六環(huán)石粉分散工藝及所制細(xì)木工板負(fù)離子釋放量分析

石林，袁少飛，王洪艷，張建，陳杰，李琴*

(1. 浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，杭州 311300；2. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江省竹類研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023)

人類健康與空氣質(zhì)量密切相關(guān)[1]，由于工業(yè)的快速發(fā)展和工業(yè)裝飾材料的普遍應(yīng)用，人類居住環(huán)境污染問題加重[2]，環(huán)境中負(fù)離子日益減少[3]。醫(yī)學(xué)研究表明，負(fù)離子能夠直接作用于人體的中樞神經(jīng)，促進(jìn)血液循環(huán)，具有增強(qiáng)身體免疫力、抑菌殺菌的作用[4]，負(fù)離子還能與室內(nèi)的有害氣體發(fā)生反應(yīng)[5]，起到凈化空氣的作用。因此，負(fù)離子功能產(chǎn)品受到消費(fèi)者的青睞[6]。六環(huán)石粉作為一種可以釋放負(fù)離子的天然礦物，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。六環(huán)石粉具有殺菌、除臭、凈化空氣和保健等功能，此外，還具有釋放負(fù)離子的功能，在塑料、涂料、紡織品、板材等材料上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

近年來，眾多學(xué)者對(duì)電氣石、六環(huán)石等負(fù)離子釋放材料的分散性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探究，六環(huán)石粉作為一種含有多種元素的礦石粉末，其表面易團(tuán)聚，且與聚合物的界面親和能力差，在使用時(shí)需對(duì)其進(jìn)行改性，包括表面化學(xué)改性法、機(jī)械化學(xué)改性法和涂層法等。如吳舒等[7]用三乙醇胺對(duì)六環(huán)石微粒進(jìn)行表面改性，制備彈性聚氯乙烯/六環(huán)石復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，改性后的六環(huán)石微粒在聚氯乙烯糊樹脂中可均勻分散。王付龍[8]、鄧愛民等[9]和Kasiri等[10]采用偶聯(lián)劑對(duì)負(fù)離子粉進(jìn)行改性，得到了最佳研磨時(shí)間、偶聯(lián)劑種類和用量，以及固液相漿料，使超細(xì)負(fù)離子粉得到了良好的有機(jī)化改性，增加負(fù)離子粉與基體材料之間的附著力[11]。用表面活性劑對(duì)六環(huán)石粉進(jìn)行改性，改善其與聚合物界面的相容性[12]是目前最常見、最有優(yōu)勢(shì)的方法。

以六環(huán)石粉為研究對(duì)象，選用3種分散劑，采用單因素法探究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)六環(huán)石粉分散性能的影響，然后利用響應(yīng)曲面分析法優(yōu)化了六環(huán)石粉分散工藝條件，解決了六環(huán)石粉易團(tuán)聚以及在介質(zhì)中的分散問題，并對(duì)分散前后的六環(huán)石粉進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)、傅里葉紅外光譜分析(FT-IR)[13]等表征測(cè)試；將分散后的六環(huán)石粉加入脲醛樹脂中，并采用裝飾人造木皮對(duì)細(xì)木工板進(jìn)行貼面處理，對(duì)其負(fù)離子釋放量進(jìn)行測(cè)試分析，旨在為負(fù)離子功能人造板的發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

負(fù)離子粉：六環(huán)石粉，粒徑6.5 μm，購(gòu)自河北軒昂礦業(yè)。分散劑：聚羧酸鹽(分析純)、聚乙二醇200(分析純)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%)，購(gòu)自杭州惠普化工儀器有限公司。

細(xì)木工板基材尺寸為500 mm×500 mm×16 mm，表面平整，加工成250 mm×250 mm×16 mm以備試驗(yàn)用；裝飾人造木皮加工成250 mm×250 mm×0.3 mm以備試驗(yàn)用；E0級(jí)脲醛樹脂，固體含量為64%，購(gòu)自明大木業(yè)有限公司。

精密增力電動(dòng)攪拌器(JJ-1型，江蘇省金壇市江南儀器廠)；超聲波清洗機(jī)(SB 25-12 DTD型，寧波新芝生物科技股份有限公司)；雙光束紫外可見光分光光度計(jì)(TU-1900型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；全自動(dòng)熱壓機(jī)(BY 302×2/2 150型，蘇州新協(xié)力機(jī)器制造有限公司)；掃描電子顯微鏡(S-3400 N型，日本日立)；紅外光譜分析儀(Nicolet iS 10型，美國(guó)賽默飛)；負(fù)離子測(cè)試儀(ONETEST-500型，深圳萬儀科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 六環(huán)石粉分散工藝單因素試驗(yàn)

1)用電子天平稱量一定質(zhì)量的六環(huán)石粉，添加去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的六環(huán)石粉溶液。

2)通過測(cè)定吸光度探究不同分散劑對(duì)六環(huán)石粉溶液分散性能的影響，分散劑在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%。將混合溶液攪拌均勻后密封，置入超聲波清洗機(jī)中超聲1 h，超聲溫度20 ℃，超聲頻率25 kHz，超聲功率99%。

3)選擇對(duì)六環(huán)石粉分散效果更優(yōu)異的分散劑設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，通過測(cè)定吸光度探究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%，0.3%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%)、超聲時(shí)間(20，30，40，50，60，70，80 min)、超聲溫度20，25，30，35，40，45，50，55，60 ℃)3個(gè)因素對(duì)六環(huán)石粉溶液分散性能的影響。測(cè)定某一因素的影響時(shí)，其他因素分別設(shè)為聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%、超聲時(shí)間1 h、超聲溫度20 ℃，超聲頻率25 kHz，超聲功率99%，超聲結(jié)束后隨即放置1 h取其上層清液測(cè)定吸光度。

1.2.2 六環(huán)石粉分散工藝響應(yīng)曲面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用響應(yīng)曲面法對(duì)六環(huán)石粉分散工藝進(jìn)行優(yōu)化處理。3個(gè)自變量分別為分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時(shí)間，六環(huán)石粉分散液的吸光度為響應(yīng)值，按照3因素3水平進(jìn)行響應(yīng)曲面試驗(yàn)[14-15]，響應(yīng)曲面因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)曲面因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface method

1.2.3 六環(huán)石粉掃描電鏡分析

將六環(huán)石粉用雙面導(dǎo)電膠粘在金屬樣品托上，放入真空噴鍍儀內(nèi)進(jìn)行噴金處理[16]；將噴金后的樣品盤放入樣品槽內(nèi)，測(cè)量電壓10 kV，觀察六環(huán)石粉微觀形貌。

1.2.4 六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合溶液的制備與FT-IR分析

2種膠黏劑的配制：分別將未分散(空白對(duì)照)和分散后的六環(huán)石粉加入脲醛樹脂中配制成混合溶液，六環(huán)石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為6%。

FI-IR分析：將脲醛樹脂、未分散和分散后的六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合溶液放入烘箱中干燥，干燥溫度為150 ℃，干燥時(shí)間為2 h，將烘干后的樣品磨成粉。將測(cè)試樣品與溴化鉀混合壓片，并放入紅外光譜分析儀進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次，掃描區(qū)域400～4 000 cm-1。

1.2.5 添加六環(huán)石粉的細(xì)木工板貼面試驗(yàn)

細(xì)木工板貼面：采用裝飾人造木皮對(duì)細(xì)木工板進(jìn)行貼面處理，熱壓貼面工藝為溫度110 ℃、時(shí)間4 min、壓力1.5 MPa、雙面施膠量100 g/m2。試驗(yàn)需壓制2種細(xì)木工板，使用的膠黏劑分別為分散前后的六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合溶液。

1.3 性能測(cè)定

1.3.1 吸光度測(cè)定

采用分光光度計(jì)對(duì)六環(huán)石粉分散溶液上層清液的吸光度進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)Reylength公式可知，吸光度與懸浮液中的固體顆粒濃度成正比，分散液中六環(huán)石粉含量越高，其分散性越好，相應(yīng)的吸光度值也就越高[17]。本研究所使用的分散劑均無顏色，分散液均為六環(huán)石粉的顏色，因此，根據(jù)測(cè)定六環(huán)石粉分散溶液在最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度，研究分散劑對(duì)六環(huán)石粉的分散效果。

1.3.2 細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度測(cè)定

根據(jù)GB/T 5849—2016《細(xì)木工板》中規(guī)定的方法進(jìn)行表面膠合強(qiáng)度測(cè)定。

1.3.3 細(xì)木工板負(fù)離子釋放量測(cè)定

按照LY/T 3235—2020《負(fù)離子功能人造板及其制品通用技術(shù)要求》中的方法測(cè)定負(fù)離子釋放量。用ONETEST-500大氣負(fù)離子測(cè)試儀測(cè)量測(cè)試箱內(nèi)的負(fù)離子濃度，測(cè)試箱內(nèi)環(huán)境溫度為(25±0.5)℃，濕度為(50±3)%，負(fù)離子板材承載率為83.33%，測(cè)試時(shí)間為24 h。負(fù)離子釋放量(C1)計(jì)算方法：

C1=A1-B1

(1)

式中：A1為放入細(xì)木工板的測(cè)試箱中空氣負(fù)離子數(shù)量，個(gè)/m3；B1為空白箱中的負(fù)離子數(shù)量，個(gè)/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同分散劑對(duì)六環(huán)石粉分散性能的影響

六環(huán)石粉溶液的吸光度隨3種不同分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖1所示。聚羧酸鹽的吸光度為溶液稀釋30倍所測(cè)得(原溶液吸光度過高無法測(cè)得)，另兩種分散劑的吸光度為溶液直接測(cè)得。從圖1中可以看出，隨著3種分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，六環(huán)石粉溶液的吸光度先增大后減少。這是因?yàn)榱h(huán)石粉表面可供反應(yīng)和結(jié)合的基團(tuán)有限，過量的分散劑不能參與反應(yīng)而在六環(huán)石粉體表面形成包覆，使顆粒之間發(fā)生團(tuán)聚，反而不利于六環(huán)石粉的分散[18]，故分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)分散劑聚羧酸鹽、聚乙二醇和3-氨丙基三乙氧基硅烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，1.5%和1.0%時(shí)，六環(huán)石粉溶液吸光度最大，說明3種分散劑對(duì)六環(huán)石粉的分散均具有促進(jìn)作用。由于聚羧酸鹽的吸光度為溶液稀釋30倍所測(cè)得，另兩種分散劑是直接測(cè)得，所以可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)分散劑聚乙二醇和3-氨丙基三乙氧基硅烷處理六環(huán)石粉的表面改性效果并不是很明顯。而經(jīng)過分散劑聚羧酸鹽處理的六環(huán)石粉在去離子水中分散時(shí)的吸光度值很高，分散效果最明顯，加入分散劑前，六環(huán)石粉溶液的吸光度為0.013，加入后為0.497。綜上所述，分散劑種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)六環(huán)石粉的分散均具有一定的影響。

圖1 吸光度隨3種不同分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig. 1 Variation curves of absorbance with mass ratios of three different dispersants

2.2 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)及超聲處理?xiàng)l件對(duì)六環(huán)石粉分散性能的影響

六環(huán)石粉分散液吸光度隨聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度和超聲時(shí)間的變化如圖2所示，在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件，探究聚羧酸鹽在六環(huán)石粉溶液中的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖2a可以看出，隨著聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸光度先增加后減小，在分散劑聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.3% 時(shí)，六環(huán)石粉溶液吸光度最大，此時(shí)六環(huán)石粉的分散性最好。由圖2b能夠看到，隨著超聲時(shí)間[19]的增加，六環(huán)石粉分散液的吸光度變化趨勢(shì)為先增大后保持穩(wěn)定，在超聲時(shí)間大于40 min后，分散液的吸光度不再變化，分散性能較好。這可能是由于超聲時(shí)間大于40 min時(shí)，超聲速率對(duì)六環(huán)石粉的分散性影響達(dá)到最高，且隨著超聲時(shí)間的增加，六環(huán)石粉的分散效率不再變化而保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此，六環(huán)石粉分散液吸光度變化不明顯。由圖2c可以看出，隨著超聲溫度的增大，六環(huán)石粉分散液的吸光度先增大后減小，然后趨于平衡，在超聲溫度為30 ℃時(shí)，分散液的吸光度最大，分散性能最好。這可能是因?yàn)榱h(huán)石粉分散液在此溫度下的溶解性最好，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)超聲溫度對(duì)六環(huán)石粉分散液的吸光度影響并不明顯。

圖2 吸光度隨聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時(shí)間的變化曲線Fig. 2 Variation curves of absorbance with polycarboxylate dispersant mass ratio, ultrasonic temperature and ultrasonic time

2.3 響應(yīng)曲面優(yōu)化六環(huán)石粉分散工藝

2.3.1 回歸方程的建立及方差分析

17組試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值見表2。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到影響因素與吸光度的回歸模型為R1=0.865 8-0.036 6A+0.006 1B+0.003 8C+0.012 7AB+0.014 5BC-0.176 3A2-0.045 3B2-0.071C2。對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析[20]，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，結(jié)果見表3。

表2 響應(yīng)曲面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experimental design and results of response surface optimization

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression model

根據(jù)表3中的模型方差分析，該模型的F值為439.01，表示模型是有意義的，失擬項(xiàng)P值為0.118 7，不顯著，無失擬因素存在。R2為0.989 6，回歸模型的擬合度較高。表3中聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的P<0.000 1，超聲溫度的P<0.05，說明兩者對(duì)吸光度的影響顯著，而超聲時(shí)間對(duì)吸光度的影響不太顯著；二次項(xiàng)的P值均小于0.000 1，說明二次項(xiàng)對(duì)六環(huán)石粉分散液吸光度影響顯著；交互項(xiàng)中聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲溫度、超聲溫度和超聲時(shí)間的P<0.05，2個(gè)交互項(xiàng)對(duì)吸光度影響較顯著，聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間兩者交互的P>0.05，對(duì)吸光度的影響不顯著。因此，對(duì)六環(huán)石分散液吸光度影響從大到小的順序?yàn)榫埕人猁}質(zhì)量分?jǐn)?shù)>超聲溫度>超聲時(shí)間。

2.3.2 不同因素對(duì)吸光度的影響

用Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件可以把聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度、超聲時(shí)間中任意2個(gè)因素作等高線圖和三維響應(yīng)面，分析兩因素之間的相互作用對(duì)六環(huán)石粉分散液的影響。

1)聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸光度的影響。超聲時(shí)間為50 min時(shí)，聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超聲溫度的等高線圖和三維響應(yīng)面見圖3。等高線呈橢圓形，橢圓較明顯，說明聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲溫度的交互作用對(duì)六環(huán)石粉分散液吸光度的影響顯著。當(dāng)超聲溫度為25 ℃時(shí)，六環(huán)石粉分散液的吸光度隨著聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3%時(shí)，吸光度開始減小，這是由于聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，不利于充分潤(rùn)濕六環(huán)石粉表面，此時(shí)吸光度較低；聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，會(huì)使其過飽和吸附，不利于對(duì)粉體分散[21]。由圖3中的三維響應(yīng)面可以看出，吸光度隨聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化率更大，在這2個(gè)因素中，吸光度主要受聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

圖3 聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲溫度對(duì)吸光度交互影響的等高線圖和三維響應(yīng)面Fig. 3 Contour map and three-dimensional response surface of the interaction between polycarboxylate dispersant mass ratio and ultrasonic temperature on absorbance

超聲溫度為30 ℃時(shí)，聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間的等高線圖和三維響應(yīng)面見圖4。圖4中的等高線接近圓形，代表聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)與超聲時(shí)間的交互作用對(duì)六環(huán)石粉分散液吸光度的交互影響不顯著。當(dāng)超聲時(shí)間為40 min時(shí)，六環(huán)石粉分散液的吸光度隨著聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3%時(shí)，吸光度開始下降。由圖4中的三維響應(yīng)面可以看出，吸光度隨聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化率更大，此時(shí)吸光度主要受聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

圖4 聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間對(duì)吸光度交互影響的等高線圖和三維響應(yīng)面Fig. 4 Contour map and three-dimensional response surface of the interaction between polycarboxylate dispersant mass ratio and ultrasonic time on absorbance

2)超聲溫度對(duì)吸光度的影響。超聲時(shí)間為50 min時(shí)，超聲溫度和聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的等高線圖和三維響應(yīng)面見圖3。當(dāng)聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1% 時(shí)，吸光度隨著超聲溫度的增加而增加，當(dāng)超聲溫度超過30 ℃后略有下降，但整體變化趨勢(shì)不明顯，這可能是因?yàn)榱h(huán)石粉在超聲溫度為30 ℃左右時(shí)在水中的溶解度較高。

聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，超聲溫度與超聲時(shí)間的等高線圖和三維響應(yīng)面見圖5。圖5中的等高線圖呈橢圓形，兩者交互影響較顯著。圖5中超聲時(shí)間為40 min時(shí)，六環(huán)石粉分散液的吸光度隨著超聲溫度的增加而增加，當(dāng)超聲溫度超過30 ℃后略有下降，但整體變化趨勢(shì)不明顯，由圖5中的三維響應(yīng)面可以看出，吸光度隨超聲溫度的變化率略大[22]，此時(shí)吸光度更容易受超聲溫度影響。

圖5 超聲溫度和超聲時(shí)間對(duì)吸光度交互影響的等高線圖和三維響應(yīng)面Fig. 5 Contour map and three-dimensional response surface of the interaction between ultrasonic temperature and ultrasonic time on absorbance

3)超聲時(shí)間對(duì)吸光度的影響。在超聲溫度為30 ℃的條件下，超聲時(shí)間和聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的等高線圖和三維響應(yīng)面見圖4。當(dāng)聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，吸光度隨超聲時(shí)間的變化不太明顯。當(dāng)聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，超聲時(shí)間與超聲溫度的等高線圖和三維響應(yīng)面見圖5，當(dāng)超聲溫度為25 ℃時(shí)，吸光度隨超聲時(shí)間的變化不大。

由以上分析可得，聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲溫度的交互作用顯著，超聲溫度和超聲時(shí)間的交互作用較顯著，聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和超聲時(shí)間的交互作用不顯著，這與表4的分析結(jié)果一致。

2.3.3 最佳工藝參數(shù)的確定及驗(yàn)證

設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)：聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲溫度和超聲時(shí)間在本研究范圍內(nèi)，要求獲得六環(huán)石粉分散液最大吸光度的工藝條件。利用Design-Expert11軟件，預(yù)測(cè)最佳工藝條件為：聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.28%、超聲溫度30 ℃、超聲時(shí)間50 min，此時(shí)吸光度為0.868。

為了驗(yàn)證響應(yīng)面法對(duì)六環(huán)石粉分散條件優(yōu)化的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，3 次平行試驗(yàn)得到的吸光度分別為0.871，0.879，0.867，平均吸光度為0.872，與模型預(yù)測(cè)值0.868相比試驗(yàn)誤差為0.004，誤差較小，驗(yàn)證得出回歸模型準(zhǔn)確，具有實(shí)用價(jià)值。

2.4 SEM表征和FT-TR分析

將不添加分散劑的六環(huán)石粉與采用最佳工藝分散后的六環(huán)石粉進(jìn)行SEM表征，如圖6所示。由圖6a可以看出，未添加分散劑的六環(huán)石粉分布不均，粉體之間團(tuán)聚現(xiàn)象明顯；添加分散劑后(圖6b)，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)六環(huán)石粉粉體間的團(tuán)聚現(xiàn)象有了明顯減弱，六環(huán)石粉得到有效分散。這是由于分散劑對(duì)納米顆粒的作用是改善微粒的表面潤(rùn)濕性，提高與水的親和力，降低顆粒之間的吸引能，形成有效的空間電阻，從而增加六環(huán)石粉的分散性。

圖6 分散前后六環(huán)石粉的SEM圖Fig. 6 SEM of hexacyclic stone powder before and after dispersion

a為脲醛樹脂; b為分散前的六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合溶液; c為分散后的六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合溶液。圖7 分散前后的六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合溶液的FT-IR光譜Fig. 7 FT-IR spectra of hexacyclic stone powder and urea-formaldehyde resin mixture before and after dispersion

2.5 細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度和負(fù)離子釋放量分析

經(jīng)檢測(cè)，采用分散前后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板表面膠合強(qiáng)度分別為0.84和0.86 MPa，六環(huán)石粉添加后細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度相比未添加時(shí)(0.79 MPa)差別不大。因此，六環(huán)石粉分散前后對(duì)細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度均無明顯影響，在膠黏劑中添加六環(huán)石粉制備細(xì)木工板具有可行性。

采用分散前后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子釋放量對(duì)比如圖8a所示。經(jīng)檢測(cè)，采用分散前后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子釋放量均符合LY/T 3235—2020中規(guī)定的負(fù)離子釋放量不小于400個(gè)/cm3。采用分散前后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子釋放量分別為611和739個(gè)/cm3。結(jié)果表明，在相同處理?xiàng)l件下，采用分散后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子釋放量相比分散前提高了20.9%，這是由于經(jīng)分散后的六環(huán)石粉粉體與空氣接觸概率增加，所以激發(fā)水蒸氣產(chǎn)生負(fù)離子的概率增加，負(fù)離子釋放量增大[23]。圖8b為細(xì)木工板負(fù)離子釋放量隨時(shí)間的變化曲線，采用分散后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板在自然環(huán)境下放置6個(gè)月后，負(fù)離子衰減量為30個(gè)/cm3，衰減率為4.1%。

圖8 分散前后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子釋放量對(duì)比(a)及細(xì)木工板負(fù)離子釋放量隨時(shí)間的變化曲線(b)Fig. 8 Comparison of negative ion release amount from blockboards compressed with hexacyclic stone powder and urea-formaldehyde resin before and after dispersion (a), and the negative ion release amount curve of blockboard with time (b)

3 結(jié) 論

1)研究了不同分散劑對(duì)六環(huán)石粉的分散效果，其中聚羧酸鹽的分散效果最好，在此基礎(chǔ)上采用單因素法探究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)六環(huán)石粉分散性能的影響，然后利用響應(yīng)面分析方法對(duì)六環(huán)石粉的分散工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到的回歸方程模型的影響參數(shù)F值為439.01，影響顯著。根據(jù)試驗(yàn)各因素F值的大小，對(duì)六環(huán)石粉的分散性能影響順序從大到小依次為聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)>超聲溫度>超聲時(shí)間。最佳工藝條件為聚羧酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.28%、超聲溫度30 ℃、超聲時(shí)間50 min，此時(shí)的吸光度為0.868。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)值接近，回歸模型準(zhǔn)確；通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過分散處理的六環(huán)石粉粉體間的團(tuán)聚現(xiàn)象明顯改善。

2)通過FT-IR分析可知，脲醛樹脂中添加分散后的六環(huán)石粉未產(chǎn)生新的官能團(tuán)，六環(huán)石粉與脲醛樹脂是物理結(jié)合；六環(huán)石粉的添加對(duì)細(xì)木工板的表面膠合強(qiáng)度影響不大，采用分散后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子釋放量高于分散前的，負(fù)離子釋放量提高了20.9%；在6個(gè)月的時(shí)間內(nèi)采用分散后六環(huán)石粉與脲醛樹脂混合膠壓制的細(xì)木工板負(fù)離子衰減量為30個(gè)/cm3，衰減率為4.1%。