刨花板的“胀尺”评价方法初探

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刨花板的“胀尺”评价方法初探
摘要：近年来，刨花板在定制家居大幅面应用时出现了较多的“胀尺”质量问题，为了规范刨花板质量、推动刨花板的应用，本文介绍了2种现行国内外标准中有关人造板尺寸稳定性的测试方法，并按照标准方法测试了3组不同种类刨花板幅面和厚度尺寸的变化，分析测试方法对测试结果的影响，以期为刨花板产品尺寸稳定性快速测试方法以及指标的设计提供参考。关键词：刨花板；胀尺；尺寸稳定性；标准Discussion of Standard Methods for evaluating Linear Expansion in ParticleboardGao Li, Luo Shupin, Lyu Bin, Chang LiangResearch Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, ChinaAbstract: This study addresses quality issues related to the linear expansion of particleboard in interior applications. Two existing standards for testing the dimensional stability of wood-based panels were introduced, and three types of particleboard were evaluated using these methods. The influence of testing methods on the results was analyzed, providing a reference for developing dimensional stability specifications for particleboard products.Key words: particleboard; linear expansion; dimensional stability; standard刨花板作为资源利用率很高的人造板重要品种，在全世界得到了广泛推广与应用。2023年我国刨花板消费量高达4 116万m3，其中绝大部分用于室内定制家居［1］。然而，近年流行的极简风格设计中使用大量的大尺寸部件，如一门到顶的门板和墙板，由用户反馈刨花板“胀尺”带来的质量问题已成为影响刨花板产品形象的突出问题［2］。行业内俗称的“胀尺”是指板材幅面因环境温湿度变化产生的长宽尺寸变大的现象，国外标准中称之为线性膨胀率（linear expansion）。木材、竹材或秸秆等生物质材料作为刨花板的主要原料，在环境中容易发生水分的吸附或解吸产生形态的膨胀或收缩，由此导致刨花板尺寸变化。产品标准GB/T 4897—2015《刨花板》中，与幅面“胀尺”相关的尺寸稳定性是根据供需双方需求测试方法和指标值都可商谈的一种性能，没有具体的指标值，采用的方法是GB/T 17657—2022《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中章节4.35“尺寸稳定性测定——方法1”。大尺寸部件的大量应用凸显了“胀尺”问题的严重性，家居行业内急需适当的方法和手段控制“胀尺”造成的各种损耗。因此，本文介绍了2种国内外现行人造板尺寸稳定性测试标准方法及特点，然后参照标准方法进行了3组刨花板尺寸稳定性的评价与分析，为下一步设计刨花板“胀尺”快速评价方法和指标提供技术参考。1 尺寸稳定性评价方法与指标1.1 尺寸稳定性测定——方法1GB/T 17657—2022中“尺寸稳定性测定——方法1”是刨花板、纤维板及其制品标准中测试幅面长宽“胀尺”的主要方法，测定试件在温度20 ℃时由于相对湿度变化而引起的尺寸变化。具体方法是从试样上横向和纵向各截取4个共8个试件，尺寸均为长（300±1）mm、宽（50±1）mm，再将试件分成两组（每组包括2个横向和2个纵向试件），按表1规定的处理条件，分别进行增湿（第1组）或干燥（第2组）两个过程，计算步骤3相对于步骤2的变化率，即相对于65%相对湿度时尺寸的变化率。同一组4个试件长度、厚度变化率的平均值为该过程长度和厚度的变化率，两组结果绝对值的加和为全过程（相对湿度30%至85%）的变化率。表1　尺寸稳定性试件平衡处理程序 刨花板尺寸稳定性的影响因素包括木材各向异性的特性、刨花长短厚薄等形态、胶黏剂耐水性和强度以及制备工艺参数等，方法1评价的是含水率平衡状态下刨花板随湿度变化发生的尺寸变化，体现的是综合上述因素后刨花板本身的干缩湿胀特性，该方法源自欧洲标准EN 318 Wood-based panels-Determination of dimensional changes associated with changes in relative humidity［3］，不同的是欧洲标准的样本量（16个）比国家标准的样本量（8个）多1倍，结果的可靠性相对更高。欧洲刨花板产品标准EN 312：2010 Particleboards - Specifications中尺寸稳定性的指标也是供需双方协商。在欧洲标准EN 12871：2013Wood-based panels-Determination of performance characteristics for load bearing panels for use in floors，roofs and walls中，对用于地板、墙板和屋面板的承载型人造板提出线性膨胀率不超过4 mm/m的要求，具体方法是按标准EN 318测试相对湿度30%至85%的线性总变化率，即表1增湿（第1组）和干燥（第2组）两组结果绝对值的加和。美国标准ASTM D 1037 Standard Test Methods for evaluating Properties of Wood-base Fiber and Particle Panel Materials中章节24“Linear expansion with change in moisture content”的方法近似于前述“方法1”，但两者的差异性主要包括：1）试件尺寸：ASTM标准中要求试件宽度3英寸（约76 mm），长度不小于12英寸（约305 mm）；2）测试方法：ASTM中测试基准是温度20 ℃、相对湿度50%。无论增湿还是干燥，ASTM标准不用进行表1要求的步骤1，因此测试周期可缩短约1/3；3）结果的表征：采用相对湿度50%至80%的线性膨胀率（相对湿度在（50±2）%环境平衡后，升至（80±3）%环境平衡后的线性膨胀率），或者相对湿度30%至80%线性膨胀率（相对湿度50%至30%与50%至80%两组变化率绝对值的加和）。美国刨花板产品标准ANSI A208.1-2016 Particleboard中提出了中密度（640～800 kg/m3）和低密度（m3）刨花板以及地板和地板基材产品有尺寸稳定性的具体指标，要求相对湿度50%至80%，中密度和低密度刨花板（用于家具或装修）线性膨胀率低于0.4%，室外地板低于0.3%，地板基材、楼梯板等低于0.35%。1.2 尺寸稳定性测定——方法2GB/T 17657—2023中“尺寸稳定性测定——方法2”是一种加速评价方法，适用于热固性树脂浸渍纸高压装饰层积板（HPL）等产品，来源于国际标准ISO 4586。试件尺寸（120±1）mm×（120±1）mm，数量6个，先在温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%的恒温恒湿箱中放置72 h以上。其中3个试件用于干热试验，在（70±2）℃鼓风干燥箱内干燥24 h；其他3个试件用于高湿度试验，在（40±2）℃，相对湿度90%～95%恒温恒湿环境中处理（96±4）h。分别计算干热和高湿两组试件长度尺寸变化率，总尺寸变化率为两组数据绝对值之和。方法2最短测试周期约7天，测试周期显著缩短。为了进一步评价测试方法对刨花板尺寸稳定性的影响，下面选用了3种采用不同胶黏剂的刨花板产品，同时采用方法1和方法2进行尺寸稳定性检测方法的对比分析。2 刨花板尺寸稳定性的评价方法比较2.1 刨花板样品3组三层结构刨花板素板，分别取自不同生产厂家。1号为E0级刨花板，主要使用改性脲醛树脂胶黏剂，液体胶施加量15.4%，石蜡乳液加量0.6%；2号为F★★★★级刨花板，在板材芯层用少量异氰酸酯胶黏剂替代了部分改性脲醛树脂胶黏剂，改性脲醛胶液体加量14.3%，异氰酸酯胶加量0.3%，石蜡乳液加量0.8%；3号为ENF级刨花板，主要使用异氰酸酯胶黏剂，异氰酸酯胶加量3.2%，增黏剂加量0.9%，石蜡乳液加量1.1%。2.2 测试和计算方法3组刨花板分别按前述方法1和方法2裁取试件，其中方法1长度方向尺寸稳定性的计算方法如公式1～2，厚度方向尺寸稳定性的计算方法如公式3～4，但方法1没有要求记录含水率的差异，本文结合含水率的变化进行了分析。 公式1～4中，l30、l65、l85分别代表20 ℃时，相对湿度30%、65%和85%时测量点之间的长度，Δl65，85指相对湿度从65%至85%时长度的相对变化，Δl65，30指相对湿度从65%至30%时长度的相对变化；t30、t65、t85分别代表20 ℃时，相对湿度30%、65%和85%时的厚度，Δt65，85指相对湿度从65%至85%时厚度的相对变化，Δt65，30指相对湿度从65%至30%时厚度的相对变化。同理，采用Δmc65，85、Δmc65，30分别表示湿度从65%至85%（表1第1组）、65%至30%（表1第2组）的平衡含水率的差值。当计算相对湿度从30%至85%时的尺寸稳定性，用Δl30，85、Δt30，85和Δmc30，85分别代表长度、厚度和含水率的变化，为增湿和干燥两组结果绝对值的加和。方法2只要求记录长度方向的尺寸变化率，如公式5所示。本文同时将厚度、含水率发生的变化共同进行了分析。公式5中，ΔL代表干热或者高湿试验处理后长度的变化率，l1、l2分别代表初始长度和处理后最终长度。用相同方法计算厚度变化率，记录不同处理状态下试件含水率的差值。2.3 试验结果与讨论为了分析尺寸稳定性与主要物理力学性能是否关联，表2列出3组刨花板的主要物理力学性能，表3和表4是方法1和方法2开展尺寸稳定性的测试，并按照公式1～5等计算得出的结果。表2　刨花板的主要物理力学性能 表3　刨花板的尺寸稳定性（方法1） 表4　刨花板的尺寸稳定性（方法2） 备注：长度和厚度变化率精确到0.05%。表2数据可发现，3组板材均达到干燥状态下家具型（P2型）刨花板性能要求。3组板材含水率均超过5%，且3号无醛板样品含水率相对最高；1号和3号板材密度相同，2号板材密度比另两组低约3%，但整体性能综合最佳。吸水厚度膨胀率是板材厚度方向的尺寸稳定性，其中1号E0级板材24 h吸水厚度膨胀率变化率相对较大，除了石蜡防水剂的阻水作用外，胶黏剂的耐水性能差异非常重要，加入异氰酸酯胶黏剂后板材耐水性提高，24 h吸水厚度膨胀率较小；2号F★★★★级板材相对3号ENF级板材耐水性略好，和施胶量有重要的关联性。表3采用方法1测试的周期共计45天，若不考察含水率的差异性，3号ENF级刨花板幅面和厚度的尺寸稳定性优于1号和2号。但结合含水率差值（Δmc30，85）可发现，幅面和厚度尺寸的变化与含水率变化紧密相关，使用防水性能好的异氰酸酯胶黏剂有利于减小变形；E0刨花板的含水率变化高达13.0%，导致了幅面和厚度尺寸变化率最为突出。从温度20 ℃、相对湿度30%升至85%环境，最大长度变化值达4.6 mm/m，类似于在北方干燥环境使用的板材送到南方潮湿环境使用，由此产生了严重的“胀尺”问题。按照欧洲标准EN 12871 Wood-based panels-Performance specifications and requirements for loadbearing boards for use in floors，walls and roofs要求不超过4 mm/m的线性膨胀率，第2和第3组刨花板仍可满足建材用板的尺寸稳定性要求。表4是刨花板在23 ℃、相对湿度50%环境中平衡5天后进行的加速测试结果，试验周期9天。前期预试验发现方法2的试件达到平衡状态所需的时间大约为14天，因此平衡处理5天的试件还没达到含水率和应力的平衡。方法2（表4）和方法1（表3）测试的结果有明显的差异。表4中3号ENF级刨花板干热试验尺寸稳定性最差，含水率下降值也最大，说明70 ℃环境干燥24 h试件含水率已接近绝干，高含水率试件会由于含水率变化最大导致尺寸变化率最大。高湿度试验时，3号板表现出较好的防潮性能，尺寸变化相对较小。从总变化来看，3号ENF级板含水率变化接近1号E0级板材整体的变化率，但大幅高于2号F★★★★板，并3号长度变化率相对其他两组最大，但厚度变化仍保持最小；1号和2号板采用两种方法得出的尺寸稳定性变化趋势基本一致。如果只考虑加湿导致的“胀尺”，可以发现，除了胶黏剂种类和施胶量的影响，初含水率也是尺寸稳定性的重要影响因子。结合表2中的24 h吸水厚度膨胀率（24 h TS）可发现，板材在厚度方向的尺寸稳定性和24 h TS有很好的相关性，这和胶黏剂的防水性紧密相关，但不能用于分析幅面“胀尺”这种尺寸稳定性。方法1和方法2两种标准方法由于对板材处理的方式不同，结果趋势也不完全一致。方法1体现了刨花板在环境湿度变化时含水率平衡后发生的尺寸变化，可重复性强，符合标准测试的需求。存在的问题是测试周期长，对分析实际应用产生的“胀尺”有较大的差别。方法2测试周期相对较短，能在极端条件处理后快速评价板材的“胀尺”特性。但存在的问题是加速试验前的平衡处理时间长短会影响后期测试结果。如果采用初始含水率条件下直接进行加速试验，结果更接近实际应用情况，可能是适用于下游企业快速筛选和评价的手段，后期将做进一步的试验方法探索。3 结论综上所述，“胀尺”是刨花板湿胀特性的一种体现，不同使用环境中刨花板基材含水率的控制非常重要，减少生产和使用环境的温湿度差异是降低“胀尺”的重要方法。不同的测试方法可以解决不同的需求，如何选择或者设计合理方便的测试方法和指标设定还需进一步的研究。更多产品尽在：中国板材网 | 网址：http://new.mrsunjj.cn/