环氧树脂-丙烯酸改性豆粕胶黏剂的研究

2021-05-12赵学峰张泽宇庞久寅

吉林林业科技 2021年2期

赵学峰，张泽宇，高森，庞久寅

(北华大学木质材料科学与工程重点实验室，吉林吉林 132013)

国内市场销售的木质产品用胶黏剂大部分属于三醛胶黏剂，甲醛释放量高困扰着生产厂家及消费者，虽然部分厂家采用了低毒性的脲醛树脂胶黏剂，但游离的甲醛依旧对人体健康产生着危害，大豆蛋白胶黏剂的研制从根本上解决了甲醛等有害气体的危害，是当下环保类胶黏剂的热门研究课题之一[1,2]。

大豆胶黏剂耐水性不足，胶合强度低，应用范围有限，难以广泛应用于木材产业[3,4]。本试验用黏接性能较高的环氧树脂对大豆基胶黏剂进行改性，合成的胶黏剂拥有高黏接性能，且原料来源广泛、价格低，甲醛释放量低，可以应用于更多木材胶合，真正做到物美价廉，受众广泛[5-7]。近20年来，由于木材工业市场的快速扩展，全球石油资源的有限性和环境污染问题日益受到关注，使得木材工业重新考虑环境友好型的天然胶黏剂，使得大豆蛋白胶黏剂再次成为研究热点[8-12]。

1材料及方法

1.1试验材料

烯丙基缩水甘油醚(AGE)、甲基丙烯酸(MAA)、豆粕、质量分数为98 %的过硫酸铵(APS) 、亚硫酸氢钠(SBS)、顺丁烯二酸酐(MA)、十二烷基硫酸钠(SDS)。

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、NDJ-1型旋转黏度计、智能控制试验压机、液压式木材万能试验机。

1.3方法

1.3.1环氧树脂的制备

在带有回流冷凝管、搅拌器、滴液漏斗、温度计的250 mL的四口烧瓶中加入60 mL蒸馏水，在两杯含有30 mL蒸馏水的烧杯中分别加入质量分数60 %的亚硫酸氢钠2.5 mL和质量分数98 %的过硫酸铵5 mL，6 mL烯丙基缩水甘油醚溶解于54 mL甲基丙烯酸中，将混合溶液匀速加入滴液漏斗中，水浴锅升温至60 ℃，搅拌器保持在300～350 r·min-1，将亚硫酸氢钠溶液、过硫酸铵溶液每隔5 min滴加一次，3 h滴加结束，恒温1 h结束反应，待水浴锅缓慢降温至30 ℃，取出制得的环氧丙烯酸树脂。

1.3.2环氧树脂改性豆粕胶黏剂的制备

另取蒸馏水，加入适量顺丁烯二酸酐(MA)手动搅拌至溶解。加入十二烷基硫酸钠(SDS)，搅拌至溶解后加入豆粕，搅拌均匀，再加入制作好的环氧丙烯酸树脂，搅拌。

1.3.3固含量的测定

取9个质量大小相近的锡纸盒，分别从1号到9号进行标记，在分析天平上分别称出各锡纸盒的质量，每次称量后在锡纸盒内称量5 g(精确到0.000 1 g)胶黏剂试样，分别做记录。将9个锡纸盒放入电热鼓风干燥箱进行干燥。当温度达到规定温度后开始记录时间，干燥3 h后取出，冷却至室温后分别称量出干燥后的质量并进行记录。固含量(R)计算公式如下：

R=(m-m1)/(m2-m1)×100 %

式中：R为固体含量/ %；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。

1.3.4黏度测定

将胶黏剂试样装入250 mL的烧杯中，搅拌均匀。按预定的方案与测量的要求，将试样精确地控制在30 ℃。选择64号转子，将转子连接螺杆，旋转升降钮，使转子逐渐浸入试样中，直至转子的液面标志与试样液面相平为止。按下指针锁定杆，打开开关，转子将在液体中旋转(通常为20～30 r·s-1)，待显示器读数稳定后记录数据(读数最佳为20～80分度值之间，否则可调整转子使转速达到这个要求)，此时转速为30 r·min-1。待数据记录结束后，关闭仪器。

1.3.5 正交试验方案

环氧树脂改性豆粕胶黏剂的固体含量与黏度正交试验方案见表1。

表1 固体含量与黏度的正交试验方案

1.3.6胶合板的制备

用制得的环氧树脂改性豆粕胶黏剂涂制杨木单板，三层胶合板幅面为400 mm×400 mm，杨木单板平均厚度为1.2 mm。取胶液于烧杯中，加入面粉调节黏度至5 000 mPa·s后用玻璃棒搅拌均匀。进行涂胶，单面涂胶量为120 g·m-2，在芯板两面按照顺纹方向用毛刷均匀涂胶，按照纹理纵横交错的原理进行配坯。涂胶完成后在室温下陈化20 min进行热压，接通热压机电源，调整单位压力1 MPa、温度160 ℃、时间15 min，待热压机温度到达指定温度开始热压。热压完成后卸压取板，检查所压制的胶合板质量是否符合要求后进行编号，在室温下稳定3 d后进行检测。

2 结果与讨论

2.1固含量与黏度

不同配方胶黏剂的固体含量与黏度测定结果见表2，随着环氧树脂改性豆粕胶黏剂中豆粕质量的减少，胶黏剂的固体含量增加；随着豆粕质量的增加，胶黏剂的黏度也随之增加。

表2 不同配方胶黏剂的固体含量与黏度

2.2环氧树脂改性豆粕胶黏剂正交试验设计

选择L9(34)正交试验方案，以烯丙基缩水甘油醚(AGE)与甲基丙烯酸(MAA)的质量比(D)、反应温度(E)和豆粕质量(F)作为因素，试验设计见表3。

表3 环氧树脂改性豆粕胶黏剂正交试验设计

2.3环氧树脂改性豆粕胶黏剂压制胶合板的力学性能

表4 试验设计及胶合强度检测结果

本次试验检测所用的仪器为液压式木材万能试验机，从表4中可以看出，反应过程中，AGE与MAA质量比、温度、豆粕质量对胶黏剂的胶合强度影响较大，影响其胶合强度的诸多因素主要顺序为AGE与MAA质量比、豆粕质量、温度，最优组合为D2E1F2。当AGE∶MAA=2∶8、温度60 ℃、豆粕质量20 g时，胶合强度最高，为0.75 MPa。胶合板的胶合强度指标达到了国家标准 GB/ T 9846—2015 中Ⅱ类胶合板的要求。

表5 胶合强度检测结果显著性分析

经过 SPSS 软件进行数据分析，如表5所示，在95 %的置信区间内，AGE∶MAA对应的Sig.值小于0.01，差异极显著，即AGE与MAA质量比对胶合强度的影响有极显著差异。豆粕质量的Sig.值小于0.05，差异显著，即豆粕质量对胶合强度的影响有显著差异。而温度的Sig.值为0.210，大于0.05，差异不显著。因此，AGE与MAA质量比对胶合强度的影响最大，其次是豆粕质量，对胶合强度有一定的影响。