摘 要： 在制備UF樹脂時(shí)加入微量的催化劑JSB1, 用于制作密度板, 對(duì)比空白樣進(jìn)行性能變化分析, 結(jié)果顯示向各物質(zhì)的量比的UF樹脂中加入設(shè)計(jì)量催化劑JSB1制備的板材, 其各項(xiàng)力學(xué)性能比空白樣的對(duì)應(yīng)值均有所提高, 其改善效果可與所加三聚氰胺制備的板材效果相比, 對(duì)于加有催化劑三聚氰胺的樹脂也同樣有增強(qiáng)力學(xué)性能的效果;催化劑JSB1的加入量對(duì)板材的力學(xué)性能影響規(guī)律性不明顯;樹脂在不同溫度下加入催化劑, 其制備的板材力學(xué)性能的變化也不規(guī)律。加入催化劑的各物質(zhì)量比的樹脂制備的板材, 通過提高熱壓溫度可以提高板材的大部分力學(xué)性能。
脲醛樹脂膠因具有膠合強(qiáng)度高、固化快、操作性能良好且成本低廉、原料來源豐富等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于木材加工及涂飾行業(yè), 尤其是作為膠粘劑用于刨花板、膠合板、密度板等木工行業(yè)中, 占該行業(yè)用膠量的80%以上。但脲醛樹脂易釋放甲醛的問題也引起環(huán)保學(xué)家和消費(fèi)者的關(guān)注, 目前普遍采用的降低膠粘劑游離甲醛含量的方法是降低反應(yīng)時(shí)甲醛對(duì)尿素物質(zhì)的量比, 并對(duì)樹脂進(jìn)行改性和添加甲醛捕集劑, 結(jié)果導(dǎo)致膠產(chǎn)品的成本大幅度提高, 或力學(xué)性能降低[7,8], 從而限制了其大范圍推廣應(yīng)用。本研究通過在UF樹脂中加入微量的催化劑JSB1, 用于制作密度板, 測(cè)試其力學(xué)性能并與空白樣對(duì)比, 探討催化劑JSB1的加入對(duì)密度板性能的影響, 相關(guān)研究未見報(bào)道。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要原材料
催化劑JSB1, 強(qiáng)堿性淡黃色液體, 固含量8%, 金賽博陽 (北京) 科技有限公司;甲醛溶液, 分析純, 含量36.8%, 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;尿素, 總氮 (N) ≥46.4%, 內(nèi)蒙古烏拉山化肥有限公司;木纖維, 中國林科院木材工業(yè)研究所中試基地。
1.2 儀器及設(shè)備
數(shù)顯恒溫油浴槽, HH-6, 金壇市正基儀器有限公司;酸度計(jì), 827PH lab, 瑞士Metrohm公司;黏度計(jì), DV-I+VISCOMETER, 美國BROOKFIELD公司;平板式熱壓機(jī), QD, 上海人造板機(jī)器廠;力學(xué)材料試驗(yàn)機(jī), WDW-W10, 濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司;及一般實(shí)驗(yàn)室儀器。
1.3 膠粘劑的合成與木纖維的準(zhǔn)備
UF樹脂按照表1設(shè)計(jì)的物質(zhì)的量比進(jìn)行合成, 在反應(yīng)器中加入適量甲醛, 用濃度為40%的Na OH調(diào)p H, 加入尿素進(jìn)行反應(yīng), 保持一定的溫度與時(shí)間, 反應(yīng)到終點(diǎn)時(shí), 調(diào)整溫度, 加入設(shè)計(jì)量的催化劑, 冷卻, 將其倒入干凈的干燥塑料容器中存放備用。
木纖維在電干燥箱中干燥至含水量為3%, 存放在干燥塑料袋中備用。
1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
木纖維與UF樹脂的質(zhì)量比為90∶10, 影響密度板性能的4個(gè)因子分別為甲醛與尿素的物質(zhì)的量比、催化劑的劑量、加入催化劑溫度及制板熱壓溫度。具體設(shè)計(jì)見表1。
1.5 密度板的制備
干燥過的木纖維先在高速混料機(jī)中常溫混合3 min, 然后在高壓下將固含量為50%的UF樹脂噴入木纖維并混拌5 min, 再室溫干燥2 h, 然后在規(guī)格為340 mm×360 mm的成型框中預(yù)壓成型后放入壓機(jī)中熱壓成規(guī)格為340mm×360 mm×12 mm的密度板, 在溫度為 (25±3) ℃, 相對(duì)濕度為 (65±2) %的環(huán)境中放置7 d, 然后根據(jù)測(cè)試需求鋸制試件, 用于進(jìn)一步測(cè)試。
表1 樹脂合成及制板試驗(yàn)方案
1.6 密度板性能測(cè)試
密度板的物理力學(xué)性能測(cè)試依據(jù)GB/T17657—2013、GB/T 11718—2009標(biāo)準(zhǔn)[9,10]進(jìn)行, 力學(xué)性能包括內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度 (IB) , 靜曲強(qiáng)度 (MOR) , 彈性模量 (MOE) , 物理性能包括密度, 24 h吸水厚度膨脹率 (24 h TS) 。測(cè)試24 h TS時(shí), 試件要在室溫下放入水中, 分別在試驗(yàn)前和浸泡24h后測(cè)試件厚度。所有測(cè)試項(xiàng)目的試件數(shù)均為9塊 (從3塊平行樣中各取3塊所得) 。用于測(cè)試IB, 24 h TS和密度的試件規(guī)格為 (50mm×50 mm) , 用于測(cè)試MOR和MOE的矩形試件規(guī)格為 (300 mm×50 mm) 。
2 結(jié)果與討論
2.1 物質(zhì)的量比對(duì)板材力學(xué)性能的影響
試驗(yàn)中物質(zhì)的量比為1.1∶1的樹脂中加入了三聚氰胺, 因此這一物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材無論空白樣還是加催化劑的試件, 其對(duì)應(yīng)板材的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均好優(yōu)于其他未加三聚氰胺的各物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材。從圖1中也可以看出除IB中物質(zhì)的量比為1.18∶1的板材低于空白樣板材外, 其他所有力學(xué)性能中加催化劑的板材均優(yōu)于空白樣板材, 有利于改善板材的力學(xué)性能, 比較空白樣中加入三聚氰胺的物質(zhì)量比為1.1∶1樣與加催化劑樣的數(shù)據(jù), 可見加入催化劑樣的力學(xué)性能與加入三聚氰胺的板材相當(dāng)、甚至更好, 在加入催化劑的板材中加有三聚氰胺的板材其力學(xué)性能也是較好的, 說明催化劑的加入對(duì)加有三聚氰胺的樹脂也同樣有增強(qiáng)力學(xué)性能的效果。
對(duì)空白樣來說, 除加入了三聚氰胺的其他3種物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材其綜合性能較好的是物質(zhì)的量比為1.27∶1的樹脂, 而不是物質(zhì)的量比為1.4∶1的樹脂, 這是因?yàn)槠湮镔|(zhì)的量比為1.4∶1的樹脂的MOE和IB低于物質(zhì)的量比為1.27∶1的樹脂。
對(duì)于加了催化劑的樹脂樣來說, 除加入了三聚氰胺的其他3種物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材的力學(xué)性能與空白樣略有不同。MOR和MOE隨著物質(zhì)的量比的增加而降低, 而IB則增加。24 h TS均表現(xiàn)為隨物質(zhì)的量比的增加而下降。
2.2 催化劑用量對(duì)板材力學(xué)性能的影響
由圖2可以看出, 與空白樣相比, 加入催化劑的樣品, 除IB外, 其性能均有提高, 但是隨著催化劑用量的增加, 板材的力學(xué)性能呈現(xiàn)不規(guī)律的變化, 在加入比例較高0.18%時(shí), 其MOR值與MOE值較低, 而IB值較大, 24h TS較低 (較好) 。說明催化劑的量不是越大其板材性能就越好。
圖1 樹脂物質(zhì)的量比對(duì)板材力學(xué)性能的影響
圖2 催化劑用量對(duì)板材力學(xué)性能的影響
2.3 加催化劑時(shí)的溫度對(duì)板材力學(xué)性能影響
由圖3可以看出, 試驗(yàn)中選取的2種物質(zhì)的量比樹脂制備的板材在2個(gè)不同加入溫度下的力學(xué)性能變化特點(diǎn)也不一樣, 物質(zhì)的量比為1.18∶1的樹脂在65℃下加入催化劑, 其制備的板材MOR和MOE值小于55℃下加入催化劑制備的板材的對(duì)應(yīng)值, 表現(xiàn)為負(fù)影響, 而IB值變大, 24 h TS變小, 表現(xiàn)為正影響;物質(zhì)的量比為1.27∶1的樹脂在65℃下加入催化劑, 其MOR和IB與55℃下加入催化劑的MOR變化不大, 但是MOE與24 h TS分別變小和增大, 均為負(fù)影響。
圖3 加催化劑時(shí)的溫度對(duì)板材力學(xué)性能影響
2.4 熱壓溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響
圖4中是2種物質(zhì)的量比的樹脂的空白樣與加催化劑樣分別在2個(gè)熱壓溫度下制備的板材的物理力學(xué)性能。
圖4 熱壓溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響
由圖4a) 可以看出2種物質(zhì)的量比的樹脂無論是否加催化劑, 在200℃熱壓溫度下制備的板材的MOR均高于185℃熱壓溫度下板材的對(duì)應(yīng)值。并且加入催化劑的樹脂制備的板材MOR均高于空白樣的對(duì)應(yīng)值, 物質(zhì)的量比為1.18∶1時(shí)的樹脂加入催化劑后板材MOR值大于物質(zhì)的量比為1.27∶1時(shí)的樹脂的對(duì)應(yīng)值。
由圖4b) 可以看出在200℃熱壓溫度下制備的板材的MOE值均優(yōu)于185℃熱壓溫度下板材的對(duì)應(yīng)值, 且加入催化劑的樹脂制備的板材MOE值均高于空白樣的對(duì)應(yīng)值。
由圖4c) 看出除物質(zhì)的量比1.27∶1加催化劑樹脂外200℃熱壓溫度下制備的板材的IB均高于185℃熱壓溫度下制備板材的對(duì)應(yīng)值。
由圖4d) 可以看出除物質(zhì)的量比1.27∶1加催化劑樹脂外, 200℃熱壓溫度下制備的板材的24 h TS均低于185℃熱壓溫度下制備板材的對(duì)應(yīng)值, 且在185℃熱壓溫度下制備板材的24 h TS隨著物質(zhì)的量比的增加而減小, 同物質(zhì)的量比的樹脂加催化劑的24 h TS比空白樣的24 h TS更低。數(shù)據(jù)說明提高熱壓溫度, 有利于提高板材的大部分物理力學(xué)性能。
3 結(jié)論
1) 各物質(zhì)的量比的樹脂中加入催化劑制備的板材, 其各項(xiàng)力學(xué)性能均有提高。除物質(zhì)的量比為1.18∶1的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度低于空白樣的外, 其他所有加催化劑的板材力學(xué)性能均優(yōu)于空白樣的力學(xué)性能。說明催化劑的加入有利于改善板材的力學(xué)性能。對(duì)于加有三聚氰胺的樹脂也同樣有增強(qiáng)力學(xué)性能的效果。
2) 在甲醛對(duì)尿素物質(zhì)的量比為1.18∶1樹脂中分別加入不同比例的催化劑后, 發(fā)現(xiàn)催化劑的量不是越大其板材性能越好。在不同溫度的樹脂中加入催化劑, 其制備的板材力學(xué)性能變化規(guī)律不明顯。
3) 提高熱壓溫度有利于提高板材的各項(xiàng)力學(xué)性能。
摘 要： 在制備UF樹脂時(shí)加入微量的催化劑JSB1, 用于制作密度板, 對(duì)比空白樣進(jìn)行性能變化分析, 結(jié)果顯示向各物質(zhì)的量比的UF樹脂中加入設(shè)計(jì)量催化劑JSB1制備的板材, 其各項(xiàng)力學(xué)性能比空白樣的對(duì)應(yīng)值均有所提高, 其改善效果可與所加三聚氰胺制備的板材效果相比, 對(duì)于加有催化劑三聚氰胺的樹脂也同樣有增強(qiáng)力學(xué)性能的效果;催化劑JSB1的加入量對(duì)板材的力學(xué)性能影響規(guī)律性不明顯;樹脂在不同溫度下加入催化劑, 其制備的板材力學(xué)性能的變化也不規(guī)律。加入催化劑的各物質(zhì)量比的樹脂制備的板材, 通過提高熱壓溫度可以提高板材的大部分力學(xué)性能。
脲醛樹脂膠因具有膠合強(qiáng)度高、固化快、操作性能良好且成本低廉、原料來源豐富等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于木材加工及涂飾行業(yè), 尤其是作為膠粘劑用于刨花板、膠合板、密度板等木工行業(yè)中, 占該行業(yè)用膠量的80%以上。但脲醛樹脂易釋放甲醛的問題也引起環(huán)保學(xué)家和消費(fèi)者的關(guān)注, 目前普遍采用的降低膠粘劑游離甲醛含量的方法是降低反應(yīng)時(shí)甲醛對(duì)尿素物質(zhì)的量比, 并對(duì)樹脂進(jìn)行改性和添加甲醛捕集劑, 結(jié)果導(dǎo)致膠產(chǎn)品的成本大幅度提高, 或力學(xué)性能降低[7,8], 從而限制了其大范圍推廣應(yīng)用。本研究通過在UF樹脂中加入微量的催化劑JSB1, 用于制作密度板, 測(cè)試其力學(xué)性能并與空白樣對(duì)比, 探討催化劑JSB1的加入對(duì)密度板性能的影響, 相關(guān)研究未見報(bào)道。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要原材料
催化劑JSB1, 強(qiáng)堿性淡黃色液體, 固含量8%, 金賽博陽 (北京) 科技有限公司;甲醛溶液, 分析純, 含量36.8%, 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;尿素, 總氮 (N) ≥46.4%, 內(nèi)蒙古烏拉山化肥有限公司;木纖維, 中國林科院木材工業(yè)研究所中試基地。
1.2 儀器及設(shè)備
數(shù)顯恒溫油浴槽, HH-6, 金壇市正基儀器有限公司;酸度計(jì), 827PH lab, 瑞士Metrohm公司;黏度計(jì), DV-I+VISCOMETER, 美國BROOKFIELD公司;平板式熱壓機(jī), QD, 上海人造板機(jī)器廠;萬能力學(xué)材料試驗(yàn)機(jī), WDW-W10, 濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司;及一般實(shí)驗(yàn)室儀器。
1.3 膠粘劑的合成與木纖維的準(zhǔn)備
UF樹脂按照表1設(shè)計(jì)的物質(zhì)的量比進(jìn)行合成, 在反應(yīng)器中加入適量甲醛, 用濃度為40%的Na OH調(diào)p H, 加入尿素進(jìn)行反應(yīng), 保持一定的溫度與時(shí)間, 反應(yīng)到終點(diǎn)時(shí), 調(diào)整溫度, 加入設(shè)計(jì)量的催化劑, 冷卻, 將其倒入干凈的干燥塑料容器中存放備用。
木纖維在電干燥箱中干燥至含水量為3%, 存放在干燥塑料袋中備用。
1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
木纖維與UF樹脂的質(zhì)量比為90∶10, 影響密度板性能的4個(gè)因子分別為甲醛與尿素的物質(zhì)的量比、催化劑的劑量、加入催化劑溫度及制板熱壓溫度。具體設(shè)計(jì)見表1。
1.5 密度板的制備
干燥過的木纖維先在高速混料機(jī)中常溫混合3 min, 然后在高壓下將固含量為50%的UF樹脂噴入木纖維并混拌5 min, 再室溫干燥2 h, 然后在規(guī)格為340 mm×360 mm的成型框中預(yù)壓成型后放入壓機(jī)中熱壓成規(guī)格為340mm×360 mm×12 mm的密度板, 在溫度為 (25±3) ℃, 相對(duì)濕度為 (65±2) %的環(huán)境中放置7 d, 然后根據(jù)測(cè)試需求鋸制試件, 用于進(jìn)一步測(cè)試。
表1 樹脂合成及制板試驗(yàn)方案
1.6 密度板性能測(cè)試
密度板的物理力學(xué)性能測(cè)試依據(jù)GB/T17657—2013、GB/T 11718—2009標(biāo)準(zhǔn)[9,10]進(jìn)行, 力學(xué)性能包括內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度 (IB) , 靜曲強(qiáng)度 (MOR) , 彈性模量 (MOE) , 物理性能包括密度, 24 h吸水厚度膨脹率 (24 h TS) 。測(cè)試24 h TS時(shí), 試件要在室溫下放入水中, 分別在試驗(yàn)前和浸泡24h后測(cè)試件厚度。所有測(cè)試項(xiàng)目的試件數(shù)均為9塊 (從3塊平行樣中各取3塊所得) 。用于測(cè)試IB, 24 h TS和密度的試件規(guī)格為 (50mm×50 mm) , 用于測(cè)試MOR和MOE的矩形試件規(guī)格為 (300 mm×50 mm) 。
2 結(jié)果與討論
2.1 物質(zhì)的量比對(duì)板材力學(xué)性能的影響
試驗(yàn)中物質(zhì)的量比為1.1∶1的樹脂中加入了三聚氰胺, 因此這一物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材無論空白樣還是加催化劑的試件, 其對(duì)應(yīng)板材的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均好優(yōu)于其他未加三聚氰胺的各物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材。從圖1中也可以看出除IB中物質(zhì)的量比為1.18∶1的板材低于空白樣板材外, 其他所有力學(xué)性能中加催化劑的板材均優(yōu)于空白樣板材, 有利于改善板材的力學(xué)性能, 比較空白樣中加入三聚氰胺的物質(zhì)量比為1.1∶1樣與加催化劑樣的數(shù)據(jù), 可見加入催化劑樣的力學(xué)性能與加入三聚氰胺的板材相當(dāng)、甚至更好, 在加入催化劑的板材中加有三聚氰胺的板材其力學(xué)性能也是最好的, 說明催化劑的加入對(duì)加有三聚氰胺的樹脂也同樣有增強(qiáng)力學(xué)性能的效果。
對(duì)空白樣來說, 除加入了三聚氰胺的其他3種物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材其綜合性能最好的是物質(zhì)的量比為1.27∶1的樹脂, 而不是物質(zhì)的量比為1.4∶1的樹脂, 這是因?yàn)槠湮镔|(zhì)的量比為1.4∶1的樹脂的MOE和IB低于物質(zhì)的量比為1.27∶1的樹脂。
對(duì)于加了催化劑的樹脂樣來說, 除加入了三聚氰胺的其他3種物質(zhì)的量比的樹脂制備的板材的力學(xué)性能與空白樣略有不同。MOR和MOE隨著物質(zhì)的量比的增加而降低, 而IB則增加。24 h TS均表現(xiàn)為隨物質(zhì)的量比的增加而下降。
2.2 催化劑用量對(duì)板材力學(xué)性能的影響
由圖2可以看出, 與空白樣相比, 加入催化劑的樣品, 除IB外, 其性能均有提高, 但是隨著催化劑用量的增加, 板材的力學(xué)性能呈現(xiàn)不規(guī)律的變化, 在加入比例最高0.18%時(shí), 其MOR值與MOE值最低, 而IB值最大, 24h TS最低 (最好) 。說明催化劑的量不是越大其板材性能就越好。
圖1 樹脂物質(zhì)的量比對(duì)板材力學(xué)性能的影響
圖2 催化劑用量對(duì)板材力學(xué)性能的影響
2.3 加催化劑時(shí)的溫度對(duì)板材力學(xué)性能影響
由圖3可以看出, 試驗(yàn)中選取的2種物質(zhì)的量比樹脂制備的板材在2個(gè)不同加入溫度下的力學(xué)性能變化特點(diǎn)也不一樣, 物質(zhì)的量比為1.18∶1的樹脂在65℃下加入催化劑, 其制備的板材MOR和MOE值小于55℃下加入催化劑制備的板材的對(duì)應(yīng)值, 表現(xiàn)為負(fù)影響, 而IB值變大, 24 h TS變小, 表現(xiàn)為正影響;物質(zhì)的量比為1.27∶1的樹脂在65℃下加入催化劑, 其MOR和IB與55℃下加入催化劑的MOR變化不大, 但是MOE與24 h TS分別變小和增大, 均為負(fù)影響。
圖3 加催化劑時(shí)的溫度對(duì)板材力學(xué)性能影響
2.4 熱壓溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響
圖4中是2種物質(zhì)的量比的樹脂的空白樣與加催化劑樣分別在2個(gè)熱壓溫度下制備的板材的物理力學(xué)性能。
圖4 熱壓溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響
由圖4a) 可以看出2種物質(zhì)的量比的樹脂無論是否加催化劑, 在200℃熱壓溫度下制備的板材的MOR均高于185℃熱壓溫度下板材的對(duì)應(yīng)值。并且加入催化劑的樹脂制備的板材MOR均高于空白樣的對(duì)應(yīng)值, 物質(zhì)的量比為1.18∶1時(shí)的樹脂加入催化劑后板材MOR值大于物質(zhì)的量比為1.27∶1時(shí)的樹脂的對(duì)應(yīng)值。
由圖4b) 可以看出在200℃熱壓溫度下制備的板材的MOE值均優(yōu)于185℃熱壓溫度下板材的對(duì)應(yīng)值, 且加入催化劑的樹脂制備的板材MOE值均高于空白樣的對(duì)應(yīng)值。
由圖4c) 看出除物質(zhì)的量比1.27∶1加催化劑樹脂外200℃熱壓溫度下制備的板材的IB均高于185℃熱壓溫度下制備板材的對(duì)應(yīng)值。
由圖4d) 可以看出除物質(zhì)的量比1.27∶1加催化劑樹脂外, 200℃熱壓溫度下制備的板材的24 h TS均低于185℃熱壓溫度下制備板材的對(duì)應(yīng)值, 且在185℃熱壓溫度下制備板材的24 h TS隨著物質(zhì)的量比的增加而減小, 同物質(zhì)的量比的樹脂加催化劑的24 h TS比空白樣的24 h TS更低。數(shù)據(jù)說明提高熱壓溫度, 有利于提高板材的大部分物理力學(xué)性能。
3 結(jié)論
1) 各物質(zhì)的量比的樹脂中加入催化劑制備的板材, 其各項(xiàng)力學(xué)性能均有提高。除物質(zhì)的量比為1.18∶1的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度低于空白樣的外, 其他所有加催化劑的板材力學(xué)性能均優(yōu)于空白樣的力學(xué)性能。說明催化劑的加入有利于改善板材的力學(xué)性能。對(duì)于加有三聚氰胺的樹脂也同樣有增強(qiáng)力學(xué)性能的效果。
2) 在甲醛對(duì)尿素物質(zhì)的量比為1.18∶1樹脂中分別加入不同比例的催化劑后, 發(fā)現(xiàn)催化劑的量不是越大其板材性能越好。在不同溫度的樹脂中加入催化劑, 其制備的板材力學(xué)性能變化規(guī)律不明顯。
3) 提高熱壓溫度有利于提高板材的各項(xiàng)力學(xué)性能。