CN1884416A - 一种由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂,其采用下述方法制备:先将木材粉碎成木粉,采用磷酸催化剂进行苯酚液化处理,得木材液化物;然后将木材液化物与甲醛按1∶1.8~2.1摩尔比在氢氧化钠水溶液碱性条件下反应,氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5~0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5~9.0,在常压状态下升温到70~90℃,反应时间控制在120min~150min,即得粘度为66~80S的酚醛树脂胶粘剂。同时还公开了其制备方法以及应用,所得的酚醛树脂胶粘剂与采用常规方法合成出的酚醛树脂相比,具有更高的活性,应用在胶合板制造上,其胶合强度和耐水性能具有更理想的综合质量,若应用在模压材料或发泡材料的制造上,其生物降解性质也比较理想。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂、其制备方法及其用途,具体地说,本发明涉及木材的液化以及采用这种液化物与甲醛进行缩合反应,形成具有独特性能的胶粘剂、其制备方法,以及将其应用于胶合板及模压材料。
背景技术
人类生活离不开木材,这种材料花纹美丽、强重比高、机加工性好,而且不存在污染物质,对环境有很好的亲和性,为可以再生和循环利用的天然原材料。目前,木材被广泛地应用于国民经济发展的每一个环节,从人们日常的生活器具、家具、室内装饰及陈设构件、包装用品、运输工具、活动器材到大型建筑,木材担当着十分重要角色。木材的利用见证了人类文明的发展过程。
值得注意的是,木材利用时主要是采用其木质部(树干部分),这使木材的利用率在一定程度上受到影响。我国目前的木材加工利用率大约在50%作用,很多木材剩余物以及木材废料被弃置在大气环境中,不但浪费了宝贵的资源,也对环境保护不利。所以,人们一直积极地研究提高木材综合利用的方法。
传统的提高木材利用率技术包括两个方面:一种是采用木材加工剩余物(如木工下角料等)制造小型的木制器具、文具和小工艺品,但这种方法对提高木材的利用率即使有效,也还不能百分之百的利用木材,而且木材利用的附加值不高;另一种是利用木材采伐剩余物(如枝桠材等)制造人造板材(如刨花板和纤维板等),这种方法的缺点是需要较大的投资,技术水平要求高,而且只有在原料丰富的条件下,才能实现规模化生产,并产生良好的经济效益。
因此,本领域的研究人员需要研究如何提高木材的利用率及附加值,比如,采用化学处理方法将木材剩余物中的活性物质转变成具有生物降解性的高分子材料,并将此制备成工业上可用的各种环保型胶粘剂、保温隔热发泡材料或模型制造材料等。
其中,日本科学家在此方面做了大量研究工作,日本专利06-100850,08-003532均分别公开了木材液化胶粘剂的制备方法。
中国申请号为200310124185.9,发明名称为液化木酚醛胶粘剂的制备方法,其公开了一种以木粉在催化剂作用下的酚化产物为原料制备液化木酚醛胶的工艺方法。在常压或高压条件下,以酚和极性小分子为混合溶剂,向混合溶剂加入木粉和催化剂,在不断搅拌下于100~150℃反应10~300分钟,制备木材的液化产物。待液化产物冷却后,加入一定量的碱性催化剂和福尔马林,在45~65℃下反应30~120分钟,然后升温至80~100℃继续反应,达到粘度时出料,制备液化木酚醛胶粘剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用木材剩余物制备具有环保性能的酚醛树脂胶粘剂,为水溶性的热固性树脂,具有比常规酚醛树脂更高的活性,在性能上也具有更理想的综合质量,且具有生物降解性能。
本发明的另一目的是提供一种木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的制备方法,该方法提高了木材的综合利用率,并提高木材附加值。
本发明的再一目的是提供一种由木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂在制备胶合板、模压材料和发泡材料中的应用。
为了实现本发明目的,本发明所述的一种由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂,其由下述方法制备:
1)先将木材粉碎成木粉,采用磷酸催化剂进行苯酚液化处理,得木材液化物;
2)然后将木材液化物(木材液化物的分子量按照苯酚分子量计算)与甲醛按1∶1.8~2.1摩尔比在氢氧化钠水溶液碱性条件下反应,氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5~0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5~9.0,在常压状态下升温到70~90℃,反应时间控制在120min~150min,即得粘度为66~80S(涂-4杯法测定)的酚醛树脂胶粘剂。
所述的酚醛树脂胶粘剂为水溶性的热固性树脂,固体含量:46.56~48.60%,pH:11.0~12.0,游离苯酚含量:0.069~0.284%,聚合时间:96.09~98.32(s)。
采用所述酚醛树脂胶粘剂制成的模压材料,其木腐菌(黄孢原毛平革菌776)的接种试验可达到霉菌繁殖级数4级,具有生物降解性能。(同样条件下,酚醛树脂的霉菌繁殖级数为1级)
为了实现本发明的另一目的,本发明所述的木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的制备方法,包括如下步骤:
1)先将木材粉碎成木粉,采用磷酸催化剂进行苯酚液化处理,得木材液化物;
2)然后将木材液化物(木材液化物的分子量按照苯酚分子量计算)与甲醛按1∶1.8~2.1摩尔比在氢氧化钠水溶液碱性条件下反应,氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5~0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5~9.0,在常压状态下升温到70~90℃,反应时间控制在120min~150min,得粘度为66~80S的酚醛树脂胶粘剂。
其中,所述的木材可选用针叶材或阔叶材。所述木粉的细度为20~80目(网筛孔径0.9~0.18mm),可将木材在粉碎机中粉碎而成。
本发明研究人员经过多年研究试验发现,磷酸在无机酸催化剂中的催化性能最好,所以采用磷酸对木粉进行液化处理,具体为:将木粉、重量为木粉3~4倍的苯酚和相当于苯酚加入质量的6%~8%的磷酸催化剂,在常压下搅拌于150℃~160℃反应1.5~2小时得木材液化物。
液化处理可在常用液化装置下进行。
为了提高木材液化物纯度并不影响木材液化物的应用,还需将木材液化物用丙酮、二氧六环或甲醇等溶剂稀释并进行过滤处理,然后将滤液在50~60℃下进行蒸馏3~4h,得到供树脂合成用的木材液化物。
将木材液化物进行树脂化处理时,具体过程为:将木材液化物与一定量的氢氧化钠(浓度为40%)和水(氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5~0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5~9.0)投入到三口烧瓶中,开始进行树脂化反应,为加快反应速度,可将烧瓶放入预热到50~60℃的水浴中,开动冷凝器,并充分搅拌5~10min。之后,采用滴加器缓慢地将甲醛溶液(木材液化物的分子量按照苯酚分子量计算,甲醛与木材液化物的摩尔比为1.8~2.1)缓慢滴加进三口瓶中。滴加完毕后,在瓶中插好温度计,缓慢地将水浴温度逐渐提高到70~90℃(每15min升高10℃),在开始升温到反应结束时,反应时间控制在120min~150min。采用粘度计控制反应的聚合程度,粘度为66~80s时反应结束,将得到的树脂在冷水中冷却至30℃以下放料入玻璃瓶中,按国标规定的方法进行基本性质的测定。
本发明木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂,为水溶性的热固性树脂。在性能上具有以下特点:
粘度:66.46~78.28(s)(涂4杯法测定),
固体含量:46.56~48.60(%),
pH:11.0~12.0,
聚合时间:96.09~98.32(s),
水混合性:>10(倍),
贮存期:>20(天),
游离苯酚含量:0.069~0.284(%)。
由酚醛树脂胶粘剂制成的模压材料,具有生物降解性能:木腐菌的接种试验可达到霉菌繁殖级数4级。(同样条件下,酚醛树脂的霉菌繁殖级数为1级)
本发明所述的由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂在制备胶合板、模压材料和发泡材料中的应用。
其中,制备模压材料的方法为:将所述的酚醛树脂胶粘剂与木粉按1∶1~4混合,先在模具中成型,而后在室温下预压2~5min,然后140~160℃下固化0.5~1.0h,即可。
本发明所述由木材液化物合成的酚醛树脂制备发泡材料选用低沸点的发泡剂,异丙醚沸点为68.4℃,最适宜用作发泡材料。加入适量的表面活性剂能降低由非极性的发泡剂和极性的树脂胶产生的张力。若表面活性剂用量过少,会降低发泡材料的稳定性,过多则会导致发泡过度。
本发明在现有的工艺基础上进行改进优化,选择了适宜于木材原料的液化工艺参数,比如催化剂、温度、反应条件的选择,本发明利用木材在磷酸催化作用下得到的苯酚液化物合成新型的酚醛树脂胶粘剂的制备技术,可以使固体木材成为具有流动性的液体物质,该物质体系中含有木材中的以羟基为代表的活性基团,而且含有木材在一定温度下的酸性降解物质,以及这些物质与苯酚的直接或间接形成的化学物质,这种具有活性的液体物质可以替代苯酚与甲醛反应得到新型的木材液化物酚醛树脂,该胶粘剂具有比常规酚醛树脂更高的活性,固含量较高,粘度较低,便于保存和储存,使用时的聚合时间也比较短,生物降解性好,在使用性能上也具有更理想的综合质量。另外,苯酚来源于石油这种矿产资源,采用可再生的生态材料木材替代资源面临枯竭的有限矿产资源,符合材料工业的可持续发展。
本方法利用了木材中的化学物质(包括纤维素、半纤维素和木素)与苯酚之间的化学反应,使二者有机结合,同时利用木材在酸性条件和温度作用下的降解物质,使木材中的羟基与苯酚之间的酚化反应形成各种化学键的缔合,从而在分子水平上利用木材原料,最大限度地利用了木材资源。与此同时,苯酚为毒性化学试剂,减少苯酚在酚醛树脂胶合成中的用量,对自然环境的保护和提高人民生活质量均有重要的现实意义。
本发明人根据木材的化学组成特性,应用木材液化技术和木材液化物的树脂化技术,经过大量研究和试验,采用本发明的木材液化物酚醛树脂压制的胶合板,其胶合强度可达到1.00MPa~1.54MPa,可满足国家相关标准(GB/T14732-93)I类胶合板强度(大于0.7MPa)要求。采用本发明的木材液化物酚醛树脂压制的模压成型材料,其抗压强度达到73.01Mpa~73.58Mpa,与常规酚醛树脂模压材料的抗压强度相当。采用木材液化物树脂制造的模压材料的木腐菌接种试验可达到霉菌繁殖级数4级,而常规酚醛树脂模压材料为1级,因此,该模压材料具有良好的生物降解性能,其使用几乎对环境不会造成污染。另外,该技术采用了木材剩余物作为制造胶粘剂的原料,可使木材的利用率达到100%,提高了木材的利用率和附加值,而且得到的胶粘剂性能完全可以达到木材加工用相关国家标准(GB/T14732-93)中的性能指标要求。
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。
实施例1
首先将针叶材材粉碎成80目(网筛孔径0.18mm)的粉末,而后将该木粉与木材重量的3倍的苯酚和催化剂磷酸(磷酸加入量为苯酚加入量的6%)加入到三口玻璃瓶中,置于预先预热至150℃的油浴中,安装好冷凝器,开动搅拌装置(转速1058rpm)进行木材的液化,液化时间为2小时,到达反应时间后,撤去油浴,用丙酮稀释洗涤液化物,并采用玻璃坩埚式过滤器(过滤器型号为G2),在真空泵下(真空度为0.095MPa)进行抽滤,得到的滤液即为木材液化物的原液。
然后将得到的滤液(在丙酮中可溶的部分)在50℃的旋转蒸发器中蒸馏4h,以去除多余的溶剂丙酮,得到供树脂合成用的木材液化物。木材液化物中的游离苯酚无需脱除。
再将木材液化物与浓度为40%的氢氧化钠和水(氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5)投入到三口烧瓶中,开始进行树脂化反应,将烧瓶放入55℃的水浴中,开动冷凝器,并充分搅拌5min。之后,采用滴加器缓慢地将甲醛溶液(木材液化物的分子量按照苯酚分子量计算,甲醛与木材液化物的摩尔比为1.8)缓慢滴加进三口瓶中。滴加完毕后,在瓶中插好温度计,缓慢地将水浴温度逐渐提高到85℃(每15min升高10℃),在开始升温到反应结束时,反应时间控制在120min。采用粘度计控制反应的聚合程度,粘度到66.46(s)反应结束,将得到的树脂在冷水中冷却至30℃以下放料入玻璃瓶中,按国标规定的方法进行基本性质的测定。
实施例2
首先将阔叶木材粉碎成20目(网筛孔径0.9mm)的粉末,而后将该木粉与木材重量的4倍的苯酚和催化剂磷酸(磷酸加入量为苯酚加入量的8%)加入到三口玻璃瓶中,置于预先预热至160℃的油浴中,安装好冷凝器,开动搅拌装置(转速1058rpm)进行木材的液化。液化时间为1.5小时,到达反应时间后,撤去油浴,用甲醇稀释洗涤液化物,并采用玻璃坩埚式过滤器(过滤器型号为G2),在真空泵下(真空度为0.095MPa)进行抽滤,得到的滤液即为木材液化物的原液。
然后将得到的滤液(在甲醇中可溶的部分)在60℃的旋转蒸发器中蒸馏3h,以去除多余的溶剂甲醇,得到供树脂合成用的木材液化物。木材液化物中的游离甲醇无需脱除。
再将木材液化物与浓度为40%的氢氧化钠和水(氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶9.0)投入到三口烧瓶中,开始进行树脂化反应,将烧瓶放入60℃的水浴中,开动冷凝器,并充分搅拌5min。之后,采用滴加器缓慢地将甲醛溶液(甲醛与木材液化物的摩尔比为2.1)缓慢滴加进三口瓶中。滴加完毕后,在瓶中插好温度计,缓慢地将水浴温度逐渐提高到70℃(每15min升高10℃),在开始升温到反应结束时,反应时间控制在150min。采用粘度计控制反应的聚合程度,粘度到78.48(s)反应结束,将得到的树脂在冷水中冷却至30℃以下放料入玻璃瓶中,按国标规定的方法进行基本性质的测定。
将实施例1和2所得树脂与一般酚醛树脂进行性能对比,结果如下:
表1 木材液化物树脂的质量指标
指标 | 粘度(s) | 固体含量(%) | pH | 聚合时间(s) | 水混合性(倍) | 贮存期(天) | 游离苯酚含量(%) |
一般酚醛树脂 | 57.5~182 | 40.0~55.0 | 10.0~12.0 | ~ | ≥8 | ~ | ≤0.5 |
实施例1 | 66.46 | 46.56 | 11.0~12.0 | 98.32 | >10 | >20 | 0.069 |
实施例2 | 78.28 | 48.60 | 11.0~12.0 | 96.09 | >10 | >20 | 0.284 |
实施例3
首先将木材粉碎成60目(网筛孔径0.5mm)的粉末,而后将该木粉与苯酚(质量比1∶4)混合,加入磷酸(相当于苯酚加入质量的7%)放入三口玻璃瓶中,置于预先预热至156℃的油浴中,安装好冷凝器,开动搅拌装置进行木材的液化。液化时间为1.5小时。到达反应时间后,用二氧六环稀释洗涤液化物,并进行过滤处理,然后将滤液在55℃下进行蒸馏3.5h,得到供树脂合成用的木材液化物。
再将木材液化物与浓度为40%的氢氧化钠和水(氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.54,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.8)投入到三口烧瓶中,开始进行树脂化反应,将烧瓶放入50℃的水浴中,开动冷凝器,并充分搅拌5min。之后,采用滴加器缓慢地将甲醛溶液(甲醛与木材液化物的摩尔比为2.0)缓慢滴加进三口瓶中。滴加完毕后,在瓶中插好温度计,缓慢地将水浴温度逐渐提高90℃(每15min升高10℃),在开始升温到反应结束时,反应时间控制在130min。采用粘度计控制反应的聚合程度,粘度到72.5(s)反应结束,将得到的树脂在冷水中冷却至30℃以下放料入玻璃瓶中,按国标规定的方法进行基本性质的测定。
模压材料的成型采用常规模压成型设备(可以实现成型平面或曲面),将上述木材液化物树脂胶粘剂与木粉混合(比例为1∶1),先在模具中成型,而后在室温下预压5min,而后将模压材料放入预先160℃的鼓风干燥箱中,固化时间为0.5h,固化终了取出已成型的模压材料,放入干燥器中冷却至室温。模压材料的物理力学性能根据国标测定,生物降解性能采用土埋失重法,结果如下(分别以毛白杨和杉木为例):
表2 木材液化物树脂模压材料的抗压强度
模压温度(℃) | 抗压强度(MPa) | ||
杉木树脂模压材料 | 毛白杨树脂模压材料 | 酚醛树脂模压材料 | |
120140 | 72.5873.01 | 73.7373.58 | 71.7573.67 |
表3 不同模压材料的土埋失重率和土埋后抗压强度下降率
模压材料种类 | 土埋失重率(%) | 土埋后抗压强度下降率(%) |
杉木树脂模压材料毛白杨树脂模压材料酚醛树脂模压材料 | 8.339.097.90 | 16.9217.6715.37 |
注:土埋时间为30天,环境温度25℃,相对湿度95%。
表4 木腐菌在三种模压材料表面上的存活面积
试样名称 | 霉菌繁殖面积(%) | 结果(霉菌繁殖级数)* |
杉木树脂模压材料毛白杨树脂模压材料酚醛树脂模压材料 | 60~7050~6010左右 | 441 |
*注:按ISO中的相关标准规定,霉菌繁殖级数4级表示霉菌生长覆盖面积为大量繁殖>50%,3级为中度繁殖25~50%,2级为轻度繁殖10~25%,1级为痕迹繁殖<10%,0级为无繁殖痕迹。
木材液化物树脂模压材料的抗压强度与酚醛树脂模压材料的抗压强度相当,完全可以替代传统的酚醛树脂应用于模压材料的生产。木材液化物树脂制备的模压材料具有更出色的生物降解性能,是一种环保的绿色胶粘剂。
实施例4
首先将毛白杨和杉木粉碎成40目(网筛孔径0.38mm)的粉末,而后将混合木粉(毛白杨∶杉木=1∶1)与苯酚(质量比1∶3.5)混合,加入磷酸(相当于苯酚加入质量的6.5%)放入三口玻璃瓶中,置于预先预热至160℃的油浴中,安装好冷凝器,开动搅拌装置进行木材的液化。液化时间为2小时。到达反应时间后,撤去油浴,用丙酮稀释洗涤液化物,并进行过滤处理,然后将滤液在50℃下进行蒸馏3h,得到供树脂合成用的木材液化物。
再将木材液化物与浓度为40%的氢氧化钠和水(氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5,水与木材液化物的摩尔比为1∶8)投入到三口烧瓶中,树脂化反应如实例3中所述。
取木材液化物树脂和木粉(配比为树脂∶木粉=10∶1),加入5%异丙醚(相当于木材液化物树脂重),搅拌均匀使树脂充分浸润木粉,并迅速将混合物倒入模具成型。最后将成型好的坯体置于干燥箱(温度150±5℃)中,待1小时后取出。
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 (10)
1、一种由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂,其采用下述方法制备:
1)先将木材粉碎成木粉,采用磷酸催化剂进行苯酚液化处理,得木材液化物;
2)然后将木材液化物(木材液化物的分子量按照苯酚分子量计算)与甲醛按1∶1.8~2.1摩尔比在氢氧化钠水溶液碱性条件下反应,氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5~0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5~9.0,在常压状态下升温到70~90℃,反应时间控制在120min~150min,即得粘度为66~80s的酚醛树脂胶粘剂。
2、根据权利要求1所述的由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂,其特征在于,所述的酚醛树脂胶粘剂为水溶性的热固性树脂,粘度为66~80s,固体含量为46.56~48.60%,pH11.0~12.0,游离苯酚含量为0.069~0.284%,聚合时间为96.09~98.32s。
3、根据权利要求1或2所述的由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂,其特征在于,采用所述酚醛树脂胶粘剂制成的模压材料,其木腐菌接种试验达到霉菌繁殖级数4级。
4、一种制备权利要求1所述的木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)先将木材粉碎成木粉,采用磷酸催化剂进行苯酚液化处理,得木材液化物;
2)然后将木材液化物与甲醛按1∶1.8~2.1摩尔比在氢氧化钠水溶液碱性条件下反应,氢氧化钠与木材液化物的摩尔比为1∶0.5~0.6,水与木材液化物的摩尔比为1∶8.5~9.0,在常压状态下升温到70~90℃,反应时间控制在120min~150min,得粘度为66~80s的酚醛树脂胶粘剂。
5、根据权利要求4所述的木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的制备方法,其特征在于,所述的木材选用针叶材或阔叶材,所述木粉的细度为20~80目。
6、根据权利要求4所述的木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的制备方法,其特征在于,所述苯酚液化处理为:将木粉、重量为木粉3~4倍的苯酚和相当于苯酚加入质量的6%~8%的磷酸催化剂,在常压下搅拌于150℃~160℃反应1.5~2小时得木材液化物。
7、根据权利要求4或6所述的木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的制备方法,其特征在于,所述的木材液化物用丙酮、二氧六环、甲醇或四氢呋喃中的一种溶剂稀释并进行过滤处理,然后将滤液在50~60℃下进行蒸馏3~4h。
8、根据权利要求4所述的木材液化物合成酚醛树脂胶粘剂的制备方法,其特征在于,步骤2)木材液化物与甲醛反应时,先于50~60℃下预热,并搅拌5~10min。
9、权利要求1所述的由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂在制备胶合板、模压材料和发泡材料中的应用。
10、根据权利要求9所述的由木材液化物合成的酚醛树脂胶粘剂的应用,其特征在于,所述模压材料由以下方法制备:将所述的酚醛树脂胶粘剂与木粉按1∶1~4的比例混合,先在模具中成型,而后在室温下预压2~5min,然后140~160℃下固化0.5~1.0h,即成。
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