基于非織造工藝的新型綠色黃麻中密度纖維板試制

邱亞健,張初陽，2

(1.東華大學，上海 201620;2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046)

基于非織造工藝的新型綠色黃麻中密度纖維板試制

邱亞健1,張初陽1，2

(1.東華大學，上海 201620;2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 830046)

文章以栲膠粉末為原料，使用烏洛托品作為固化劑制備綠色環(huán)保樹脂。從固化機理上改善了傳統(tǒng)酚醛樹脂制備及使用過程中的甲醛釋放問題。運用配置得到的樹脂浸漬黃麻針刺非織造材料，然后在平板硫化機上采用熱壓工藝制備綠色黃麻中密度纖維板。

栲膠；黃麻；非織造材料；綠色復合材料；中密度纖維板

復合材料所使用的樹脂多為石油基，諸如聚丙烯、聚酯，而傳統(tǒng)酚醛樹脂也一直因為在生產(chǎn)和使用的過程中或多或少地產(chǎn)生有毒氣體甲醛，成為其在室內(nèi)裝飾材料無法忽視的短板。因此，綠色復合材料一直是材料科學中相對較為熱門的研究方向。

栲膠是從樹皮中提取出的天然單寧提取物。植物單寧廣泛存在于各類植物中，其重要化學成分為聚合型多酚分子，其分子量在500～3000[4]。

黑荊樹皮中含有大量的濃縮型單寧(分子式見圖1)，早期用于制革業(yè)的鞣革固化工藝中。到了20世紀70年代，Pizzi等人利用濃縮型單寧分子中，A環(huán)上間苯二酚的類似結(jié)構(gòu)，使其與甲醛、苯酚反應(yīng)制備栲膠改性酚醛樹脂，拓展了栲膠木材粘合劑領(lǐng)域的應(yīng)用。S.Jahanshaei在傳統(tǒng)酚醛樹脂生產(chǎn)過程中加入栲膠，發(fā)現(xiàn)制成的碎料板雖然機械性能略有下降，但甲醛釋放量明顯下降[5]。其后Bisanda等人使用金合歡樹栲膠樹脂與脲醛樹脂制備的碎料板進行性能對比，栲膠樹脂在彎曲測試和耐水性測試中表現(xiàn)均優(yōu)于脲醛樹脂[6]；在20世紀90年代研究發(fā)現(xiàn)，濃縮型單寧中A環(huán)的強親核性作用下，烏洛托品分解的中間產(chǎn)物即可以完成固化反應(yīng)[7]。因此，相比傳統(tǒng)酚醛樹脂制備過程，固化時間得以大大縮短，避免了材料生產(chǎn)過程中甲醛的產(chǎn)生。進入21世紀之后，A.Sauget，運用這一固化原理，制備獲得亞麻增強栲膠樹脂復合材料[8]，之后J.Zhu等人進一步研究了不同纖維結(jié)構(gòu)增強體對這種綠色復合材料機械性能的影響。

圖1　濃縮型單寧有效成分最小單元

本文以黑荊樹栲膠為原料，使用烏洛托品作為固化劑制備綠色環(huán)保樹脂。運用配制的樹脂浸漬黃麻針刺非織造材料，后在平板硫化機上采用熱壓工藝制備綠色黃麻中密度纖維板。本試驗結(jié)合紅外光譜分析樹脂具體固化過程；通過拉伸性能、彎曲性能測試確定復合材料最佳成型工藝，分析不同纖維體積含量對復合材料性能的影響；對材料進行24h吸水脹大測試，用來評定新型纖維板的具體應(yīng)用領(lǐng)域。

1　材料與方法

1.1材料

黃麻纖維，栲膠，烏洛托品，蒸餾水。

1.2儀器設(shè)備

Rando-Web氣流成網(wǎng)機、預(yù)針刺機、恒溫水浴鍋、電子天平、電動攪拌器、真空泵、平板硫化機、尼高力Nexus670紅外拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡、萬能強力機、烘箱、燒杯等。

1.3試驗方法

1.3.1黃麻針刺非織造氈的制備

試驗中的黃麻針刺非織造材料是在東華大學非織造實驗室制備。不經(jīng)處理的黃麻纖維被切成平均長度22mm的短纖維，經(jīng)過開松工藝后，通過氣流成網(wǎng)機鋪網(wǎng)，獲得成卷的克重約為175g/m2的蓬松纖網(wǎng)。成卷的蓬松纖維網(wǎng)分切成小塊后，逐層疊加，送入預(yù)針刺機，針刺加固成非織造纖維氈。通過控制疊放層數(shù)不同，獲得不同克重的針刺氈。試驗中針刺纖維氈的參數(shù)見表1。

表1　黃麻針刺纖維氈克重參數(shù)

1.3.2栲膠樹脂溶液的調(diào)配

黑荊樹栲膠粉末由Seta公司生產(chǎn)。取適量的黑荊樹栲膠，加入的一定量蒸餾水后，在40℃的恒溫水浴鍋中高速攪拌，調(diào)制出栲膠質(zhì)量分數(shù)為40%的栲膠水溶液。稱取相當于栲膠干重10%的烏洛托品，將其充分溶解于蒸餾水，獲得質(zhì)量分數(shù)為33%的溶液。將烏洛托品溶液加入栲膠溶液中，繼續(xù)攪拌10min，即可獲得栲膠樹脂溶液。

1.3.3黃麻復合材料的成型制備

制得的栲膠樹脂溶液粘度低，大約為57cP，為使樹脂更為均勻地浸漬黃麻纖維氈，黃麻非織造氈被預(yù)先封入模具中，通過真空泵抽真空將栲膠樹脂抽入模具中。這樣的工藝可以大大減少栲膠樹脂的過分浸漬，避免熱壓過程中多余樹脂溶液的溢流。完成浸漬的預(yù)浸件從模具中取出，在空氣中陰干12h后，在平板硫化機上進行熱壓成型。因為栲膠樹脂中的水分在100℃以上的固化過程中，以水蒸氣形式排出，故而采用了圖2所示的熱壓加工循環(huán)完成復合材料的成型[9]。通過使用一定寬度的平鍵銷控制熱壓厚度，以得到厚度一致的板材，本次實驗中成型的復合材料的平均厚度為2.15mm。

圖2　熱壓工藝的壓力參數(shù)

1.3.4機械性能測試(拉伸 彎曲)

參照GB/T1447—2005纖維增強塑料拉伸性能測試方法進行黃麻/栲膠復合材料拉伸性能測試。將黃麻/栲膠復合材料裁剪成250mm×25mm的試樣，每種材料各取5塊測試，試驗結(jié)果取平均值。參照GB/T1449—2005纖維增強塑料彎曲性能測試方法進行黃麻/栲膠復合材料三點彎曲性能測試，將材料裁剪成60mm×15mm的試樣，每種材料各取5塊測試，試驗結(jié)果取平均值。

1.3.524h吸水脹大實驗

根據(jù)EN622-3中密度纖維板測試標準，將材料裁剪成5mm×5mm的試樣。測量材料的厚度后，完全浸入蒸餾水中，用細鋼絲撥去材料表面的氣泡，靜置24h取出，擦去表面水分后，再次測量材料厚度。

2　結(jié)果與討論

2.1栲膠樹脂固化原理分析

栲膠、烏洛托品和已固化的栲膠樹脂分別進行紅外光譜測試，紅外光譜圖如圖3所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，1490和1433作為C=C鍵的特征

峰，在固化反應(yīng)之后強度明顯減弱，表明A環(huán)上的取代物增加[10]。這是由于烏洛托品分解的中間產(chǎn)物與具有極強親核性的A環(huán)反應(yīng)，取代A環(huán)上C6，C8位上的氫。其中的1145和960cm-1處的衍射峰代表A環(huán)上間苯二酚類似結(jié)構(gòu)上的C-O和O-H鍵，在反應(yīng)后消失。栲膠樹脂在1084和1015cm-1新出現(xiàn)的峰是C-N鍵所致，可以推斷是反應(yīng)中，產(chǎn)生的芐胺橋，形成栲膠栲膠之間由芐胺橋連接的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖3　烏洛托品，栲膠，固化栲膠樹脂的紅外譜圖

2.2最佳熱壓溫度研究

根據(jù)相關(guān)文獻[11]，栲膠與烏洛托品在120℃左右完成固化反應(yīng)，黃麻纖維在150℃以上機械性能開始下降，故選擇130℃，140℃，150℃三個溫度進行試驗，確定最佳反應(yīng)溫度。熱壓成型完成后，對材料的拉伸及彎曲性能進行測試，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可見，拉伸及彎曲性能都呈現(xiàn)下降趨勢。相比之下，模量下降幅度更為明顯，拉伸模量從758MPa下降到440MPa，而彎曲模量由1888MPa下降到1139MPa。這是由于較高溫度下，黃麻本身的模量開始下降，直接導致材料模量的下降。所以成型的最佳工藝溫度為130℃。

圖4　不同成型溫度材料機械性能

2.3纖維含量對機械性能的影響

為了更全面地分析機械性能結(jié)果，根據(jù)公式1和公式2計算出制備的復合材料纖維體積含量和孔隙率。具體參數(shù)見表2。兩個公式中，Vf為纖維體積含量，Vv為復合材料空隙率，wf為復合材料中纖維重量，wm為栲膠樹脂重量，ρf為纖維密度，ρm為樹脂密度，ρct為復合材料理論密度，ρce為復合材料實際密度。

(1)

(2)

結(jié)合表2和圖5，隨著纖維含量由25.5%增長到47.81%，MD和CD方向上的拉伸強度均有增長，當纖維含量進一步增至56.9%時，強度略有下降。由于非織造氈針刺加固屬于預(yù)針刺，纖維氈本身沒有強度，所以復合材料的強度主要來自于栲膠樹脂本身強度和栲膠樹脂與黃麻纖維之間的粘結(jié)力。在纖維含量較低時，纖維樹脂界面少，樹脂沒有得到纖維的有效增強；隨著纖維含量的提升，樹脂得到纖維更好的增強。達到最大值后，進一步增加的纖維量，沒有足夠的樹脂粘結(jié)纖維并有效地傳遞材料內(nèi)部載荷。從而強度在出現(xiàn)峰值后開始下降。相同的性能趨勢也出現(xiàn)在材料彎曲強度規(guī)律中，而略有不同的是彎曲測試中的峰值出現(xiàn)在纖維含量為35.82%的這個類別里。從數(shù)值上看，全系列的復合材料彎曲強度均達到了歐盟一般非承重用中密度纖維板彎曲強度12MPa的要求；而纖維含量為35.82%這一組成品的彎曲強度更是達到了干態(tài)承重中密度纖維板的彎曲強度和彎曲剛度的要求。

表2　復合材料基本參數(shù)

圖5　不同纖維含量復合材料機械性能

2.4材料耐水性能分析

中密度纖維板根據(jù)不同的耐水性能，可以分為室內(nèi)用和室外用兩種。本試驗中不同類型材料的吸水脹大試驗結(jié)果見表3，據(jù)此確定這種材料的應(yīng)用范圍。結(jié)合材料的空隙率，空隙率小的材料吸水脹大百分比明顯較小。采用克重為407g/cm2和624g/cm2的非織造氈制得的復合材料因為空隙率明顯小于其他各組，對應(yīng)的吸水脹大率都小于10%，遠低于空隙率在50%以上材料的吸水脹大率。這是因為空隙越多，更多的水分也會進入材料內(nèi)部，從而改變材料的尺寸。同時在空隙率相對差值較小的三組中，隨著纖維含量的上升，吸水脹大率也隨之上升，這個原因歸結(jié)為纖維素纖維本就具有親水性，隨著黃麻含量的增加，吸水量也會有小幅上升。

表3　24 h吸水脹大實驗結(jié)果

3　結(jié)論

本課題通過對栲膠樹脂固化原理的分析，以及黃麻/栲膠中密度纖維板的制備工藝探究，最后對材料的基本性能測試這一系列的試驗研究，得出以下結(jié)論：

3.1栲膠樹脂從機理上解決了傳統(tǒng)酚醛樹脂的甲醛釋放問題，這種新型樹脂得以有較好的發(fā)展前景。

3.2對于黃麻中密度纖維板的熱壓工藝，130℃是最佳工藝溫度。

3.3隨著中密度纖維板中纖維含量的增加，材料的拉伸及彎曲性能都遵循先提高后下降的趨勢。

3.4中密度纖維板的耐水性能隨纖維含量提高而下降，隨著材料孔隙率的上升而下降。

3.5試驗制品中，纖維含量為35.8%～47.81%的密度板，彎曲性能及拒水性能符合歐盟中密度纖維板質(zhì)量標準EN622-3，可見隨著工藝精度和設(shè)備能力的提高，此類材料有望被應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。

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ANewGreenJuteMiddleDensityFiberboardBasedonNonwovenProcess

Qiu Yajian1, Zhang Chuyang1,2

(1.DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Anewkindofgreenresinwasmadefromtanninextractssolutionbyaddinghexamine,whichwasservedasacuringagent.Duetoitsuniquereactionmechanism,therewasnoformaldehydeemissionduringmanufacturingprocessandapplication.Resinimpregnatedjutenonwovenswereprocessedbyusinghotpressmachinetoformfinalcomposites.

tanninextracts;jute;nonwovens;greencomposites;middledensityfiberboard

2015-01-14

邱亞健(1990—)，男，安徽安慶人，碩士研究生。

TS179

A

1009-3028(2015)02-0047-05