CN116355583A - 一种改性生物基胶黏剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性生物基胶黏剂及其制备方法和应用，属于胶黏剂制备技术领域；所述改性生物基胶黏剂基于对污泥提取物改性处理得到，所述改性生物基胶黏剂在使用过程中完全不释放甲醛且与木材界面反应活性高，具有很强的粘结力；所述改性生物基胶黏剂的制备方法简单，在人造板的粘结中具有很好的应用。
Description
技术领域
本发明属于胶黏剂制备技术领域，具体涉及一种改性生物基胶黏剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前，市面上常用的胶合板胶黏剂是脲醛基、三聚氰胺甲醛基、酚醛基胶黏剂，尽管上述胶黏剂具有优异的粘结强度和良好的防潮耐水性，但是其在使用的过程中会释放出对环境和人体有害的甲醛。此外，此类胶黏剂原料来自于化石资源，还具有资源有限、不可再生的缺点。因此，需要研发一种可持续、无毒无害的生物基胶黏剂。
目前市场上的无醛生物基胶黏剂有淀粉胶黏剂、单宁胶黏剂、大豆蛋白基胶黏剂等，其中大豆蛋白胶粘剂研究最为广泛。蛋白质具有来源广，价格低，可加工性高等优点，是用来做生物基胶黏剂的理想材料。但是，蛋白质通过范德华力、疏水相互作用、分子间氢键等构成稳定的多级结构，相当一部分活性基团隐藏在分子内部导致蛋白质的反应活性较低，与胶粘底物形成的胶粘不牢固。
近年来，污泥产量逐年递增，污泥产量巨大，现有技术中污泥的处理方法包括填埋、厌氧消化、堆肥、热解焚烧等。上述方法污泥处理手段单一，且没有有效利用污泥中的有机质，造成了资源浪费和环境污染。例如，污泥在焚烧过程中会产生大量的能量消耗，同时还会造成二氧化碳以及氮氧化物的排放。将污泥堆肥作用于土地利用虽然能减少能量消耗和温室气体的排放，但是污泥中的高氮、磷、钾含量以及重金属则会造成水体富营养化以及土地污染。因此，需要开发一种利用污泥中有机质进行高附加值生产的方法。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种改性生物基胶黏剂及其制备方法和应用；所述改性生物基胶黏剂基于对污泥提取物改性处理得到，所述改性生物基胶黏剂在使用过程中完全不释放甲醛且与木材界面反应活性高，具有很强的粘结力；所述改性生物基胶黏剂的制备方法简单，在人造板的粘结中具有很好的应用。
本发明首先提供了一种改性生物基胶黏剂，所述改性生物基胶黏剂具有致密的空间网状结构；所述改性生物基胶黏剂的原料组成以重量份计包括：污泥提取物30～40份、水45～60份、交联剂30～40份、添加剂按干物质计1～9份。
优选地，所述污泥提取物中，蛋白质含量为60％～75％，糖类含量为20％～30％。
本发明还提供了上述改性生物基胶黏剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)污泥提取物的制备：
向市政污泥中加入低共熔溶剂，搅拌混合均匀得混合物，然后将混合物静置一段时间取上清液，过滤，烘干，研磨，过筛，得污泥提取物；
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
将污泥提取物溶于水中，然后加入交联剂和添加剂，研磨至混合均匀后得到所述改性生物基胶黏剂。
优选地，步骤(1)中，所述市政污泥与低共熔溶剂的重量份比为50:50。
优选地，步骤(1)中，所述低共熔溶剂包括氢键受体和氢键供体，所述氢键供体包括尿素、马来酸酐、硫脲中的一种或几种，所述氢键受体包括氢氧化钾，氢氧化钠，碳酸钠中的一种或几种；
所述氢键供体的浓度为0.4～0.8mol/L，所述氢键受体的浓度为2.5～4mol/L。
优选地，步骤(1)中，所述静置的时间不少于24h；
所述过滤的步骤为：将上清液采用800～1000目的滤布过滤多余泥沙，然后将过滤后的滤液经截留分子量为3000～10000Da的中空纤维超滤膜组件再次过滤，当pH值为7时停止过滤；
所述过筛为过100目筛，孔径为0.15mm。
优选地，步骤(2)中，以重量份数计，污泥提取物30～40份，水45～60份，交联剂30～40份，添加剂1～9份；
添加剂按干物质计1～9份。
优选地，步骤(2)中，所述交联剂包括丙三醇三缩水甘油醚、三缩水甘油胺、异佛尔酮二异氰酸酯、硅烷偶联剂、硼砂中的一种或几种。所述添加剂包括醛基纤维素、单宁、氯化锌、聚乙烯醇中的一种或几种。
本发明还提供了上述改性生物基胶黏剂在人造板制造中的应用。
优选地，所述人造板包括胶合板、刨花板、中密度纤维板。
优选地，所述人造板的制备步骤为：
(1)使用厚度为1.5mm的杨木板制作三层胶合板，杨木单板首先进行干燥预处理，将含水量控制在5～8％；
(2)按180～210g/m2的施胶量将生物基胶黏剂均匀涂布在杨木单板表面，相邻木板按纤维方向互相垂直的方式组胚，组胚后，室温下施加0.5～0.8Mpa负载冷压30～60分钟；
(3)将冷压完毕的胶合板在100～140℃、1.0～1.4MPa的条件下热压335～420秒，形成三层胶合板。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明以市政污泥为原料，从市政污泥中提取含有大量蛋白质和糖类的污泥提取物作为制作改性生物基胶黏剂的基质。本发明所述原料来源广、产量大，能够缓解市政污泥造成的环境污染，可以实现市政污泥的资源化利用，在实现绿色环保目的的同时还为市政污泥的治理提供了新方案。
本发明所述污泥提取物中蛋白质含量为60～75％，糖类含量为20～30％，本发明在加热烘干污泥提取物时涉及蛋白质热改性处理，促进破坏蛋白质稳定的多级结构，从而将蛋白质中的极性和非极性基团充分暴露，增加蛋白质的活性反应位点，以便于与交联剂充分交联并且与胶粘底物产生足够的胶合力。本发明所述污泥提取物反应活性高，易与异氰酸酯类、环氧类、羟甲基类、聚氨酯类交联剂反应，交联密度大、性能稳定，能降低交联剂的用量，同时其与木材的界面反应活性高，产生的粘结力强。
本发明采用异氰酸酯类、环氧类、羟甲基类、聚氨酯类交联剂与蛋白质的氨基、羟基、羧基等活性基团发生交联反应形成键合，形成稳固致密的三维空间网状结构，避免了蛋白质水解成小分子多肽带来的胶黏剂内聚力差的问题，提升蛋白质内聚强度。此外，交联剂还能够提高胶黏剂与被黏底物之间的相互作用，优化胶黏剂的粘结性能。
附图说明
图1为胶合板组装示意图。
图2为拉力测试试件尺寸图。
图3为拉力测试示意图。
图4为生物基胶黏剂的湿粘结强度情况图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。本发明中，若非特指，所使用的原料和设备均为市售产品，下列实施例中，若非特指，均为本领域常规方法。以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在以下实施例中，所述污泥提取物的制备方法为：
将50重量份的市政污泥与50重量份的低共熔溶剂搅拌混合均匀，然后静置24h取上清液，将上清液采用800～1000目的滤布过滤多余泥沙，然后将过滤后的滤液经截留分子量为3000～10000Da的中空纤维超滤膜组件再次过滤。将过滤至中性后的滤液烘干，然后研磨过100目筛，得到污泥提取物。
其中，所述低共熔溶剂包括氢键受体和氢键供体，所述氢键供体包括尿素、马来酸酐、硫脲中的一种或几种，所述氢键受体包括氢氧化钾，氢氧化钠，碳酸钠中的一种或几种；
所述氢键供体的浓度为0.4～0.8mol/L，所述氢键受体的浓度为2.5～4mol/L。
在以下实施例中，其他所用试剂纯度为其余试剂纯度均为分析纯。
实施例1：
在烧杯中加入30重量份的污泥提取物，45重量份的水，在常温下充分搅拌10分钟，再加入30重量份丙三醇三缩水甘油醚，将混合物置于研钵中，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
将制备得到的改性生物基胶黏剂用于胶合板的制作，胶合板的制备步骤如下所示：
如图1所示，使用厚度为1.5mm的杨木板制作三层胶合板，杨木单板首先进行干燥预处理，将含水量控制在5～8％。按210g/m2的单面涂胶量将改性生物基胶黏剂均匀涂布在杨木单板表面，相邻木板按纤维方向互相垂直的方式组胚，组胚后在胶合板上施加0.5MPa负载持续冷压60分钟，冷压结束后将胶合板在140℃、压力为1.0MPa的条件下热压335s，热压完毕后冷却，将样品加工成如图2所示的国家标准GB/T 17657-2013规定的样式后，按照如图3所示的拉力测试示意来对胶合板进行湿粘结强度的测试，测试结果如图4所示。
图4为生物基胶黏剂的湿粘结强度情况图，从图中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂湿粘结强度为0.48MPa。
实施例2：
在烧杯中加入30重量份的污泥提取物，45重量份的水，在常温下充分搅拌10分钟，再加入30重量份丙三醇三缩水甘油醚以及浓度为10％wt的聚乙烯醇溶液90重量份，将混合物置于研钵中，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
将制备得到的改性生物基胶黏剂用于胶合板的制作，胶合板的制备步骤如下所示：
使用厚度为1.5mm的杨木板制作三层胶合板，杨木单板首先进行干燥预处理，将含水量控制在5～8％。按210g/m2的单面涂胶量将改性生物基胶黏剂均匀涂布在杨木单板表面，相邻木板按纤维方向互相垂直的方式组胚，组胚后在胶合板上施加0.5MPa负载持续冷压60分钟，冷压结束后将胶合板在140℃、压力为1.0MPa的条件下热压335s，热压完毕后冷却，将样品加工成如图2所示的国家标准GB/T 17657-2013规定的样式后，按照如图3所示的拉力测试示意来对胶合板进行湿粘结强度的测试，测试结果如图4所示。
图4为生物基胶黏剂的湿粘结强度情况图，从图中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂湿粘结强度为0.73MPa。
实施例3：
在烧杯中加入30重量份的污泥提取物，45重量份的水，在常温下充分搅拌10分钟，再加入30重量份丙三醇三缩水甘油醚以及1.5重量份ZnCl2，将混合物置于研钵中，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
将制备得到的改性生物基胶黏剂用于胶合板的制作，胶合板的制备步骤如下所示：
使用厚度为1.5mm的杨木板制作三层胶合板，杨木单板首先进行干燥预处理，将含水量控制在5～8％。按210g/m2的单面涂胶量将改性生物基胶黏剂均匀涂布在杨木单板表面，相邻木板按纤维方向互相垂直的方式组胚，组胚后在胶合板上施加0.5MPa负载持续冷压60分钟，冷压结束后将胶合板在140℃、压力为1.0MPa的条件下热压335s，热压完毕后冷却，将样品加工成如图2所示的国家标准GB/T 17657-2013规定的样式后，按照如图3所示的拉力测试示意来对胶合板进行湿粘结强度的测试，测试结果如图4所示。
图4为生物基胶黏剂的湿粘结强度情况图，从图中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂湿粘结强度为0.77MPa。
实施例4：
在烧杯中加入30重量份的污泥提取物，45重量份的水，在常温下充分搅拌10分钟，再加入30重量份丙三醇三缩水甘油醚以及3重量份单宁酸，将混合物置于研钵中，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
将制备得到的改性生物基胶黏剂用于胶合板的制作，胶合板的制备步骤如下所示：
使用厚度为1.5mm的杨木板制作三层胶合板，杨木单板首先进行干燥预处理，将含水量控制在5～8％。按210g/m2的单面涂胶量将改性生物基胶黏剂均匀涂布在杨木单板表面，相邻木板按纤维方向互相垂直的方式组胚，组胚后在胶合板上施加0.5MPa负载持续冷压60分钟，冷压结束后将胶合板在140℃、压力为1.0MPa的条件下热压335s，热压完毕后冷却，将样品加工成如图2所示的国家标准GB/T 17657-2013规定的样式后，按照如图3所示的拉力测试示意来对胶合板进行湿粘结强度的测试，测试结果如图4所示。
图4为生物基胶黏剂的湿粘结强度情况图，从图中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂湿粘结强度为0.93MPa。
综上，本发明所述方法制备的改性生物基胶黏剂有着优异的粘结性能，其湿粘结强度大于国标要求的0.7Mpa，其粘结强度的大小与所添加的交联剂种类有关。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种改性生物基胶黏剂的制备方法，其特征在于，包括：
(1)污泥提取物的制备：
向污泥中加入低共熔溶剂，搅拌混合均匀得混合物，然后将混合物静置一段时间取上清液，过滤，烘干，研磨，过筛，得污泥提取物；
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
将污泥提取物分散于水中，然后加入交联剂和添加剂，研磨至混合均匀后得到所述改性生物基胶黏剂。
2.根据权利要求1所述的改性生物基胶黏剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述污泥与低共熔溶剂的重量份比为50:50。
3.根据权利要求1所述的改性生物基胶黏剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述低共熔溶剂包括氢键受体和氢键供体，所述氢键供体包括尿素、马来酸酐、硫脲中的一种或几种，所述氢键受体包括氢氧化钾，氢氧化钠，碳酸钠中的一种或几种；
所述氢键供体的浓度为0.4～0.8mol/L，所述氢键受体的浓度为2.5～4mol/L。
4.根据权利要求1所述的改性生物基胶黏剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述静置的时间不少于24h；
所述过滤的步骤为：将上清液采用800～1000目的滤布过滤多余泥沙，然后将过滤后的滤液经截留分子量为3000～10000Da的中空纤维超滤膜组件再次过滤，直到滤液pH值为7时停止过滤。
5.根据权利要求1所述的改性生物基胶黏剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，以重量份数计，污泥提取物30～40份，水45～60份，交联剂30～40份，添加剂1～9份，所述添加剂按干物质计。
6.根据权利要求1所述的改性生物基胶黏剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述交联剂包括丙三醇三缩水甘油醚、三缩水甘油胺、异佛尔酮二异氰酸酯、硅烷偶联剂、硼砂中的一种或几种；
所述添加剂包括醛基纤维素、单宁、氯化锌、聚乙烯醇中的一种或几种。
7.权利要求1～6任一项所述方法制备的改性生物基胶黏剂，其特征在于，所述改性生物基胶黏剂的原料组成以重量份计包括：污泥提取物30～40份、水45～60份、交联剂30～40份、添加剂按干物质计1～9份。
8.根据权利要求7所述的改性生物基胶黏剂，其特征在于，所述污泥提取物中，蛋白质含量为60％～75％，糖类含量为20％～30％。
9.权利要求1～6任一项所述方法制备的改性生物基胶黏剂、权利要求7或8所述改性生物基胶黏剂在人造板制造中应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述人造板包括胶合板、刨花板、中密度纤维板。
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