低甲醛排放脲醛树脂胶的制备及应用

包学耕 包梅琪 肖作军 李汀 李煦

收稿日期：2013-10-16

作者简介：包学耕（1930-），教授，从事木材胶粘剂的研究、教学与推广工作，先后在国内100多家人造板厂推广胶粘剂技术，获得多项国家级、

省部级奖励。E-mail：xuegengbao@126.com。

摘要：尿素与甲醛的物质的量比1∶<1，甲醛分2次加入，尿素分4次加入，增强剂为三聚氰胺，占尿素总量的4%。甲醛分2次加入的目的是使尿素与甲醛的反应动力学中生成的次甲基脲与二羟甲基脲处于最大值。用此工艺制备的UF树脂制成的人造板性能远高于国家标准及国际标准，板材的甲醛释放量达到F四星级标准。

关键词：脲醛树脂胶；低甲醛排放；F四星级人造板

中图分类号：TQ433.4+31 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）05-0062-04

1 前言

上世纪日本的FC0标准（即E0）甲醛释放量为0.5 mg/L，2000年又提高到0.3 mg/L，达到该标准的板材称为F四星级板材，在国际上属于最高环保等级。某些天然木材（如意大利速生杨等），本身的甲醛释放量也高达0.2 mg/L，这与F四星级0.3 mg/L相差无几，因此国际上把F四星级人造板或木制品定位为无公害产品。

将尿素、甲醛物质的量比降至1∶1时，板材的强度处于国标的边缘，即使再少量增加三聚氰胺的量也没有作用。当物质的量比降低到1∶<1以下时（称之为超低物质的量比），甲醛释放量可以轻易达到F四星级，即≦0.3 mg/L，但板材强度却大幅度下降。

根据板材强度形成的机理分析，脲醛树脂成板的强度取决于树脂胶的内聚力和粘附力的平衡。只有在内聚力与粘附力均处于最大值时，板材的强度达到最高。从脲醛树脂的分子结构分析，其中有Uron环（少量）、次甲基脲（大量）、二羟甲基脲及醚键等基团。这些基团与强度因子的关系见表1。

从断裂力学分析，板材的强度取决于内聚力与粘附力2者最薄弱的环节中发生的断裂。若脲醛树脂中的内聚力与粘附力同时达到最大值时，此时板材的强度最高。即次甲基脲和二羟甲基脲组分比例达到最大时，内聚力与粘附力同时达到最大值，强度应该是最高的。经过对实验室内制作的几百张胶合板试件的测试、中试以及大型生产性试验结果都证明其强度远远超过国标。

通过改变脲醛树脂内部分子结构的排布提高板材的强度这个途径，不增加昂贵的添加剂、捕捉剂、也无须后处理，而是通过制胶工艺调整，达到分子结构的重排或重组，这是最经济的提高脲醛树脂强度的方法之一，“木佳一号”UF树脂的开发成功，证明这一途径是正确的。

2 “木佳一号”脲醛树脂胶工艺

1）尿素与甲醛的物质的量比

把尿素与甲醛的物质的量比降到1∶<1即nU∶nF=1∶0.998，以保证甲醛释放量达到0.3 mg/L（日本干燥器方法），这个值还不包括三聚氰胺，所以实际的物质的量比应更低。此时不但甲醛排放量达标，而且板材的强度也能满足国标要求。

2）反应时间

在制胶反应过程中，一羟、二羟甲基脲是反应中间体，它随着反应不断地转化成次甲基脲，其强度也随之不断地下降，所以必须在某一反应阶段的最佳时刻，即次甲基脲、二羟甲基脲达到最佳组合时，中止或减慢其反应速度并迅速控制反应达到终点，才能使脲醛树脂所制成的板材强度远高于常规生产的板材强度。

3）二次添加甲醛

二次添加甲醛的目的是为增加二羟甲基脲的含量，也有利于形成脲醛树脂胶的次甲基脲与二羟甲基脲达到最佳组合值。

4）多次添加尿素

这不仅降低了甲醛的释放量，还能使低物质的量比的脲醛树脂具有高物质的量比脲醛树脂相同的强度；多次加入尿素导致胶液的分子质量分布范围拓宽。由于木材属于多孔性材质，存在一定量的小分子物质有利于堵塞木材的孔隙，从而提高了板材的强度。

5）添加增强剂

用三聚氰胺作增强剂，其用量仅为尿素总量的4%，胶总量的1.6%，成本增加不多。三聚氰胺在反应过程呈酸性状态时加入，它与羟甲基活性部分发生反应，封闭了不耐水的羟甲基，从而提高了板材的强度。

整个生产工艺仍采用碱-酸-碱工艺，反应平稳，反应周期5～6 h。具体的生产工艺见中国专利201310280153.1。

3 “木佳一号”脲醛树脂的性能

用“木佳一号”脲醛树脂制作的胶合板预压性能良好，胶的适用期可长达6～8 h，制作的板材甲醛释放量低于0.3 mg/L，力学性能良好。如用该胶制作的三层桦木胶合板，其平均强度为1.94 MPa，合格率100%，最高的达2.57 MPa，最低为1.69 MPa，五层桦木板其平均强度为1.77 MPa，合格率100%。桦木胶合板标准强度是0.9 MPa，所以该胶制得的板材强度是国标强度近2倍；用于橡木板，其平均强度为1.4 MPa左右，也为国标的2倍左右。

“木佳一号”生产F四星级板材用脲醛树脂胶的理化指标为：

外观：乳白色黏稠液体

黏度：50～120 mPa·s（25 ℃）

pH值：7.5～8.0

固含量：55%左右

适用期：6～8 h

贮存期：1个月左右（25 ℃）

4 F四星级胶合板、刨花板、纤维板等的研发

1）胶合板

用于胶合板生产，胶中可加18%～20%的面粉作为填料，固化剂选用酸性复合固化剂，如草酸、甲酸或磷酸等和氯化铵复合固化剂。开口陈化时间为1 h，预压时间为45～60 min（冬季要适当延长），涂胶量为双面280～300 g/m2，热压时间为1.2～1.3 min/mm厚，热压温度为110～120 ℃。

用“木佳一号”脲醛树脂胶生产的桉木胶合板，性能见表2。胶合板甲醛释放量杨木比较高，在0.22 mg/L。试验发现，在制作杨木胶合板时，即使不添加树脂胶热压，其甲醛释放量也达到0.2 mg/L，这表明杨木本身在热压时会释放出甲醛。

2）刨花板

4块刨花板样品经检测结果见表3。

刨花板的甲醛释放量是用穿孔法，国标的最高值是9 mg/100 g板，属于E1级。本试验板材测得的甲醛释放量为2.5 mg/100 g板。

3）中纤板

将刨花板用拌胶机经过改造后，用于制作中纤板。

4块中纤板样品检测结果见表4。

试验发现制得的中纤板试件在水中煮沸2 h后，其板坯不散，而常规中纤板在水中煮沸10 min即全部散掉，这证明本试验板材的湿强度优异。

5 F四星级耐水板材研究

F四星级板材用脲醛树脂属于2类胶，主要用于室内，如与三聚氰胺树脂按一定比例相混，则可生产出F四星级的耐水板材。

用三聚氰胺树脂改性的脲醛树脂（MUF）制备刨花板，性能达到德国的V100级，经2 h煮沸后，其IB超过0.15 MPa。该MUF树脂用于胶合板，达到美国耐水级的W.P.B（Water prove board）。

（1）在福建漳州生产的F四星级耐水胶合板，性能检测甲醛释放量为0.25 mg/L。

（2）在山东蓬莱环球木业生产的厚胶合板出口日本，用于浴室，经日方检测为免检产品。

（3）用于浙江嘉善华悦木业的木门生产，经美国检测，达到W.P.B级。

（4）在上海升达木业的地热级3层复合竹地板生产中使用，各项性能都达到指标要求。

6 制板工艺的研究

F四星级板材用脲醛树脂胶或MUF胶必须严格遵循木材本身的特性，同时与适合的生产工艺与设备密切配合，才能生产出合格的人造板。

F四星级人造板的生产会涉及单板的表面性能、含水率、涂胶量、预压性能以及热压工艺等多种因素。必须综合平衡各因素的影响方能生产出合格产品；又如刨花的树种和形态、刨花板的容重、施胶量都与板材的强度有关；板材的热压曲线与强度、甲醛释放量、胶耗以及生产周期都是互为关联的；此外树脂胶的溶解度参数与单板溶解度参数的匹配性，也影响板材的强度。

总之，除选择性能好的脲醛树脂胶外，还必须根据具体工厂的设备、采用的制板工艺，对树脂胶作必要的调整，才能一次性投产成功。

参考文献

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[4]包学耕.绿色环保胶的产生及其应用[J].林产工业，2010，37（1）.