液體石蠟微膠囊防水劑在纖維板中的應(yīng)用研究

黃平平，張 帆，杜文鑫，郭明輝

(東北林業(yè)大學(xué)，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040)

?

液體石蠟微膠囊防水劑在纖維板中的應(yīng)用研究

黃平平，張 帆，杜文鑫，郭明輝*

(東北林業(yè)大學(xué)，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040)

[目的]研究基于液體石蠟微膠囊所制備的防水劑在纖維板中的應(yīng)用。[方法]試驗(yàn)分為2個(gè)部分，第1部分：以液體石蠟為芯材，明膠為壁材，采用單凝聚法制備微膠囊防水劑；第2部分：以微膠囊防水劑、木質(zhì)素、木纖維為填料，熱壓成纖維板，并測(cè)試其各項(xiàng)物理力學(xué)性能。 [結(jié)果]添加微膠囊防水劑的纖維板較不添加任何防水劑的纖維板和添加液體石蠟防水劑的纖維板力學(xué)性能指標(biāo)高。在微膠囊防水劑添加量為4%時(shí)的纖維板防水性能和力學(xué)性能均相對(duì)優(yōu)良。[結(jié)論]微膠囊防水劑在提高了纖維板防水性能的同時(shí)保證了其各項(xiàng)力學(xué)性能。

石蠟微膠囊；纖維板；防水劑

纖維板擁有結(jié)構(gòu)致密、表面強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，但纖維板大部分的使用環(huán)境對(duì)防水性都有一定的要求?，F(xiàn)有纖維板生產(chǎn)中主要以固體石蠟、乳化石蠟等為防水劑[1]。

微膠囊化技術(shù)實(shí)際上就是將離散的固體物質(zhì)、液體或氣體致密地包裹在封閉的壁殼結(jié)構(gòu)內(nèi)[2]，其作為一種新型技術(shù)手段，應(yīng)用于防水劑的制備，可以在提高纖維板防水性的同時(shí)，隔絕石蠟防水劑與纖維間的接觸，達(dá)到盡量不影響膠接強(qiáng)度的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)液體石蠟，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；明膠粉末，化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；OP-10乳化劑，HLB值：14.5，化學(xué)純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

(2)木質(zhì)素磺酸銨，黃褐色粉末，工業(yè)級(jí)，沈陽(yáng)興正和化工有限公司；木質(zhì)纖維，雜木纖維，組分為東北地區(qū)的紅松、落葉松、楊木等，含水率低于5%，纖維形態(tài)20～80目，大興安嶺恒友家具集團(tuán)有限公司；過(guò)氧化氫、硫酸亞鐵、硫酸均為分析純，購(gòu)于哈爾濱凱美斯科技有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備塑料壓力成型機(jī)(SL-6，哈爾濱特種塑料制品有限公司)、 微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(RG7-20A，深圳市瑞格爾儀器有限公司)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9140A，上海益恒實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、增力電動(dòng)攪拌器(JJ-1，江蘇城西曉陽(yáng)電子儀器廠)、高速混合機(jī)(SHR-10A，張家港市通沙塑料機(jī)械有限公司)、精密裁板鋸(MJ-90，沈陽(yáng)寶山木工設(shè)備廠)、傅里葉變換紅外光譜儀(6700 FT-IR，美國(guó)Thermo Fisher Scientific Nicolet公司)、熱重分析儀(TG-209型，德國(guó)NETZSCH公司)、掃描電鏡(FEI Quanta200，美國(guó)FEI公司)、X射線(xiàn)衍射儀(D/MAX 2200型，日本理學(xué)公司)。

1.3 研究方法

1.3.1微膠囊防水劑的制備。將一定比例的明膠粉末與蒸餾水混合，40 ℃水浴，并攪拌至固體顆粒完全溶于水溶液中，同時(shí)將OP-10乳化劑與液體石蠟混合，并高速攪拌，乳化25 min，至乳化液分散均勻。將完全乳化的芯材液體石蠟乳化液與充分溶解的壁材明膠混合，并高速攪拌，使兩者充分混合均勻，配制一定量的促凝劑乙醇加入混合液，降低轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌30 min，滴入氫氧化鈉溶液至溶液pH處于8～9[3]，并置于冰水浴中固化30 min以上[4]，將少量的甲醛溶液加入混合溶液，攪拌均勻，同時(shí)加入少許硫酸鈉將過(guò)量甲醛除去，得微膠囊懸濁液，通過(guò)抽濾去除清液，得到的濾餅經(jīng)真空烘干、粉碎得微膠囊粉末。使用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)微膠囊的化學(xué)官能團(tuán)變化進(jìn)行探究。其中相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)為芯壁比為1∶3，攪拌速率600～800 r/min，乳化劑含量4%，沉淀劑含量55%[5]。

1.3.2防水型纖維板的制備與性能測(cè)試。纖維板制備的工藝流程見(jiàn)圖1。其中相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)為自制模具尺寸為200 mm×200 mm，厚度采用厚度規(guī)控制，板材設(shè)定厚度為5 mm，密度為0.8 g/cm3，經(jīng)熱壓機(jī)預(yù)壓時(shí)間為1 min，熱壓時(shí)間為7 min，熱壓采用三段式加壓法，熱壓壓力設(shè)為5～6 MPa，熱壓溫度160 ℃。將按照標(biāo)準(zhǔn)制得的試樣分別編號(hào)：1號(hào)樣品板未添加任何防水劑、2號(hào)樣品板添加1%液體石蠟防水劑、3號(hào)樣品板添加2%微膠囊防水劑、4號(hào)樣品板添加4%微膠囊防水劑及5號(hào)樣品板添加6%微膠囊防水劑，將每個(gè)編號(hào)的樣品按國(guó)標(biāo)GB/T 11718-2009規(guī)格剪裁制成3組平行試樣，在之后的每階段分別測(cè)試并取平均值。

圖1 纖維板制備流程

2 結(jié)果與分析

2.1 微膠囊防水劑性能分析 分別對(duì)囊壁明膠、囊芯液體石蠟及石蠟微膠囊的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(圖2)。微膠囊試

樣特征譜圖中一方面涵蓋了壁材(明膠)特征吸收峰(3 274 cm-1、1 120 cm-1和602 cm-1)，另一方面又包括芯材(液體石蠟)特征吸收峰(2 919 cm-1、2 850 cm-1和1 455 cm-1)，可以表征石蠟-明膠微膠囊的物相是由壁材(明膠)和芯材(液體石蠟)共同構(gòu)成的[6-7]。

2.2 微膠囊防水型纖維板性能分析

2.2.1纖維板力學(xué)性能分析。由表1可知，各樣品板的靜曲強(qiáng)度和彈性模量并無(wú)顯著差異，但添加6%微膠囊的樣品板靜曲強(qiáng)度和彈性模量略高于其他板材；微膠囊添加量的差異會(huì)導(dǎo)致樣品板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生不同，4號(hào)樣品板較3號(hào)和5號(hào)樣品板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度略高，分析液體石蠟添加量為4%時(shí)，樣品板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度較好。

圖2 紅外光譜特征曲線(xiàn)

綜上所述，添加微膠囊防水劑的樣品板較不添加任何防水劑的樣品板和添加石蠟防水劑的樣品板力學(xué)指標(biāo)略高， 分析可能為壁材明膠有一定的膠粘特性，增強(qiáng)了纖維之間的連接。

表1 樣品板力學(xué)性能

2.2.2纖維板吸水厚度膨脹率分析。由表2可知，當(dāng)微膠囊的添加量為4%時(shí)防水效果達(dá)到最佳，此時(shí)纖維板的防水性能強(qiáng)于添加1%液體石蠟防水劑纖維板的防水性能，但當(dāng)微膠囊防水劑的添加量為2%和6%時(shí)，其防水性能略低于添加1%液體石蠟的纖維板；纖維板的2 h沸水吸水厚度膨脹率隨微膠囊防水劑添加量的增加而減小，在添加量為4%和6%時(shí)變化不明顯，但添加量為2%時(shí)的2 h沸水吸水厚度膨脹率高于添加1%液體石蠟防水劑的纖維板。

表2 樣品板吸水厚度膨脹率

2.2.3纖維板X(qián)-射線(xiàn)衍射能譜(XRD)分析。比較分析各樣品板的X射線(xiàn)衍射譜圖(圖3)可以看出，未添加任何防水劑的樣品板和添加微膠囊防水劑的樣品板出現(xiàn)衍射峰處的橫坐標(biāo)基本一致，分別為16.4°和22.7°。分析得到，在纖維板熱壓過(guò)程中，并未出現(xiàn)新的衍射峰值，是因?yàn)槔w維板經(jīng)過(guò)熱壓其晶型結(jié)構(gòu)沒(méi)有產(chǎn)生新的變化，仍為天然纖維素的晶型結(jié)構(gòu)。添加微膠囊防水劑不改變纖維素的晶型結(jié)構(gòu)，但減少了熱壓過(guò)程中對(duì)纖維本身結(jié)晶度的影響[8]。

通過(guò)計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度得出，不添加任何防水劑的樣品板相對(duì)結(jié)晶度為65.4%，添加微膠囊防水劑樣品板的相對(duì)結(jié)晶度為68.7%，纖維板添加微膠囊防水劑后相對(duì)結(jié)晶度提高了3.3個(gè)百分點(diǎn)，有利于提高纖維板的尺寸穩(wěn)定性和物理力學(xué)強(qiáng)度等性能。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)微膠囊傅里葉變換紅外光譜檢測(cè)結(jié)果分析得出，該試驗(yàn)可制備出明膠-液體石蠟微膠囊防水劑。

(2)添加微膠囊防水劑的樣品板較不添加任何防水劑的樣品板和添加液體石蠟防水劑的樣品板力學(xué)性能指標(biāo)高。

(3)當(dāng)微膠囊的添加量為4%時(shí)的2 h沸水吸水厚度膨脹率和24 h吸水厚度膨脹率最小，且小于添加1%液體石蠟的纖維板。

(4)在微膠囊防水劑的添加量為4%時(shí)的纖維板防水性能和力學(xué)性能均相對(duì)優(yōu)良，在提高了纖維板防水性能的同時(shí)保證了其各項(xiàng)力學(xué)性能。

圖3 樣品板X(qián)RD衍射圖

[1] 曲英林.中密度纖維板行業(yè)應(yīng)用防水劑現(xiàn)狀淺析[J].農(nóng)村實(shí)用科技信息，2010(6)：72.

[2] 王東輝，趙裕蓉.微膠囊的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].化工新型材料，1999(7)：11-14.

[3] 舒昌達(dá)，何軍，唐文淦.微囊包膜胰島細(xì)胞移植研究——Ⅰ微囊人工膜的制備及其性能研究[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，1986(2)：123-126.

[4] 冷延國(guó).明膠微膠囊化技術(shù)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，1999.

[5] 宋健，劉東志，張?zhí)煊?微膠囊及微膠囊化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，1999(1)：42-44，7.

[6] 左演聲.材料現(xiàn)代分析方法[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[7] 嚴(yán)金龍，聶福禮.鞣性金屬—明膠固體絡(luò)合物的紅外光譜[J].皮革化工，2006，15(4)：8-10.

[8] 陳文帥，于海鵬，劉一星，等.木質(zhì)纖維素納米纖絲制備及形態(tài)特征分析[J].高分子學(xué)報(bào)，2010(11)：1320-1325.

The Application of Paraffin Microcapsule Waterproof Agent in Fiberboard

HUANG Ping-ping, ZHANG Fan, DU Wen-xin, GUO Ming-hui*

(Key Laboratory of Biomass Materials Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

[Objective] The research aimed to explore the application of paraffin microcapsule waterproof agent in fiberboard. [Method] The test is divided into two parts, the one is using single condensation technique, with gelatin as wall material and paraffin wax as the core material preparation of microcapsules. The other one is using microcapsule waterproofing agent, lignin, and wood fiber as the filler, hot pressing into fiberboard, and test their various physical and mechanical properties. [Result] The physical and mechanical performance index of fiberboard with microcapsule waterproofing agent is better than the fiberboard with no waterproofing agent and the fiberboard with paraffin waterproofing agent. [Conclusion] The microcapsule waterproofing agent not only can improve waterproofness, but also ensure mechanical performance of fiberboard.

Paraffin microcapsule; Fiberboard; Waterproofing agent

林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201404506)。

黃平平(1989- )，女，黑龍江五常人，碩士研究生，研究方向：木材科學(xué)與技術(shù)研究。*通訊作者，教授，博士，從事木材科學(xué)與技術(shù)研究。

2014-11-28

S 784

A

0517-6611(2015)02-188-03