網(wǎng)球拍用木質(zhì)素膠粘劑的制備與性能研究

馬 磊

（西北大學(xué) 現(xiàn)代學(xué)院，陜西 西安710130）

前 言

網(wǎng)球拍由拍頭、拍喉、拍柄組成，在使用時還需要配合網(wǎng)球線、避震結(jié)等配件使用，這種需要體力和智力相結(jié)合的運動在經(jīng)濟(jì)綜合實力穩(wěn)步增強(qiáng)的中國得到逐步推廣，并被越來越多的體育愛好者所接受。在制備網(wǎng)球拍過程中，膠粘劑發(fā)揮著重要的輔料作用，然而目前市場上常見的網(wǎng)球拍用膠粘劑普遍存在黏度和膠合強(qiáng)度低、透膠等問題[1～3]，有必要制備出適應(yīng)于網(wǎng)球拍的專用膠粘劑，但是目前具體成分配比對膠粘劑和膠合板性能的影響規(guī)律并不清楚[4～6]。在此基礎(chǔ)上，本文考察了堿濃度、酚醛比、反應(yīng)時間和木質(zhì)素添加量對網(wǎng)球拍用木質(zhì)素膠粘劑性能的影響，結(jié)果將有助高性能網(wǎng)球拍用膠粘劑的開發(fā)與應(yīng)用。

1 試驗材料與方法

試驗原料包括灰分1.24%、60目的木質(zhì)素、分析純酚醛、NaOH、甲醛、異丙醇和鹽酸羥胺。將試驗原料按照配比混合均勻后在78℃進(jìn)行反應(yīng)，NaOH用量為（酚醛+木質(zhì)素）質(zhì)量的4%～16%，酚醛物質(zhì)的量比介于1.5∶1～3.0∶1，反應(yīng)時間介于2～4h，酚醛：木質(zhì)素介于100∶1～40∶60，具體過程為：將木質(zhì)素、NaOH和水混合均勻后在78℃溶解，60min后加入酚醛和甲醛，保溫4h后取出，在38℃減壓蒸餾直至黏度達(dá)到100～200mPa·s，制備得到木質(zhì)素膠粘劑。

根據(jù)GB/T1723-93《涂料黏度測定法》測試黏度[7]；根據(jù)GB/T 14074-2006《木材膠粘劑及其樹脂檢驗方法》測試固含量和游離甲醛含量[8]；采用MBC-3型平板硫化機(jī)將膠粘劑壓制成膠合板[9]，尺寸示意圖如圖1，并采用MTS-810型液壓伺服拉伸機(jī)測試膠合強(qiáng)度，同時觀察透膠情況[10]。

圖1 木質(zhì)素膠粘劑膠合板試件的尺寸示意圖Fig.1 The schematic diagram of plywood bonded with lignin adhesive

2 試驗結(jié)果與分析

表1為堿濃度對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響，其中，苯酚/木質(zhì)素=75∶25，酚醛比=2.0∶1，反應(yīng)時間3h?？梢?，當(dāng)堿濃度為4%時，膠粘劑黏度為49mPa·s、固含量為39.5%、游離甲醛為0.489%，相應(yīng)的膠合板的膠合強(qiáng)度為0.42MPa，但是存在透膠現(xiàn)象；隨著堿濃度從4%增加至16%，膠粘劑黏度從49mPa·s增加至89mPa·s，固含量從39.5%增加至47%，膠合板膠合強(qiáng)度從0.42MPa增加至0.58MPa。對比分析可知，堿濃度8%、12%和16%時膠粘劑的黏度、固含量和膠合強(qiáng)度都大于堿濃度為4%的膠粘劑，且前三種膠粘劑的膠合板都沒有透膠現(xiàn)象。由此可見，木質(zhì)素膠粘劑中堿濃度會對膠粘劑性能產(chǎn)生明顯影響，這主要是因為膠粘劑中堿濃度會影響苯酚和甲醛的縮合反應(yīng)，在不同的堿性環(huán)境中，苯酚與甲醛發(fā)生反應(yīng)形成羥甲基酚，從而對膠粘劑性能產(chǎn)生影響，在堿濃度為8%時膠合板具有最大的膠合強(qiáng)度。

表1 堿濃度對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響Table 1 The effect of alkali concentration on the bonding strength of lignin adhesive

表2為酚醛比對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響，其中，苯酚/木質(zhì)素=75∶25，堿濃度為8%，反應(yīng)時間3h。可見，當(dāng)酚醛比為1.5∶1時，膠粘劑黏度為49mPa·s、固含量為36.1%、游離甲醛為0.099%，相應(yīng)的膠合板的膠合強(qiáng)度為0.39MPa，但是存在透膠現(xiàn)象；隨著酚醛比從1.5∶1增加至3.0∶1，膠粘劑的黏度從49mPa·s增加至149mPa·s，固含量從36.1%增加至40.1%，游離甲醛從0.099%增加至0.959%，膠合板膠合強(qiáng)度從0.39MPa增加至0.72MPa。由此可見，酚醛比的增加有利于提高木質(zhì)素膠粘劑的黏度、固含量和膠合強(qiáng)度，這主要是因為酚醛比的增加會促進(jìn)苯酚與甲醛發(fā)生反應(yīng)而形成羥甲基苯酚?？紤]到酚醛比為3.0∶1時膠粘劑中游離甲醛太高，而膠合強(qiáng)度與酚醛比2.0∶1時相近，因此適宜的酚醛比選取2.0∶1。

表2 酚醛比對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響Table 2 The effect of phenolic aldehyde ratio on the bonding strength of lignin adhesive

表3為反應(yīng)時間對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響，其中，苯酚/木質(zhì)素=75∶25，酚醛比=2.0∶1，堿濃度為8%?？梢?，當(dāng)反應(yīng)時間為2h時，膠粘劑黏度為129mPa·s、固含量為44.1%、游離甲醛為0.175%，相應(yīng)的膠合板的膠合強(qiáng)度為0.54MPa，且不存在透膠現(xiàn)象；隨著反應(yīng)時間從2h增加至4h，木質(zhì)素膠粘劑的黏度和固含量先減小后增加，膠合強(qiáng)度逐漸增大，且反應(yīng)時間為2h、3h和4h時，膠合板膠合過程中都未發(fā)生透膠現(xiàn)象。此外，值得注意的是，當(dāng)反應(yīng)時間為3h和4h時，木質(zhì)素膠粘劑的游離甲醛含量都明顯低于反應(yīng)時間為2h的膠粘劑，且反應(yīng)時間3h和4h時游離甲醛含量差異不大，表明反應(yīng)時間超過3h后膠粘劑中甲醛基本反應(yīng)完全，過長的時間反而會使得膠粘劑黏度太大而不利于膠合板膠合。綜合而言，適宜的反應(yīng)時間為3h。

表3 反應(yīng)時間對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響Table 3 The effect of reaction time on the bonding strength of lignin adhesive

表4為木質(zhì)素添加量對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響，其中，堿濃度為8%，反應(yīng)時間3h、酚醛比=2.0∶1。可見，當(dāng)酚醛∶木質(zhì)素=100∶0時，膠粘劑黏度為24mPa·s、固含量為44.6%、游離甲醛為0.041%，相應(yīng)的膠合板的膠合強(qiáng)度為0.83MPa；隨著酚醛：木質(zhì)素含量從100∶0降低至40∶60，木質(zhì)素膠粘劑的黏度和膠合板膠合強(qiáng)度變化幅度較大，固含量和游離甲醛含量也會隨著酚醛：木質(zhì)素比例發(fā)生變化，這也就說明木質(zhì)素膠粘劑中酚醛∶木質(zhì)素比例會對膠粘劑性能產(chǎn)生明顯影響，這主要是因為膠粘劑中木質(zhì)素是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子化合物，在膠粘劑中加入木質(zhì)素會影響甲醛與苯酚的正常聚合，在膠粘劑中含量過高會造成膠合板物理性能變差，不利于壓制膠合。適宜的酚醛∶木質(zhì)素比例為75∶25，此時木質(zhì)素膠粘劑具有較低的游離甲醛含量，適宜的黏度和較高的膠合強(qiáng)度。

表4 木質(zhì)素添加量對木質(zhì)素膠粘劑膠合強(qiáng)度的影響Table 4 The effect of lignin addition amount on the bonding strength of lignin adhesive

3結(jié)論

（1）隨著堿濃度增加，膠粘劑黏度、固含量逐漸增大，相應(yīng)的膠合板的膠合強(qiáng)度先增加后減小，而后又增大，在堿濃度為8%時取得膠合強(qiáng)度最大值，且未出現(xiàn)透膠現(xiàn)象。

（2）隨著酚醛比增加，膠粘劑黏度、游離甲醛逐漸增大，相應(yīng)的膠合板的膠合強(qiáng)度逐漸增加。隨著反應(yīng)時間延長，膠粘劑的黏度、固含量先減小后增大，膠合板的膠合強(qiáng)度逐漸增加且都未出現(xiàn)透膠現(xiàn)象。

（3）隨著酚醛∶木質(zhì)素含量從100∶0降低至40∶60，膠粘劑的黏度先增加后減小，膠合板膠合強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但是未添加木質(zhì)素的膠粘劑的黏度太低，適宜的酚醛∶木質(zhì)素比例為75∶25。