黄顶菊秸秆pH值、缓冲容量及脲醛树脂固化特性的研究

魏立婷， 杨 松， 韩淑伟， 闫 薇

(1.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；2.河北省涉县林业局，河北 涉县 056400)



黄顶菊秸秆pH值、缓冲容量及脲醛树脂固化特性的研究

魏立婷1， 杨 松1， 韩淑伟2， 闫 薇1

(1.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；2.河北省涉县林业局，河北 涉县 056400)

对黄顶菊秸秆粉末进行冷水、热水、1%NaOH预处理，测定其pH值、缓冲容量、脲醛树脂固化时间。实验结果表明：未处理及经冷水、热水、1%NaOH处理后的黄顶菊秸秆的pH平均值分别为4.27、4.87、5.05、8.66；未处理及经冷水、热水、1%NaOH处理后的黄顶菊秸秆的酸缓冲容量平均值分别为0.627 6、0.646 4、0.687 6、2.091 6；未处理和经冷水、热水处理后黄顶菊秸秆的碱缓冲容量平均值分别为0.156 9 mmol、0.161 6 mmol、0.171 9 mmol；未处理及经冷水、热水、1%NaOH处理后黄顶菊秸秆的脲醛树脂胶固化时间平均值分别为91 s、123 s、127 s、135 s。pH值越低，酸缓冲容量越低，秸秆粉末与脲醛树脂固化时间越短，反之固化时间则延长。综合考虑，未处理的黄顶菊秸秆粉末更有利于脲醛树脂胶的固化。

预处理；黄顶菊秸秆；pH值；缓冲容量；固化时间

我国森林资源短缺，而且木材的利用率也较低，只有60%左右，这与国外一些先进国家相比差距较大。但我国的非木材植物纤维原料资源非常丰富，并且可以永续利用，使用其进行人造板生产的技术与经济均可行，是节木代木的有效途径之一，潜力巨大，前景广阔[1]，这对木材供应缺乏的地区和企业来说也是一条较好的出路，国外一些先进国家也在积极开发利用非木材植物纤维原料生产人造板[2]。

黄顶菊为外来入侵植物，其严重挤占其他植物的生存空间[3-4]。黄顶菊为一年生草本植物，根系发达，耐盐碱、耐瘠薄、抗逆性强，繁殖速度惊人，其植株高低差异很大，高的能长到2 m，低的只有10 cm左右，叶形近似长椭圆形，开花时花朵颜色非常鲜艳。黄顶菊生长的地方其他植物难以生存，一旦入侵农田，将威胁到农牧业生产及生态环境安全。2010年河北省黄顶菊发生面积已达30余万亩。利用黄顶菊秸秆制造人造板[5-7]，既可高效综合利用黄顶菊秸秆，化害为宝，又可节省木材资源，保护生态环境。材料的pH值和缓冲容量是影响其胶合的重要因素[8]，人造板原料的酸碱特性和缓冲容量对其应用特性有直接影响[9]。本文将着重研究预处理对黄顶菊秸秆的pH值、酸碱缓冲容量和对脲醛树脂固化时间的影响，为下一步制板工艺研究提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

(1)黄顶菊秸秆：取自河北保定市清苑县某地的黄顶菊秸秆(长势良好，无病害)，气干后经粉碎机粉碎，干燥后筛选备用。

黄顶菊秸杆的三种预处理方式分别为：冷水处理(将黄顶菊秸秆放在20 ℃左右水中浸泡5 h后用水冲洗2遍)、热水处理(将黄顶菊秸秆放在沸水中浸泡3 h后用水冲洗2遍)及1%NaOH处理(将黄顶菊秸秆放在1%NaOH水中浸泡3 h后用水冲洗2遍)，然后干燥筛选(通过40目筛网)备用。

(2)化学药品：0.025 N的硫酸溶液和0.025 N的NaOH溶液；氯化铵(分析纯)。

(3)脲醛胶：外购脲醛胶(UF树脂胶)，pH=7.50～7.70；黏度：52 mPa.s；固体含量：51.16%。

1.2 试验仪器

PB-10酸度计、试管、试管夹、水浴锅、酸碱滴定管、锥形瓶。

1.3 试验方法

(1)pH值测定：按GB/T 6043-2009木材pH值测定方法进行[10]。

(2)酸碱缓冲容量测定：按GB/T 17660-1999 木材缓冲容量测定方法进行[11]。

(3)黄顶菊秸秆粉末脲醛树脂胶固化时间测定参照相关文献[8]进行。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

预处理后黄顶菊秸秆的pH值、缓冲容量及脲醛树脂固化时间的测定结果见表1。另外以沙兰杨和豆秸主干的相关特性作参照，沙兰杨和豆秸主干的pH值、缓冲容量及脲醛树脂胶固化时间见表2[12-14]。

表1 黄顶菊秸秆的pH值、缓冲容量及脲醛树脂胶固化时间

黄顶菊秸秆材料不同的处理方式pH回流抽提液pH酸缓冲容量/mmol碱缓冲容量/mmol总缓冲容量/mmol脲醛树脂胶固化时间/s未处理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标准差S0 100 050 00440 00580 00523 61变异系数/%2 231 120 69936 66170 73103 96冷水处理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标准差S0 030 050 01250 00330 01491 73变异系数/%0 541 131 92912 76881 94381 41

续表1

表2 沙兰杨和豆秸主干的pH值、缓冲容量和脲醛树脂胶固化时间

种类pH值酸缓冲容量/mmol碱缓冲容量/mmol总缓冲容量/mmol脲醛树脂胶固化时间/s沙兰杨5 410 0850 2350 32192 63豆秸主干6 300 5310 2660 797367 80

黄顶菊秸秆经冷水、热水及1%NaOH处理后pH值分别为4.87、5.05和8.66，与未处理的黄顶菊秸秆(pH值为4.27)相比分别增加了14.05%、18.27%和102.81%。

黄顶菊秸秆经冷水、热水和1%NaOH处理后酸缓冲容量分别为0.646 4 mmol、0.687 6 mmol和2.091 6 mmol，与未处理的黄顶菊秸秆(酸缓冲容量0.627 6 mmol)相比分别增加了3.00%、9.56%和233.27%。

黄顶菊秸秆经冷水、热水和1%NaOH处理后脲醛树脂胶固化时间分别为123 s、127 s和135 s，与未处理的黄顶菊秸秆(脲醛树脂胶固化时间为91 s)相比分别延长了35.16%、39.56%和48.35%。

对比表1、表2可知，未处理和经过冷水、热水处理的黄顶菊秸秆的pH值均小于沙兰杨的pH值5.41和豆秸主干的pH值6.30。

未处理和经过冷水、热水处理过的黄顶菊秸秆的酸缓冲容量均大于沙兰杨的酸缓冲容量0.085 mmol和豆秸主干的酸缓冲容量0.531 mmol；而其碱缓冲容量均小于沙兰杨的碱缓冲容量0.235 mmol和豆秸主干的碱缓冲容量0.266 mmol。

未经处理的黄顶菊秸秆的脲醛树脂胶固化时间为91 s，与沙兰杨脲醛树脂胶固化时间92.63 s相近，而远小于豆秸主干的脲醛树脂胶固化时间367.80 s；经冷水、热水、1%NaOH处理过的黄顶菊秸秆随着其pH值的增加固化时间有所延长，且都大于沙兰杨的脲醛树脂胶固化时间。

2.2 分析与讨论

2.2.1 黄顶菊秸秆的pH值

木质材料的pH值一般泛指木质材料中水溶性物质的酸性或碱性程度，是定性反映木材中氢离子浓度大小的指标。木质材料的pH值影响胶黏剂的固化速度，影响人造板生产中达到最佳固化时所用固化剂的比例。

从表1可知，未处理和经冷水、热水、1%NaOH处理后的黄顶菊秸秆pH值范围在4.18～8.70之间。pH值最大的是经1%NaOH处理过的黄顶菊秸秆，为8.70；最小的是未处理的黄顶菊秸秆，为4.18。

黄顶菊秸秆对脲醛树脂胶的固化时间随pH的减小而缩短，随pH值的增加而延长。脲醛树脂胶为酸固化胶种，当pH值为3～5时可以获得较适宜的固化速度，即固化时间短及胶合质量高。

由表2可知，与木质材料的pH值相比，未处理的和经冷水、热水处理过的黄顶菊秸秆的pH值均低于沙兰杨；而经1%NaOH处理的黄顶菊秸秆的pH值则高于沙兰杨的pH值。

黄顶菊秸秆与豆秸均属于秸秆类，基本物理化学性质测试表明豆秸是刨花板生产的适宜材料。两者相比，未处理和经冷水、热水处理过的黄顶菊秸秆的pH值比豆秸主干的pH值低，因此其更有利于脲醛树脂胶的固化。

2.2.2 黄顶菊秸秆的酸碱缓冲容量

木质材料的酸碱缓冲作用是指其对外加酸或碱的抵制、维持自身pH值不变的能力，其大小对胶合界面上胶黏剂的pH变化有重要影响，是施胶过程中应考虑的因素。酸、碱缓冲容量小有利于固化。

由表1可知，经冷水、热水处理过的黄顶菊，虽然也溶解一部分可溶性物质，但并未改变材料中的化学性质，因此经冷水、热水处理后的材料在酸碱缓冲容量上差异不大。未处理的黄顶菊秸秆粉末，其酸缓冲容量最低，为0.627 6 mmol；未处理的黄顶菊秸秆粉末，其碱缓冲容量也最小，为0.087 0 mmol。脲醛树脂胶固化时间与木材pH值呈正比关系，与酸缓冲容量呈正比关系；无论是pH值还是酸缓冲容量大增，对胶凝时间都有负面影响。所以，未处理的黄顶菊秸秆粉末更有利于固化，对板材胶合更有利，可提高板材的性能。

对比表1、表2可知，黄顶菊秸秆的总缓冲容量高于沙兰杨而与豆秸主干相近，黄顶菊秸秆与豆秸主干在酸碱缓冲容量方面对制板胶合的影响相似。

2.2.3 黄顶菊秸秆的脲醛树脂胶固化时间

脲醛树脂胶固化时间和pH值是影响树脂固化和形成胶接强度的主要因素，不同树种的木材，酸碱性质各异，对脲醛胶固化时间的影响也不同。

由表1可知，pH值大固化时间就长，pH值小固化时间就短。固化时间最长的是经1%NaOH处理的黄顶菊秸秆，时间为135 s。

脲醛树脂的凝胶时间随不同处理方式处理过的黄顶菊秸秆的pH值及酸、碱缓冲容量的增加而增大。这是因为黄顶菊秸秆经冷水、热水、1%NaOH三种预处理后，其pH值皆影响到各种处理后材料对酸碱的抗性，1%NaOH处理后的材料在与pH值较低的脲醛树脂胶固化过程中发生化学反应的时间较长，因此阻碍了胶的固化，使固化时间延长，而经冷水、热水处理后的材料其pH值显弱酸性，与脲醛树脂胶固化过程中发生化学反应的时间较短，与1%NaOH处理相比，固化时间缩短。

由于表2中所用脲醛树脂胶与本次实验所用的脲醛树脂胶的黏度、固含量等都存在差异，所以这里的黄顶菊秸秆与豆秸主干对脲醛胶固化时间的影响没有可比性。

3 结论

(1)黄顶菊秸秆经冷水、热水处理后均呈弱酸性，未处理、冷水处理、热水处理和1%NaOH处理的黄顶菊秸秆的pH平均值分别为4.27、4.87、5.05和8.66。

(2)未处理、冷水处理、热水处理和1%NaOH处理的黄顶菊秸秆的酸缓冲容量平均值分别为0.627 6 mmol、0.646 4 mmol、0.687 6 mmol和2.091 6 mmol；未处理、冷水处理、热水处理的黄顶菊秸秆的碱缓冲容量平均值分别为0.156 9 mmol、0.161 6 mmol和0.171 9 mmol。

(3)未处理、冷水处理、热水处理和1%NaOH处理的黄顶菊秸秆的脲醛树脂胶平均固化时间分别为91 s、123 s、127 s和135 s。

(4)三种预处理方式对脲醛树脂胶固化时间有一定的影响，固化时间随pH值的增加及酸碱缓冲容量的增加而延长。未处理的黄顶菊秸秆更有利于脲醛树脂胶的固化，在生产过程中可通过降低胶液的pH值及适当添加酸性固化剂的方法，使胶层固化加快，保证胶合质量。

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[3] 黄顶菊百度百科[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/414888.htm.

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[10] GB/T 6043-2009，木材pH值测定[S].北京：中国标准出版社，2009.

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(责任编辑 张雅芳)

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

公益性行业(农业)科研专项项目“入侵植物综合防控技术研究与示范推广”(201103027)

魏立婷(1996-)，女，河北农业大学林学院2014级本科生，研究方向为木材科学与工程，E-mail：632468556@qq.com。

TS612

A

2095-2953(2017)08-0028-04

研究与设计