聚乙烯醇對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水性能的影響研究?

蘇 玲 徐玉蘭 任天愉 龐久寅

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670；2.北華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林省吉林市 132013）

脲醛樹脂（UF）因其性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、可操作性強(qiáng)，成為我國(guó)木材工業(yè)中用量最大的膠黏劑品種[1]。目前，我國(guó)生產(chǎn)的脲醛樹脂膠黏劑基本為液體膠，液體脲醛膠儲(chǔ)存期一般為1～2 個(gè)月，極易造成浪費(fèi)。粉狀脲醛樹脂膠與液體脲醛樹脂膠相比，貯存期長(zhǎng)，可達(dá)1～2 年，利于集中生產(chǎn)，而且便于運(yùn)輸，可大大降低包裝成本和運(yùn)費(fèi)。粉狀脲醛樹脂越來越受到市場(chǎng)的青睞[2-5]。粉狀脲醛樹脂一般由聚合物乳液通過噴霧干燥方法制得[6-7]。噴霧干燥時(shí)，以黏度大、流動(dòng)性差、軟化點(diǎn)低、難干燥的脲醛乳液為原料，中間體黏度越大，其霧化程度越難，所得產(chǎn)品粒度大，產(chǎn)量低，且難溶于水；中間體黏度太小，其分子量太小，反應(yīng)不完全，噴霧干燥時(shí)，較易霧化，但反應(yīng)不完全，膠粉得率低，游離醛含量明顯增加[8]。因此噴霧干燥制得的粉狀脲醛樹脂膠往往存在不易復(fù)水的現(xiàn)象。目前相關(guān)研究主要集中在脲醛樹脂結(jié)構(gòu)、低甲醛釋放的脲醛樹脂、改性脲醛（UF）樹脂等方面[9]，對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水研究較少。有學(xué)者通過噴霧干燥方式制備粉狀三聚氰胺脲醛樹脂（MUF），對(duì)其水溶性、分子結(jié)構(gòu)、膠結(jié)性能等進(jìn)行研究。通過單層刨花板膠合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴霧干燥前后的樹脂性能無明顯差異，表明噴霧干燥的MUF樹脂不影響?zhàn)ず腺|(zhì)量和性能，可以儲(chǔ)存粉狀形式的MUF樹脂；噴霧干燥時(shí)膠液濃度和干燥溫度均對(duì)粉狀三聚氰胺脲醛樹脂膠的溶解性能有影響，其中溫度過高可能導(dǎo)致溶液發(fā)生聚合，提前固化，致使粉狀三聚氰胺脲醛樹脂膠不溶解，不能用作黏合劑；該研究制備的粉狀三聚氰胺脲醛樹脂需在40～50 ℃水溫中才能溶解[10]。

聚乙烯醇(PVA)為白色粉末狀水溶性高分子樹脂，無毒無害，被廣泛用作黏合劑[11-13]。水溶性高分子材料大多具有表面活性，可以降低水的表面張力，有助于水對(duì)固體的潤(rùn)濕，對(duì)顏料、粘土、填料等物質(zhì)在水中的分散有利，而且水溶性高分子可以吸附在已分散固體顆粒的表面，阻止顆粒的相互聚集[14-15]。

本研究通過加入水溶性高分子聚乙烯醇以改善粉狀脲醛樹脂的復(fù)水性能，研究聚乙烯醇對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠的黏度、沉降性的影響，并以樹脂固體含量、聚乙烯醇加入量、固化劑量為變量，通過正交試驗(yàn)研究上述因素對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠膠合強(qiáng)度的影響，確定了適宜的樹脂固體含量、固化劑與聚乙烯醇的加入量。本研究聚焦于改善粉狀脲醛樹脂復(fù)水性能，對(duì)于促進(jìn)高性能環(huán)保粉狀脲醛樹脂膠黏劑的專業(yè)化生產(chǎn)、人造板產(chǎn)品的生產(chǎn)與使用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

山楊（Populus davidiana）單板（400 mm×400 mm×1.5 mm）, 吉林市榮升木業(yè)有限責(zé)任公司；4405 粉狀脲醛樹脂（工業(yè)級(jí)），太爾膠粘劑（廣東）有限公司；98%無水乙醇（C2H6O，分析純），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；90%乙酸乙酯（C4H8O2，分析純），遼寧泉瑞試劑有限公司；99%氯化銨（NH4Cl，分析純），沈陽(yáng)市華東試劑場(chǎng)；36%鹽酸（HCl，工業(yè)級(jí)），天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；1788 聚乙烯醇，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；工業(yè)面粉（工業(yè)級(jí)），天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；工廠脲醛液體膠（摩爾比2.0，固體含量50%，工業(yè)級(jí)）。

1.2 設(shè)備

數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-1），金壇市富華儀器有限公司；密增力電動(dòng)攪拌器（JJ-1A），金壇市富華儀器有限公司；分析天平（FA2004），上海越平科學(xué)儀器有限公司；電子天平（TD12001），金姚市金諾天平儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-90），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；平板硫化機(jī)（XLB-D），湖州順力橡膠機(jī)械有限公司；精密推臺(tái)踞（MJ6132D），新馬木工機(jī)械設(shè)備有限公司；液壓式木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（WDW-100E），濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司。

1.3 粉狀脲醛樹脂膠黏劑制備及其基本性能測(cè)定

1.3.1 聚乙烯醇改性粉狀脲醛樹脂液體膠制備

稱取100 g粉狀脲醛和100 g蒸餾水加入三口燒瓶中，固定在鐵架臺(tái)上，放入30 ℃恒溫水浴鍋中，設(shè)置轉(zhuǎn)數(shù)200 r/s，加熱攪拌30 min，粉狀脲醛與蒸餾水充分混合后，即得固體含量50%粉狀脲醛樹脂膠，標(biāo)記為1號(hào)膠。按照同樣方法，加入120 g粉狀脲醛和80 g蒸餾水，制備固體含量60%粉狀脲醛樹脂膠，標(biāo)記為2號(hào)膠。加入140 g粉狀脲醛和60 g蒸餾水，制備固體含量70%粉狀脲醛樹脂膠，標(biāo)記為3號(hào)膠。從1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)膠液中分別取同樣質(zhì)量的膠液于3個(gè)瓶中，瓶中分別加入3%、5%、10%聚乙烯醇，標(biāo)號(hào)為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)，靜置備用。將工廠液體脲醛樹脂膠標(biāo)記為7號(hào)，其固體含量約為50%。

1.3.2 聚乙烯醇加入前后粉狀脲醛樹脂液體膠黏度測(cè)定

取7個(gè)干凈的燒杯并標(biāo)號(hào)，從7個(gè)標(biāo)號(hào)的液體膠中分別取一定量的膠，分別放入燒杯中。將7個(gè)燒杯放入30 ℃恒溫水浴槽內(nèi)，使膠液溫度達(dá)到30 ℃，攪拌均勻。用涂-4杯測(cè)定液體膠黏度。每個(gè)標(biāo)號(hào)的樣品平行測(cè)定3次，計(jì)算平均值。用此方法將其余6組依次進(jìn)行測(cè)定，記錄讀數(shù)。

1.3.3 聚乙烯醇加入前后粉狀脲醛樹脂液體膠沉降性能測(cè)定

取1 000 mL量筒，量筒內(nèi)加入1 000 mL蒸餾水，保持量筒水面上部分內(nèi)壁干燥。稱取2 g脲醛樹脂膠料試樣，放入水中同時(shí)按下秒表，記錄樣品下沉至500 mL處所需時(shí)間，每個(gè)樣品重復(fù)3次，計(jì)算平均值[16-19]。1-7號(hào)樣品按照以上方法進(jìn)行測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按正交試驗(yàn)L9（34）設(shè)計(jì)9次試驗(yàn)，以膠合強(qiáng)度為主要考察指標(biāo)，選取液體膠固體含量、氯化銨加入量和聚乙烯醇加入量為影響因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平。正交試驗(yàn)因素與水平見表1，設(shè)計(jì)方案見表2。按設(shè)計(jì)方案制備膠黏劑，并壓制膠合板。

表1 正交試驗(yàn)L 9(3 4)因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal array design

表2 正交試驗(yàn)方案Tab.2 Orthogonal test scheme

1.5 膠合板制備

采用不同因素條件制得的粉狀脲醛樹脂液體膠制備三層膠合板。取27 張楊木單板，3 張一組，分別標(biāo)號(hào)1～9 組。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在不同固體含量的液體膠中加入相應(yīng)的固化劑氯化銨、親水膠體聚乙烯醇以及適量面粉（面粉加入量為膠液的10%），攪拌均勻。將調(diào)配好的膠黏劑均勻涂布于三層膠合板芯板的正反兩面，組坯后在室溫下放置15 min，然后將板坯放入平板硫化機(jī)熱壓[20-24]。熱壓工藝參數(shù)：溫度110 ℃，壓力1.0 MPa，時(shí)間300 s，單面涂膠量220 g/m2。熱壓完成后取出膠合板，檢查膠合板是否有鼓泡、破損等損壞現(xiàn)象，并記錄標(biāo)號(hào)。采用上述方式重復(fù)試驗(yàn)，得到9 組膠合板。另取3 張楊木單板，使用同樣方法調(diào)配工廠液體脲醛樹脂膠（固化劑加入量為膠液的0.5%，面粉加入量為膠液的10%），在同樣熱壓工藝下制備膠合板，標(biāo)號(hào)第10 組。

1.6 膠合強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)GB/T 9846—2015《普通膠合板》中Ⅱ類膠合板的檢測(cè)方法檢測(cè)膠合強(qiáng)度。

按照?qǐng)D1所示鋸取試件，用液壓式木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件膠合強(qiáng)度。平行試驗(yàn)3 次，每次試樣為 10個(gè)，取結(jié)果的算術(shù)平均值，結(jié)果之差不大于0.3 MPa。

圖1 膠合強(qiáng)度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件圖示Fig.1 Illustration of standard specimens for bonding strength testing

試件膠合強(qiáng)度計(jì)算：

式中：P為最大破壞荷重，N；A為試件剪斷的實(shí)際寬度，mm；B為試件剪斷面的實(shí)際長(zhǎng)度，mm；S為試件的膠合強(qiáng)度，N/mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚乙烯醇對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠黏度的影響

由表3中1、2、3號(hào)數(shù)據(jù)可知，同一種類型的膠黏劑，固體含量越高，膠黏劑的黏度越大，粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠固體含量為70%時(shí)黏度可達(dá)37.22 s。將1、2、3 號(hào)膠黏劑與7 號(hào)固體含量為50%的工廠液體膠對(duì)比可知，在一定固體含量范圍內(nèi)，工廠液體膠的黏度大于粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠黏度。由4、5、6 號(hào)數(shù)據(jù)可知，加入聚乙烯醇后有助于提高復(fù)水后膠黏劑的黏度，這是由于加入聚乙烯醇不僅提高了膠黏劑的固體含量，膠黏劑的分子量也得到提高，分子量增大可提高液體的黏度。當(dāng)聚乙烯醇加入量為10%時(shí)，固體含量為70%的復(fù)水樹脂膠黏劑黏度可達(dá)47.92 s。以上分析說明，加入一定量的聚乙烯醇可提高粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的黏度，但聚乙烯醇加入量為10%時(shí)，仍然低于固體含量為50%的工廠液體膠的黏度。

表3 30 ℃時(shí)不同固體含量膠黏劑的黏度Tab.3 Viscosity test results with different solid content at 30 ℃

2.2 聚乙烯醇對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠沉降性的影響

膠樣在水溶液中沉降快，在一定程度上說明膠樣穩(wěn)定性差[25]。由表4 中1、2、3 號(hào)數(shù)據(jù)可知，粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠固體含量越高，膠黏劑在水中沉降越快。對(duì)比表中1、2、3 號(hào)與4、5、6 號(hào)數(shù)據(jù)可知，由于親水性膠體聚乙烯醇的加入，膠液的固體含量增大，膠液沉降時(shí)間減少，但是沉降時(shí)間變化不明顯。膠液的固體含量變化并未對(duì)沉降時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響，說明聚乙烯醇的加入在一定程度上提高了粉狀脲醛樹脂的復(fù)水性能。

表4 沉降性檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Settlement test results

2.3 聚乙烯醇對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后膠合強(qiáng)度的影響

表5 所示為通過正交試驗(yàn)得到的膠合板膠合強(qiáng)度。同時(shí)測(cè)得用工廠液體脲醛膠制備的第10 組膠合板的膠合強(qiáng)度為2.231 5 MPa。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠固體含量為60%時(shí)，膠合板的膠合強(qiáng)度最高，固體含量過高或過低時(shí)都會(huì)導(dǎo)致膠合板的膠合強(qiáng)度變差；膠合板的膠合強(qiáng)度隨氯化銨加入量的增加而上升。正交試驗(yàn)極差分析表明：粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量、氯化銨加入量、聚乙烯醇加入量三因素對(duì)膠合板膠合強(qiáng)度的影響程度排序?yàn)橐后w膠固體含量（A）＞氯化銨加入量（B）＞聚乙烯醇加入量（C）。由于聚乙烯醇對(duì)膠合板的強(qiáng)度影響程度較小，同時(shí)在9 組試驗(yàn)中，當(dāng)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量為60%、氯化銨加入量為1.5%、聚乙烯醇加入量為3%時(shí)膠合板的膠合強(qiáng)度最大，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本文選取的優(yōu)化參數(shù)組合為固體含量60%、氯化銨1.5%、聚乙烯醇3%，在此條件下制得的三層楊木膠合板膠合強(qiáng)度為2.113 6 MPa，膠合強(qiáng)度達(dá)到GB/T 9846—2015 Ⅱ類膠合板要求。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab.5 Orthogonal array design and corresponding experimental results

3 結(jié)論

本研究將粉狀脲醛樹脂和適量水混合制備粉狀脲醛樹脂膠黏劑，并在膠液中加入水溶性高分子聚乙烯醇，研究聚乙烯醇對(duì)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠的黏度、沉降性的影響，通過正交試驗(yàn)研究了粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量、聚乙烯醇加入量、固化劑量對(duì)膠合強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論：

1）聚乙烯醇的加入可提高粉狀脲醛樹脂復(fù)水后膠黏劑的黏度。當(dāng)聚乙烯醇加入量為10%時(shí)，固體含量為70%的粉狀脲醛樹脂膠黏劑黏度可達(dá)47.92 s。

2）親水性膠體聚乙烯醇加入后膠液的固體含量增大，膠液沉降時(shí)間減少，但是沉降時(shí)間變化不明顯，聚乙烯醇的加入在一定程度上提高了粉狀脲醛樹脂的復(fù)水性能。

3）膠黏劑參數(shù)優(yōu)化組合為粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量60%、氯化銨1.5%、聚乙烯醇3%，在此條件下制得的膠合板膠合強(qiáng)度為2.113 6 MPa，達(dá)到GB/T 9846—2015 Ⅱ類膠合板要求。