生物质酚醛树脂木材胶黏剂的研发和应用

生物质酚醛树脂木材胶黏剂的研发和应用

韩松岩

深圳市天宁达胶粘技术有限公司广东深圳518106

摘要：酚醛树脂因其低成本、耐高温、阻燃和综合力学性能好，在先进复合材料基体、耐候涂料、保温材料和人造木材粘合剂等方面，有很多实际应用。本文以对生物质原料特性及其化学离解和树脂化机理的认识为基础，通过与生产应用单位的密切合作，研发/试产/试用了以核桃壳为主要原料的生物质酚醛树脂（简称BPF），以探求生物质木材胶黏剂规模化工业生产和应用的可行途径。

关键词：生物质；酚醛树脂；木材胶黏剂

随着石油等资源的日益枯竭，基于生物质等可再生资源的能源与材料的研究与应用正越来越受到全球各国科研人员和工业界的重视。同时，利用可再生物质可提炼适合于高分子材料的原材料及添加剂，已成为新兴技术热点。

一、胶黏剂的历史

胶黏剂是通过界面的黏附和内聚等作用，能使两种或两种以上的制件或材料连接在一起的天然的或合成的、有机的或无机的一类物质，统称为胶黏剂，又叫黏合剂，习惯上简称为胶。简而言之，胶黏剂是通过黏合作用，能使被黏物结合在一起的物质。“胶黏剂”是通用的标准术语，亦包括其他一些胶水、胶泥、胶浆、胶膏等。另外，人们使用胶黏剂的时间已走过一个极其漫长的时期，早在几千年前，人们就已具备通过胶来使不同的木材黏合在一起，以达到对木材的使用目的，我国也是世界上最早使用黏合工艺的国家之一，早期的胶黏剂主要是淀粉、黏土、骨胶等，即使在现代社会，仍旧使用这些天然胶黏剂，如骨胶等，在十七到十八世纪，工业发展发达的国家已建立起早期的胶黏剂工程，胶黏剂的生产过程也呈现出规模化的趋势，人们在胶黏剂的原材料上也有新的选择，如通过人工的技术手段合成的树胶等。合成的胶黏剂与天然的胶黏剂相比，有诸多优势，能保持长期的耐久性。现如今的木材加工工程中，木材胶黏剂比天然胶黏剂占有更大的市场份额，即使在日常生活中，人们也更愿意选择木材胶黏剂。

二、我国胶黏剂的现状

胶黏剂有很多种类，按不同的角度，可将胶黏剂分成不同的类型：固化木材胶黏剂的方式不同，得到的胶黏剂也有着很大的不同，主要有热固型、热熔型、溶剂型、热塑性四个种类；按胶黏剂所呈现的不同状态可将胶黏剂分为固体型、粉末型、乳液型、薄膜型、溶剂型；按其耐水性能进行分类，可分为非耐水型、低耐水型、中等耐水型高耐水型；按胶黏剂的不同用途可将胶黏剂进行分类：热固型树脂的胶黏剂主要用于制作胶合板、家具、木材端接等，天然橡胶主要用于制作塑料面板，动植物蛋白胶主要用于纸制品、胶带纸的制作，石膏、水泥主要用于制作刨花板。我国的胶黏剂不仅种类繁多，还对其环保性能有着一定程度的要求，室内建筑的装修工作也给胶黏剂工艺提高了难度。

三、试产方法

1、原材料

1）核桃壳等壳类生物活性粉体（PW）：粒度≤80目；由某市西木木材工业研究开发公司提供。

2）工业用苯酚、甲醛、氢氧化钠、催化剂A、催化剂B。

3）单板和试件规格

①实验室胶台板用单板：西南桦，均厚1.60㎜；5层板厚7.4mm，幅面450×450mm。

②试产水泥模板用单板：马尾松，均厚2.05mm；9层板厚17.0mm，幅面2440×1220mm。

③试产集装箱木地板用单板：克隆（表板），白杂（芯板），均厚1.50mm；21层板厚28.0mm，幅面2480×1210㎜。

④填料：工业面粉。

2、试验装备。50kg实验型和3t和5t生产型反应釜；旋转式黏度计等胶黏剂性能检测和试验压机等实验室试验装备；调胶系统、涂胶机、单层预压机、10～25层胶合板热压机等生产型装备；过程监控仪等人造板热压过程检测装备；力学试验机等人造板性能质量检测装备等。

3、试验设计。取单因素试验法，探求BPF固体含量和BPF出釜黏度对BPF胶合性能的影响。

4、试产操作

1）BPF试产操作。按PW对苯酚的取代率分别为40％（用催化剂A时）和25％（用催化剂B时）设计BPF配方，取生物原料全部利用和无二次污染工艺技术路线，对PW作离解和活化处理，按共聚合成路线和技术条件，在工业型反应釜上制取BPF；按国标GB/T14074-93《木材胶黏剂及其树脂检验方法》检测BPF的性能。

2）BPF水泥模板和BPF集装箱木地板试产操作。按常规纯酚醛树脂胶合工艺，其中：单板含水率、填料加入量（6％～8％）、涂胶量（330～3709/m2）、热压温度（125～135℃）、陈化、初黏性、预压、热压压力和时间等均与常规纯酚醛树脂相当；按国标GB/砷846-2004《胶合板》、国标GB/T17656-1999《混凝土模板用胶合板》、国标GB/T19536-2004《集装箱底板用胶合板》和国标GB/T18580-2001《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》分别检测BPF胶合板、BPF水泥模板和BPF集装箱木地板的性能。

四、结果与讨论

1、不同出釜黏度BPF对胶合性能的影响。出釜黏度是表达树脂反应程度的重要指标之一，也是影响树脂胶合条件和胶合效果的重要因素之一。

表1为实验室条件下的不同出釜黏度BPF对松五层胶合板胶合性能的影响，从中可看出，BPF的出釜黏度过小和过大均不利于获得良好的胶合效果；这是因良好胶合效果的获得不仅取决于树脂适当的反应程度，还取决于适当黏度树脂所具有的适宜的工艺性（如涂展性）和适当的渗透性。

将实验室结果放大到实际生产的试验数据中，不同反应程度的BPF对水泥模板胶合性能的影响为：BPF-A出釜黏度为380mPa.s，干状胶合性能中胶合强度为1.54MPa，木破率为92.3％；湿状胶合性能中胶合强度为1.12MPa，木破率为83.0％。BPF-B出釜黏度为550mPa.s，干状胶合性能中胶合强度为1.28MPa，木破率为78.6％；湿状胶合性能中胶合强度为1.02MPa，木破率为76.0％。由此可看出，黏度较低（但适宜）的BPF-A的胶合性能优于黏度较高的BPF-B的胶合性能。由此可见，把握好树脂出釜黏度（亦即把握好树脂的反应程度）对树脂的胶合效应尤为重要。

2、不同固含BPF对集装箱木地板胶合性能的影响。表3反映了不同固体含量的BPF对28mm厚集装箱木地板胶合效果的影响，从中可看出，较高固体含量的BPF-50的胶合效果要比BPF-47的好，但差距并不大。由于树脂的固体含量决定了树脂的生产和使用成本，因此，把握好树脂的固体含量，也就控制好了树脂的生产和使用成本。另外，需注意的是：BPF的游离甲醛释放量远低于国标E1级的水平；由于生物质本身具有天然的吸附游离物质的能力，因此，生物质树脂应具有良好的环保潜力。

五、经济指标

以采用催化剂B、PW对苯酚的取代率为25％为例，按不同苯酚时价计算常用固体含量BPF的全部生产成本（含折旧和摊销），并与传统纯PF对比，如表4所示。从中可知相对于PF的BPF的经济效益。这一经济效益一方面来自于廉价PW对PF的取代，另一方面来自于BPF的生物质全质利用无二次污染制备工艺。

六、结语

近年来，为减少对日趋紧缺的石化资源的依赖和消耗，国内外科技界和产业界都在迫不及待地开展转化生物资源为化工原料的研发和应用。

参考文献：

[1]郑志锋.核桃壳树脂化基础研究[J].博士学位论文.啥尔滨：东北林业大学，2014.

[2]张宏健.核桃壳胶粘剂化学背景的探讨[J].林业科学，2015．

[3]黄儒珠.再生资源制胶合板胶粘剂的研究[J].福建林学院学报，2014.