理力学性能和耐火性能进行了测试，以评价三种结构在防火、耐磨和表面平整性方面的优缺点。结果表明：三种复合结构胶合板的物理力学性能满足标准要求，其耐火性能远优于普通胶合板要求。其中，S1 结构板的整体物理力学性能最为优异。S3 结构板的防火性能最好，且增加的生产成本最低。该板在耐火试验中的温度随时间变化缓慢，但表面平整性和表面胶合强度较弱于S1 结构板。S2结构板中加入的薄软木板并未起到很好的防火效果，反而使软木板空腔内的空气起到一定助燃效果，抑制了HPL的防火性，且成本最高。

综上，在普通胶合板上，利用单组份聚氨酯胶黏剂胶合HPL防火板可极大地提高本复合结构胶合板的防火性、防水性和耐磨性，并符合饰面平整度要求。其中，S3 结构板的综合性能较优，且成本增加较少，具有较高的应用价值和较好的市场前景。