一种轻质高强聚氨酯刨花板及其制备方法与流程

本发明涉及一种轻质高强聚氨酯刨花板及其制备方法，属于木基复合材料及人造板加工领域。

背景技术：

1、刨花板是我国人造板生产领域的三大板种之一，广泛应用于家具制造、定制家居、装饰装修等领域。普通刨花板的密度大多在650～720kg/m3。随着木材资源紧缺和原料需求的不断增长，轻量化成为刨花板产品的重要发展趋势。刨花板轻量化，意味着在满足相同使用要求的条件下，使用更少的木质原料，不仅能够节约木材资源，而且降低生产加工能耗和运输成本，使产品具有更强的市场竞争力。同时，随着传统家具到定制家居、全屋整装、全家居产业的发展，刨花板的应用从家具用板扩展到墙板、大幅面台面板、一体化高门板等多样化应用领域，对刨花板提出了密度低、强度高、抗变形、环保性高等新需求。但是，目前轻质刨花板存在强度不足、耐水性差、尺寸变化大等问题，难以满足新的使用要求。

2、轻质刨花板制造存在的关键问题在于随着刨花板密度的降低，刨花之间空隙增多，结构单元之间结合弱，不能形成均匀的连续相结构，导致板材的承载能力和耐水性大幅下降。目前研究主要采用引入轻质填料、胶黏剂发泡等方法来制备轻质刨花板，采用轻质填料(例如聚苯乙烯泡沫颗粒)替代部分木质刨花，可以降低刨花板密度，但是轻质填料的胶结会消耗胶黏剂，影响内胶合强度，同时由于轻质填料自身强度很低，难以对刨花板起到增强作用；采用胶黏剂发泡可以填充在刨花之间的间隙，促进刨花之间的胶合，但板材的力学性能和耐水性有待进一步提高。

3、中国专利“cn111993525a”公开了一种轻质刨花板的制备方法，按要求分别选择芯层和表层刨花，使用脲醛树脂或聚氨酯发泡胶黏剂，采用分段式热压工艺进行制备。这种方法所采用的脲醛树脂发泡存在甲醛释放问题，而采用的聚氨酯发泡胶黏剂由常规双组分构成，两个组分常温混合会立即反应，因而需分开存放、分别施加至刨花，容易导致组分间不能充分接触反应，对轻质刨花板的力学强度和耐水性有负面影响。

4、中国专利“cn112388794a”公开了一种无醛轻质刨花板及其制备方法，采用刨花、异氰酸酯、含苯环的二元羧酸改性的聚醚多元醇、增粘剂、催化剂、水为主要原料，该方法仅对刨花板芯层有一定的发泡效果，表层组成与常规刨花板相同，所制备刨花板的抗弯性能和耐水性有待进一步提高。

5、中国专利“cn106671216a”公开了一种低密度低成本高强度的新型刨花板的制备方法，包括表面层、刨花层和芯层，该方法需要选取径级大于8cm的杨木作原料，加工成长窄薄刨花(长度90～130mm、宽度5～30mm、厚度0.5mm～2mm)，对原料和刨花形态有严格要求，属于定向刨花板(osb)的范畴，并且板材密度有待进一步降低。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种轻质高强聚氨酯刨花板，以解决现有轻质刨花板性能不足的问题，基于结构调控与优化设计，在受力的表层构建纳米增强结构，在芯层形成均匀稳定的微泡结构，从而实现刨花板的轻质高强化，制备的刨花板密度低、强重比高，内胶合强度显著提高，并具有良好的耐水性。

2、本发明的轻质高强聚氨酯刨花板，由纳米增强结构表层和微发泡结构芯层组成，表层由生物质细料、多异氰酸酯和改性纳米增强粒子组成，通过对纳米增强粒子进行改性处理，使其均匀分散在多异氰酸酯中，然后借助多异氰酸酯的施加，使改性纳米增强粒子分布在表层细料之间，增强表层结构，使整体刨花板的承载能力提升；芯层由生物质刨花、多异氰酸酯和发泡调控剂组成，发泡调控剂具有延迟发泡的作用，可以和多异氰酸酯在常温下充分混合均匀，再施加至芯层刨花，在高温下促进多异氰酸酯与羟基和水分子进行交联和发泡反应，使刨花单元间形成均匀稳定的聚氨酯发泡结构，在保持性能的同时使芯层密度大幅降低；通过表层纳米粒子改性增强和芯层聚氨酯发泡调控的协同作用，实现刨花板的轻质高强化。

3、一种轻质高强聚氨酯刨花板，由上表层、芯层和下表层构成，表层包括上表层和下表层，表层与芯层的重量比为2:8～5:5；按照重量份数，表层包含80～97份粒径为0.2～1.5mm的生物质细料、3～20份多异氰酸酯和0.03～1份改性纳米增强粒子；芯层包含70～95份长度为4～60mm、宽度为0.5～10mm、厚度为0.2～2mm的生物质刨花、3～20份多异氰酸酯和0.3～6份发泡调控剂。

4、优选地，本发明的轻质高强聚氨酯刨花板，表层与芯层的重量比为3:7～4:6，按照重量份数，表层包含90～95份生物质细料、5～10份多异氰酸酯和0.05～0.5份改性纳米增强粒子；芯层包含80～92份生物质刨花、8～15份多异氰酸酯和0.8～4.5份发泡调控剂。

5、优选的，上表层与下表层的组成和厚度相同。

6、所述的生物质细料和刨花，由人工速生林木材、竹材、沙柳、秸秆、稻草、芦苇和/或废弃回收木质材料等制备得到，是轻质高强聚氨酯刨花板的基本结构单元；表层采用生物质细料，易于压缩密实，芯层采用较大尺寸的生物质刨花，具有一定的强度和抗压缩性，这样的组合有助于形成表层密度高、芯层密度低的剖面密度梯度，从而保证刨花板的力学强度，同时高质量的细腻表面也有利于刨花板的二次饰面加工；表层中生物质细料的优选用量为90～95份，芯层中生物质刨花的优选用量为80～92份。

7、所述的多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基异氰酸酯中的一种，起到粘接生物质单元的作用，同时也是芯层生成聚氨酯泡孔结构的主要原料；多异氰酸酯中异氰酸根(-nco)含量为30～35wt％，优选的表层加入量为5～10份，优选的芯层加入量为8～15份。

8、所述的改性纳米增强粒子为硅烷改性的纳米级二氧化硅，粒径为10～100nm，能均匀分散在多异氰酸酯中，借助多异氰酸酯的施加分散在表层细料之间，增强表层结构；所述硅烷为3-氨丙基三乙氧基硅烷(kh550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(kh560)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(kh570)、γ-巯丙基三甲氧基硅烷(kh590)和n-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(kh792)中的一种。

9、所述的发泡调控剂，按照重量份数，包含80～100份复配聚合多元醇、5～10份扩链或交联剂、1～5份表面活性剂、1.5～2份复配催化剂和0.1～0.5份延迟剂，在常温下能够抑制多异氰酸酯的反应，在高温下能够促进异氰酸根与羟基和水分子的交联和发泡反应，调控形成泡孔的结构；所述的复配聚合多元醇，由一种高羟值高官能度的聚醚/聚酯多元醇和一种低羟值低官能度的聚醚/聚酯多元醇组成，复配体系的平均羟值为350～450mgkoh/g，平均官能度为3～5；高羟值高官能度的聚醚/聚酯多元醇的羟值为400-450mgkoh/g，官能度为4.5-5；低羟值低官能度的聚醚/聚酯多元醇的羟值为340-390mgkoh/g，官能度为3-3.5，高羟值高官能度的聚醚/聚酯多元醇与低羟值低官能度的聚醚/聚酯多元醇之间的质量配比为3:7-7:3；所述的扩链或交联剂为二元醇、三元醇、二元胺和乙醇胺中的一种或两种以上，能够促进聚氨酯体系形成三维交联网状结构，增加刨花板中聚氨酯泡孔的强度；所述的表面活性剂为氨基硅油或聚醚改性有机硅类，能够提高各组分的混合均匀性，有助于形成细小均匀的泡孔结构；所述的复配催化剂由胺类催化剂和有机金属类催化剂组成，二者的重量比为1:1～1:6，胺类催化剂为二甲基环己胺、三乙醇胺和三乙烯二胺中的一种，能够促进异氰酸根与水分子的反应，有机金属类催化剂为羧酸铋类、辛酸亚锡和二月桂酸二丁基锡中的一种，能够促进异氰酸根与羟基的反应；所述的延迟剂为草酸、磷酸、酒石酸和柠檬酸中的一种，能够抑制异氰酸根在常温下的反应，延长聚氨酯体系的存放时间。

10、该发泡调控剂具有延迟发泡特点，可与多异氰酸酯混合均匀配置成聚氨酯体系施加，在高温下能够促进异氰酸根与羟基和水分子进行交联和发泡反应，在芯层刨花单元间形成均匀稳定的聚氨酯微发泡结构。

11、所述的轻质高强聚氨酯刨花板的密度为400～550kg/m3，强重比(静曲强度/密度)不低于2.5×103。

12、同时，本发明还提供了一种轻质高强聚氨酯刨花板的制备方法，包括以下步骤：

13、(1)生物质单元制备：通过削片、刨片、破碎和/或打磨等机械方式降低生物质原料尺寸，分选出表层细料和芯层刨花，通过干燥或增湿的方法控制含水率为6～15wt％；

14、(2)纳米增强粒子改性处理：将纳米二氧化硅加入乙醇溶液中，室温下超声使其均质分散，按比例加入硅烷，调节溶液ph值，加热搅拌充分反应，将混合液进行固液分离，对固体产物进行洗涤、干燥，得到改性纳米增强粒子；

15、(3)聚氨酯体系的制备：聚氨酯体系由发泡调控剂和多异氰酸酯组成；按比例称取复配聚合多元醇、扩链/交联剂、表面活性剂、复配催化剂和延迟剂，常温下高速搅拌均匀，得到发泡调控剂；将发泡调控剂与多异氰酸酯按一定比例进行混合，高速搅拌均匀，得到聚氨酯体系；

16、(4)聚氨酯刨花板成型：按比例称取改性纳米增强粒子加入多异氰酸酯中，常温下高速搅拌混合均匀，对混合液进行预热以降低粘度，采用高压雾化方法，按比例均匀施加至表层细料表面；对聚氨酯体系进行预热后，采用高压雾化方法，按比例均匀施加至芯层刨花表面；按照预设板材密度，按比例称取施胶后的表层细料和芯层刨花，经过铺装、热压(发泡、固化)、冷却(锯切)，得到轻质高强聚氨酯刨花板。

17、步骤(1)中，生物质单元制备时，控制合适的含水率，有助于热压过程中生物质单元的塑化压缩，同时水分子可以与多异氰酸酯反应形成泡孔，但是过高的含水率会使热压过程中大量水蒸气聚集在板材内部，容易造成卸压时板材鼓泡，合适的含水率为6～15％。

18、步骤(2)的纳米增强粒子改性处理，使用硅烷对纳米二氧化硅进行改性，在纳米二氧化硅表面接枝疏水基团，减少纳米增强粒子的团聚，改善其在多异氰酸酯中的分散性，有利于更好发挥纳米粒子的增强作用，硅烷与纳米二氧化硅的重量比为1:10～2.5:10。

19、纳米二氧化硅加入乙醇溶液中，超声分散的时间为10～20min；加入硅烷后，调节溶液ph值至4～5，60～80℃下搅拌2～3h充分反应，将混合液通过真空抽滤或高速离心进行固液分离。

20、步骤(3)的聚氨酯体系制备，所配置的发泡调控剂具有延迟发泡特点，常温下可以与多异氰酸酯混合后制备成聚氨酯体系，在热压过程中发泡调控剂能够促进异氰酸根与羟基及水分子的反应，调控芯层形成聚氨酯微发泡结构，发泡调控剂用量太少起不到发泡效果，用量过多会造成聚氨酯体系粘度大而难以施加，发泡调控剂与多异氰酸酯重量比为1:10～3:10。高速搅拌的转速为500～2000r/min。

21、步骤(4)中的聚氨酯刨花板成型，将改性纳米增强粒子分散在多异氰酸酯中，为保证施加均匀性，将混合液在40～60℃下预热5～20min以降低粘度，通过高压雾化施加，使改性纳米增强粒子均匀分布在表层细料，增强表层结构；将聚氨酯体系在40～60℃下预热2～10min以降低粘度，均匀施加至芯层刨花。

22、按照预设的板材密度，将施胶后的表层细料与芯层刨花依次铺装为板坯，然后放入热压机中，在140～180℃下热压4～10min，压力2～3mpa，热压过程中异氰酸根充分反应，冷却后取出得到轻质高强聚氨酯刨花板；在热压过程中，板坯被压缩密实，表层的多异氰酸酯进行固化反应，芯层的聚氨酯体系进行交联和发泡反应。

23、表层多异氰酸酯混合液和芯层聚氨酯体系施加之前进行预热，预热温度40～60℃，多异氰酸酯混合液的预热时间5～20min，聚氨酯体系的预热时间2～10min，有效降低多异氰酸酯和聚氨酯体系的粘度，提高施加均匀性；板坯的热压温度140～180℃，时间4～10min，压力2～3mpa，热压过程中芯层聚氨酯体系充分反应，形成均匀连续微发泡结构。

24、本发明具有如下有益效果：

25、一、本发明的轻质高强聚氨酯刨花板，基于微观结构调控与优化，构建改性纳米粒子增强表层、均匀稳定微发泡芯层的复合结构；表层中的改性纳米粒子分布在异氰酸酯的交联网络结构中，起到增强表层结构的作用，使整体承载能力提升，提升刨花板的力学性能；芯层中的聚氨酯体系在热压过程中与刨花中的水分子反应生成气体，同时发生交联反应，形成的泡孔结构填充在刨花间的空隙，使芯层形成稳定的连续相结构，在降低密度的同时显著提升内胶合强度；通过表层纳米粒子改性增强和芯层聚氨酯发泡调控的协同作用，实现刨花板轻质高强化。

26、二、本发明的轻质高强聚氨酯刨花板制备方法，芯层采用的聚氨酯体系由发泡调控剂与多异氰酸酯组成，发泡调控剂具有延迟反应的特点，可以和多异氰酸酯在常温下混合均匀配置成聚氨酯体系，再施加至芯层刨花表面，从而使聚氨酯体系各组分充分接触，在后续热压过程中完全反应，避免了残留未反应的组分对刨花板性能造成负面影响。

27、三、本发明的轻质高强聚氨酯刨花板，与普通刨花板相比，在保持性能的同时密度大幅降低；与现有轻质刨花板相比，具有较高的强重比，力学性能和耐水性显著提高，有利于扩展刨花板的应用范围；而且制备方法简便易行，不需要增加特殊的设备，适合刨花板工业化生产，具有良好的产业化应用前景。