劉思辰,楊紅星,冉鑫,楊龍,杜官本
(國(guó)家生物質(zhì)材料國(guó)際聯(lián)合研究中心,云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,昆明 650224)
木材膠黏劑是世界范圍內(nèi)用量最大的膠黏劑品種,傳統(tǒng)木材膠黏劑以甲醛系列樹(shù)脂為主體,其中脲醛樹(shù)脂市場(chǎng)份額占比超過(guò)80%[1]。近年來(lái),隨著甲醛釋放引發(fā)的健康危機(jī)以及化石資源逐漸枯竭等問(wèn)題,使得可再生生物質(zhì)資源制備木材膠黏劑成為研究熱點(diǎn),其中大豆蛋白類膠黏劑和木素基膠黏劑已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用[2]。
纖維素是地球上最為豐富的可再生資源,來(lái)源于制漿造紙工藝的紙漿以植物纖維為原料,經(jīng)不同加工方法制得纖維狀物質(zhì),是纖維素利用最廉價(jià)的工業(yè)原料之一,具有可生物降解、親水性好和柔韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。紙漿一般用于制造紙張和紙板,但隨著紙制品的循環(huán)利用和電子紙張的推廣,導(dǎo)致紙漿的消耗量下降,因此,紙漿用于制備膠黏劑可以為紙漿的多元化應(yīng)用提供新的利用途徑,同時(shí)也可以改善目前農(nóng)林廢棄物低值管理、低效利用的狀態(tài)[5]。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)看,紙漿的主要成分是纖維素,經(jīng)化學(xué)修飾后可作為生物質(zhì)基聚合物制備木材膠黏劑[6],成為傳統(tǒng)石油基膠黏劑的潛在替代品,在“綠色革命”中表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展契機(jī)[7]。紙漿纖維經(jīng)過(guò)處理后雖然可用作膠黏劑,但膠合制品的膠合強(qiáng)度低、耐水性差,這些缺陷與纖維素表面具有豐富的親水羥基官能團(tuán)密切相關(guān),對(duì)紙漿纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾是提高其表面反應(yīng)活性和各種性能的關(guān)鍵[8]。
研究表明,在纖維結(jié)構(gòu)中接枝疏水的脂肪胺或者芳香胺,對(duì)改善纖維表面的水親和力有極大促進(jìn)作用[9]。Gao等[10]利用仿生貽貝的共沉積策略將聚多巴胺(PDA)涂敷于纖維素納米纖維上并利用其強(qiáng)黏附力和希夫堿反應(yīng)充當(dāng)纖維素和十八胺(ODA)的媒介,成功將疏水的ODA接枝到纖維素表面,所制備氣凝膠材料的水接觸角可高達(dá)152.5°。而針對(duì)紙漿纖維自身的改性主要涉及官能團(tuán)的改造,即借助C2,3,6位上的活性羥基的反應(yīng)引入新的基團(tuán)。C6位的羥基一般采用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)氧化法[11]。該法氧化速度和效果俱佳,但成本較高,而且使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味,存在大氣污染隱患。高碘酸鹽的選擇性氧化可將D-脫水吡喃葡萄糖單元中C2,3位的羥基氧化為五元環(huán)中間體,最終形成穩(wěn)定的二醛結(jié)構(gòu),該法操作簡(jiǎn)便,且反應(yīng)產(chǎn)物具有極高的反應(yīng)活性[12]。Liu等[13]和Yang等[14]研究表明,二醛纖維素和富含末端伯胺基團(tuán)的支化多元胺之間具有極強(qiáng)的親和力,可以快速發(fā)生共價(jià)化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),形成高度交聯(lián)的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),極大提高了纖維素基木材膠黏劑的抗?jié)駸崆治g能力。
本研究利用高碘酸鈉氧化紙漿纖維獲得二醛紙漿纖維(DAP),再運(yùn)用支化網(wǎng)絡(luò)改性策略,與支化多元胺(PA4N、PA5N、PA6N)發(fā)生希夫堿反應(yīng),在紙漿纖維的堅(jiān)硬骨架和多元胺的柔軟支鏈之間搭建耐水“胺橋”,并利用共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵協(xié)同增效機(jī)制耗散應(yīng)力。同時(shí),憑借活化膠合界面的優(yōu)勢(shì),在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的游離氨基和活性界面醛基之間進(jìn)一步強(qiáng)化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),提高膠合強(qiáng)度和耐水性能,旨在為纖維素基木材膠黏劑研發(fā)和紙漿多元化應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)路線。
漂白桉木紙漿(工業(yè)級(jí)),購(gòu)自云南云景林紙股份有限公司;高碘酸鈉、丙烯酸甲酯、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、甲醇、冰醋酸,均為分析純,購(gòu)自上海阿達(dá)瑪斯試劑有限公司;楊木單板,厚度約2 mm,購(gòu)自山東臨沂民升木業(yè)有限公司。
1.2.1 二醛紙漿纖維的制備
將50 g紙漿纖維、40 g高碘酸鈉、2 500 mL去離子水置于反應(yīng)器中,室溫避光機(jī)械攪拌(180 r/min)反應(yīng)72 h。反應(yīng)結(jié)束后,DAP初產(chǎn)物經(jīng)過(guò)離心提純(10 000 r/min,5 min),并用去離子水洗滌3~5遍,直到上清液呈中性。經(jīng)溫度(103±3)℃烘干至質(zhì)量恒定,測(cè)量固含量。4 ℃冰箱貯存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 支化多胺的合成
支化多胺PA4N、PA5N和PA6N的原料分別是乙二胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺。將32.0 g無(wú)水甲醇和9.0 g乙二胺(或二乙烯三胺和三乙烯四胺)置于250 mL圓底燒瓶中,攪拌5 min?;靹蚝蟮渭?03.2 g丙烯酸甲酯,室溫?cái)嚢璺磻?yīng)24 h。旋蒸除去甲醇和多余的丙烯酸甲酯后,加入64.0 g無(wú)水乙醇,滴加72.0 g乙二胺,室溫?cái)嚢璺磻?yīng)48 h。旋蒸除去甲醇和多余的乙二胺,即得到支化多胺PA4N、PA5N和PA6N。
1.2.3 紙漿纖維基木材膠黏劑的制備
紙漿纖維基木材膠黏劑(PWA)的制備過(guò)程如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)[13],PA4N、PA5N、PA6N和DAP的質(zhì)量比分別選擇1∶2,1∶1,2∶1時(shí)膠合強(qiáng)度和耐水性能最優(yōu),最優(yōu)固含量為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在此條件下稱取對(duì)應(yīng)反應(yīng)物于250 mL圓底燒瓶中,添加適量去離子水,冰醋酸調(diào)節(jié)pH為8.0,在90 ℃油浴攪拌下反應(yīng)30 min,待反應(yīng)物顏色變?yōu)樽睾稚珪r(shí),70 ℃回流反應(yīng)10 h。反應(yīng)結(jié)束后(103±3)℃烘干至質(zhì)量恒定,測(cè)量固含量。
圖1 紙漿纖維基木材膠黏劑PWA的制備過(guò)程Fig.1 The preparation process of PWA
1.2.4 膠合板的制備
將制備好的PWA按照160 g/m2的施膠量,采用手工施膠的方式均勻涂抹在楊木單板上,壓制三層膠合板。其中楊木單板根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求事先涂刷質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的NaIO4水溶液并干燥2 d,涂刷NaIO4的楊木單板界面為“活化界面”。施膠完畢陳放10 min左右,熱壓溫度160 ℃,熱壓時(shí)間6 min,壓力1.0 MPa。熱壓完成的膠合板在室溫下自然放置24 h以釋放應(yīng)力,然后鋸解為100 mm×25 mm(長(zhǎng)×寬)的測(cè)試試件,膠合面積為25 mm×25 mm。
1.3.1 膠合板膠合強(qiáng)度測(cè)試
膠合強(qiáng)度的測(cè)試依據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》,測(cè)試儀器采用ETM 18B型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司),分別測(cè)試干強(qiáng)度、24 h冷水浸泡強(qiáng)度、63 ℃熱水浸泡3 h強(qiáng)度、沸水浸泡3 h強(qiáng)度、沸水浸泡4 h+60 ℃鼓風(fēng)干燥16 h+沸水浸泡4 h+冷水浸泡1 h(煮-干-煮)強(qiáng)度,每個(gè)試樣以2 mm/min的速度在30 s內(nèi)拉伸斷裂,記錄數(shù)據(jù)。
1.3.2 傅里葉變換紅外光譜分析
利用Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜(FT-IR,美國(guó)Thermo)技術(shù)表征PWA的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化。將樣品冷凍干燥并研磨至粉末狀,用溴化鉀壓片進(jìn)行全波段掃描。
1.3.3 X射線光電子能譜
利用K-Alpha 型X射線光電子能譜(XPS,美國(guó)Thermo)分析膠黏劑樣品和斷裂膠合界面的化學(xué)成分。激發(fā)源為Kα射線(Al:光子能量1 486.6 eV);全譜掃描,通能100 eV,步長(zhǎng)1 eV;窄譜掃描,通能50 eV,步長(zhǎng)0.05 eV。將待測(cè)樣品用氬離子雕刻15 s后,以表面污染碳C1s的鍵能284.8 eV為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所有鍵能進(jìn)行校準(zhǔn),然后利用Advantage5.52 軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
斷裂膠合界面XPS測(cè)試的樣品制備過(guò)程為:將制備好的三層膠合板在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行膠合性能測(cè)試,然后在測(cè)試完的斷裂膠合界面(表板)的不同位置取3塊3 mm×3 mm(長(zhǎng)×寬)的小方塊,標(biāo)記施膠的一面為測(cè)試面,上述樣品經(jīng)過(guò)抽真空干燥后,用雙面膠粘在樣品托上進(jìn)行XPS測(cè)試。
1.3.4 熱重分析
利用NETZSCH STA2500型熱重分析儀(TGA,德國(guó)Netzsch)測(cè)試膠黏劑的熱穩(wěn)定性能。稱取約7.0 mg樣品于陶瓷坩堝中,并密封置于儀器爐體中,在氮?dú)獗Wo(hù)氛圍下,程序以10 ℃/min的速率從30 ℃加熱到600 ℃,并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)處理得到微分熱重量(DTG)數(shù)據(jù)。
1.3.5 水接觸角分析
利用JC2000D3R型水接觸角測(cè)量?jī)x觀察活化界面和對(duì)照界面的水滲透行為。將2 μL去離子水分別滴到待測(cè)界面上,在2 min內(nèi)每間隔5 s記錄一次水接觸角度,每個(gè)樣品平行測(cè)得3組數(shù)據(jù)。
1.3.6 膠合線微觀形態(tài)分析和黏度測(cè)試
將三層膠合板切片后利用電子生物顯微鏡觀察膠合板中膠合線的微觀形貌。
黏度按照GB/T 14074—2017《木材工業(yè)用膠黏劑及其樹(shù)脂檢驗(yàn)方法》測(cè)定。
1.3.7 質(zhì)譜分析
利用6540 Q-TOf型質(zhì)譜儀(MS,美國(guó)Agilent)測(cè)試膠黏劑的相互分子質(zhì)量。將樣品溶解于蒸餾水中,選用電噴霧(ESI)離子源進(jìn)行掃描。
PWA的物化性能結(jié)果見(jiàn)表1。DAP水溶液加熱處理后,顏色和形態(tài)并不會(huì)發(fā)生顯著的變化,這是纖維素的難溶性質(zhì)決定的,但是DAP加熱時(shí),由于醛基和臨近羥基之間形成半縮醛結(jié)構(gòu)而發(fā)生的交聯(lián)會(huì)促進(jìn)紙漿纖維的溶解[6],因此最終產(chǎn)物形態(tài)為乳白色的糊狀物。DAP的醛基和支化多胺的氨基在加熱條件下發(fā)生的反應(yīng)是典型的美拉德反應(yīng),生成了棕褐色產(chǎn)物。固含量的控制在施膠環(huán)節(jié)是關(guān)鍵的,對(duì)膠合強(qiáng)度和耐水強(qiáng)度有一定的影響,過(guò)高的固含量不利于膠黏劑的滲透[13],而過(guò)低的固含量則會(huì)在固化過(guò)程中導(dǎo)致膠層之間存在間隙,表現(xiàn)為弱黏附力,水浸泡時(shí)更容易脫黏。DAP-PA4N、DAP-PA5N和DAP-PA6N的黏度隨支化多胺末端氨基數(shù)量的增加而提高,而DAP在低固含量時(shí)黏度值幾乎和DAP-PA6N接近,這個(gè)現(xiàn)象是DAP樣品不能全部溶解保留了部分顆粒物導(dǎo)致的。經(jīng)高碘酸鈉處理的DAP呈弱酸性,與支化多胺反應(yīng)后,隨著多胺末端氨基數(shù)量的增加,PWA逐漸向弱堿性偏移。
表1 DAP和紙漿纖維基膠黏劑的物化性能Table 1 Physical and chemical properties of DAP and dialdehyde pulp cellulose-based adhesives
2.2.1 FT-IR分析
2.2.2 XPS分析
a)FT-IR;b)XPS全譜;c)DAP的C1s高分辨率光譜;d)DAP-PA6N的C1s高分辨率光譜。圖2 紙漿、DAP、PA6N、DAP-PAXN(X=4,5,6)的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析Fig.2 FT-IR spectra,XPS survey spectra of pulp,DAP,PA6N and DAP-PAXN(X=4,5,6),and high-resolution spectra of C1s in DAP and DAC-PA6N
圖3 紙漿和DAP-PA6N的ESI-MSFig.3 ESI-MS spectra of DAP and DAP-PA6N
2.2.3 熱性能分析
采用TGA對(duì)DAP和PWA的熱穩(wěn)定性能和分解行為進(jìn)行研究,結(jié)果如圖4所示。從TGA和DTG的曲線不難看出,DAP和PWA的變化趨勢(shì)大致相同,但是熱分解的溫度區(qū)間有很大的不同,PWA的分解行為明顯更復(fù)雜。在25~150 ℃階段均有一定的質(zhì)量損失,尤其DAP較為突出,可能是殘余水分的蒸發(fā)。對(duì)于DAP,第2階段(150~250 ℃)和第3階段(250~500 ℃)的質(zhì)量損失分別對(duì)應(yīng)于紙漿纖維中無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)的分解,最大熱解溫度(TMAX)為327 ℃。對(duì)于膠黏劑樣品,150~250 ℃的質(zhì)量損失可能對(duì)應(yīng)于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中未反應(yīng)的游離小分子的降解,250~400 ℃的質(zhì)量損失可能對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和分子間氫鍵的斷裂,溫度在400~550 ℃之間仍然存在少量質(zhì)量損失,可能是聚合物網(wǎng)絡(luò)中穩(wěn)定的共價(jià)鍵和分子內(nèi)氫鍵的斷裂引起的,TMAX分別是353,352和361 ℃。相比于DAP,PWA的熱穩(wěn)定性能大幅提升,說(shuō)明基于“胺橋”搭建的共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和非共價(jià)作用有利于增加耐熱性。
圖4 DAP、DAP-PAXN(X=4,5,6)的TGA和DTG曲線Fig.4 TGA and DTG curves of DAP,DAP-PAXN(X=4,5,6)
DAP和紙漿纖維基膠黏劑的具體膠合強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表1中的膠合數(shù)據(jù)可知,無(wú)論膠合板界面處理與否,二醛紙漿纖維直接用作木材膠黏劑的膠合性能均較弱,且沒(méi)有耐水性。DAP和PA6N構(gòu)建“胺橋”共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后,干強(qiáng)度分別提升67.4%(未活化界面)和145.7%(活化界面),冷水浸泡24 h強(qiáng)度從0增加至(1.34±0.06)MPa(未活化界面)和(2.08±0.22) MPa(活化界面),熱水浸泡3 h強(qiáng)度從0增加至(1.14±0.26)MPa(未活化界面)和(1.95±0.13) MPa(活化界面),滿足Ⅱ類板要求。而活化界面的“煮-干-煮”強(qiáng)度能百分百達(dá)到(1.58±0.12) MPa,符合Ⅰ類板要求。PA4N和PA5N同PA6N一樣,和DAP反應(yīng)后,均能顯著提升膠合板的干強(qiáng)度和耐水強(qiáng)度,且性能提升和末端氨基數(shù)量有極大的關(guān)系。膠合強(qiáng)度提升的原因可以總結(jié)為:①氫鍵效應(yīng),聚合物處于水溶液狀態(tài)時(shí),由于O的電負(fù)性更高,未反應(yīng)的N—H和O—H首先和水分子形成氫鍵,隨著熱壓溫度的升高,水分不斷蒸發(fā),與水形成的氫鍵隨之?dāng)嗔?,分子間的距離也在壓力的驅(qū)動(dòng)下縮短,N—H和O—H之間互相形成較強(qiáng)的分子間氫鍵并飽和,當(dāng)再次遭遇水分子侵襲時(shí)也不易斷裂,從而增強(qiáng)了聚合物的耐水性[15],此外,氫鍵的存在賦予了紙漿纖維和多元胺之間的強(qiáng)附著力[16];②疏水效應(yīng),DAP和支化多胺都含有大量的親水基團(tuán),反應(yīng)生成共價(jià)鍵的同時(shí)伴隨著大量親水基團(tuán)的消耗,并在纖維長(zhǎng)鏈骨架內(nèi)引入了疏水的脂肪鏈,使得聚合物具備一定的疏水性能[17];③多元胺的“柔軟”脂肪支鏈嵌入DAP的“堅(jiān)硬”骨架中編織的共價(jià)鍵和氫鍵協(xié)同增效的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),在對(duì)抗應(yīng)力時(shí),貢獻(xiàn)了分級(jí)的應(yīng)力耗散策略[18],可以增強(qiáng)膠合板的抗拉伸性。至于出現(xiàn)部分濕強(qiáng)度大于干強(qiáng)度的現(xiàn)象,是因?yàn)楦蓮?qiáng)度測(cè)試試件均為槽口斷裂,實(shí)際值大于測(cè)量值。
表2 DAP和紙漿纖維基膠黏劑的膠合強(qiáng)度Table 2 Bonding strengths of DAP and dialdehyde pulp cellulose-based adhesives
2.4.1 界面的水接觸角分析
木材表面的滲透性和潤(rùn)濕性是保證膠合板膠合強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù),可以用液體在木材界面上的接觸角變化行為來(lái)表征[19]。測(cè)試樣品為在同一塊楊木單板的相近部位裁取的2塊木片(長(zhǎng)×寬=5 cm×1 cm),其中一塊木片經(jīng)過(guò)氧化處理,即活化界面,另一塊木片不做任何處理,即未活化界面,測(cè)試結(jié)果如圖5所示?;罨缑娴某跏妓佑|角略大于未活化界面,但是隨著接觸時(shí)間的增長(zhǎng),活化界面的水接觸角變化更快,并在90 s時(shí)完全潤(rùn)濕木材界面,而未活化的界面在120 s時(shí)仍然沒(méi)有被完全潤(rùn)濕,可見(jiàn)活化界面的表面潤(rùn)濕性較未活化界面更好,有利于施膠時(shí)膠黏劑的滲透,這與表面化學(xué)成分密切相關(guān)。
圖5 活化/未活化界面的水接觸角變化曲線Fig.5 Water contact angle curves of activated/un-activated interface
2.4.2 膠合界面的XPS分析
a)膠合界面的XPS全譜;b)未活化膠合界面的N1s高分辨率光譜;c)活化膠合界面的N1s高分辨率光譜。圖6 膠合界面的XPS分析Fig.6 XPS survey spectra of activated/un-activated bonding interface
2.4.3 膠合線的顯微特征
從膠合板中膠線的光學(xué)顯微鏡圖片可以直觀地觀察到膠黏劑在木材中的滲透情況(圖7)。未經(jīng)活化處理的膠合板,從其膠合界面(圖7a)可以觀察到膠黏劑滲透到了芯板(橫切面)和表板(弦切面)中,但是由于界面黏附力不夠強(qiáng),在制樣時(shí)膠層易脫黏形成明顯的分隔層。而經(jīng)過(guò)活化處理的楊木單板,由于界面具有較好的潤(rùn)濕性和更多的活性醛基官能團(tuán),可以和膠黏劑之間充分反應(yīng)形成致密且穩(wěn)定的膠層。從圖7b、d可以看到,膠黏劑滲透到木材導(dǎo)管中形成牢固的膠釘,并有大量的膠黏劑滲透到了木纖維中,這種聚合物和木材細(xì)胞之間的物理作用力通常被理解為“機(jī)械互鎖”,對(duì)于提升界面膠合強(qiáng)度有很大的幫助。
a)未活化DAP-PA6N;b)活化DAP-PA4N;c)活化DAP-PA5N;d)活化DAP-PA6N。圖7 膠合線的光學(xué)顯微鏡圖片F(xiàn)ig.7 Optical microscopy images of bond-lines
筆者采用價(jià)廉易得的速生材桉木紙漿纖維為原料制備生物質(zhì)基木材膠黏劑,基于醛基和胺之間的希夫堿反應(yīng),分別在膠黏劑聚合物分子之間、膠合界面之間搭建共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵協(xié)同作用的互穿聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并利用FT-IR和XPS分析驗(yàn)證了交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在。具體結(jié)論如下:
1)以速生材桉木紙漿纖維基膠黏劑制備的楊木膠合板,干態(tài)膠合強(qiáng)度可提升145.7%,耐水膠合強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了從“0”到滿足Ⅰ類膠合板要求的突破。
2)共價(jià)“胺橋“的存在賦予了聚合物獨(dú)特的疏水效應(yīng)、氫鍵效應(yīng)和應(yīng)力耗散機(jī)制,耐熱耐水性能得到全面提高。與傳統(tǒng)的石油基膠黏劑相比,紙漿纖維基膠黏劑更符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念,且紙漿原料廉價(jià)易得,操作過(guò)程簡(jiǎn)便,適合于工業(yè)化應(yīng)用。
同時(shí),研究膠黏劑和木材界面間的共價(jià)化學(xué)反應(yīng)也為強(qiáng)力膠合板的制備提供了新的思路。