CN108359407B - 一种改性植物蛋白胶黏剂及其制备方法 - Google Patents

一种改性植物蛋白胶黏剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种改性植物蛋白胶黏剂，其主要改进之处为，采用植物蛋白粕作为胶黏剂的主体，并在其中添加多巴胺改性的聚丙烯加强蛋白胶黏剂的粘结性能，并通过优化用量，得到一种环保的改性蛋白胶黏剂。本发明制备的单板类人造板改性植物蛋白胶黏剂主要成分是植物蛋白粕，具有粘度低、固含量高，胶层韧性佳，能大量供应的优势，且胶接的胶合板无甲醛释放，彻底解决人造板带来的室内空气甲醛污染问题。

Description

一种改性植物蛋白胶黏剂及其制备方法
技术领域
本发明属于木材胶黏剂领域，具体涉及一种基于植物蛋白的胶黏剂，及其制备方法。
背景技术
木材用胶黏剂消耗量持续增大，醛类胶黏剂仍占木材胶黏剂主导地位。但醛类胶黏剂存在严重的环境危害，醛类胶黏剂及其木材制品在生产和使用过程中会释放甲醛、酚类等有毒气体，造成环境污染，威胁人类健康。此外，生产醛类胶黏剂所用原料均来自于石油等非可再生资源，随着化石资源的逐渐枯竭以及人们环保意识的增强，研究和开发可再生、环境友好、适用性强的木材胶黏剂是木材行业面临的一个重要问题。
考虑到植物蛋白是一类生物可再生资源，具有丰富的来源。其中，大豆蛋白价格低廉，并且，其制备的大豆蛋白基胶黏剂在生产、运输上的环保性与应用便利性，显示出较大的发展潜力。大豆蛋白的氨基酸侧链丰富，可与亲水性或疏水性官能团发生相互作用，因此，大豆蛋白基胶黏剂作为一种生物质胶黏剂，既能减少环境污染，又能高效的利用资源，响应了全球可持续发展战略，已逐渐成为研究的热点。但是，大豆蛋白作为一种应用材料，其多级结构导致分子间的结合力弱、力学性能低，一定程度上限制了其应用。聚丙烯纤维(PP纤维)可作为基体增强相，有效提高复合材料力学性能，但疏水性PP纤维与亲水性基体间界面结合力弱、相容性差、常规表面改性方法复杂、低效等问题仍是该研究领域的一个难点。近年来，生物技术、仿生技术等新技术的发展，为开发功能性复合大豆蛋白基胶黏剂提供了可能性。仿生改性操作简便、环保、无损纤维结构，在生物质胶黏剂的开发中逐渐受到重视。多巴胺(DOPA)作为仿贻贝蛋白的改性单体，在有氧环境下通过自身氧化聚合反应可有效包覆于各类基质表面，与PP混合后可改善PP纤维与大豆蛋白基体间的界面相容性。此外，聚多巴胺(PDA)包覆层的醌类结构可与蛋白质分子侧链的羟基、氨基等有效结合，进一步促进二者界面的结合力。多巴胺或多酚表面改性聚丙烯纤维(PDPP纤维)并用于增强大豆蛋白基胶黏剂，为制备生物质纤维增强大豆蛋白基复合胶黏剂提供新思路。
发明内容
本发明的目的是提供一种改性植物蛋白胶粘剂，该胶粘剂解决了传统醛类树脂改性生物质胶黏剂含有甲醛的问题，是一种高效、环保型人造板用胶黏剂。
本发明所述的胶黏剂由如下重量份的组分制备而成：植物蛋白粕25～35份，多巴胺改性的聚丙烯纤维0.5～1.5份，丙三醇三缩水甘油醚2～6份，水65～75份。
优选的，由包括如下重量份的组分制备而成：由包括如下重量份的组分制备而成：植物蛋白粕29～31份，多巴胺改性的聚丙烯纤维0.5～1.5份，丙三醇三缩水甘油醚4.5～5.5份，水68～72份。
进一步优选的，所述多巴胺改性的聚丙烯纤维的用量为0.9～1.2份。
更优选的，由包括如下重量份的组分制备而成：植物蛋白粕30份，多巴胺改性的聚丙烯纤维0.9～1.2份，丙三醇三缩水甘油醚5份，水70份。
优选的，所述多巴胺改性的聚丙烯纤维由如下方法制备得到：
(1)在配有搅拌器的反应釜中，配制三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸盐缓冲溶液(Tris-HCl)缓冲溶液，并将其pH值调节至8.5，在其中加入多巴胺至其浓度为0.8～1.2g/L，将溶液搅拌均匀；
(2)将上述溶液的温度调至28～32℃，加入聚丙烯纤维，均匀搅拌至反应完毕，得沉淀产物；
(3)用水和乙醇体积比为1：0.8～1.2的溶液清洗所述沉淀产物2-3次，冷冻干燥，即得所述多巴胺改性的聚丙烯纤维(PDPP)。
作为优选的方案，所述多巴胺改性的聚丙烯纤维由如下方法制备得到：
(1)在配有搅拌器的反应釜中，配制三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸盐缓冲溶液(Tris-HCl)缓冲溶液，并将其pH值调节至8.5，在其中加入多巴胺至其浓度为1.0g/L，将溶液搅拌均匀；
(2)将上述溶液的温度调至30℃，加入聚丙烯纤维，均匀搅拌至反应完毕，得沉淀产物；
(3)用水和乙醇体积比为1：1的溶液清洗所述沉淀产物2-3次，冷冻干燥，即得所述多巴胺改性的聚丙烯纤维(PDPP)。
优选的，所述多巴胺与聚丙烯纤维的质量比为1：10-20。
优选的，所述植物蛋白粕中粗蛋白的含量为35～45％；
优选的，所述植物蛋白粕为大豆、棉籽、花生或向日葵中的一种或几种蛋白粕的混合物。大豆蛋白量大且蛋白含量较高，应用更为广泛。
优选的，所述植物蛋白粕由如下方法制备得到：
油料作用的种子经正己烷及其同类碳氢化合物进行化学脱脂或物理压榨脱脂后，对剩余物进行干燥、粉碎即得。
水可以是自来水、软化水、去离子水中的一种或多种，工业生产中采用自来水即可。
本发明的另一目的是保护本申请所述胶黏剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将植物蛋白粕粉碎至粒径为100～150目后将其加入水中搅拌均匀；
2)在步骤1)搅拌均匀后的溶液中加入丙三醇三缩水甘油醚(PTGE)，搅拌均匀；
3)在步骤2)搅拌均匀后的溶液中添加多巴胺改性的聚丙烯纤维，得植物蛋白粘液；
4)将所述植物蛋白粘液过胶体磨然后进行均质处理，得所述植物蛋白胶黏剂。
优选的，所述均质处理的压力为20～40MPa。
采用本申请所述的方法，可有制备性能优良的胶黏剂。
本发明的最后一个目的是保护本发明所述胶黏剂在木材加工中的应用；
优选在制备人造板粘合剂中的应用。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明制备的单板类人造板改性植物蛋白胶黏剂主要成分是植物蛋白粕，具有粘度低、固含量高，胶层韧性佳，能大量供应的优质，且胶接的胶合板无甲醛释放量，彻底解决人造板带来的室内空气中的甲醛污染问题。而且本发明制备的胶黏剂具有耐水性好，强度高，制造工艺简单。
2)多巴胺在PP纤维表面自聚合所形成的PDA层，可与大豆蛋白基体界面间形成物理化学等键合方式，有效的改善了二者界面结合力弱、相容性差的问题。
3)仿“钢筋-混凝土”纤维网络的构建，可有效改善纤维复合大豆蛋白胶黏剂的力学性能。实验结果表明改性胶黏剂制备的胶合板胶合强度能够满足国标中II类胶合板要求，且甲醛释放量未检出。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例中所采用PP纤维，购自汇祥纤维工厂。
多巴胺摩尔质量为189.64g/mol，分析纯，购自希恩思生化科技有限公司。
三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸盐摩尔质量为157.6g/mol，分析纯，购自希恩思生化科技有限公司。上述试剂无需进一步纯化等处理。
植物蛋白粕购自山东香驰粮油有限公司，蛋白质含量43％及以上，经粉碎处理，过100目筛。
胶体磨型号JMS-110，购自廊坊冠通机械有限公司。均质机为同一厂家的配套设备。
实施例中，如无特殊说明，所使用的手段均为本领域常规的技术手段。
实施例中涉及的多巴胺改性的聚丙稀纤维由如下方法制备得到：
(1)在配有搅拌器的反应釜中，配制三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸盐缓冲溶液(Tris-HCl)缓冲溶液，并将其pH值调节至8.5，在其中加入多巴胺至其浓度为1.0g/L，将溶液搅拌均匀；
(2)将上述溶液的温度调至30℃，加入聚丙烯纤维，控制多巴胺与聚丙烯纤维的质量比为1：15，均匀搅拌至反应完毕，得沉淀产物；
(3)用水和乙醇体积比为1：1的溶液清洗所述沉淀产物2-3次，冷冻干燥，即得所述多巴胺改性的聚丙烯纤维(PDPP)。
实施例1
本实施例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000051
由如下方法制备得到：
1)在配有搅拌器、温度计和冷凝装置的反应釜中(反应在常温下进行)，加入全部的自来水、植物蛋白粕粉搅拌均匀。
3)加入PTGE交联剂并搅拌均匀。
4)加入PDPP纤维并搅拌均匀，制得均匀植物蛋白粘液。
5)上述粘液过胶体磨后经均质机处理，均质压力为25MPa。
以相同的工艺制备四批平行样品，处理得到的胶黏剂的性能质量指标见表1。
实施例2
本实施例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000061
由如下方法制备得到：
1)在配有搅拌器、温度计和冷凝装置的反应釜中，加入全部的自来水、植物蛋白粕粉、搅拌均匀。
2)加入PTGE交联剂并搅拌均匀。
3)加入PDPP纤维并搅拌均匀，制得均匀植物蛋白粘液。
4)上述粘液过胶体磨后经均质机处理，均质压力为25MPa。
所得植物蛋白胶黏剂的质量指标见表1。
实施例3
本实施例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000062
实施例4
本实施例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000071
由如下方法制备得到：
1)在配有搅拌器、温度计和冷凝装置的反应釜中，加入全部的自来水、植物蛋白粕粉、搅拌均匀。
2)加入PTGE交联剂并搅拌均匀。
3)加入PDPP纤维并搅拌均匀，制得均匀植物蛋白粘液。
4)上述粘液过胶体磨后经均质机处理，均质压力为25MPa。
实施例5
与实施例1相比，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000072
实施例6
与实施例1相比，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000073
其中，植物蛋白胶粘剂的质量指标见表1。
表1植物蛋白胶粘剂的性能指标
Figure BDA0001596734710000074
Figure BDA0001596734710000081
制备的胶黏剂样品贮存期3-5天(低温(4℃)储存3-5天后有局部长霉或变臭，但不影响胶接性能)。
对比例1
本对比例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
自来水 70Kg
脱脂植物蛋白粕粉 30Kg
制备方法同实施例1。
对比例2
本对比例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
自来水 70Kg
脱脂植物蛋白粕粉 30Kg
PTGE交联剂 5Kg
制备方法同实施例1。
对比例3
本对比例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000082
制备方法同实施例1。
对比例4
本对比例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000091
制备方法同实施例1。
对比例5
本对比例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000092
制备方法同实施例1。
对比例6
本对比例涉及一种改性植物蛋白胶黏剂，由包括如下重量份的原料制备而成：
Figure BDA0001596734710000093
制备方法同实施例1。
实验例
分别采用本发明实施例1-4和对照例1-6的产品制造三层410×410mm胶合板。
杨木单板：含水率干燥到8-12％；厚1.6mm；
单板胶粘剂采用本发明实施例1-4的产品和对照例1-3的产品。
按以下正常工艺制备胶合板：
施胶：芯板双面施胶，涂胶量为300-360g/m2。
陈化方式及时间：闭合陈化，10-30分钟。
热压压力：1.0MPa，热压温度为120℃，热压时间为70s/mm。
按GB/T17657-1999《人造板及饰面人造板理化性能实验方法》检测方法对生产的胶合板产品进行性能检测，检测结果见表2。
表2胶接胶合板的甲醛释放量与胶合强度
Figure BDA0001596734710000101
实验结果表明，本发明无甲醛植物蛋白胶粘剂制造的胶合板的甲醛释放量都很低(为木材本体甲醛释放)，胶合板的胶合强度在均能达到国标中II类胶合板标准(杨木≥0.70MPa)。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种改性植物蛋白胶黏剂，其特征在于，由包括如下重量份的组分制备而成：植物蛋白粕29~31份，多巴胺改性的聚丙烯纤维1.2份，丙三醇三缩水甘油醚4.5~5.5份，水68~72份；
所述多巴胺改性的聚丙烯纤维由如下方法制备得到：
（1）在配有搅拌器的反应釜中，配制三（羟甲基）氨基甲烷-盐酸盐缓冲溶液，并将其pH值调节至8.5，在其中加入多巴胺至其浓度为0.8~1.2 g/L，将溶液搅拌均匀；
（2）将上述溶液的温度调至28~32℃，加入聚丙烯纤维，均匀搅拌至反应完毕，得沉淀产物；
（3）用水和乙醇体积比为1：0.8~1.2的溶液清洗所述沉淀产物2~3次，冷冻干燥，即得所述多巴胺改性的聚丙烯纤维。
2.根据权利要求1所述的胶黏剂，其特征在于，所述多巴胺与聚丙烯纤维的质量比为1：10~20。
3.根据权利要求1或2所述的胶黏剂，其特征在于，所述植物蛋白粕中粗蛋白的含量为35~45%。
4.根据权利要求3所述的胶黏剂，其特征在于，所述植物蛋白粕为大豆、棉籽、花生或向日葵中的一种或几种蛋白粕的混合物。
5.根据权利要求3所述的胶黏剂，其特征在于，所述植物蛋白粕由如下方法制备得到：油料作物的种子经正己烷及其同类碳氢化合物进行化学脱脂或物理压榨脱脂后，对剩余物进行干燥、粉碎即得。
6.权利要求1~5任一项所述胶黏剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将植物蛋白粕粉碎至粒径为200目以上后将其加入水中搅拌均匀；
2）在步骤1）搅拌均匀后的溶液中加入丙三醇三缩水甘油醚，搅拌均匀；
3）在步骤2）搅拌均匀后的溶液中添加多巴胺改性的聚丙烯纤维，得植物蛋白粘液；
4）将所述植物蛋白粘液过胶体磨然后进行均质处理，得所述植物蛋白胶黏剂。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述均质处理的压力为20~40MPa。
8.权利要求1~5任一项所述胶黏剂在木材加工中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，是在制备人造板粘合剂中的应用。
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