改性豆粕胶黏剂压制低密度秸秆刨花板工艺优化_刘笑航.pdf

第 卷 第 期北华大学学报（自然科学版）年 月 （）文章编号：（）：改性豆粕胶黏剂压制低密度秸秆刨花板工艺优化刘笑航，陈 庚，姜 浩，刘景泽，庞久寅（北华大学木质材料科学与工程重点实验室，吉林 吉林）摘要：在聚合 固化剂（聚合二苯甲烷二异氰酸酯）占总量 的条件下，使用尿素、溴化锂和醋丙乳液对豆粕进行改性；利用改性豆粕胶黏剂压制低密度耐水型秸秆板，针对秸秆板防水性低的缺点，优化豆粕、醋丙乳液和防水剂用量；测定胶黏剂性能指标及秸秆板吸水膨胀率、静曲强度由正交试验获得最佳工艺参数：热压时间 ，热压温度 ，豆粕与醋丙乳液质量比为 ，防水剂占秸秆刨花板质量的，在此条件下压制的秸秆板静曲强度为 ，符合 轻质纤维板标准关键词：低密度刨花板；豆粕胶黏剂；静曲强度；化学改性中图分类号：文献标志码：收稿日期：基金项目：吉林省科技厅重点研发项目（）；吉林省发改委项目（）作者简介：刘笑航（），女，硕士研究生，主要从事生物质材料研究，：；通信作者：庞久寅（），男，博士，教授，主要从事木材改性研究，：，（，）：，（），：，：；随着石油等不可再生资源价格上涨、日渐紧缺，以及醛类胶黏剂释放游离甲醛危害人体健康问题突显，作为原料丰富、价格低廉、可再生的绿色产品豆粕，又重新走入了人们的视野研制豆粕胶黏剂，可以从根本上解决醛类胶黏剂中游离醛、游离酚等有害物质的挥发问题，但由于存在耐水性差、胶结强度小的缺点，豆粕胶黏剂发展缓慢研究发现，对豆粕粉进行改性可以增强豆粕胶黏剂的胶结强度和防水性能，改性后的豆粕胶黏剂性能良好、无毒害，是一种环境友好型产品我国秸秆总量大，大多通过焚烧处理，容易造成严重污染，因此，对秸秆进行处理和综合利用越来越受到重视比如，压制刨花板，可替代木材制成多种产品，从而在一定程度上减少木材消耗，缓解木材紧缺的压力作为一种轻质板材，低密度秸秆板具有重量轻、强度高、环保、隔热、隔音、防火、施工快、成本低等优点然而，秸秆表面润湿性差，表面的蜡状物质和杂质影响秸秆纤维与豆粕胶黏剂的胶合，使秸秆刨花板生产和应用受到限制本文对豆粕胶黏剂进行改性，增加溶解度；使用中性溶液对秸秆进行预处理，以改善润湿性；针对低密度秸秆板防水性低的问题，优化豆粕、醋丙乳液和防水剂的用量；使用改性豆粕胶黏剂压制秸秆刨花板，测定吸水膨胀率和静曲强度，优化低密度秸秆刨花板压制工艺本研究对提高秸秆刨花板力学性能，促进秸秆的高效利用具有现实意义 材料与设备 试验试剂试验试剂有尿素（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）、溴化锂（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）、豆粕粉、固化剂（广州市弘纳化工有限公司）、醋丙乳液（上海保立佳化工有限公司）试验仪器试验仪器有数显全自动升降恒温水浴锅、电动搅拌器、电热鼓风干燥箱、数控超声波清洗器、电子天平、型旋转黏度计、微机控制电子式万能试验机、平板硫化机、精密推台锯 试验方法 改性豆粕胶黏剂制备与指标测定 豆粕胶黏剂改性原理采用尿素和溴化锂处理豆粕，通过破环豆粕的高级结构，增强溶解性尿素中含有氧原子和氮原子，与大豆蛋白中的羟基反应，主要破坏使其保持多肽链空间结构的氢键，使聚合体展开；溴化锂中的锂离子与大豆蛋白分子中羟基的氧发生配位反应，破环大豆蛋白的氢键网络结构经尿素和溴化锂改性后，大豆蛋白结构展开，内部疏水基团暴露，提升溶解性 改性豆粕胶黏剂制备在三口烧瓶里加入 豆粕粉、尿素、溴化锂，同时加入 蒸馏水将三口烧瓶固定在 恒温水浴锅中，打开电动搅拌机搅拌，加入 醋丙乳液搅拌 后，加入 固化剂（占总量的）搅拌 ，制成改性豆粕胶黏剂；按照豆粕与醋丙乳液质量比分别为 、重复操作，最终得到 组改性豆粕胶黏剂，见表 表 改性豆粕胶黏剂配方 序号（豆粕）（）（醋丙乳液）聚合 占比（尿素）（溴化锂）固含量测定取 个相同的锡纸盒，标号，用电子天平称量锡纸盒质量（精度 ），分别加入改性豆粕胶黏剂试样 设置恒温鼓风干燥箱温度为 ，放入加过试样的锡纸盒，干燥 ，取出锡纸盒后放入干燥器中冷却 取出称重，计算固含量（）：（）（），式中：为锡纸盒与干燥后胶黏剂的质量（）；为锡纸盒的质量（）；为锡纸盒与干燥前胶黏剂的质量（）黏度测定将改性豆粕胶黏剂倒入烧杯中，搅拌均匀安装旋转黏度计，选择合适的转子装到旋转黏度计上将烧杯放在转子正下方，使转子没过标线，开启电子黏度计观察显示屏，待黏度数据稳定时，记录读数（读数时，要控制在 分度，否则要重新选取转子）第 期刘笑航，等：改性豆粕胶黏剂压制低密度秸秆刨花板工艺优化 秸秆表面预处理秸秆表面含有硅及蜡状物质，影响秸秆纤维与豆粕胶黏剂的胶合及防水剂在秸秆板表面的渗透通过预处理能够有效改善秸秆纤维的表面形态，获得更好的界面性能，因此，考虑对秸秆进行预处理虽然强碱、强酸预处理秸秆可以去除表面杂质，增强润湿性，但酸、碱处理后的秸秆纤维还需经其他溶液漂洗至中性；同时，压制的秸秆板强度也会大幅度降低为了获得更好的胶合质量，并简化试验，使用氯化钙溶液对秸秆板进行预处理，期望降低液体的表面张力，改善秸秆表面的润湿性 氯化钙溶液处理分别配置、的氯化钙溶液 选取粒径为 的秸秆碎料 块，分 份浸泡在装有不同浓度氯化钙溶液的烧杯中，浸泡 ；取出秸秆，放入温度为 的鼓风干燥箱中干燥 ；使用塑封袋将干燥后的秸秆分装并标号，利用接触角测量仪测定接触角 预处理结果接触角越小铺展液体面积越大，润湿性越强接触角检测结果见图 由图 可知：用、氯图 氯化钙预处理秸秆的接触角 化钙预处理后的秸秆接触角分别为、因此，用浓度为 氯化钙处理的秸秆润湿性最好用 氯化钙溶液处理过的秸秆压制秸秆板，结果发现，秸秆板表面发焦、发黑，表面强度也有所下降分析认为，使用氯化钙溶液预处理破坏了秸秆纤维，虽然可以增强润湿性，但会导致秸秆焦炭化，影响板材外观形貌，此试验还有待优化基于酸、碱处理会影响胶合质量，在考虑成本的同时，最终决定使用更多的防水剂来提高板材的防水性能 压制低密度秸秆刨花板将粒径为 的秸秆纤维放入电热鼓风干燥箱中，干燥 ；施胶量为，称取秸秆纤维，改性豆粕胶黏剂 ，均匀搅拌，倒入防水剂再次搅拌；在两个承板一侧涂上石蜡，放入秸秆纤维；设置好热压时间、热压压力和热压温度进行热压；热压后取出板材，阴凉处静置 ，对秸秆刨花板编号（）压制秸秆刨花板尺寸为 ，密度为 由于国内未制定轻质刨花板专用标准，目前研究常参照日本 轻质刨花板标准，但密度低于 的刨花板力学性能研究还不够完善，因此，本研究中静曲强度参照轻质纤维板标准 正交试验选择（）正交试验方案，以热压时间、热压温度、防水剂占秸秆刨花板质量比、豆粕与醋丙乳液质量比作为变量，见表 表 因素与水平 水平：（热压）：（热压）：防水剂占秸秆刨花板质量比：（豆粕）（醋丙乳液）秸秆板防水性能检测 吸水厚度膨胀率取 块秸秆刨花板，分别截取试件，尺寸为 ，筛选出合格试件，标号 ；测量试件中心点厚度，测量点在试件对角线交点处；将试件完全浸没在 水浴锅中，浸泡 ；取出试件，擦拭表面水分，测量浸水后试件厚度 计算 吸水膨胀率，精确至（）静曲强度取出 块刨花板，截取试件，尺寸为 ，筛选出合格试件，标号 ；按图 安装支北华大学学报（自然科学版）第 卷图 静曲强度测试装置 撑辊和加荷辊，调节两支座支撑辊间的跨距为 ，启动机器，读取试件破裂时的最大载荷计算试件的静曲强度：，式中：为试件的静曲强度（）；为试件被破坏时的最大载荷（）；为两个支撑辊的间距（）；为试件宽度（）；为试件厚度（）结果与讨论 改性豆粕胶黏剂固含量与黏度表 不同配方改性豆粕胶黏剂固含量与黏度 指标（豆粕）（醋丙乳液）固含量 黏度（）不同配方改性豆粕胶黏剂固含量与黏度见表 由表 可知：随着豆粕占比的减小，胶黏剂的固含量提高当豆粕与醋丙乳液质量比为 ，聚合物 占总质量 时，固含量可达；个样品黏度处于 ，黏度适宜，流动性好，便于后期涂胶 吸水膨胀率秸秆板 吸水膨胀率见表 由表 可知：热压时间、热压温度、防水剂占秸秆刨花板质量比和豆粕与醋丙乳液质量比对吸水膨胀率影响较大，因素主次为豆粕与醋丙乳液质量比热压温度防水剂占秸秆刨花板质量比热压时间，最优组合为 其中，当热压时间为 ，热压温度为 ，防水剂占秸秆刨花板质量的，豆粕与醋丙乳液质量比为 时，压制出的秸秆刨花板 吸水膨胀率最低，为表 秸秆板 吸水膨胀率 试件号：（热压）：（热压）：防水剂占秸秆刨花板质量比：（豆粕）（醋丙乳液）吸水膨胀率 静曲强度秸秆板静曲强度见表 由表 可见：影响静曲强度的因素主次为豆粕与醋丙乳液质量比热压温度防水剂占秸秆刨花板质量比热压时间，最优组合为，即当热压时间为 ，热压温度 ，防水剂占秸秆刨花板质量的，豆粕与醋丙乳液质量比为 时，压制出的秸秆刨花板静曲强度最高，符合轻质纤维板行业标准 第 期刘笑航，等：改性豆粕胶黏剂压制低密度秸秆刨花板工艺优化表 秸秆板静曲强度 试件号：（热压）：（热压）：防水剂占秸秆刨花板质量比：（豆粕）（醋丙乳液）静曲强度 小 结随着绿色、环保理念的增强，综合利用成为秸秆等农作剩余物处理的趋势科学利用秸秆，不仅能有效解决我国秸秆随意废弃和焚烧的问题，同时还可以减少二氧化碳和氮氧化物排放，有效改善生态环境，实现农业与自然的协调发展本次试验，通过尿素和溴化锂处理对豆粕进行化学改性，使用改性后的豆粕胶黏剂压制秸秆板刨花板，由正交试验得到压制低密度秸秆刨花板的最佳工艺参数：热压时间 ，热压温度 ，防水剂占秸秆刨花板质量的，豆粕与醋丙乳液质量比为 在此条件下压制的秸秆板静曲强度为 ，符合轻质纤维板国家林业行业标准 但用秸秆压制的刨花板防水性处理还有待完善，要在简化秸秆预处理过程、增强润湿性的同时保持美观，未来将进一步开展改性豆粕胶黏剂压制低密度秸秆刨花板的应用研究参考文献：吴志刚，雷洪，杜官本大豆蛋白基胶黏剂研究与应用现状粮食与油脂，（）：孙耀星，牛笑一，庞久寅改性豆粕胶压制长白山臭松包装箱板的研究林产工业，（）：时君友，温明宇，李翔宇，等生物质基无甲醛胶黏剂的研究进展林业工程学报，（）：肖俊华，赖德明，海凌超，等无机胶黏剂及其在人造板工业中的应用中国人造板，（）：蒋瑞，陆皞然木材用大豆蛋白基胶黏剂专利申请分析广东化工，（）：，吴志刚解聚和交联改性大豆蛋白基胶黏剂研究昆明：西南林业大学，张思肖聚氨酯交联改性工业明胶制备木材胶黏剂及其性能研究西安：陕西科技大学，高强，刘峥，李建章人造板用大豆蛋白胶黏剂研究进展林业工程学报，（）：，（）：，（）：吴迪秸秆焚烧治理的法律对策研究青岛：中国海洋大学，韩莹莹农作物秸秆综合利用的现状与建议现代经济信息，（）：阴晓璐，张扬轻质纤维板的研究现状和发展趋势山东林业科技，（）：罗书品，高黎，郭文静轻质刨花板研究进展中国人造板，（）：陈建新新型低密度纤维板生产工艺研究：以永安人造板厂为例河南科技，（）：，：【责任编辑：郭 伟】北华大学学报（自然科学版）第 卷