乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜增强装饰薄木的制备
时间：2022-12-06 17:25:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张鑫豪，方露*，吴智慧，赵建忠
(1. 南京林业大学家居与工业设计学院,南京 210037; 2. 浙江升华云峰新材股份有限公司,德清 313200)
我国是木制品生产大国，其产能与产值均居世界第一，但是珍贵木材资源匮乏，供需矛盾日益明显。将珍贵树种的木材旋切或刨切成厚度为0.2～0.8 mm的装饰薄木，是提高珍贵木材利用率及木制品附加值的有效方法。装饰薄木因具有自然的纹理和优雅的色泽质感被广泛应用于木门、木地板和木家具等的表面装饰[1]，是目前应用最多的饰面材料之一。然而，原始薄木的脆性大、强度低，很难用于异型面的装饰[2-3]，且在运输、贮存和加工过程中易受外力作用发生开裂、破碎，导致资源的浪费。通常对于厚度较小的微薄木(<0.3 mm)，会在其背面覆贴牛皮纸或无纺布等增强材料[4]，使其具有良好的柔韧性。但由于加工和饰面过程中需要使用液态胶黏剂，不仅增加了工序成本，还会产生游离甲醛释放和透胶的问题。对于厚度较大的装饰薄木，尽管可以直接用于饰面加工，但通常需要保持高含水率(约30%)状态运输和储存，容易发生霉变，且饰面之前需要进行干燥处理，生产能耗和仓储成本也会随之增加。因此，开发环保型饰面新材料[5-6]、探索低能耗饰面新技术[7-8]，对现有家具产业升级具有良好的推动作用。
采用环保型热塑性树脂薄膜对装饰薄木进行复合改性可以从根源上解决上述问题。聚乙烯(polyethylene，PE)薄膜由于分子结构简单、性能稳定，应用较为广泛。彭晓瑞等[3]以改性低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)薄膜作为红栎(Quercusrubra)薄木增强材料，制备了柔韧性优良、横向抗拉强度达4.08 MPa的PE基复合薄木。但由于塑膜与薄木的热膨胀系数差异显著[9]，且LDPE材料的熔融温度较高，使得加工温度高达150 ℃。高温带来的卷曲变形问题是PE薄膜增强装饰薄木工业化应用过程中的技术难题。彭晓瑞等[10-11]采用等离子体技术对LDPE薄膜进行改性，将加工温度降低至120 ℃，并采用凹凸模热压成型技术缓解和控制了复合薄木的卷曲，但这也在一定程度上增加了生产工序和加工成本，不利于促进工业化发展。
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer，EVA)是一种在乙烯基中引入极性醋酸乙烯酯单体(vinyl acetate，VA)的热塑性树脂材料，其熔融温度要明显低于PE，具有稳定性、柔韧性良好等特点[12]。EVA薄膜目前主要应用于太阳能电池的封装，食品、医药的包装，安全玻璃的中间层等，涉及包装、化工、生物、医药等多个领域[13-14]。在家具领域中，EVA主要以粒子形式的热熔胶用于木门门套加工、板式家具封边等，而对于薄膜形式的应用相对较少。
基于此，笔者提出采用EVA薄膜作为水曲柳装饰薄木的增强材料制备EVA基复合薄木，并对中密度纤维板(MDF)基材进行饰面，系统研究热压温度对此复合薄木各项性能的影响，同时与无纺布基复合薄木、PE基复合薄木产品性能进行对比，旨在为提高装饰薄木的有效利用率，开发绿色环保型饰面材料提供新的参考。
1.1 试验材料
水曲柳(Fraxinusmandshurica)薄木：规格200 mm×200 mm×0.5 mm，含水率8%～12%，外购；
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)薄膜：熔融温度85 ℃(图1)，VA含量为22.4%[15]，厚度0.1 mm，密度0.91 g/cm3，外购；
中密度纤维板：规格180 mm×180 mm×8 mm，密度0.88 g/cm3，含水率8%～10%，外购。
图1 EVA薄膜的DSC曲线Fig. 1 DSC curve of EVA film
1.2 试验方法
前期试验结果显示热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木性能的影响极显著[15]，因此，笔者采用单因素法，重点研究了热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木各项性能的影响。其中，热压温度包括制备复合薄木的热压温度和二次饰面的热压温度，具体如表1所示。研究采用柔韧性和横向抗拉强度评价复合薄木的性能，采用浸渍剥离性能和表面胶合强度评价其二次饰面性能。EVA增强装饰薄木及其饰面MDF板材的工艺流程如图2所示。
表1 复合薄木制备及二次饰面的热压参数Table 1 Hot-pressing parameters for preparation and secondary processing of composite veneers
图2 试样制备加工流程示意图Fig. 2 Process diagram of the sample preparation
1.3 性能测试与表征
1)柔韧性：参照标准LY/T 2879—2017《装饰微薄木》，将制备的复合薄木样品按顺纹方向裁剪成200 mm ×75 mm规格，依次绕直径尺寸由大到小的圆形钢棒一圈，以试件发生破裂时的钢棒直径表征其柔韧性。
2)横向抗拉强度：参照标准LY/T 2879—2017《装饰微薄木》，将样品裁剪成100 mm(横纹)×15 mm规格，每个试验水平下取6片试件，陈放24 h后检测其破坏时的最大载荷，由此计算横向抗拉强度，结果取平均值。
3)浸渍剥离性能：参照标准GB/T 15104—2006《装饰单板饰面人造板》，制备规格为75 mm×75 mm的试件，各试验水平下取 6 块进行测试。
4)表面胶合强度：参照标准GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，制备规格为50 mm×50 mm的试件，各试验水平下取6块试件进行测量，结果取平均值。
5)胶接界面微观形貌：将制得试件裁切成 5 mm×5 mm 的规格，喷金处理后使用环境扫描电子显微镜(SEM)对胶接界面进行观察。
2.1 EVA薄膜增强装饰薄木的性能
2.1.1 柔韧性
未经复合改性的水曲柳薄木柔韧性差(最小钢棒直径超过18 mm)，受力弯曲后很容易碎裂。采用塑膜对水曲柳薄木进行增强，可以大幅提升其柔韧性。如图3所示，EVA薄膜增强装饰薄木的柔韧性达到6 mm左右，可以满足异型贴面的要求。这主要是因为塑膜与薄木热压复合后，形成了类似胶钉一样的机械啮合结构，渗透进入装饰薄木多孔性结构中的EVA在固化后承担的作用类似于土混结构中配筋的作用，在弯曲应力的作用下这种啮合结构可以起到良好的卸力效果，使复合薄木所受的弯曲应力维持在薄木所能承受的范围之内，直至发生脆性断裂[16]。热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木柔韧性的影响较小(图3)，这是因为当热压温度为95 ℃时，EVA薄膜熔融，并与薄木形成了初步的机械啮合，已经起到了卸力的作用。当热压温度增加至110 ℃时，柔韧性最优，最小钢棒直径为5.3 mm。继续提升热压温度，会出现EVA分子的过度渗透，进而引起胶接界面层变薄，使得复合薄木抵抗收缩应力的能力降低。
图3 热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木柔韧性的影响Fig. 3 Effect of hot-pressing temperature on flexibility of decorative veneer enhanced with EVA film
2.1.2 横向抗拉强度
市售的装饰薄木初始强度较低，根据行业标准LY/T 2879—2017《装饰微薄木》，装饰薄木的横向抗拉强度≥0.35 MPa时才能满足饰面要求。本研究所使用水曲柳薄木的横向抗拉强度约为0.24 MPa，略低于标准要求。
当采用EVA薄膜对水曲柳薄木进行增强后，薄木的横向抗拉强度大幅提升，如图4所示。随着热压温度的升高，横向抗拉强度呈现先上升后下降的趋势。这是由于在较低的加工温度下(95 ℃)，渗透进入薄木中的EVA大分子相对较少，界面结合力相对较弱。当热压温度为110 ℃时，机械锁合力增强，复合薄木的横向抗拉强度达0.99 MPa，比原始的薄木提升了412.5%。当热压温度达到125 ℃时，薄木的本体强度降低，胶接界面层变薄，横向抗拉强度出现减小趋势。
图4 热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木横向抗拉强度的影响Fig. 4 Effect of hot-pressing temperature on transverse tensile strength of decorative veneer enhanced with EVA film
2.2 EVA薄膜增强装饰薄木的二次饰面性能
2.2.1 表面胶合强度
采用最优工艺条件下制备的EVA薄膜增强装饰薄木对MDF基材进行饰面，并以浸渍剥离性能和表面胶合强度为指标评价此复合薄木的二次饰面性能。在饰面过程中，EVA薄膜发生二次熔融，发挥胶黏剂的作用。二次熔融EVA的分子量会有所下降，流动性增强，因此选取适当低的热压温度即可完成饰面过程。本研究中设定饰面热压温度为90,100和110 ℃。
热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木二次饰面性能的影响见图5。不同贴面温度制备EVA薄膜增强装饰薄木饰面板的胶接界面形貌如图6所示。由图5可见，所有饰面板件的表面胶合强度均高于0.4 MPa，满足GB/T 15104—2006标准中的最低要求。热压温度对表面胶合强度有显著影响。当热压温度为90 ℃时，复合薄木中的EVA再次熔融渗透进入MDF基材的多孔结构，与MDF基材形成机械互锁。但在有限的热压时间内渗透进入MDF基材中的EVA大分子受限，这导致EVA薄膜与MDF胶接不充分，胶接界面间存在一定的间隙(图6a)。当热压温度为100 ℃时，EVA的黏度进一步降低，在相同的热压时间内更多的EVA大分子会进入MDF中，胶合界面间隙明显缩小(图6b)，由于机械锁合力的增强，表面胶合强度提升至1.28 MPa。继续增加热压温度至110 ℃，EVA大分子的流动性进一步提高，但与传统的液态胶黏剂相比，其黏度仍然较大。在恒定的热压时间和热压压力条件下，熔融的EVA大分子并不足以渗透到MDF的更深处。相反，它们可能会积聚在胶合界面上(图6c)，并且受高温影响逐渐发生降解，导致表面胶合强度降低。
图5 热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木二次饰面性能的影响Fig. 5 Effect of hot-pressing temperature on secondary finishing performance of decorative veneer enhanced with EVA film
图6 不同贴面温度制备EVA薄膜增强装饰薄木饰面板的胶接界面形貌Fig. 6 Bonding interface morphology of EVA film reinforced decorative veneered panels prepared at different secondary processing temperatures
2.2.2 浸渍剥离性能
材料自身的耐水性能以及胶接界面的强度均影响饰面板材的浸渍剥离性能。如图5所示，当热压温度为90 ℃时，由于胶接不充分，饰面板材出现了4.5 mm的剥离长度，但是仍然符合GB/T 15104—2006中Ⅱ类装饰单板贴面人造板的相关要求(浸渍剥离长度 ≤25 mm)。继续增加热压温度，界面结合力增大，浸渍剥离长度为0。
由于EVA的熔融温度较低(85 ℃)，将饰面板置于100 ℃沸水中4 h(Ⅰ类测试条件)，会出现明显的脱胶和分层现象。因此，EVA薄膜增强装饰薄木的应用场所目前仅限于环境湿度与温度相对较稳定的室内。
2.3 不同增强材料对复合薄木性能的影响
目前，无纺布和PE薄膜是研究较为广泛的增强材料，其性能如表2所示。3种增强材料均可显著提升装饰薄木的柔韧性和横向抗拉强度。与无纺布相比，采用塑膜作为增强材料可以获得更优的柔韧性和耐水性，且生产过程中不需要额外施加胶黏剂，既简化了生产工艺又杜绝了游离甲醛释放的危害和透胶问题的产生。从横向抗拉强度和浸渍剥离性能来看，马来酸酐改性LDPE薄膜(MAPP-LDPE)与未经任何特殊处理的EVA薄膜相比，各项性能都具有很大的优势，但是增加改性处理后的PE薄膜成本也会相应提高。
表2 不同增强材料制备复合薄木的性能对比Table 2 Performance comparison of different reinforcement materials for composite veneers
由表2可见，EVA薄膜相比MAPP-LDPE薄膜具有更低的加工温度，这有利于缓解塑膜增强装饰薄木因高温加工产生的卷曲变形[18]。为了进一步分析热压温度对复合薄木卷曲程度的影响，本研究对比了两种塑膜增强装饰薄木的卷曲变形情况，其中PE基复合薄木的加工温度为135 ℃，EVA基复合薄木的加工温度为110 ℃，薄膜的厚度均为0.1 mm，压力、时间如表1。通过对比两者的实物卷曲情况以及测量平均曲率半径值(R)，结果显示EVA基复合薄木的卷曲程度远低于PE基复合薄木(图7)。陈放7 d后，PE基复合薄木的平均曲率半径明显缩小，卷曲程度进一步增大，而EVA基复合薄木性能相对稳定，基本处于平整的状态，这既有利于运输、贮存和包装，又有利于二次饰面加工，具有很大的市场应用潜力。
图7 优化工艺下的EVA和PE薄膜增强装饰薄木的卷曲程度对比Fig. 7 Curly degree comparison of EVA and PE film reinforced decorative veneer under optimized process
1) 热压温度对EVA薄膜增强装饰薄木的性能影响较显著。当热压温度为110 ℃时，EVA薄膜增强装饰薄木最小钢棒直径为5.3 mm，横向抗拉强度达0.99 MPa，可以有效提高装饰薄木的利用率，且满足异型饰面的要求。
2)EVA薄膜增强装饰薄木可直接用于MDF等人造板基材的表面装饰，无须施加额外的液态胶黏剂，既简化生产工艺，又具有一定的环保性。当饰面热压温度为100 ℃时，饰面板的表面胶合强度达到1.28 MPa，浸渍剥离性能符合GB/T 15104—2006中的Ⅱ类标准。
3)与未经特殊处理的无纺布基复合薄木、PE基复合薄木相比，EVA基复合薄木的柔韧性好，饰面效果理想，卷曲变形程度小，加工能耗低，具有较大的应用前景。
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