CN118006296A - 一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂及其制备方法和应用 - Google Patents
一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂及其制备方法和应用。本发明属于木材加工生产技术领域。所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂包括A组分和B组分,所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂按重量份计数的如下组分:A组分包括:去离子水70‑76份,壳聚糖粉末4‑6份,无水乙酸20‑24份,B组分为环氧大豆油ESO。本发明的木材胶粘剂制备方法简单,胶接强度好,同时具有耐水性,胶粘剂全部组分为生物质材料,是全绿色环保胶粘剂。
Description
技术领域
本发明涉及木材加工中人造板生产技术领域,具体涉及一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的配方及应用。
背景技术
在现代人造板材如胶合板、细木工板、刨花板等的生产过程中,胶粘剂的作用至关重要。粘合剂不仅决定了木材制品的生产工艺和最终应用范围,而且直接影响到生产成本和最终产品的品质,堪称人造板产业技术创新的核心。对胶粘剂性能的不断追求,以及成本控制和环境影响最小化的需求,构成了推动该领域科技进步的主要动力。
目前,人造板制造业普遍依赖基于甲醛合成的树脂胶粘剂,主要包括脲醛(UF)、酚醛(PF)和三聚氰胺-甲醛(MF)树脂,以及这些基础树脂的共聚物如MUF、PUF、PMUF等。尤其是脲醛树脂,因其卓越的粘接性能和经济成本,成为了最广泛使用的树脂类型。然而甲醛的使用不仅导致了人造板产品中甲醛释放量的问题,而且由于其化学结构的固有不稳定性,限制了产品的应用性能。据研究表明,甲醛与人体接触后,可引起眼睛和上呼吸道的刺激性反应,并可能导致更严重的健康问题。世界卫生组织在2004年发布的第153号公报中明确指出甲醛具有致癌性。
为降低人造板产品中的甲醛释放量,行业内采取的最有效措施之一是调整树脂合成配方,特别是降低甲醛和尿素的摩尔比(F/U)。然而,这种改进策略伴随着胶合性能的显著下降,尤其是在耐水性方面,远远不能满足潮湿环境下的应用需求。虽然PF、MF和MUF等树脂也在一定程度上缓解了甲醛释放问题,但未能完全根除甲醛释放的问题。开发真正的无醛树脂,成为行业的终极目标。例如,以异氰酸酯类胶粘剂(如pMDI)为代表的无醛胶粘剂虽在人造板生产中得到一定应用,但由于其成本昂贵(相比于脲醛树脂高出数十倍)和生产过程中的高防护要求,其应用范围受到了限制。目前,研究焦点转向利用可再生资源制备绿色胶粘剂,例如基于大豆蛋白和天然单宁的胶粘剂。以及通过酶催化或化学处理农业废弃物,木质素可以转化为具有良好粘接性能的酚类化合物,这些化合物可用作胶粘剂的基本组成部分。但以上生物基胶粘剂通常面临耐水性不足的问题,同时原料的可持续供应也是一大挑战。
壳聚糖作为一种从甲壳类动物中提取的天然高分子多糖,因其良好的生物相容性、生物降解性、非毒性和丰富的官能团而受到广泛关注。这些特性使得壳聚糖及其改性产品在胶粘剂领域的应用是可持续材料研究的重要方向之一。交联改性是提高壳聚糖粘合性能的一种常用方法,通过与多官能团交联剂如戊二醛、环氧氯丙烷或者异氰酸酯反应,壳聚糖分子链之间形成稳定的交联网络结构,从而提高其作为胶粘剂的粘接强度和耐水性。接枝共聚是另一种增强壳聚糖粘合性能的有效手段,通过在壳聚糖主链上接枝聚合物链,如聚丙烯酸、聚乙烯醇等,可以显著改善壳聚糖的粘接性能和柔韧性。酯化和醚化改性则主要通过引入酯基或醚基来改变壳聚糖的亲水性和化学稳定性,从而提高其在不同环境条件下的应用性能。此外,通过与其他天然高分子如淀粉、纤维素等的复合,也能显著提高粘接强度和环境耐受性。
另外,受环氧树脂类胶粘剂的启发,利用环氧油脂中的环氧基开环聚合制备胶粘剂也受到许多学者的关注,申请人就利用环氧大豆油开发了一种共固化的环氧大豆油基木材胶粘剂(CN202110377994.9)。其胶合原理利用脲醛树脂聚合物中的大量羟甲基(-CH2-OH)与环氧基发生开环反应,而开环反应生成的羟基又可以进一步与其他油脂的环氧基反应而聚合。因此,本发明利用壳聚糖中每个葡糖胺单元在去乙酰化过程中暴露出的一个氨基(-NH2),及每个葡糖胺单元本身包含两个羟基(-OH),这两种基团都作可为亲核试剂与环氧基团反应,环氧键与羟基反应形成一个新的醚键(-C-O-C-),环开裂并形成一个新的羟基,从而加速反应。壳聚糖与氨基反应形成一个新的氨基醚键(-C-NH-C-),同时氨基(-NH2)与环氧基(-O-)的开环反应可以发生在一级胺、二级胺或三级胺以及多官能胺中。壳聚糖与环氧油脂的多种反应导致立体网络结构的形成,使树脂交联固化而起到胶接作用。
为了促进壳聚糖与环氧油脂的反应,本发明使用低温等离子体攻击壳聚糖的高分子链的脆弱部位,如糖环之间的糖苷键或长碳链上的碳-碳键,使长链断裂并生成自由基,相对小分子量葡萄糖结构加大了与环氧大豆油之间的反应几率,增进了胶粘剂的固化进程。且本发明使用等离子处理可以有效提高被处理物质表面羟基、羧基等含氧基团的数量,高活性基团的引入进一步促进了环氧大豆油的固化。本发明解决了环氧大豆油固化困难,壳聚糖单体胶黏性差等一系列问题,断链壳聚糖作为环氧大豆油的固化剂促成了高分子胶联网络。使等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油胶粘剂具备了优异的胶合性能,实现了一种无醛全生物质胶粘剂的开发。
目前缺乏一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油的木材胶粘剂及其制备方法和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油的木材胶粘剂及其制备方法和应用。
为了解决现有技术的问题,本发明具有如下技术方案:本发明的一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂包括A组分和B组分,所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂按重量份计数的如下组分:
A组分包括:
去离子水 70-76份,
壳聚糖粉末 4-6份,
无水乙酸 20-24份,
B组分为环氧大豆油ESO。
进一步地,所述去离子水满足GB/T 11446.1-2013的EW—IV级及以下标准,壳聚糖的Mw为30000,DAC DEGREE≥85%,无水乙酸为分析纯;所述环氧大豆油的环氧值≥6.0。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)按所述重量份称取A组分;
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌3-5h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A;
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分分别待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下干燥7-10min,重复以上步骤1-4次;
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为5-10s;
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按160-180g/m2均匀涂刷B组分并静置5min;
(4)将待胶接面叠合放入温度150-180℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
进一步地,所述等离子体射流宽度>待处理单板,等离子体喷口距单板为2-3cm。
进一步地,调节低温等离子体电源放电功率至2000W,处理后30min内可对活化表面施胶。
进一步地,所述等离子体放电方式包含且不止于滑动弧放电方式,原则为经过处理后能显著增加待胶接木板表面的羟基等含氧基团及破坏壳聚糖长链结构。
本发明所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂在制备人造板材中的应用。
有益效果:本发明的木材胶粘剂制备方法简单,胶接强度好,同时具有耐水性,胶粘剂全部组分为生物质材料,是全绿色环保胶粘剂。成本相对低廉。使用方法无苛刻条件,与现有人造板产线生产条件高度吻合,可实现与现有技术的有效融合,降低了胶粘剂成本。所有原料均为生物质资源,且均已实现工业化量产。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
(1)本发明通过在木材胶接面首先形成一层壳聚糖膜,再通过等离子体改性壳聚糖膜表面来固化环氧大豆油,最终实现胶接木材的目的。本发明的胶粘剂胶接强度与主流的化学胶粘剂相当且具有防水性能。该胶粘剂的制备充分利用了可再生资源——壳聚糖和大豆油,其中壳聚糖为自然界中仅次于纤维素的第二大高分子物质,这不仅降低了对传统石化资源的依赖,也减少了生产、使用过程中的环境影响,无醛绿色胶粘剂的理念,符合当前的绿色化学和可持续发展趋势。
(2)该胶粘剂的发明提供了一种固化环氧油脂的方案,本发明中环氧大豆油固化彻底且具有良好的耐水性,不仅提高了即时的胶合强度,还有助于提升胶粘剂粘接界面的长期稳定性和耐久性,该发明方案为后续环氧油脂的固化方法提供了可行的开发、应用路径。
(3)本发明在胶粘剂的使用过程中引入了等离子体处理技术,该技术的引入替换了复杂的化学反应流程,是一种操作简便、绿色环保的方法,这一创新方法有效提升了胶粘剂的胶合强度。本发明的等离子体改性方法,所述等离子体为滑动弧放电等离子体。所述等离子体使用方法是:对涂覆A组分木材表面进行活化处理5-10秒。
(4)本发明制备的树脂压制的胶合板可到达国标GB/T 9846-2015《普通胶合板》对二类板耐水性能的要求,可满足人造板产品在高湿环境中的使用要求。同时得益于其良好性能和环保易用,该胶粘剂不仅适用于人造板行业,还有望在家具制造及其他需要木材粘接的领域发挥重要作用。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚,下面结合实施例对本发明作进一步说明,本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
实施例1
本发明的一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂包括A组分和B组分,采用厚度为2mm的杨木单板制作三层胶合板。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)A组分按重量比例称取各组分,分别为:去离子水74份,壳聚糖粉末6份,无水乙酸20份。
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌3h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A。
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下烘干10min,重复以上步骤1次。
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为5s。
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按180g/m2均匀涂刷B组分并静置5min。
(1)将待胶接面叠合放入温度160℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于:本发明的一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,由A组分和B组分构成,A组分和B组分分别使用,采用厚度为2mm的杨木单板制作三层胶合板。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)A组分按重量比例称取各组分,分别为:去离子水70份,壳聚糖粉末6份,无水乙酸24份。
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌4h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A。
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下烘干8min,重复以上步骤1次。
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为8s。
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按180g/m2均匀涂刷B组分并静置5min。
(4)将待胶接面叠合放入温度160℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于:本发明的一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,由A组分和B组分构成,A组分和B组分分别使用,采用厚度为2mm的榆木单板制作三层胶合板。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)A组分按重量比例称取各组分,分别为:去离子水72份,壳聚糖粉末6份,无水乙酸22份。
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌3h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A。
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下烘干9min,重复以上步骤1次。
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为9s。
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按160g/m2均匀涂刷B组分并静置5min。
(4)将待胶接面叠合放入温度180℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于:本发明的一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,由A组分和B组分构成,A组分和B组分分别使用,采用厚度为2mm的榆木单板制作三层胶合板。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)A组分按重量比例称取各组分,分别为:去离子水76份,壳聚糖粉末4份,无水乙酸20份。
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌3h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A。
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下烘干6min,重复以上步骤4次。
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为5s。
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按180g/m2均匀涂刷B组分并静置5min。
(4)将待胶接面叠合放入温度160℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
实施例5
本发明的一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,由A组分和B组分构成,A组分和B组分分别使用,采用厚度为2mm的松木单板制作三层胶合板。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
(1)A组分按重量比例称取各组分,分别为:去离子水73份,壳聚糖粉末5份,无水乙酸22份。
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌5h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A。
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
本发明的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下烘干9min,重复以上步骤2次。
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为10s。
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按170g/m2均匀涂刷B组分并静置5min。
(4)将待胶接面叠合放入温度150℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
试验例1
分别取实施例1-5所制备的胶合板,按照国标GB/T 17657-2022《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行板材物理力学性能进行测试,使用标准为Ⅱ类胶合板的力学强度测试标准。具体结果如下:试件在63℃热水中浸泡3小时后的湿状胶合强度为1.4-1.7Mpa,符合并超过国家标准(≥0.7MPa)。
按国标GB/T 17657-2022《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中规定的1m3气候箱法检验板材甲醛释放量,检验结果显示甲醛释放量为0mg/m3,无甲醛释放。
对比例1
专利《一种水性壳聚糖/柠檬酸超分子胶粘剂及其制备方法和应用》(专利号:CN202310984517.8)。该专利以壳聚糖、柠檬酸为主要原料,合成机理是壳聚糖的氨基与柠檬酸的羧酸根离子交联后形成三维网络结构,经过热固后形成胶联网络起到胶粘剂的作用。对比专利是以酰化反应为基础,通过酰胺键(-CONH-),从而生成壳聚糖—柠檬酸复合物。本发明的胶接原理是环氧大豆油的固化,本质上说壳聚糖提供了固化环氧油脂所需的氨基与羟基,反应机理是环氧键的开环聚合。同时为了提高壳聚糖的反应活性,通过等离子体对长链壳聚糖进行了断裂的改性处理。因此对比专利与本发明从化学反应机理到胶接过程完全不同。
对比例2
专利《一种无甲醛的竹片板制作方法》(专利号:CN201810138976.3)。该专利以壳聚糖、魔芋壳聚糖为主要原料,在A胶粘剂中分别添加了溶菌酶调节壳聚糖分子量,再通过鱼胶蛋白与壳聚糖形成复合物进行胶接;在B胶粘剂中通过大豆蛋白与骨胶同样成键交联或物理混合的提供胶接力。胶接原理均为壳聚糖与蛋白分子的复杂反应形成复合物胶粘剂。并在其中添加了防腐剂、蒙脱土等功能性物质,该专利的产品为竹片重组板材。本发明胶粘剂的胶接原理如对比例1所说为环氧键的开环聚合,同时并不针对特定木材制品。因此对比专利与本发明从化学反应机理到胶接对象完全不同。
对比例3
专利《一种共固化环氧大豆油基木材胶粘剂及其等离子增强方法和应用》(专利号:CN202110377994.9)。该专利使用脲醛树脂固化大豆油,胶接原理为脲醛树脂的羟甲基对环氧键开环聚合而形成热固性树脂。该专利在胶接机理上与本发明的思路是一致的,但是脲醛树脂的开环效率远不如改性壳聚糖,同时壳聚糖不仅作为固化剂使用,壳聚糖在涂刷木材表面并烘烤后,已经形成胶膜分布于木材表面,这极大提高了本发明的胶接力。再次,对比专利的胶粘剂是一体化的溶液,施胶过程只需涂刷在木材表面即可,而本发明的胶粘剂分为A、B两种物质,两种物质不能单独使用,必须依次按胶合方案涂刷热压才能起到胶合效果,对比专利与本发明的胶合过程是完全不同的。最后,对比专利与本发明都使用到了滑动弧等离子体,但是对比专利的等离子体处理对象是木材表面,本发明的处理对象是壳聚糖胶膜,目的是使之断裂为小分子量葡萄糖单元。从以上3点对比可以得出结论,对比专利与本发明从化学反应机理到胶接对象完全不同。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,其特征在于:所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂包括A组分和B组分,所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂按重量份计数的如下组分:
A组分包括:
去离子水70-76份,
壳聚糖粉末4-6份,
无水乙酸20-24份,
B组分为环氧大豆油ESO。
2.根据权利要求1所述的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂,其特征在于:所述去离子水满足GB/T 11446.1-2013的EW—IV级及以下标准,壳聚糖的Mw为30000,DAC DEGREE≥85%,无水乙酸为分析纯;所述环氧大豆油的环氧值≥6.0。
3.权利要求1所述的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)按权利要求1所述重量份称取A组分;
(2)将壳聚糖粉末及无水乙酸融入去离子水,在常温下持续搅拌3-5h至混合均匀,制得壳聚糖水溶液为组分A;
(3)B组分是环氧大豆油,A组分和B组分分别待用,制得等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂。
4.权利要求所述等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的使用方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)在待胶接木材表面按300g/m2均匀涂刷A组分后,在60℃环境下干燥7-10min,重复以上步骤1-4次;
(2)采用滑动弧放电等离子体对涂刷A组分的木材表面进行处理,处理时间为5-10s;
(3)在经等离子体处理过的A组分涂层上,按160-180g/m2均匀涂刷B组分并静置5min;
(4)将待胶接面叠合放入温度150-180℃,压力1MPa的热压环境压合5min。
5.根据权利要求4所述的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的等离子体改性方法,其特征在于:所述等离子体射流宽度>待处理单板,等离子体喷口距单板为2-3cm。
6.根据权利要求5所述的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的等离子体改性方法,其特征在于:调节低温等离子体电源放电功率至2000W,处理后30min内可对活化表面施胶。
7.根据权利要求6所述的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂的等离子体改性方法,其特征在于:所述等离子体放电方式包含且不止于滑动弧放电方式,原则为经过处理后能显著增加待胶接木板表面的羟基等含氧基团及破坏壳聚糖长链结构。
8.权利要求1至7任一项所述的等离子体改性壳聚糖固化环氧大豆油木材胶粘剂在制备人造板材中的应用。
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