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低密度纤维板(Low density fiberboard, LDF)指密度在550~650 kg/m3之间的干法纤维板[1]。在日本和一些欧美国家，低密度纤维板已广泛应用于室内装修装饰、家具、高保真音响外壁等领域[2]。我国纤维板产品多以密度在650 kg/m3以上的中、高密度纤维板为主，密度在550~650 kg/m3范围的低密度纤维板却鲜有企业生产[3]。近年来，有关低密度纤维板的研究逐渐受到关注，低密度纤维板因其质量轻、吸音降噪等优点，且具有一定物理力学性能，因此在承担非结构用途的建筑装饰、家具制造和吸声等领域具有广阔的应用前景。
但是相比中密度纤维板，低密度纤维板具有物理力学性能低的缺点。国内外一些学者对低密度纤维板的制备工艺进行了研究。杨越飞等[4]以密度为580 kg/m3的低密度纤维板为研究对象，采用正交试验法对热压工艺3要素进行优化。王梦琦等[5]采用NaOH对木纤维进行活化处理，增加纤维表面的—OH数量，利用活化后的纤维制备低密度纤维板。阿伦等[6]从微观角度，利用微米木纤维机械切削加工技术，使木材纤维胞管内胶质等杂质流出，且微米级的木纤维呈絮状自然堆积，从而既降低了板材密度，又达到了优异的力学性能。Lux[7]将一种新型的算法结构运用到纤维分割技术上，在算法作用下机械可自动分割大麻类植物的纤维，并控制纤维的弯曲量、长度、直径、方向分布，从而优化低密度纤维板的机械加工、隔热保温等性能。Xie等[8]采用聚氨酯发泡的方法来制作超低密度纤维板(Ultra-low density fiberboard, ULDF)，当密度为563 kg/m3时，该板材的热传导系数为0.035 W/(m·K)，吸声系数为0.67，具有优良的保温隔热和吸声性能，但力学性能较差。
上述低密度纤维板的研究基本采用脲醛树脂为胶黏剂。采用脲醛树脂胶黏剂制备的纤维板，不仅施胶量较大，甲醛释放量难以达到E1级标准，且脲醛树脂胶黏剂为水溶性，因此防水性能较差，板材的吸水厚度膨胀率较大。与脲醛树脂胶黏剂相比，异氰酸酯(MDI)胶黏剂的制备与使用过程均无甲醛释放，且施胶量较低。因此，与脲醛树脂胶黏剂制备的低密度纤维板相比，甲醛释放量大大降低[9]。异氰酸酯胶黏剂中的异氰酸酯基(—NCO)是一种高度不饱和基团[10]，具有很高的反应活性，能与木材中含有活泼氢的基团(—OH、—NH2、—COOH等)反应形成化学胶接[11]，胶合强度高，耐水性较好。本研究采用异氰酸酯为胶黏剂，采用平压法制备MDI低密度纤维板，以纤维含水率、细纤维质量分数、热压工艺曲线为影响因素，探究各因素对低密度纤维板物理力学性能的影响，并选取较优的制备工艺。
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松木纤维，宁国市东南木业有限公司；异氰酸酯胶黏剂，型号CW-20，工业品，万华化学集团股份有限公司；丙酮，分析纯，北京化工厂。
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所购2种木纤维在恒温鼓风干燥箱(TH-881Y-5型，苏州壹华烘箱设备有限公司)中干燥至一定含水率后，将纤维经过电动振筛机(8411型，浙江上虞市道墟星峰仪器厂)筛选，筛选后细纤维的形态和分布见表 1，粗纤维的形态和分布见表 2。
表 1 细纤维形态和分布
Table 1. Fine fiber shape and composition
目数Mesh number ＜40 40~60 60~80 80~100 ＞100 质量分数Mass fraction 18.4% 23.4% 17.9% 9.7% 30.6% 表 2 粗纤维形态和分布
Table 2. Crude fiber shape and composition
目数Mesh number ＜20 20~40 ＞40 质量分数Mass fraction 40.3% 30.6% 29.1% 将细纤维和粗纤维按一定比例混合后放入滚筒拌胶机(DRAIS FTR250型拌胶机，德国DRAIS公司)中，采用喷枪(W-71-21G，阿耐思特岩田产业机械有限公司)进行施胶，MDI施胶量为4%，纤维施胶后在模具中进行手工铺装，放入热压机(新协力100T热压机，江苏新协力集团)中。纤维板的厚度控制在(11.5±0.2) mm，密度为(560±5) kg/m3，幅面为300 mm×300 mm，热压温度为195 ℃。
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在细纤维质量分数50%，采用热压曲线C(图 1c)的条件下，选取纤维含水率分别为8%、12%、16%，进行纤维含水率对板材物理力学性能影响的试验。选择较优水平进行热压曲线的单因素试验，根据不同的高压与低压作用时间，设计3种热压曲线(图 1)。其中曲线B为传统的3段式热压曲线，曲线A、C均为“高压—低压—中高压”3段式热压曲线，其中曲线A的高压作用时间较长。在细纤维质量分数50%，纤维含水率16%的条件下，选取热压曲线A、B、C进行热压曲线对板材物理力学性能影响试验。选择较优的热压曲线进行细纤维占比的单因素试验。在纤维含水率16%，热压曲线C的条件下，选取细纤维质量分数为0、50%、75%、100%，进行细纤维质量分数对板材物理力学性能影响的试验，选择较优的细纤维质量分数。最后确定最优的热压工艺，并进行验证试验。
图 1 热压曲线
Figure 1. Hot-press curves
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压制出的纤维板在室温下放置48 h后进行检测，按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中的规定将板材裁成相应规格，并按国标中的试验方法测定断面密度、吸水厚度膨胀率(TS)、静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)。
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板材表面进行砂光处理后(木工砂光机R-R1300，青岛鲁森木工机械有限公司)，裁成50 mm×50 mm的试件(精密推台锯，欧登多机械制造有限公司)，使用DA-X密度分布测试仪(DA-X/DA-1，德国GreCon公司)测试其断面密度分布。
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导热系数的测定采用护热平板法(DRH-300，湘潭仪器仪表有限公司)，基于单向稳态导热原理，在试样上、下两面处于不同的稳定温度下，测量通过试样有效传热面积的热流及试样两表面间温度梯度和厚度，计算其导热系数λ。试验对所制备的MDI低密度纤维板(密度564 kg/m3)和所购中密度纤维板(河北省某人造板厂，密度687 kg/m3)的导热系数进行测定。
$$ \lambda = \frac{{Qd}}{{S\Delta t\Delta T}} $$ (1) 式中：Q为热量，J；S为有效传热面积，m2；d为板材厚度，m；Δt为测试时间，h；ΔT为冷热极板的平均温差，K。
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试样选用最优工艺下制备的板材，测定方法按照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中甲醛含量测定—穿孔法(穿孔萃取仪，安徽省天长市东宏玻璃仪器厂)的要求进行。试样一式2份，进行2次试验，两次试验值差值不超过0.5 mg/100 g。
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表 3为3种纤维含水率下的板材性能的测试结果，并与LY/T1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求进行对比。纤维含水率在8%时，MOR和MOE均未达到标准要求，同时纤维含水率较低增强了板材的吸水性，因此吸水厚度膨胀率较高；纤维含水率在12%和16%时，板材性能均能达到行业标准。热压过程中，含水率较低不利于异氰酸酯胶黏剂的反应，板材的力学性能较差。以下从板材断面密度的角度分析纤维含水率对板材性能的影响。
表 3 不同纤维含水率对板材性能的影响
Table 3. Effects of different fiber moisture contents on properties of LDF
纤维含水率
Fiber moisture content/%MOR/
MPaMOE/
MPaIB/
MPaTS/% 8 15.34 1 648 0.62 12.30 12 17.74 1 848 0.51 12.00 16 20.66 2 188 0.47 9.90 标准值Standard value 20 1 700 0.45 16 注：MOR代表静曲强度，MOE代表弹性模量，IB代表内结合强度，TS代表吸水厚度膨胀率。Notes: MOR means modulus of rupture, MOE means modulus of elastic, IB means internal bond strength，and TS means thickness swelling. 从材料力学角度看，表芯层密度比值较大可提高板材的静曲强度；在施胶量相同的情况下，断面上的最低密度是决定低密度纤维板内结合强度的主要因素[12]。图 2为在纤维含水率8%、12%、16%时板材的断面密度分布图。由图 2可知：在板材平均密度相同时，提高纤维含水率可提高表层密度，降低芯层密度。因此，随着纤维含水率的增加，板材的表层密度提高，MOR和MOE随之提高。对于断面密度分布不均匀的纤维板，在拉伸时破坏的部位往往是密度最低的区域[13-14]。因此随着纤维含水率的提高，板材的芯层密度减小，内结合强度越低；随着纤维含水率提高，板材的表层密度提高，水分渗透通过板材表面的阻力增加，吸水厚度膨胀率降低。
图 2 不同纤维含水率MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线
Figure 2. Vertical density profile of MDI LDFs of different fiber moisture contents
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表 4为在3种不同热压曲线下制备的低密度纤维板性能。由表 4可知：随着低压作用时间的增长，板材的MOR和MOE明显增大，内结合强度有所增加，吸水厚度膨胀率逐渐下降。图 3为在3种热压曲线下的板材断面密度分布曲线。热压曲线B、C的高压和中高压作用时间要小于热压曲线A，降压过程中，板材内部应力集中作用在上下表面，因此形成较高的表层密度，断面密度分布曲线呈“U”型；而在热压曲线A的作用下断面密度分布平缓。由于曲线C的降压时间较早，低压作用时间较长，有助于板坯内蒸汽的逸出，避免出现分层以及过多消耗纤维表面的异氰酸酯，因此热压曲线C作用下的板材性能优于热压曲线A或B。综上，在热压曲线单因素试验中，选择热压曲线C为最佳水平。
表 4 不同热压曲线对板材性能的影响
Table 4. Effects of different hot-press curves on properties of LDFs
热压曲线
Hot-press curveMOR/
MPaMOE/
MPaIB/
MPaTS/% A 17.43 1 684 0.41 14.50 B 19.30 1 760 0.46 12.60 C 21.86 2 082 0.42 12.10 标准值Standard value 20 1 700 0.45 16 
图 3 不同热压曲线MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线
Figure 3. Vertical density profile of MDI LDFs of different hot-press curves
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从图 4、5中可以看出：随着细纤维质量分数的增加，板材的静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率均降低，而内结合强度增强。粗纤维增多，有利于在平面方向形成交联网络结构，因此抗弯性能增强；细纤维增多，板材铺装更为均匀，且细纤维具有填充板内空隙的作用，有利于在垂面方向形成胶接，因此随着细纤维质量分数的增大，板材的内结合强度增加，吸水厚度膨胀率减小。细纤维质量分数为50%时，板材的静曲强度与弹性模量较高，但其内结合强度较低；细纤维质量分数为75%时，内结合强度明显高于行业标准，但静曲强度略低。根据图中的变化趋势，细纤维质量分数为60%时，板材性能可以满足行业标准。综上，选择细纤维质量分数为60%作为最优水平。
图 4 细纤维质量分数对板材MOR、MOE的影响
Figure 4. Effects of fine fiber mass fraction on MOR and MOE
图 5 细纤维质量分数对板材IB、吸水厚度膨胀率的影响
Figure 5. Effects of fine fiber mass fraction on IB and TS
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通过以上试验和分析，最终确定MDI低密度纤维板的较优热压工艺为：纤维含水率16%，热压曲线C，细纤维质量分数为60%。根据最终优化条件制备的板材性能为：静曲强度21.99 MPa，弹性模量2 363 MPa，内结合强度0.49 MPa，吸水厚度膨胀率9.5%。各项物理力学性能均能达到LY/T1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求。
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试验测定了LDF与MDF的导热系数外，还查阅了4种密度与LDF相近的保温材料(石膏保温砂浆、石棉水泥板、泡沫混凝土和加气混凝土)，以及垂直纹理方向的松木[15-16]，7种材料的导热系数见表 5。除石膏保温砂浆的导热系数与LDF相近外，其他5种材料的导热系数明显高于LDF。由此可见，LDF的保温性能优于MDF，接近或优于常用保温材料。
表 5 MDF、松木和4种保温材料与LDF的导热系数对比
Table 5. Comparison of thermal conductivity between MDF, pine and four insulation materials and LDF
材料
Material导热系数
Thermal conductivity/
(W·m-1·K-1)密度
Density/
(kg·m-3)LDF 0.087 564 MDF 0.110 687 石膏保温砂浆[15]Gypsum insulation mortar 0.085 500 石棉水泥板[15]Asbestos cement board 0.128 500 泡沫混凝土[15] Foam concrete 0.110 525 加气混凝土[15] Aerated concrete 0.174 566 松木(垂直纹理方向)[15] Pine wood (vertical texture direction) 0.174 550 -
穿孔萃取法测得MDI低密度纤维板的甲醛释放量为2.2 mg/100 g，相比一般脲醛树脂胶黏剂制备的纤维板，其甲醛释放量大大降低。
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(1) 在平压法制备MDI低密度纤维板的过程中，提高纤维含水率可增加表芯层密度比，增大静曲强度和弹性模量，降低吸水厚度膨胀率，但同时也降低板材的内结合强度；提高板材中粗纤维质量分数可有效增强板材的静曲强度和弹性模量，但降低了内结合强度，增大吸水厚度膨胀率；在热压曲线C的作用下，板材的表芯层密度比较高，板材的静曲强度和弹性模量较大，吸水厚度膨胀率较小，但内结合强度略有下降。
(2) 在较优的工艺条件(密度564 kg/m3，纤维含水率16%，细纤维质量分数60%，热压曲线C)下制得的板材性能为：静曲强度21.99 MPa，弹性模量2 363 MPa，内结合强度0.49 MPa，吸水厚度膨胀率9.5%，甲醛释放量2.2 mg/100 g。以上各项性能均可以满足LY/T 1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求。
(3) 试验制备的MDI低密度纤维板与其他保温材料相比，具较好的保温性能。MDI低密度纤维板在家具制造、保温建筑材料等领域具有广泛的应用空间。
Preparation process and properties of MDI low density fiberboard
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摘要:
目的低密度纤维板具有质量轻、吸音降噪等优点，可广泛应用于非结构用途的家具制造、建筑装饰、包装、电器设备等领域。与中密度纤维板相比，低密度纤维板具有力学性能低的缺点，使用“三醛胶”制备的低密度纤维板，力学性能难以达到要求，且甲醛释放量较大。因此，本研究选用胶合强度高、无甲醛释放的异氰酸酯(MDI)为胶黏剂，制备性能较优的MDI低密度纤维板。 方法以纤维含水率、细纤维质量分数和热压曲线为工艺参数，通过分析各参数对板材物理力学性能的影响，得出MDI低密度纤维板较优的制备工艺。 结果提高纤维含水率，适当延长低压作用时间，可增加表芯层密度比，从而提高静曲强度和弹性模量，但内结合强度略有下降；增加粗纤维的质量分数可有效提高静曲强度和弹性模量，内结合强度降低，吸水厚度膨胀率略有增加。本研究得出的MDI低密度纤维板较优的制备工艺为：纤维含水率16%，热压曲线C，细纤维质量分数60%。通过保温系数和甲醛释放量测定，发现MDI低密度纤维板与同等密度的保温材料相比具有较好的保温性能，甲醛释放量较低。 结论本研究中制备的MDI低密度纤维板各项性能均可以满足LY/T 1718—2017《低密度和超低密度纤维板》中干燥状态下使用的家具型低密度纤维板的性能要求，在家具制造、保温建筑材料等领域具有广泛的应用空间。 Abstract:ObjectiveThe low density fiberboard (LDF) has advantages of light weight, sound absorption and noise reduction, and can be widely used in the fields of furniture manufacturing materials, building decoration materials, packaging materials, electrical equipment materials, etc. Compared with medium density fiberboard, low density fiberboard has disadvantages of poor mechanical properties. Low density fiberboard prepared by melamine resin adhesive, phenolic resin adhesive or urea-formaldehyde resin adhesive is difficult to meet the requirement of the mechanical properties, and its formaldehyde emission is difficult to reach the E1 standard. Therefore, MDI low-density fiberboard with low density and excellent performance is prepared using isocyanate (MDI) with high bonding strength and formaldehyde-free release as adhesive. MethodIn this study, fiber moisture content, fine fiber ratio and hot pressing curve were taken as process parameters to analyze the influence of various parameters on physical and mechanical properties of LDF, and the optimal preparation process of MDI low density fiberboard was developed. ResultThe results showed that increasing moisture content of fiber and prolonging low-pressure time can increase density ratio of surface layer to core layer, thereby increase MOR and MOE, but IB was slightly decreased; increasing the mass fraction of coarse fiber can improve MOR and MOE effectively, while IB was decreased, TS also increased slightly. The preferred preparation process of MDI low-density fiberboard obtained in this study was: 16% fiber moisture content, hot-press curve C, 60% fine fiber. Through measurement of the thermal insulation coefficient and formaldehyde emission, it was found that MDI low density fiberboard had a better thermal insulation performance than the same density thermal insulation materials, and formaldehyde emission was low. ConclusionMDI low density fiberboard prepared in the study can meet the requirement for furniture LDF under dry condition of Low density fiberboard and ultra-low density fiberboard. So it can be used widely in furniture making and building insulation materials. -
Key words:
- MDI /
- low density fiberboard (LDF) /
- preparation process /
- thermal conductivity
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图 2 不同纤维含水率MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线
Figure 2. Vertical density profile of MDI LDFs of different fiber moisture contents
图 3 不同热压曲线MDI低密度纤维板的断面密度分布曲线
Figure 3. Vertical density profile of MDI LDFs of different hot-press curves
图 5 细纤维质量分数对板材IB、吸水厚度膨胀率的影响
Figure 5. Effects of fine fiber mass fraction on IB and TS
表 1 细纤维形态和分布
Table 1. Fine fiber shape and composition
目数Mesh number ＜40 40~60 60~80 80~100 ＞100 质量分数Mass fraction 18.4% 23.4% 17.9% 9.7% 30.6% 
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表 2 粗纤维形态和分布
Table 2. Crude fiber shape and composition
目数Mesh number ＜20 20~40 ＞40 质量分数Mass fraction 40.3% 30.6% 29.1%
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表 3 不同纤维含水率对板材性能的影响
Table 3. Effects of different fiber moisture contents on properties of LDF
纤维含水率
Fiber moisture content/%MOR/
MPaMOE/
MPaIB/
MPaTS/% 8 15.34 1 648 0.62 12.30 12 17.74 1 848 0.51 12.00 16 20.66 2 188 0.47 9.90 标准值Standard value 20 1 700 0.45 16 注：MOR代表静曲强度，MOE代表弹性模量，IB代表内结合强度，TS代表吸水厚度膨胀率。Notes: MOR means modulus of rupture, MOE means modulus of elastic, IB means internal bond strength，and TS means thickness swelling.
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表 4 不同热压曲线对板材性能的影响
Table 4. Effects of different hot-press curves on properties of LDFs
热压曲线
Hot-press curveMOR/
MPaMOE/
MPaIB/
MPaTS/% A 17.43 1 684 0.41 14.50 B 19.30 1 760 0.46 12.60 C 21.86 2 082 0.42 12.10 标准值Standard value 20 1 700 0.45 16
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表 5 MDF、松木和4种保温材料与LDF的导热系数对比
Table 5. Comparison of thermal conductivity between MDF, pine and four insulation materials and LDF
材料
Material导热系数
Thermal conductivity/
(W·m-1·K-1)密度
Density/
(kg·m-3)LDF 0.087 564 MDF 0.110 687 石膏保温砂浆[15]Gypsum insulation mortar 0.085 500 石棉水泥板[15]Asbestos cement board 0.128 500 泡沫混凝土[15] Foam concrete 0.110 525 加气混凝土[15] Aerated concrete 0.174 566 松木(垂直纹理方向)[15] Pine wood (vertical texture direction) 0.174 550
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