黃頂菊秸稈pH值、緩沖容量及脲醛樹脂固化特性的研究

魏立婷， 楊 松， 韓淑偉， 閆 薇

(1.河北農業(yè)大學林學院，河北 保定 071000；2.河北省涉縣林業(yè)局，河北 涉縣 056400)

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黃頂菊秸稈pH值、緩沖容量及脲醛樹脂固化特性的研究

魏立婷1， 楊 松1， 韓淑偉2， 閆 薇1

(1.河北農業(yè)大學林學院，河北 保定 071000；2.河北省涉縣林業(yè)局，河北 涉縣 056400)

對黃頂菊秸稈粉末進行冷水、熱水、1%NaOH預處理，測定其pH值、緩沖容量、脲醛樹脂固化時間。實驗結果表明：未處理及經冷水、熱水、1%NaOH處理后的黃頂菊秸稈的pH平均值分別為4.27、4.87、5.05、8.66；未處理及經冷水、熱水、1%NaOH處理后的黃頂菊秸稈的酸緩沖容量平均值分別為0.627 6、0.646 4、0.687 6、2.091 6；未處理和經冷水、熱水處理后黃頂菊秸稈的堿緩沖容量平均值分別為0.156 9 mmol、0.161 6 mmol、0.171 9 mmol；未處理及經冷水、熱水、1%NaOH處理后黃頂菊秸稈的脲醛樹脂膠固化時間平均值分別為91 s、123 s、127 s、135 s。pH值越低，酸緩沖容量越低，秸稈粉末與脲醛樹脂固化時間越短，反之固化時間則延長。綜合考慮，未處理的黃頂菊秸稈粉末更有利于脲醛樹脂膠的固化。

預處理；黃頂菊秸稈；pH值；緩沖容量；固化時間

我國森林資源短缺，而且木材的利用率也較低，只有60%左右，這與國外一些先進國家相比差距較大。但我國的非木材植物纖維原料資源非常豐富，并且可以永續(xù)利用，使用其進行人造板生產的技術與經濟均可行，是節(jié)木代木的有效途徑之一，潛力巨大，前景廣闊[1]，這對木材供應缺乏的地區(qū)和企業(yè)來說也是一條較好的出路，國外一些先進國家也在積極開發(fā)利用非木材植物纖維原料生產人造板[2]。

黃頂菊為外來入侵植物，其嚴重擠占其他植物的生存空間[3-4]。黃頂菊為一年生草本植物，根系發(fā)達，耐鹽堿、耐瘠薄、抗逆性強，繁殖速度驚人，其植株高低差異很大，高的能長到2 m，低的只有10 cm左右，葉形近似長橢圓形，開花時花朵顏色非常鮮艷。黃頂菊生長的地方其他植物難以生存，一旦入侵農田，將威脅到農牧業(yè)生產及生態(tài)環(huán)境安全。2010年河北省黃頂菊發(fā)生面積已達30余萬畝。利用黃頂菊秸稈制造人造板[5-7]，既可高效綜合利用黃頂菊秸稈，化害為寶，又可節(jié)省木材資源，保護生態(tài)環(huán)境。材料的pH值和緩沖容量是影響其膠合的重要因素[8]，人造板原料的酸堿特性和緩沖容量對其應用特性有直接影響[9]。本文將著重研究預處理對黃頂菊秸稈的pH值、酸堿緩沖容量和對脲醛樹脂固化時間的影響，為下一步制板工藝研究提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

(1)黃頂菊秸稈：取自河北保定市清苑縣某地的黃頂菊秸稈(長勢良好，無病害)，氣干后經粉碎機粉碎，干燥后篩選備用。

黃頂菊秸桿的三種預處理方式分別為：冷水處理(將黃頂菊秸稈放在20 ℃左右水中浸泡5 h后用水沖洗2遍)、熱水處理(將黃頂菊秸稈放在沸水中浸泡3 h后用水沖洗2遍)及1%NaOH處理(將黃頂菊秸稈放在1%NaOH水中浸泡3 h后用水沖洗2遍)，然后干燥篩選(通過40目篩網)備用。

(2)化學藥品：0.025 N的硫酸溶液和0.025 N的NaOH溶液；氯化銨(分析純)。

(3)脲醛膠：外購脲醛膠(UF樹脂膠)，pH=7.50～7.70；黏度：52 mPa.s；固體含量：51.16%。

1.2 試驗儀器

PB-10酸度計、試管、試管夾、水浴鍋、酸堿滴定管、錐形瓶。

1.3 試驗方法

(1)pH值測定：按GB/T 6043-2009木材pH值測定方法進行[10]。

(2)酸堿緩沖容量測定：按GB/T 17660-1999 木材緩沖容量測定方法進行[11]。

(3)黃頂菊秸稈粉末脲醛樹脂膠固化時間測定參照相關文獻[8]進行。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

預處理后黃頂菊秸稈的pH值、緩沖容量及脲醛樹脂固化時間的測定結果見表1。另外以沙蘭楊和豆秸主干的相關特性作參照，沙蘭楊和豆秸主干的pH值、緩沖容量及脲醛樹脂膠固化時間見表2[12-14]。

表1 黃頂菊秸稈的pH值、緩沖容量及脲醛樹脂膠固化時間

黃頂菊秸稈材料不同的處理方式pH回流抽提液pH酸緩沖容量/mmol堿緩沖容量/mmol總緩沖容量/mmol脲醛樹脂膠固化時間/s未處理14 184 060 62240 09000 71248824 374 090 63000 09000 72009534 264 150 63000 08000 710090平均值X4 274 100 62760 08700 714491標準差S0 100 050 00440 00580 00523 61變異系數(shù)/%2 231 120 69936 66170 73103 96冷水處理14 864 740 63520 11750 752712424 854 640 66000 12250 782512134 904 720 64520 11630 7665124平均值X4 874 700 64640 11880 7669123標準差S0 030 050 01250 00330 01491 73變異系數(shù)/%0 541 131 92912 76881 94381 41

續(xù)表1

表2 沙蘭楊和豆秸主干的pH值、緩沖容量和脲醛樹脂膠固化時間

種類pH值酸緩沖容量/mmol堿緩沖容量/mmol總緩沖容量/mmol脲醛樹脂膠固化時間/s沙蘭楊5 410 0850 2350 32192 63豆秸主干6 300 5310 2660 797367 80

黃頂菊秸稈經冷水、熱水及1%NaOH處理后pH值分別為4.87、5.05和8.66，與未處理的黃頂菊秸稈(pH值為4.27)相比分別增加了14.05%、18.27%和102.81%。

黃頂菊秸稈經冷水、熱水和1%NaOH處理后酸緩沖容量分別為0.646 4 mmol、0.687 6 mmol和2.091 6 mmol，與未處理的黃頂菊秸稈(酸緩沖容量0.627 6 mmol)相比分別增加了3.00%、9.56%和233.27%。

黃頂菊秸稈經冷水、熱水和1%NaOH處理后脲醛樹脂膠固化時間分別為123 s、127 s和135 s，與未處理的黃頂菊秸稈(脲醛樹脂膠固化時間為91 s)相比分別延長了35.16%、39.56%和48.35%。

對比表1、表2可知，未處理和經過冷水、熱水處理的黃頂菊秸稈的pH值均小于沙蘭楊的pH值5.41和豆秸主干的pH值6.30。

未處理和經過冷水、熱水處理過的黃頂菊秸稈的酸緩沖容量均大于沙蘭楊的酸緩沖容量0.085 mmol和豆秸主干的酸緩沖容量0.531 mmol；而其堿緩沖容量均小于沙蘭楊的堿緩沖容量0.235 mmol和豆秸主干的堿緩沖容量0.266 mmol。

未經處理的黃頂菊秸稈的脲醛樹脂膠固化時間為91 s，與沙蘭楊脲醛樹脂膠固化時間92.63 s相近，而遠小于豆秸主干的脲醛樹脂膠固化時間367.80 s；經冷水、熱水、1%NaOH處理過的黃頂菊秸稈隨著其pH值的增加固化時間有所延長，且都大于沙蘭楊的脲醛樹脂膠固化時間。

2.2 分析與討論

2.2.1 黃頂菊秸稈的pH值

木質材料的pH值一般泛指木質材料中水溶性物質的酸性或堿性程度，是定性反映木材中氫離子濃度大小的指標。木質材料的pH值影響膠黏劑的固化速度，影響人造板生產中達到最佳固化時所用固化劑的比例。

從表1可知，未處理和經冷水、熱水、1%NaOH處理后的黃頂菊秸稈pH值范圍在4.18～8.70之間。pH值最大的是經1%NaOH處理過的黃頂菊秸稈，為8.70；最小的是未處理的黃頂菊秸稈，為4.18。

黃頂菊秸稈對脲醛樹脂膠的固化時間隨pH的減小而縮短，隨pH值的增加而延長。脲醛樹脂膠為酸固化膠種，當pH值為3～5時可以獲得較適宜的固化速度，即固化時間短及膠合質量高。

由表2可知，與木質材料的pH值相比，未處理的和經冷水、熱水處理過的黃頂菊秸稈的pH值均低于沙蘭楊；而經1%NaOH處理的黃頂菊秸稈的pH值則高于沙蘭楊的pH值。

黃頂菊秸稈與豆秸均屬于秸稈類，基本物理化學性質測試表明豆秸是刨花板生產的適宜材料。兩者相比，未處理和經冷水、熱水處理過的黃頂菊秸稈的pH值比豆秸主干的pH值低，因此其更有利于脲醛樹脂膠的固化。

2.2.2 黃頂菊秸稈的酸堿緩沖容量

木質材料的酸堿緩沖作用是指其對外加酸或堿的抵制、維持自身pH值不變的能力，其大小對膠合界面上膠黏劑的pH變化有重要影響，是施膠過程中應考慮的因素。酸、堿緩沖容量小有利于固化。

由表1可知，經冷水、熱水處理過的黃頂菊，雖然也溶解一部分可溶性物質，但并未改變材料中的化學性質，因此經冷水、熱水處理后的材料在酸堿緩沖容量上差異不大。未處理的黃頂菊秸稈粉末，其酸緩沖容量最低，為0.627 6 mmol；未處理的黃頂菊秸稈粉末，其堿緩沖容量也最小，為0.087 0 mmol。脲醛樹脂膠固化時間與木材pH值呈正比關系，與酸緩沖容量呈正比關系；無論是pH值還是酸緩沖容量大增，對膠凝時間都有負面影響。所以，未處理的黃頂菊秸稈粉末更有利于固化，對板材膠合更有利，可提高板材的性能。

對比表1、表2可知，黃頂菊秸稈的總緩沖容量高于沙蘭楊而與豆秸主干相近，黃頂菊秸稈與豆秸主干在酸堿緩沖容量方面對制板膠合的影響相似。

2.2.3 黃頂菊秸稈的脲醛樹脂膠固化時間

脲醛樹脂膠固化時間和pH值是影響樹脂固化和形成膠接強度的主要因素，不同樹種的木材，酸堿性質各異，對脲醛膠固化時間的影響也不同。

由表1可知，pH值大固化時間就長，pH值小固化時間就短。固化時間最長的是經1%NaOH處理的黃頂菊秸稈，時間為135 s。

脲醛樹脂的凝膠時間隨不同處理方式處理過的黃頂菊秸稈的pH值及酸、堿緩沖容量的增加而增大。這是因為黃頂菊秸稈經冷水、熱水、1%NaOH三種預處理后，其pH值皆影響到各種處理后材料對酸堿的抗性，1%NaOH處理后的材料在與pH值較低的脲醛樹脂膠固化過程中發(fā)生化學反應的時間較長，因此阻礙了膠的固化，使固化時間延長，而經冷水、熱水處理后的材料其pH值顯弱酸性，與脲醛樹脂膠固化過程中發(fā)生化學反應的時間較短，與1%NaOH處理相比，固化時間縮短。

由于表2中所用脲醛樹脂膠與本次實驗所用的脲醛樹脂膠的黏度、固含量等都存在差異，所以這里的黃頂菊秸稈與豆秸主干對脲醛膠固化時間的影響沒有可比性。

3 結論

(1)黃頂菊秸稈經冷水、熱水處理后均呈弱酸性，未處理、冷水處理、熱水處理和1%NaOH處理的黃頂菊秸稈的pH平均值分別為4.27、4.87、5.05和8.66。

(2)未處理、冷水處理、熱水處理和1%NaOH處理的黃頂菊秸稈的酸緩沖容量平均值分別為0.627 6 mmol、0.646 4 mmol、0.687 6 mmol和2.091 6 mmol；未處理、冷水處理、熱水處理的黃頂菊秸稈的堿緩沖容量平均值分別為0.156 9 mmol、0.161 6 mmol和0.171 9 mmol。

(3)未處理、冷水處理、熱水處理和1%NaOH處理的黃頂菊秸稈的脲醛樹脂膠平均固化時間分別為91 s、123 s、127 s和135 s。

(4)三種預處理方式對脲醛樹脂膠固化時間有一定的影響，固化時間隨pH值的增加及酸堿緩沖容量的增加而延長。未處理的黃頂菊秸稈更有利于脲醛樹脂膠的固化，在生產過程中可通過降低膠液的pH值及適當添加酸性固化劑的方法，使膠層固化加快，保證膠合質量。

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(責任編輯 張雅芳)

Study on pH Value，Buffer Capacity and UF Resin Curing Characteristics ofFlaveria bidentis (L.)Kuntze Straw

WEI Li-ting1， YANG Song1， HAN Shu-wei2， YAN Wei1

(1.College of Forestry，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071000，China；2.Shexian Forestry Bureau of Hebei Province，Shexian Hebei 056400，China)

Pretreatment of Flaveria bidentis(L.)kuntze straw power is conducted using cold water，hot water and 1% NaOH to measure its pH value，buffer capacity and UF resin curing time.The experimental result shows that the pH value average ，acid buffer capacity average，alkali buffer capacity average and UF resin average curing time of untreated Flaveria bidentis(L.)kuntze straw and Flaveria bidentis (L.)kuntze straw treated with cold water，hot water and 1% NaOH are 4.27，4.87，5.05，8.66；0.627 6，0.646 4，0.6 876，2.091 6；0.156 9 mmol，0.161 6 mmol，0.171 9 mmol；91 s，123 s，127 s，135 s respectively.The lower the pH value，the lower the acid buffer capacity，the shorter the straw power and UF resin curing time，vice versa.Comprehensive consideration shows that untreated Flaveria bidentis (L.)kuntze straw power is more conducive to the curing of UF resin adhesive.

pretreatment；Flaveria bidentis (L.)kuntze straw；pH value；buffer capacity；curing time.

2017-03-29

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項項目“入侵植物綜合防控技術研究與示范推廣”(201103027)

魏立婷(1996-)，女，河北農業(yè)大學林學院2014級本科生，研究方向為木材科學與工程，E-mail：632468556@qq.com。

TS612

A

2095-2953(2017)08-0028-04

研究與設計