摘 要： 在制備UF樹脂時加入微量的催化劑JSB1, 用于制作密度板, 對比空白樣進行性能變化分析, 結果顯示向各物質的量比的UF樹脂中加入設計量催化劑JSB1制備的板材, 其各項力學性能比空白樣的對應值均有所提高, 其改善效果可與所加三聚氰胺制備的板材效果相比, 對于加有催化劑三聚氰胺的樹脂也同樣有增強力學性能的效果;催化劑JSB1的加入量對板材的力學性能影響規律性不明顯;樹脂在不同溫度下加入催化劑, 其制備的板材力學性能的變化也不規律。加入催化劑的各物質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性能。

脲醛樹脂膠因具有膠合強度高、固化快、操作性能良好且成本低廉、原料來源豐富等優點而被廣泛應用于木材加工及涂飾行業, 尤其是作為膠粘劑用于刨花板、膠合板、密度板等木工行業中, 占該行業用膠量的80%以上。但脲醛樹脂易釋放甲醛的問題也引起環保學家和消費者的關注, 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時甲醛對尿素物質的量比, 并對樹脂進行改性和添加甲醛捕集劑, 結果導致膠產品的成本大幅度提高, 或力學性能降低[7,8], 從而限制了其大范圍推廣應用。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, 測試其力學性能并與空白樣對比, 探討催化劑JSB1的加入對密度板性能的影響, 相關研究未見報道。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

催化劑JSB1, 強堿性淡黃色液體, 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%, 國藥集團化學試劑有限公司;尿素, 總氮 (N) ≥46.4%, 內蒙古烏拉山化肥有限公司;木纖維, 中國林科院木材工業研究所中試基地。

1.2 儀器及設備

數顯恒溫油浴槽, HH-6, 金壇市正基儀器有限公司;酸度計, 827PH lab, 瑞士Metrohm公司;黏度計, DV-I+VISCOMETER, 美國BROOKFIELD公司;平板式熱壓機, QD, 上海人造板機器廠;力學材料試驗機, WDW-W10, 濟南時代試金儀器有限公司;及一般實驗室儀器。

1.3 膠粘劑的合成與木纖維的準備

UF樹脂按照表1設計的物質的量比進行合成, 在反應器中加入適量甲醛, 用濃度為40%的Na OH調p H, 加入尿素進行反應, 保持一定的溫度與時間, 反應到終點時, 調整溫度, 加入設計量的催化劑, 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 試驗設計

木纖維與UF樹脂的質量比為90∶10, 影響密度板性能的4個因子分別為甲醛與尿素的物質的量比、催化劑的劑量、加入催化劑溫度及制板熱壓溫度。具體設計見表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, 然后在規格為340 mm×360 mm的成型框中預壓成型后放入壓機中熱壓成規格為340mm×360 mm×12 mm的密度板, 在溫度為 (25±3) ℃, 相對濕度為 (65±2) %的環境中放置7 d, 然后根據測試需求鋸制試件, 用于進一步測試。

表1 樹脂合成及制板試驗方案

1.6 密度板性能測試

密度板的物理力學性能測試依據GB/T17657—2013、GB/T 11718—2009標準[9,10]進行, 力學性能包括內結合強度 (IB) , 靜曲強度 (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) 。測試24 h TS時, 試件要在室溫下放入水中, 分別在試驗前和浸泡24h后測試件厚度。所有測試項目的試件數均為9塊 (從3塊平行樣中各取3塊所得) 。用于測試IB, 24 h TS和密度的試件規格為 (50mm×50 mm) , 用于測試MOR和MOE的矩形試件規格為 (300 mm×50 mm) 。

2 結果與討論

2.1 物質的量比對板材力學性能的影響

試驗中物質的量比為1.1∶1的樹脂中加入了三聚氰胺, 因此這一物質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, 其對應板材的各項物理力學性能均好優于其他未加三聚氰胺的各物質的量比的樹脂制備的板材。從圖1中也可以看出除IB中物質的量比為1.18∶1的板材低于空白樣板材外, 其他所有力學性能中加催化劑的板材均優于空白樣板材, 有利于改善板材的力學性能, 比較空白樣中加入三聚氰胺的物質量比為1.1∶1樣與加催化劑樣的數據, 可見加入催化劑樣的力學性能與加入三聚氰胺的板材相當、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性能也是較好的, 說明催化劑的加入對加有三聚氰胺的樹脂也同樣有增強力學性能的效果。

對空白樣來說, 除加入了三聚氰胺的其他3種物質的量比的樹脂制備的板材其綜合性能較好的是物質的量比為1.27∶1的樹脂, 而不是物質的量比為1.4∶1的樹脂, 這是因為其物質的量比為1.4∶1的樹脂的MOE和IB低于物質的量比為1.27∶1的樹脂。

對于加了催化劑的樹脂樣來說, 除加入了三聚氰胺的其他3種物質的量比的樹脂制備的板材的力學性能與空白樣略有不同。MOR和MOE隨著物質的量比的增加而降低, 而IB則增加。24 h TS均表現為隨物質的量比的增加而下降。

2.2 催化劑用量對板材力學性能的影響

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, 板材的力學性能呈現不規律的變化, 在加入比例較高0.18%時, 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 樹脂物質的量比對板材力學性能的影響

圖2 催化劑用量對板材力學性能的影響

2.3 加催化劑時的溫度對板材力學性能影響

由圖3可以看出, 試驗中選取的2種物質的量比樹脂制備的板材在2個不同加入溫度下的力學性能變化特點也不一樣, 物質的量比為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應值, 表現為負影響, 而IB值變大, 24 h TS變小, 表現為正影響;物質的量比為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, 均為負影響。

圖3 加催化劑時的溫度對板材力學性能影響

2.4 熱壓溫度對板材力學性能的影響

圖4中是2種物質的量比的樹脂的空白樣與加催化劑樣分別在2個熱壓溫度下制備的板材的物理力學性能。

圖4 熱壓溫度對板材力學性能的影響

由圖4a) 可以看出2種物質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應值。并且加入催化劑的樹脂制備的板材MOR均高于空白樣的對應值, 物質的量比為1.18∶1時的樹脂加入催化劑后板材MOR值大于物質的量比為1.27∶1時的樹脂的對應值。

由圖4b) 可以看出在200℃熱壓溫度下制備的板材的MOE值均優于185℃熱壓溫度下板材的對應值, 且加入催化劑的樹脂制備的板材MOE值均高于空白樣的對應值。

由圖4c) 看出除物質的量比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應值。

由圖4d) 可以看出除物質的量比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應值, 且在185℃熱壓溫度下制備板材的24 h TS隨著物質的量比的增加而減小, 同物質的量比的樹脂加催化劑的24 h TS比空白樣的24 h TS更低。數據說明提高熱壓溫度, 有利于提高板材的大部分物理力學性能。

3 結論

1) 各物質的量比的樹脂中加入催化劑制備的板材, 其各項力學性能均有提高。除物質的量比為1.18∶1的內結合強度低于空白樣的外, 其他所有加催化劑的板材力學性能均優于空白樣的力學性能。說明催化劑的加入有利于改善板材的力學性能。對于加有三聚氰胺的樹脂也同樣有增強力學性能的效果。

2) 在甲醛對尿素物質的量比為1.18∶1樹脂中分別加入不同比例的催化劑后, 發現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, 其制備的板材力學性能變化規律不明顯。

3) 提高熱壓溫度有利于提高板材的各項力學性能。