環(huán)氧樹脂-水性聚酰胺改性豆粕膠黏劑壓制膠合板的研究

趙 艷，張澤宇，徐 寧，譚博文，龐久寅

(1.北華大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點試驗室，吉林 吉林 132013；2.太爾化工(南京)有限公司，江蘇 南京 211529)

現(xiàn)如今，人們的環(huán)保意識和對自身身體健康的關(guān)注越來越高，因此，大豆蛋白類膠黏劑等一系列綠色環(huán)保型膠黏劑開始慢慢進入人們的視野。大豆榨取豆油后所得到的豆粕，因其具有原料豐富、取用方便、價格低廉、可再生等優(yōu)點，越來越受到大家的關(guān)注，該類膠黏劑不斷被研發(fā)出來[1-4]。

大豆蛋白類膠黏劑在木材加工行業(yè)中應(yīng)用較早，但是，其耐水性較差，從而影響了質(zhì)量。最近幾年美國等一些國家在此類膠黏劑的研究中取得了較好的成果，而我國還處于萌芽階段[5]。國內(nèi)外對大豆蛋白類膠黏劑的研究，其核心是對大豆蛋白改性后提高其耐水性[6,7]。美國研究人員曾經(jīng)用堿和蛋白酶對大豆蛋白進行改性，通過改性后的大豆蛋白膠黏劑耐水性有顯著提高，但是，在其黏度、膠合強度等方面難以達到標準。而采用尿素、鹽酸和水性聚酰胺對其進行改性，改性后的大豆蛋白膠黏劑存在黏度過大、固化溫度高的問題，難以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[8]。后采用“三醛膠”進行復(fù)配處理，雖然耐水性、穩(wěn)定性、黏度有所提高，但仍然有甲醛釋放的問題存在[9]?；趯鴥?nèi)外的研究，本試驗采用環(huán)氧樹脂和水性聚酰胺對豆粕進行復(fù)合改性制備無醛膠黏劑，然后通過對三層楊木膠合板的膠合強度測試研究豆粕基膠黏劑的黏接性能，旨在制得性能指標達到相關(guān)國家標準要求的膠黏劑。

1材料與設(shè)備

1.1試驗材料

試驗材料見表1。

表1 試驗材料

1.2試驗儀器設(shè)備

試驗儀器設(shè)備見表2。

表2 試驗儀器設(shè)備

2試驗方法

2.1改性豆粕膠黏劑的制備

2.1.1水性聚酰胺的制備

(1)將四口燒瓶固定在鐵架臺上然后放入恒溫水浴鍋中，安裝攪拌器、冷凝管、滴液漏斗和溫度計。

(2)依次加入60 g醇溶聚酰胺、50 g正丙醇、50 g無水乙醇。

(3)打開恒溫水浴鍋，設(shè)置溫度85 ℃，打開攪拌器并設(shè)置轉(zhuǎn)速300 r·s-1，直到醇溶聚酰胺完全溶解，且溫度升到85 ℃。

(4)稱量丙烯酸丁酯16 g、甲基丙烯酸9 g、苯乙烯9 g、過氧化苯甲酰0.2 g(引發(fā)劑)混合后加入滴液漏斗中，在1 h內(nèi)緩慢滴加到四口燒瓶中，滴加完成后再反應(yīng)1 h。再將乙酸乙酯9 g、過氧化苯酰0.2 g(引發(fā)劑)混合加入滴液漏斗中，分3次加入到四口燒瓶中，每次間隔1 h。待反應(yīng)完全關(guān)閉攪拌器和水浴鍋，通過水冷將試樣冷卻至室溫。

(5)將所得的試樣與10 g三乙胺混合均勻，打開攪拌器并設(shè)置轉(zhuǎn)速500 r·s-1，然后不斷向四口燒瓶中滴加蒸餾水，攪拌一段時間，直至溶液表面產(chǎn)生有光澤的波紋，得到穩(wěn)定的水性聚酰胺。取出裝瓶，靜置備用。

2.1.2水性聚酰胺豆粕膠黏劑的制備

(1)將四口燒瓶固定在鐵架臺上然后放入恒溫水浴鍋中，安裝攪拌器、冷凝管、溫度計。

(2)加入50 g豆粕和200 g水，打開攪拌器，設(shè)置轉(zhuǎn)速200 r·s-1。

(3)待豆粕和水充分混合后，加入體積分數(shù)為36 %的鹽酸調(diào)節(jié)pH，由于鹽酸的加入，溶液會變得黏稠，所以要注意調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速。

(4)充分反應(yīng)完成后，加入上述制備的水性聚酰胺和14.4 g乙二醛，打開恒溫水浴鍋并設(shè)置溫度45 ℃，升溫到45 ℃后保溫30 min，然后再將溫度升至75 ℃，待混合物變成淡黃色的黏稠物，即為豆粕基膠黏劑。

(5)關(guān)閉恒溫水浴鍋和攪拌器。取出裝瓶，冷卻至室溫，靜置備用。

2.1.3環(huán)氧樹脂的制備

往帶有回流冷凝管、攪拌器、滴液漏斗、溫度計的250 mL三口燒瓶中加入60 g蒸餾水，將6 g烯丙基縮水甘油醚溶解于蒸餾水中，水浴鍋升溫至70 ℃，加入硫酸銨溶液(0.5 g硫酸銨+5 g水)，將30 g烯丙基縮水甘油醚加入滴液漏斗中，攪拌器轉(zhuǎn)速保持在300～350 r·min-1，滴液漏斗勻速滴加烯丙基縮水甘油醚溶液，將過硫酸銨溶液(5 g過硫酸銨+30 g水)每間隔10 min滴加1次，3 h滴加結(jié)束，恒溫1 h結(jié)束反應(yīng)。將水浴鍋緩慢降溫至30 ℃，取出制得的水性環(huán)氧樹脂。

2.2正交試驗設(shè)計

選擇L9(34)正交試驗方案設(shè)計試驗，以熱壓時間、環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液的質(zhì)量比、熱壓溫度作為變量因素，因素與水平見表3，正交試驗方案見表4。

表3 因素水平

表4 正交試驗方案

表4(續(xù))

2.3豆粕基膠黏劑性能指標的檢測

2.3.1固含量

取9個相同大小的表面皿，按1～9進行標號，用電子天平分別稱出9個表面皿的質(zhì)量并記錄，然后分別在9個表面皿中加入2.5 g膠黏劑試樣并記錄(精確到0.000 1g)。打開電熱鼓風(fēng)干燥箱，設(shè)置溫度120 ℃，將9個裝有試樣的表面皿放入干燥箱中，干燥2 h，完成后取出稱量，計算固含量(R)，公式如下：

式中：R為固體含量/%；m為錫紙盒與干燥后膠粘劑的質(zhì)量/g；m1為錫紙盒的質(zhì)量/g；m2為錫紙盒與干燥前膠黏劑的質(zhì)量/g。

2.3.2黏度

將冷卻至室溫的膠黏劑試樣倒入燒杯中，攪拌均勻。選擇合適的轉(zhuǎn)子安裝到黏度計上，將轉(zhuǎn)子浸至膠黏劑的液面以下，打開黏度計開關(guān)，觀察表盤讀數(shù)，待表盤指針穩(wěn)定到一固定位置不動時，記錄讀數(shù)(讀數(shù)時，要控制在20～80分度，否則重新選取轉(zhuǎn)子)。

2.4膠合板的制備

2.4.1 試件制取

取出27張厚度相同，尺寸為300 mm×300 mm的楊木單板，3張一組，分為9組，按1～9進行標號。

2.4.2 配膠與調(diào)膠

按照試驗設(shè)計方案，在水性聚酰胺改性豆粕基膠黏劑中加入相應(yīng)的環(huán)氧樹脂并攪拌均勻。

2.4.3 涂膠與組坯

將調(diào)配好的膠黏劑均勻涂布在三層膠合板芯板的正反兩面，每立方米板材表面涂膠400～450 g。涂布完成后相鄰層單板的纖維方向互相垂直擺放。

2.4.4 預(yù)壓

設(shè)置熱壓溫度60 ℃，壓力1.88 MPa(單位壓力1.0 MPa)，熱壓時間300 s，把組坯好的膠合板放入平板硫化機預(yù)壓。

2.4.5熱壓

打開另一臺平板硫化機，按照試驗設(shè)計的熱壓溫度與熱壓時間，調(diào)節(jié)壓力1.88 MPa(單位壓力1.0 MPa)，放入預(yù)壓好的膠合板，進行熱壓。

2.4.6 檢查

熱壓完成后取出膠合板，檢查膠合板是否有鼓泡、破損等缺陷，并進行標號。在室溫下靜置3～7 d再進行檢測。

2.5膠合強度的測定

取出靜置7 d的膠合板，按照圖1用精密推臺鋸鋸取試件，把1～9號膠合板鋸取的試件進行篩選，選出合格的試件進行標號。

根據(jù)國家標準GB/T 9846—2015相關(guān)要求進行膠合強度檢測。

注：試件尺寸單位為mm。

3結(jié)論與分析

3.1 固含量與黏度

從表5中可以看出，膠黏劑的固含量越高，黏度越大。由于在膠黏劑的制備過程中存在一定的人為誤差和試驗環(huán)境的影響，使4號、8號、9號膠黏劑產(chǎn)生了變化，引起固含量不均的現(xiàn)象。經(jīng)過檢測，膠黏劑的黏度在2 300～2 800 mPa·s。

表5 膠黏劑的固體含量與黏度

3.2膠合強度

表6 膠合強度檢測

從表6中可以看出，影響膠合強度主次水平的因素排序為：環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液的質(zhì)量比>熱壓時間>熱壓溫度，當熱壓時間600 s、環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺質(zhì)量比為20∶80，熱壓溫度為120 ℃時，制得膠合板的膠合強度最高，為0.762 8 MPa。

表7 膠合強度檢測結(jié)果顯著性分析

利用SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見表7。在95 %置信區(qū)間內(nèi)，環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液質(zhì)量比的顯著性小于0.01，差異極顯著，即環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液的質(zhì)量比對膠合強度的影響有極顯著差異。而熱壓溫度與熱壓時間的顯著性大于0.05。比較而言，環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液的質(zhì)量比對膠合強度的影響更顯著，其次為熱壓時間、熱壓溫度，這與極差分析的結(jié)果一致。

4結(jié)論

(1)通過烯酯類與醇溶性聚酰胺的反應(yīng)，研制出水性聚酰胺的新配方及水性聚酰胺的各生產(chǎn)條件。

(2)研制出固體含量在26.93 %～29.13 %、黏度在2 300～2 800 mPa.s的環(huán)氧樹脂-水性聚酰胺改性豆粕膠黏劑。

(3)影響膠合強度主次水平的因素排序為：環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液的質(zhì)量比>熱壓時間>熱壓溫度。

(4)熱壓時間600 s、環(huán)氧樹脂與水性聚酰胺改性豆粕溶液質(zhì)量比為20∶80，熱壓溫度為120 ℃時膠合板的膠合強度最高，為0.762 8 MPa，達到了國家標準GB/T9846-2015中Ⅱ 類膠合板使用要求。