CN107097322A - 一种基于聚羟基烷酸酯膜的植物纤维粘合技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高分子胶黏剂领域，特别涉及一种使用聚羟基烷酸酯膜作为胶黏剂的粘合工艺。以聚羟基烷酸酯母粒和植物纤维为主要原材料，通过吹膜工艺将聚羟基烷酸酯吹塑成膜后，在一定热压温度、热压时间、热压压力、偶联剂用量、聚羟基烷酸酯膜膜用量的控制下，实现对植物纤维材料的胶合并制备复合材料。

Description

一种基于聚羟基烷酸酯膜的植物纤维粘合技术

技术领域

本发明涉及高分子胶黏剂领域，特别涉及一种使用聚羟基烷酸酯膜作为胶黏剂的粘合工艺。

背景技术

聚羟基烷酸酯是微生物主要利用玉米淀粉等多糖类有机物，通过各种发酵作用产生的生物质高分子材料，作为微生物细胞内的碳和能量的储存物质而存在。聚羟基烷酸酯具有与传统塑料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）相似的力学性能，在自然界又可以完全降解，因此具有良好的应用前景。

将塑料充当胶黏剂从粘合界面分析可分为三段过程：第一阶段是塑料在熔融状态下与被粘接物体表面接触和浸润的过程。由于被粘接物体表面对塑料分子的各种基团和塑料中各组分的吸附能力不同，使得被粘接物总是要吸附那些可降低其表面能的物质，并优先吸附那些可较多降低其表面能的物质。第二阶段是塑料的固化阶段，在此过程中塑料聚合物通过物理或化学过程而固化，形成固定的界面层。固化过程受第一阶段的影响，同时它直接决定所形成的界面层结构。

1963 年Zisma首先提出界面浸润理论，其要点是填充剂被液态树脂良好浸润是极其重要的，因浸润不良在界面上产生空隙，易使应力集中而导致复合材料发生开裂；如果完全浸润，则基体与填充剂之间的黏结强度将大于基体的内聚强度。而由于塑料高分子表面为疏水非极性，在对植物纤维等表面具有大量亲水极性官能团的材料进行胶接时往往容易遇到界面不相容性的问题。

为改善聚羟基烷酸酯与植物纤维之间界面相容性差的问题，相关研究人员主要研究通过不同的界面改性剂来改善胶接界面上二者的相容性，以此达到提升聚羟基烷酸酯对植物纤维胶接强度，增强材料性能的作用，现阶段主要采用的是以硅烷和马来酸酐为主的偶联剂以改善塑料对极性材料表面的胶接性能。

目前，将聚羟基烷酸酯成膜并应用于植物纤维的粘合的技术鲜有报道。现阶段关于聚羟基烷酸酯在植物纤维粘合技术的应用主要集中在以聚羟基烷酸酯母料熔融后为胶黏剂、以生物质纤维或其它无机物颗粒为填料，通过共混挤出的加工方式在高温下实现胶接并经冷却制备复合材料。Wu等研究表明，PHB塑料经过丙烯酸酯接枝后与木纤维制备复合材料时，流动性提升，界面相容性得到了显著改善，与未经丙烯酸酯改性前相比，改性后的复合材料的拉伸强度明显增强;另外，改性后的复合材料的耐水性提髙，PHB自然降解性能下降。Anderson等研究了马来酸酐接枝PHB(PHB-g-MA)、低相对分子质量环氧树脂(DER662E)、聚二苯基甲烷二异氰酸酯(pMDI)和羧基聚酯(Uralac P5142)4种改性剂对聚羟基烷酸酯对植物纤维胶接性能的影响。结果表明，添加的4种改性剂都能改善聚羟基烷酸酯胶接时的界面相容性，并对复合材料的拉伸强度和模量有显著改善;其中改性剂p-MDI中的异氰酸盐基团的改性效率要高于Uralac P5142和PHB-g-MA中的羧基酸酐基团和DER 662E中的环氧基。当p-MDI的添加量为4%wt时，复合材料的拉伸强度和模量分别提高了57%和21%，复合材料的疏水性能最好。Ahankari等对比研究PHBV和常用的聚丙烯塑料PP胶黏秸秆纤维后的复合材料性能，结果表明，当麦秸秆纤维添加量为30%时，PHBV基复合材料性相较于PP基复合材料有更高的拉伸和弯曲模量，且微观分析表明，PHBV胶黏秸秆纤维后的胶接界面形貌要优于常用的PP塑料。刘美均采用经改性后的P(3，4)HB胶接竹纤维制备复合材料，结果发现，复合材料的弯曲强度和拉伸强度分别较未改性的P(3，4)HB提高了46.22%和58.63%;并且在P(3，4)HB胶黏剂中加入竹纤维或蒙脱土可显著降低其结晶性能，同时改善其热稳定性，力学性能可得到有效加强。

由于目前现有的生产方法存在聚羟基烷酸酯消耗量大，产品环保但成本高昂的缺点，因而急需探寻一种更为经济的利用方式，使得聚羟基烷酸酯这种环保型高分子胶黏剂能够充分发挥其环保价值。而将聚羟基烷酸酯制成膜并用于植物纤维材料的胶接无疑将大大降低胶层的体积与厚度，进而降低胶黏剂用量。

发明内容

基于发明背景技术中所述的问题，本发明提出了以聚羟基烷酸酯膜为胶黏剂，制造基于聚羟基烷酸酯膜为胶黏剂的植物纤维复合材料，在保证产品力学性能的前提下，减少了聚羟基烷酸酯的施胶量，降低了生产成本。

本发明提出的一种基于聚羟基烷酸酯膜粘合技术的薄膜应用工艺，其具体步骤主要包含：聚羟基烷酸酯的吹塑成膜和薄膜铺装，以及材料在热压前对薄膜的预处理和热压、冷压成型的工艺参数，其最优工艺关键参数为聚羟基烷酸酯膜施加量183g/m³，预处理薄膜用的硅烷偶联剂KH550量为薄膜施加总质量的3%，热压温度175°C，热压时间60s/mm，热压压力6MPa。

本发明有益效果

聚羟基烷酸酯与木材同为生物质材料，具有可再生的优点，随着人们环保意识的增强和化石资源的日益枯竭，以可回收再生资源作为材料具有很好的环保性和现实意义，但由于聚羟基烷酸酯的制造成本较高，制约了其在工业化生产中的应用。本发明有效降低了聚羟基烷酸酯作为胶黏剂的使用量，可降低生产成本。

传统用于植物纤维胶合的胶黏剂中的有毒物质释放所造成的环境污染已是不争的事实，本发明采用聚羟基烷酸酯为胶粘剂，无毒无污染，在土壤中可自然降解，降低了回收成本和难度，满足环境友好型材料的特征和要求。

具体实施方式：

本发明以聚羟基烷酸酯母粒和植物纤维为主要原材料，制造聚羟基烷酸酯膜为胶黏剂的植物纤维复合材料，涉及的制造步骤见附图1。

实施例1。

（1）试验材料。

聚3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯（PHBV），购自德国巴斯夫，牌号3020MD；竹纤维、木纤维、秸秆纤维自制；异氰酸酯（p-MDI），购于万华，固形物含量 100 %，异氰酸酯基（-NCO）质量分数 30.5 %-32.5 %，粘度 160-240 m Pa·s（25 ℃）；硅烷偶联剂KH-550，购于北京蓝弋化工有限公司，密度约为0.940-0.950g/mL，可溶于水中水解。无水乙醇,购于北京蓝弋化工有限公司，相对密度为0.789 g/cm3。

（2）试验设备。

吹膜设备，产自Labtech，螺杆直径25mm，长径比30，挤出机转速100RPM，口模间隙1.5mm，直径φ60mm（外）、φ57mm（内），挤出机VOLT为400，功率11.1KW。150T万能试验热压机：BY302×2/15型，公称压力1500KN，热压板幅面500×500(mm)，苏州新协力机器制造有限公司；QD型冷压机，上海人造板机械厂。

（3）聚羟基烷酸酯加工成膜。

将聚3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯（PHBV）通过吹塑工艺制得厚度为0.04mm，密度约为1g/cm³的塑料薄膜备用。

（4）材料粘合前的预处理。

将聚羟基烷酸酯膜裁切为400×400mm，并使用乙醇：硅烷偶联剂（KH550）=9:1的稀释溶液对膜双面进行雾化喷涂，所喷涂的硅烷偶联剂量为膜质量的3%，喷涂后的膜常温待乙醇挥发后后即可进行下一步铺装。被粘合的植物纤维用喷枪将异氰酸酯（p-MDI）均匀喷洒到植物纤维表面，喷胶量为所用植物纤维总质量的3%。

（5）材料粘合的工艺过程。

取两块垫板，将其中一块放平，铺上一张脱模纸，再铺上板柸。垫板为铝合金板，主要作用是保护热压机上下压板，并将温度和压力传递到板柸。脱模纸为聚四氟乙烯材质，主要作用是防止板柸在热压过程中与垫板粘合。在铺装板柸时，采用如附图2所述叠加方式，即一份处理后的聚羟基丁酸酯薄膜（中间为 2 份），一份植物纤维，依次铺装成 400 mm×400 mm的板柸，板柸上表面放上另一张脱模纸，再放上 1 块垫板，之后将整个板柸放入热压机中，设定好程序，6 MPa下热压一段时间后卸载，取出热板坯置于冷压机中4Mpa冷压一段时间后待聚羟基烷酸酯冷却固化即可卸压取出。热压过程中，通过分两段卸压的方式保证热量充分传递。为防止聚羟基烷酸酯膜在冷却过程中收缩回弹，热压后应立即进行冷压。

实施例2。

（1）试验材料。

聚3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯（PHBV），购自德国巴斯夫，牌号3020MD；硅烷偶联剂KH-550，购于北京蓝弋化工有限公司，密度约为0.940-0.950g/mL，可溶于水中水解。无水乙醇,购于北京蓝弋化工有限公司，相对密度为0.789 g/cm3。

木材单板，采用河北晋州北京林业大学培育的三倍体毛白杨四年生幼龄材，或采用产自广西柳州的巨尾桉（E.grandis xE.urophylla）或邓恩按(EuCahetus dunnii Maiden)旋切而成。

（2）试验设备

150T万能试验热压机：BY302×2/15型，公称压力1500KN，热压板幅面500×500(mm)，苏州新协力机器制造有限公司；QD型冷压机，上海人造板机械厂。

（3）热压。将聚羟基烷酸酯膜裁切为400×400mm，将处理过的聚羟基烷酸酯膜铺覆于单板间，预处理方式同实施例1，之后放进热压机中热压，附图3为结构示意图。热压过程中，通过分两段卸压的方式保证热量充分传递。为防止聚羟基烷酸酯膜在冷却过程中收缩回弹，热压后应立即进行冷压，时长5min。

除说明书所述技术特征外,均为本专业技术人员已知技术。

附图说明

图1为聚羟基烷酸酯膜胶黏植物纤维制备复合材料的制造步骤，图2为聚羟基烷酸酯膜胶黏植物纤维制备复合材料的制造步骤，图3为聚羟基烷酸酯膜胶黏木质单板制备复合材料结构示意图。

Claims (4)

1.使用聚羟基烷酸酯膜粘合植物纤维的技术，它包括材料的制造和工艺参数，其特征在于：它还包括制造步骤。

2.根据权利要求1所述聚羟基烷酸酯膜粘合植物纤维的技术中的工艺参数，其特征在于：偶联剂用量、偶联剂种类、热压温度、热压时间、热压压力、聚羟基烷酸酯膜用量、聚羟基烷酸酯膜的种类。

3.根据权利要求1所述聚羟基烷酸酯膜，其特征在于：它包括聚3-羟基丁酸酯（PHB）、聚（3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯）（PHBV）、聚（3-羟基丁酸酯-4-羟基丁酸酯）（P3/4HB）、聚（3-羟基丁酸酯-3-羟基己酸酯）（PHBH）母料经过塑料加工工艺所形成的有机高分子膜。

4.根据权利要求1所述聚羟基烷酸酯膜粘合植物纤维的技术的材料的制造步骤，其特征在于：以聚羟基烷酸酯膜为胶粘剂，通过偶联剂预处理后铺于具有一定初强度的植物纤维板坯间并通过热压和冷压工艺成型的过程。