基于長白山臭冷杉膠合板強度的水性異氰酸酯膠黏劑配比

蔡漢忠，牛笑一，徐國鋒，楊紹斌

(1.北華大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點實驗室，吉林 吉林　132013；2.吉林森工金橋地板集團有限公司，吉林 長春　130114)

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基于長白山臭冷杉膠合板強度的水性異氰酸酯膠黏劑配比

蔡漢忠1，牛笑一1，徐國鋒2，楊紹斌2

(1.北華大學(xué)木質(zhì)材料科學(xué)與工程重點實驗室，吉林 吉林132013；2.吉林森工金橋地板集團有限公司，吉林 長春130114)

用水性異氰酸酯膠黏劑壓制長白山臭冷杉膠合板，通過檢測膠合板的膠合強度，分析聚乙烯醇(PVA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、甲苯二異氰酸酯(TDI)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乳化劑用量等因素對水性異氰酸酯膠黏劑膠合性能的影響.利用正交試驗方差分析得出各影響因素間的主次關(guān)系為TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)>PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)>乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù).當(dāng)PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，水性異氰酸酯膠黏劑的膠合性能最好，膠合強度達(dá)到了0.79MPa.

甲苯二異氰酸酯；聚乙烯醇；木材膠黏劑；長白山臭冷杉

【引用格式】蔡漢忠，牛笑一，徐國鋒，等.基于長白山臭冷杉膠合板強度的水性異氰酸酯膠黏劑配比[J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，17(5)：697-700.

近年來，國內(nèi)外的木材加工和人造板企業(yè)多使用價格較低的“三醛膠”以及聚醋酸乙烯酯乳液，雖然這些膠黏劑是以水為溶劑的，但在使用過程中會釋放有害物質(zhì)(如游離醛、游離酚、丙烯酸等)，長時間接觸后會給人體造成極大危害.隨著人們生活水平的提高，環(huán)境保護意識不斷增強，新型膠黏劑的研究和使用被廣泛關(guān)注.制備具有良好耐水性的聚乙烯醇乳液，并混入甲苯二異氰酸酯(TDI)乳液制成耐水、耐潮性好，膠接強度高的環(huán)保型木材膠黏劑有著廣泛的市場[1-3].

水性高分子化合物、填料及乳膠是水性異氰酸酯膠黏劑(API)的主要成分，以含有多官能度的異氰酸酯化合物作為交聯(lián)劑，具有無甲醛釋放、無顏色污染、中性固化、耐水性能好、膠合強度高等特點，已成為目前常用的實木膠合膠黏劑.異氰酸酯分子設(shè)計靈活，可以通過改變化學(xué)結(jié)構(gòu)及原料，適應(yīng)不同的被膠合材料；異氰酸酯基(—NCO)化學(xué)性質(zhì)非常活潑，易與含氫化合物發(fā)生加成反應(yīng)，自聚合成二聚體及三聚體.目前，水性異氰酸酯膠黏劑通常采用聚乙烯醇(PVA)作為水性高分子基體樹脂，但聚乙烯醇在水中的溶解度有限，如果使用過量的水溶解PVA會消耗過多的異氰酸酯，從而使水性異氰酸酯膠黏劑的膠接強度及耐水性下降[4-7].本次試驗采用增溶PVA法制備水性異氰酸酯膠黏劑壓制臭冷杉膠合板，檢測膠合板的膠合強度，通過正交試驗探究PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個影響因素的主次關(guān)系，以獲得制備異氰酸酯膠黏劑的最佳配比.

1　試驗原料和方法

1.1試驗原料

甲苯二異氰酸酯(分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠)、OP(化學(xué)純，天津市永達(dá)化學(xué)試劑有限公司)、聚乙烯醇(分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司)、單板(臭冷杉，400mm×400mm×1.2mm，含水率8%).

1.2主要試驗儀器和設(shè)備

數(shù)顯全自動升降恒溫水浴鍋、電動攪拌器、電子分析天平、三口玻璃燒瓶、DV-C數(shù)顯粘度儀、干燥箱、平板硫化機、液壓式木材萬能試驗機.

1.3試驗方法

正交試驗設(shè)計，制備不同水性異氰酸酯膠黏劑壓制膠合板，檢測膠合板膠合強度，探究PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)及乳化劑水溶液用量各因素對膠合強度影響的主次關(guān)系，確定制備水性異氰酸酯的最佳配比.

1.3.1水性異氰酸酯膠黏劑的制備

聚乙烯醇乳液制備的主要反應(yīng)是異氰酸酯基在催化劑作用下與PVA分子鏈上的羥基反應(yīng)生成氨基甲酸酯，即甲苯二氨基甲酸聚乙烯醇酯：預(yù)熱水浴鍋，根據(jù)正交試驗設(shè)計稱取一定量的PVA和水，倒入三口瓶中，加上攪拌器、瓶塞，升溫至80 ℃，強烈攪拌1h，直至溶解；降溫至60 ℃加OP-10乳化，攪拌30min，反應(yīng)至乳白色；按照正交試驗設(shè)計加入一定量的TDI，緩慢滴加到乳液中，直至反應(yīng)結(jié)束；降溫至室溫出料即可，得到水性聚氨酯膠黏劑.

1.3.2膠合板制備

單板(臭冷杉)：400mm×400mm×1.2mm；制備三層膠合板，手工涂膠，單面涂膠量300～350g/m2，熱壓時間10min，熱壓溫度100 ℃.

1.3.3固含量測定

取干燥的玻璃皿放在分析天平上稱重，記下玻璃皿的質(zhì)量后清零；稱取適量水性異氰酸酯膠黏劑放入恒定溫度為120 ℃的干燥箱內(nèi)烘干，稱重，3次測量取平均值，記為該水性異氰酸酯膠黏劑的固體含量[8].測量結(jié)果見表1.

固含量R=(m-m1)/(m2-m1)×100%，式中：m為容器與干燥后樹脂質(zhì)量(g)；m1為容器質(zhì)量(g)；m2為容器與干燥前樹脂質(zhì)量(g).

表1　固含量測量結(jié)果

1.3.4黏度測定

根據(jù)測量的精度要求準(zhǔn)確控制被測液體的溫度為25 ℃，選擇并安裝64號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為30r/min，讓轉(zhuǎn)子慢慢降落浸入待測液體，當(dāng)轉(zhuǎn)子液面標(biāo)記被液體掩蓋時，停止下降并使其保持在現(xiàn)在位置，接通電源，按下開關(guān)，讓轉(zhuǎn)子在待測液體中勻速旋轉(zhuǎn)，時間控制在20～30s，待讀數(shù)穩(wěn)定后開始讀數(shù)[9].黏度測量結(jié)果見表2.

表2　黏度測定結(jié)果

2　試驗結(jié)果

2.1正交試驗設(shè)計

采用正交試驗來確定用水性異氰酸酯膠壓制長白山臭松膠合板的工藝條件，選用L9(33)正交表，試驗方案見表3.

表3　正交試驗方案

2.2工藝流程

在實驗室制取水性異氰酸酯膠黏劑，壓制長白山臭冷杉膠合板，放置72h后，裁制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，置于63 ℃水中蒸煮3h，冷卻10min后進行膠合強度試驗.

2.3膠合強度試驗前期準(zhǔn)備

找出表板緊面，將緊面朝外，按對稱原則配坯；制膠，取膠液于燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻；確定涂膠量，用毛刷方向一致地均勻涂芯板兩面；將涂膠后的板坯在室溫下陳化一段時間；確定熱壓工藝條件，進行熱壓；卸壓取板；給膠合板編號；按標(biāo)準(zhǔn)裁板件(100mm×25mm)，進行性能檢測.

2.4膠合強度測定

按GB/T9846—2015[10]標(biāo)準(zhǔn)制作膠合板試件及進行浸泡處理，見圖1.國家Ⅱ類膠合板處理條件：將試件浸泡在(63±3) ℃熱水中3h，取出后在室溫下冷10min后進行膠合強度測試.調(diào)整好木材萬能實驗機，檢測膠合強度.要求試件的縱軸與試驗機夾頭的軸線保持一致；試驗機夾頭的底端與鋸口的距離在5mm范圍內(nèi)；試件加荷速度均勻，最大破壞荷重的讀數(shù)應(yīng)精確到5N[11].

水性異氰酸酯膠黏劑壓制膠合板的膠合強度見表4.由表4可知：影響水性異氰酸酯膠黏劑膠合強度的3個因素的主次關(guān)系為TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)>乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù).TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膠黏劑膠合強度起決定性作用，原因在于TDI為多官能度，以水為主的膠黏劑成分向木材內(nèi)部滲透揮發(fā)時，異氰酸酯的消耗量最大；乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)起主要作用，其原因是乳化劑可以保護異氰酸酯基團不與水反應(yīng)；PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對膠合強度起較小的作用，除了作為膠黏劑的交聯(lián)基元外，還可以增加膠黏劑的黏性，改善不溶于水的交聯(lián)劑的分散性能，因此對膠合強度的影響程度比TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)要弱.由試驗可以明顯看出：在PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的配比下，制得的水性異氰酸酯膠黏劑壓制的長白山臭冷杉膠合板的力學(xué)性能最好，滿足GB/T9846—2015對Ⅱ類膠合板的要求.

表4　膠合強度

3　結(jié)　　論

1)通過正交試驗確定了3個因素影響水性異氰酸酯膠黏劑膠合性的主次關(guān)系：TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)>乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)>PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù).乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)起主要作用，其原因是乳化劑可以保護異氰酸酯基團不與水反應(yīng)；PVA作為膠黏劑的交聯(lián)基元，可以增加膠黏劑的黏性和改善不溶于水的交聯(lián)劑的分散性能，因此對膠合強度的影響程度比TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)要弱.

2)根據(jù)正交試驗可得出制備水性異氰酸酯膠黏劑的最佳配比：PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、TDI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，在此條件下制備的膠黏劑膠合性能最好，壓制的長白山臭冷杉膠合板膠合強度為0.79MPa，滿足GB/T9846—2015對Ⅱ類膠合板的要求.

3)按正交試驗制備的水性異氰酸酯膠黏劑，最小固含量為32.87%，最大為36.31%；最小黏度為2 400mPa·s，最大為2 850mPa·s.

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【責(zé)任編輯：郭偉】

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

吉林教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(2014197)；吉林省科技廳重點科技成果轉(zhuǎn)化項目(20140307026NY).

蔡漢忠(1976-)，男，講師，主要從事家居設(shè)計研究，E-mail:879620658@qq.com；

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

TQ433

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