一种红木用拼板胶的研制

张士军，曾卫强，郑 军

（1.上海光普化工有限公司，上海 201802；2.佛山今佳新材料科技有限公司，广东 佛山 528200）

一种红木用拼板胶的研制

张士军1，曾卫强2，郑 军1

（1.上海光普化工有限公司，上海 201802；2.佛山今佳新材料科技有限公司，广东 佛山 528200）

以HP4和H-905拼板胶乳液为基础乳液、添加聚乙烯醇1788溶液和碳酸钙晶须及其他助剂制得拼板胶主剂，以二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）为固化剂，调配成拼板胶；研究结果表明，该拼板胶用于红木集成材的粘接，开线率符合JAS标准（2008版）。

红木；拼板胶；JAS标准；HP4拼板胶乳液；H-905拼板胶乳液

我国是世界上木材及木制品的生产和消费大国，同时也是人均占有森林资源最少的国家[l]。随着木材供需矛盾的日益尖锐，人工速生材及小径木材必将成为木材加工的主要原料；同时，从综合利用木材加工剩余物和利用短小级木材拼接成大面积的集成材方面考虑，使得木材胶粘剂在木材加工行业中起到了举足轻重的作用[2]。红木特指紫檀木、花梨木、红橡木、水曲柳、油松、红酸枝等珍贵木材，其木质特殊、硬度高。红木用拼板胶，是拼板胶中具有高附加值的产品类型，性能要求能够达到JAS标准。本研究调制的红木用拼板胶，以HP4和H-905拼板胶乳液为基础乳液，添加一定量的粉体和聚乙烯醇溶液，木材拼接时添加适量的聚异氰酸酯固化剂。该红木用拼板胶无毒、无腐蚀、无污染，常温固化，性能完全满足JAS标准，特别适用于红木集成材的粘接。

1 实验部分

1.1 原料

HP4拼板胶乳液、H-905拼板胶乳液，上海光普化工有限公司；二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、聚乙烯醇（PVA）、防腐剂、DC-65消泡剂、重钙，均为市售工业级原料；软化水，自制。

1.2 仪器设备

NDJ-1旋转黏度计，上海上天精密仪器有限公司；PB-10精密酸度计，赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；Hydro2000MU激光粒度仪，英国Malvern仪器有限公司；门式木材剪切强度试验机，济南永茂精密仪器有限公司；及一般实验仪器。

1.3 拼板胶的制备

1.3.1 拼板胶主剂配比（见表1）

表1 拼板胶主剂配比Tab.1 Composition of main agent of splicing adhesive

1.3.2 拼板胶主剂制备工艺

（1）将聚乙烯醇（PVA）用软化水溶解成质量分数为15%的溶液，备用；

（2）打浆：将39份拼板胶乳液投入高速分散缸，加入0.1份的消泡剂，1 000 r/min高速分散，缓慢加入30份的粉体，高速分散60 min至混合物呈可流动浆状；

（3）加入15%的聚乙烯醇溶液23份，继续分散；

（4）加入成膜助剂1份、防腐剂0.1份和6.6份的软化水，80 r/min搅拌30 min，确认混合均匀；抽检、过滤（100目≈48 μm）、包装。

1.4 性能测试[3]

粒径：常温25 ℃、常压下，将0.5 mL乳液稀释50倍，采用激光粒度仪进行测定；

固含量：按照GB/T 2793—1995测定；

黏度：按照GB/T 2794—1995测定；

pH：按照GB/T 14518—1993测定；

电解质稳定性（用Ca2+稳定性表示）：按照m（乳液）∶m（5% CaCl2溶液）=4∶1配制混合体系，搅拌均匀后静置48 h，体系中无絮凝、无沉淀即为合格。

稀释稳定性：将乳液用去离子水稀释至固含量为3%，搅匀、静置24 h，观察无分层、无沉淀即为合格。

贮存稳定性：将乳液于常温25 ℃、常压环境中存放180 d，若无絮凝、无分层等现象，即为合格；

剪切强度：干状剪切强度和湿状剪切强度的测试依据GB/T 17517—1998胶粘剂压缩剪切强度试验方法（木材与木材）进行。

开线率：按照日本JAS沸水浸泡剥离测试标准测定：

（1）将拼板试样在室温下养护7 d；

（2）将拼板试样刨光，并沿胶线方向裁成75 mm长的小样品；

（3）将小样品放入沸水中浸泡4 h；

（4）浸泡完毕，放入室温冷水中浸泡1 h；

（5）把小样品放入烘箱中（70±3）℃/18 h；

（6）检查胶线开裂的情况，并记录胶线开裂长度；开裂率/%=样品2端的胶线开裂总长度/样品2端的胶线总长度×100；

（7）胶线开裂裂缝连续长度大于3 mm的方可计算在内：试件2端胶线开裂率不得大于5%，而且任一胶线的开裂长度不得大于胶线长度的1/4。

2 结果与讨论

2.1 拼板胶的理化指标

拼板胶的理化指标见表2。

表2 理化指标Tab.2 Physico-chemical performance indexes

2.2 拼板胶乳液对主剂性能的影响

本实验所选用的HP4和H-905乳液是调制拼板胶主剂专用乳液：2者以聚乙烯醇作保护胶，特含丙烯酸-4-羟基丁酯（4HBA）和有机硅氧烷的醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚乳液。

对于木材类多孔性被粘接材料来说，决定粘接强度的主要因素是胶层分子间力，即内聚强度。聚醋酸乙烯酯和丙烯酸酯本身为热塑性材料，因而受外界环境温度、湿度影响时，胶层的强度会明显下降。强极性的交联单体4HBA则通过共聚嵌入主聚合链，由于交联基-羟基远离主链且自由度高，因而具有优异的反应性和反应范围。在乳液聚合及胶层干燥过程中，能在大分子之间形成化学键，极易与异氰酸酯形成高效而强固的交联，形成空间网状结构，提高胶层的内聚强度。

有机硅氧烷参与共聚，在聚合物分子链中引入了疏水性的有机硅链段；同时，有机硅分子链上的未完全反应的功能性基团与被粘材料极性表面的活性基团（如羟基）反应，形成聚合物与基料相互渗透的网状立体结构，抵消了因部分亲水基团的吸胀作用而使得胶层强度降低，从而可明显提高胶膜的耐水性能。

HP4（Tg值 -5 ℃ ） 乳 液 和H-905（Tg值 30℃）乳液对填料有很强的承载能力，成膜透明，胶层具有良好的耐水、耐油、耐候性，可通过调整其在拼板胶中的含量达到不同的耐水等级和特定性能。2种乳液共用，优势互补，避免单一乳液性能缺陷，提高胶层的柔韧性能和抗冲击强度。

在乳液总量不变的情况下，HP4乳液和H-905乳液的不同配比，调制成主剂的性能有很大差异。经过大量的实际调胶、拼板检测表明，HP4乳液与H-905乳液按照9∶1的比例调制的拼板胶主剂的性能最优（后文2乳液的配比均采用9∶1）。选取市场上应用较广泛的拼板胶乳液Duracet EP4和DA905做对比测试，结果见表3。

从表3可见，拼板胶乳液HP4和H-905，与市场上同类产品对比性能无明显差异。

2.3 固化剂对粘接性能的影响

粘接的形成是一个复杂的过程，主要是由胶粘剂在木材表面上的湿润、粘附而形成粘接。所谓粘附是由胶粘剂和基材在界面上的机械嵌接力、分子之间的作用力和化学键力所形成的。在这3种力中，化学键力对粘接强度的影响最为显著。胶粘剂与被粘物分子之间产生化学反应而获得高强度的共价键结合，有利于提高胶接强度，防止裂缝扩展，也能有效地抵抗应力集中和气候环境老化等因素的影响。异氰酸酯中的-NCO基是反应活性极高的基团，与主剂中的活性羟基及基材中的羟基进行交联反应，从而提高粘接强度。异氰酸酯类品种较多，本实验选用应用较广泛的二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）。MDI用量对性能的影响见表4。

表3 性能对比Tab.3 Comparison of performance

表4 性能对比Tab.4 Comparison of performance

拼板胶的最终粘接性能因固化剂的用量不同而发生变化：随着MDI用量增加，胶粘剂的干湿剪切强度也显著增加，但是适用期变短；当MDI的用量超过12%时，胶粘剂的干湿剪切强度反而下降，这是由于MDI用量过多时，调成的拼板胶适用期短、交联过度，使得胶膜发硬、发脆，粘接性能反而受到削弱。实验表明，随着我国南北方地域的不同和四季变化，固化剂的适宜加量为主剂的10%～16%。

2.4 聚乙烯醇对粘接性能的影响[4]

家具所用的木材为纤维素与木质素的混合物，该混合物的各个分子上都有很多的羟基和酚基，所以木材具有较大的亲水性，在湿度大的气候条件下极易吸水受潮，从而影响拼板胶的耐水性能和粘接强度；同时，恰恰是分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基共扼双键等活性基团，可以进行缩聚或接枝共聚等多种化学反应。

双组分拼板胶是主剂和异氰酸酯类的固化剂共混使用，可以得到较高的耐水性和粘合性。这是由于异氰酸酯交联剂含有反应活性极高的异氰酸根-NCO，可以跟主剂和木材中的-OH和-COOH等发生交联反应，固化后形成网状大分子结构，从而改善胶膜的耐水性、耐寒性、抗蠕变性和粘合性能等。为了进一步提高拼板胶的性能，在调制主剂的过程中，又引入富含-OH的聚乙烯醇组分。不同种类的聚乙烯醇（PVA）对拼板胶性能的影响见表5。

表5 不同种类的聚乙烯醇（PVA）对拼板胶性能的影响Tab.5 Effect of PVA type on performance of splicing adhesive

PVA的聚合度和醇解度的不同，对胶液的性能影响不同：PVA的醇解度和聚合度越高，其溶解所需的温度越高、时间相对较长，其制备的拼板胶的黏度越大、粘接牢度也大；同时，作为水溶性高分子分散剂，聚乙烯醇在拼板胶主剂中起到空间位阻作用，阻碍粉体之间的相互结合，有效地避免粉体的附聚和絮凝，提高了主剂的贮存稳定性。结合实际使用条件，要求主剂的黏度不宜太高，控制在10 000 mPa·s以下。本文选用的是PVA1788。

2.5 碳酸钙晶须对粘接性能的影响

粉体一般选用的是无机化合物。它的加入能够增加胶粘剂的固含量，降低成本；防止胶层收缩，改善胶粘剂的渗透性，防止胶粘剂过分渗透入木材内部，而造成粘接面缺胶；增加胶层的硬度，从而提高粘接强度。粉体的粒径大小、粒度分布以及离子聚集程度对胶粘剂性能有影响。晶须是在特殊条件下以单晶形式生长而成的纤维，直径极小，具有亚微米和纳米级尺寸，原子排列结构高度有序，因而可接近材料的原子间价键的理论强度。从外观上看像是短纤维直径极小的丝，基本上是完全晶体。由于晶须极细而又近乎完全结晶，所以力学强度极高。粉体作为填料加入到胶粘剂中，起到骨架支撑作用，可以有效地传递应力，阻止裂纹扩散、吸收冲击能量，增大内聚强度、减小分子间滑动[5]。本实验所选用的碳酸钙晶须经过特殊表面处理后，加入到拼板胶主剂中，有效地提高了胶层的粘接强度和耐受高低温的能力。粉体选用普通重钙和碳酸钙晶须分别调制拼板胶主剂，性能对比见表6。

表6 性能对比Tab.6 Comparison of performance

2.6 拼板胶主剂的配制及性能检测

按照上述方法调制拼板胶主剂和固化剂，并按主剂∶固化剂=100∶12的比例混合搅拌均匀，得拼板胶，按照标准进行木材拼接制样和剪切强度性能检测。同时，选取市场上应用较广泛的日本光洋KR-7800进行同比测试，结果见表7。

表7 性能对比Tab.7 Cthe comparison of the performance

从表7可见，自制拼板胶与同类产品KR-7800的性能无明显差异，符合JAS标准，能够满足红木拼接的要求。

3 结论

以HP4和H-905拼板胶乳液为基础乳液，调配的拼板胶主剂可以达到JAS标准（2008版），满足红木拼接的要求。

[l]孙孙建.中国木材工业发展现状、趋势和政策在中国木材工业可持续发展高层论坛会上的讲话[J].人造板通讯,2004,11(6):3-7.

[2]吕文华,张双保,赵广杰.再生资源制备木工胶粘剂的研究概况[J].建筑人造板,2002,15(2):14-19.

[3]张士军,郑军,梁文波,等.聚乙二醇400对水性复膜胶的合成及性能的影响[J].中国胶粘剂,2009,18(12):26-28.

[4]张士军,郑军.HP4拼板胶乳液的性能研究[J].粘接,2016,38(6):60-63.

[5]李子东,李广宇,宋颖韬,等.胶黏剂助剂(第2版)[M].北京:化学工业出版社,2009,477-503.

Abstract：Using the HP4 and H-905splicing glue emulsions as the basic emulsion, the main agent of the woodsplicing adhesive was obtained by adding the solution of PVA-1788, CaCO3crystal whiskers and other assistants. Then the wood-splicing adhesive for rosewood was compounded by using methylene bis(phenylisocyanate) (MDI) as the curing agent. The results showed that when the splicing adhesive was used in the bonding of rosewood integrated timbers the dehiscence percentage reached the requirement of Japanese Agricultural Standard (JAS 2008 edition).

Key words：Rosewood; splicing adhesive; JAS; HP4 splicing glue emulsion; H-905 splicing glue emulsion

Development of a wood-splicing adhesive for rosewood

ZHANG Shi-jun1, ZENG Wei-qiang2, ZHENG Jun1
(1.Shanghai Guangpu Chemical Co., Ltd., Shanghai 201802, China; 2.Foshan Jinjia Nnew Mmaterial Ttechnology Co.,ltd., Foshan, Guangdong 528200, China)

TQ437 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2017）08-0017-05

2017-03-01

张士军（1971-），男，工程师，主要从事水性丙烯酸树脂乳液聚合、特种胶粘剂的研究开发工作。E-mail：shanghaiguangpu@163.com。