基于长白山臭冷杉胶合板强度的水性异氰酸酯胶黏剂配比

蔡汉忠，牛笑一，徐国锋，杨绍斌

(1.北华大学木质材料科学与工程重点实验室，吉林 吉林　132013；2.吉林森工金桥地板集团有限公司，吉林 长春　130114)



基于长白山臭冷杉胶合板强度的水性异氰酸酯胶黏剂配比

蔡汉忠1，牛笑一1，徐国锋2，杨绍斌2

(1.北华大学木质材料科学与工程重点实验室，吉林 吉林132013；2.吉林森工金桥地板集团有限公司，吉林 长春130114)

用水性异氰酸酯胶黏剂压制长白山臭冷杉胶合板，通过检测胶合板的胶合强度，分析聚乙烯醇(PVA)质量分数、甲苯二异氰酸酯(TDI)质量分数、乳化剂用量等因素对水性异氰酸酯胶黏剂胶合性能的影响.利用正交试验方差分析得出各影响因素间的主次关系为TDI质量分数>PVA质量分数>乳化剂质量分数.当PVA质量分数为10%、TDI质量分数为5%、乳化剂质量分数为30%时，水性异氰酸酯胶黏剂的胶合性能最好，胶合强度达到了0.79MPa.

甲苯二异氰酸酯；聚乙烯醇；木材胶黏剂；长白山臭冷杉

【引用格式】蔡汉忠，牛笑一，徐国锋，等.基于长白山臭冷杉胶合板强度的水性异氰酸酯胶黏剂配比[J].北华大学学报(自然科学版)，2016，17(5)：697-700.

近年来，国内外的木材加工和人造板企业多使用价格较低的“三醛胶”以及聚醋酸乙烯酯乳液，虽然这些胶黏剂是以水为溶剂的，但在使用过程中会释放有害物质(如游离醛、游离酚、丙烯酸等)，长时间接触后会给人体造成极大危害.随着人们生活水平的提高，环境保护意识不断增强，新型胶黏剂的研究和使用被广泛关注.制备具有良好耐水性的聚乙烯醇乳液，并混入甲苯二异氰酸酯(TDI)乳液制成耐水、耐潮性好，胶接强度高的环保型木材胶黏剂有着广泛的市场[1-3].

水性高分子化合物、填料及乳胶是水性异氰酸酯胶黏剂(API)的主要成分，以含有多官能度的异氰酸酯化合物作为交联剂，具有无甲醛释放、无颜色污染、中性固化、耐水性能好、胶合强度高等特点，已成为目前常用的实木胶合胶黏剂.异氰酸酯分子设计灵活，可以通过改变化学结构及原料，适应不同的被胶合材料；异氰酸酯基(—NCO)化学性质非常活泼，易与含氢化合物发生加成反应，自聚合成二聚体及三聚体.目前，水性异氰酸酯胶黏剂通常采用聚乙烯醇(PVA)作为水性高分子基体树脂，但聚乙烯醇在水中的溶解度有限，如果使用过量的水溶解PVA会消耗过多的异氰酸酯，从而使水性异氰酸酯胶黏剂的胶接强度及耐水性下降[4-7].本次试验采用增溶PVA法制备水性异氰酸酯胶黏剂压制臭冷杉胶合板，检测胶合板的胶合强度，通过正交试验探究PVA质量分数、TDI质量分数、乳化剂质量分数3个影响因素的主次关系，以获得制备异氰酸酯胶黏剂的最佳配比.

1　试验原料和方法

1.1试验原料

甲苯二异氰酸酯(分析纯，天津市福晨化学试剂厂)、OP(化学纯，天津市永达化学试剂有限公司)、聚乙烯醇(分析纯，天津市永大化学试剂有限公司)、单板(臭冷杉，400mm×400mm×1.2mm，含水率8%).

1.2主要试验仪器和设备

数显全自动升降恒温水浴锅、电动搅拌器、电子分析天平、三口玻璃烧瓶、DV-C数显粘度仪、干燥箱、平板硫化机、液压式木材万能试验机.

1.3试验方法

正交试验设计，制备不同水性异氰酸酯胶黏剂压制胶合板，检测胶合板胶合强度，探究PVA质量分数、TDI质量分数及乳化剂水溶液用量各因素对胶合强度影响的主次关系，确定制备水性异氰酸酯的最佳配比.

1.3.1水性异氰酸酯胶黏剂的制备

聚乙烯醇乳液制备的主要反应是异氰酸酯基在催化剂作用下与PVA分子链上的羟基反应生成氨基甲酸酯，即甲苯二氨基甲酸聚乙烯醇酯：预热水浴锅，根据正交试验设计称取一定量的PVA和水，倒入三口瓶中，加上搅拌器、瓶塞，升温至80 ℃，强烈搅拌1h，直至溶解；降温至60 ℃加OP-10乳化，搅拌30min，反应至乳白色；按照正交试验设计加入一定量的TDI，缓慢滴加到乳液中，直至反应结束；降温至室温出料即可，得到水性聚氨酯胶黏剂.

1.3.2胶合板制备

单板(臭冷杉)：400mm×400mm×1.2mm；制备三层胶合板，手工涂胶，单面涂胶量300～350g/m2，热压时间10min，热压温度100 ℃.

1.3.3固含量测定

取干燥的玻璃皿放在分析天平上称重，记下玻璃皿的质量后清零；称取适量水性异氰酸酯胶黏剂放入恒定温度为120 ℃的干燥箱内烘干，称重，3次测量取平均值，记为该水性异氰酸酯胶黏剂的固体含量[8].测量结果见表1.

固含量R=(m-m1)/(m2-m1)×100%，式中：m为容器与干燥后树脂质量(g)；m1为容器质量(g)；m2为容器与干燥前树脂质量(g).

表1　固含量测量结果

1.3.4黏度测定

根据测量的精度要求准确控制被测液体的温度为25 ℃，选择并安装64号转子，转速为30r/min，让转子慢慢降落浸入待测液体，当转子液面标记被液体掩盖时，停止下降并使其保持在现在位置，接通电源，按下开关，让转子在待测液体中匀速旋转，时间控制在20～30s，待读数稳定后开始读数[9].黏度测量结果见表2.

表2　黏度测定结果

2　试验结果

2.1正交试验设计

采用正交试验来确定用水性异氰酸酯胶压制长白山臭松胶合板的工艺条件，选用L9(33)正交表，试验方案见表3.

表3　正交试验方案

2.2工艺流程

在实验室制取水性异氰酸酯胶黏剂，压制长白山臭冷杉胶合板，放置72h后，裁制成标准试样，置于63 ℃水中蒸煮3h，冷却10min后进行胶合强度试验.

2.3胶合强度试验前期准备

找出表板紧面，将紧面朝外，按对称原则配坯；制胶，取胶液于烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀；确定涂胶量，用毛刷方向一致地均匀涂芯板两面；将涂胶后的板坯在室温下陈化一段时间；确定热压工艺条件，进行热压；卸压取板；给胶合板编号；按标准裁板件(100mm×25mm)，进行性能检测.

2.4胶合强度测定

按GB/T9846—2015[10]标准制作胶合板试件及进行浸泡处理，见图1.国家Ⅱ类胶合板处理条件：将试件浸泡在(63±3) ℃热水中3h，取出后在室温下冷10min后进行胶合强度测试.调整好木材万能实验机，检测胶合强度.要求试件的纵轴与试验机夹头的轴线保持一致；试验机夹头的底端与锯口的距离在5mm范围内；试件加荷速度均匀，最大破坏荷重的读数应精确到5N[11].

水性异氰酸酯胶黏剂压制胶合板的胶合强度见表4.由表4可知：影响水性异氰酸酯胶黏剂胶合强度的3个因素的主次关系为TDI质量分数>乳化剂质量分数>PVA质量分数.TDI质量分数对胶黏剂胶合强度起决定性作用，原因在于TDI为多官能度，以水为主的胶黏剂成分向木材内部渗透挥发时，异氰酸酯的消耗量最大；乳化剂质量分数起主要作用，其原因是乳化剂可以保护异氰酸酯基团不与水反应；PVA质量分数对胶合强度起较小的作用，除了作为胶黏剂的交联基元外，还可以增加胶黏剂的黏性，改善不溶于水的交联剂的分散性能，因此对胶合强度的影响程度比TDI质量分数、乳化剂质量分数要弱.由试验可以明显看出：在PVA质量分数为10%、TDI质量分数为5%、乳化剂质量分数为30%的配比下，制得的水性异氰酸酯胶黏剂压制的长白山臭冷杉胶合板的力学性能最好，满足GB/T9846—2015对Ⅱ类胶合板的要求.

表4　胶合强度

3　结　　论

1)通过正交试验确定了3个因素影响水性异氰酸酯胶黏剂胶合性的主次关系：TDI质量分数>乳化剂质量分数>PVA质量分数.乳化剂质量分数起主要作用，其原因是乳化剂可以保护异氰酸酯基团不与水反应；PVA作为胶黏剂的交联基元，可以增加胶黏剂的黏性和改善不溶于水的交联剂的分散性能，因此对胶合强度的影响程度比TDI质量分数、乳化剂质量分数要弱.

2)根据正交试验可得出制备水性异氰酸酯胶黏剂的最佳配比：PVA质量分数为10%、TDI质量分数为5%、乳化剂质量分数为30%，在此条件下制备的胶黏剂胶合性能最好，压制的长白山臭冷杉胶合板胶合强度为0.79MPa，满足GB/T9846—2015对Ⅱ类胶合板的要求.

3)按正交试验制备的水性异氰酸酯胶黏剂，最小固含量为32.87%，最大为36.31%；最小黏度为2 400mPa·s，最大为2 850mPa·s.

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【责任编辑：郭伟】

Ratio of Aqueous Isocyanate AdhesiveBasedontheStrengthofAbiesChangbaiPlywood

Cai Hanzhong1，Niu Xiaoyi1，Xu Guofeng2，Yang Shaobin2

(1.Wood Material Science and Engineering Key Laboratory of Jilin Province，Beihua University，Jilin 132013，China；2.Jinqiao Floor Group of Jilin Forest Industry Group，Changchun 130114，China)

ChangbaiAbiesplywoodwaspressedbyaqueousisocyanateadhesive.TheeffectofmassfractionofPolyvinylalcohol(PVA)，massfractionoftoluenediisocyanate(TDI)，emulsifierandotherfactorsonstrengthofaqueousisocyanateadhesivewereanalyzedthroughthebondingstrengthofplywood.Primaryandsecondaryrelationshipamongthevariousfactorswereasfollows：massfractionofTDI>massfractionofPVA>emulsifierbyorthogonalanalysisofvariance.WhenmassfractionofPVA，massfractionofTDI，massfractionofemulsifierare10%，5%，30%respectively，thebestperformancewasobtained，bondingstrengthreached0.79MPa.

toluenediisocyanate；polyvinylalcohol；woodadhesive；ChangbaiAbies

1009-4822(2016)05-0697-04

10.11713/j.issn.1009-4822.2016.05.031

2016-06-05

吉林教育厅科学技术研究项目(2014197)；吉林省科技厅重点科技成果转化项目(20140307026NY).

蔡汉忠(1976-)，男，讲师，主要从事家居设计研究，E-mail:879620658@qq.com；

牛笑一(1973-)，男，硕士，副教授，主要从事家具材料研究，E-mail:niuxiaoyi@163.com.

TQ433

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