CN104290168A - 水性聚氨酯热固化复合纤维板的制备方法 - Google Patents

水性聚氨酯热固化复合纤维板的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种水性聚氨酯热固化复合纤维板的制备方法，选用鲜杨木片做为主要原料，并加入锯末取代一部分木片做原料，经预蒸煮、蒸煮处理后热磨解纤，施加水性聚氨酯做胶黏剂，干燥过程中加入纳米二氧化硅作为助剂，经分选、铺装成型后进入连续平压机压制而成。本产品甲醛释放量远远低于GB18580-2001《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》要求，接近“零”水平；TVOC气体含量达到环境标准HJ571-2010《环境标志产品认证技术要求人造板及其制品》0.5mg/(m2*h)以下要求；本产品在施胶量达到100kg/m3以上时，可以达到与传统异氰酸酯生产的纤维板相同的防潮功能，但成本比用异氰酸酯要降低8.5%左右。

Description

水性聚氨酯热固化复合纤维板的制备方法
技术领域
本发明属于人造板生产技术领域，是一种新型环保装饰型板材工艺，特别涉及一种超低TVOC释放的水性聚氨酯热固化复合纤维板的制备方法。
背景技术
作为装饰基材的人造板，游离甲醛的污染被人们熟知，而其他类型的有机挥发物却常常被人们忽略。TVOC是挥发性有机化合物的总称，其组成极其复杂，常见有甲醛、苯、二甲苯、氨、三氯甲烷、萘、二异氰酸酯类等，是室内装修污染的罪魁祸首。TVOC对人体安全健康有巨大影响：当居室中的TVOC达到一定浓度时，短时间内人们会感到头痛、恶心、呕吐、乏力等，若不及时离开现场，严重时会抽搐、昏迷、记忆力减退，伤害人的肝脏、肾脏、大脑和神经***。
人造板VOC的释放从原料、热压到后期处理过程都会存在，龙玲等学者研究发现干燥温度和终含水率对VOC释放量影响较大，因而有学者对木材干燥过程进行了优化，所制得的人造板其VOC释放有所降低；同时一些学者研究发现对人造板做表面处理也降低了VOC释放量；此外许多学者（如Douglas、Wang）研究发现热压温度、热压时间、胶种、树种的改变对人造板VOC释放有不同程度的影响；文献《汽车车室内VOC探讨及胶黏剂解决对策》重点从材料出发探讨降低车室内VOC释放的胶黏剂的解决对策。
发明内容
本发明提供一种产工艺简单、易于控制的以木质纤维为原料、施加水性聚氨酯生产超低TVOC释放的水性聚氨酯热固化复合纤维板的方法，并且通过外脱模剂技术的运用有效的降低了TVOC释放，且成本较传统异氰酸酯生产的纤维板低8.5%左右。
为了实现上述目的，本发明的技术方案包括以下步骤：
（1）将长40-60mm，宽15-30mm，厚2-6mm的原木净片进行水洗，除去木片表面的杂质；
（2）水洗后的木片通过木片泵输送到预蒸煮缸，同时加入锯末组成填充料，进行初步软化，其中锯末加入的比例不大于填充料总量的50%；然后再通过木塞螺旋送至蒸煮缸里蒸煮，进一步软化，蒸煮缸内的蒸汽压力为0.70-0.80MPa，蒸煮时间3-5分钟；
（3）木片蒸煮充分后进入热磨机的磨室解纤，同时往磨室中加入占绝干纤维质量的1-1.5%的防水剂；磨室的压力低于蒸煮缸的压力0.01-0.02MPa，通过压差提高纤维的研磨质量；
（4）研磨后的纤维施加占绝干纤维质量2-4%的水性聚氨酯胶黏剂，干燥并保持其含水率在8-13%，进行铺装成型；然后经预压进入热压机热压，热压时对热压机的上、下钢带表面喷洒1-2 ml/m2的脱膜剂，采用外脱模技术，板坯采用连续平压的方式热压形成纤维板；所述的胶黏剂水性聚氨酯胶黏剂；所述热压时的热压温度为200-220℃，热压速度10-15 s/mm，热压压力2.0-5.0MPa。
为了达到更好的技术效果，上述方案进一步优选为：
所述步骤（1）中选用鲜杨枝丫材进行削片制得原木片。
所述步骤（4）中水性聚氨酯胶黏剂优选由水性聚氨酯预聚体与三聚氰胺改性脲醛树脂预缩液的混合制备而成，具体反应步骤：
1）亲水性聚氨酯预聚体的合成：
a.在装有机械搅拌、氮气、温度控制仪、恒压滴液漏斗、冷凝回流装备的反应釜中加入计量的聚醚多元醇(N220)、聚醚多元醇(N330)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，控制反应温度为50～60℃；
b.加入2，2-二羟甲基丙酸(DMPA)、一缩二乙二醇(DEG)，保温1.5～2h；
c.升温至65～75℃，加入三乙胺、二月桂酸二丁基锡，搅拌10～20min，并缓慢滴加一缩二乙二醇(PAPI)，在1.5h内滴加完毕；
d.每隔5～10min检测-NCO的浓度，待-NCO含量无变化时，调控体系pH为7.0～7.5，加入N-正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-558)，10min后加入N-N-双（三甲氧硅基）丙基胺(BTMSPA)，开始降温；
2）低分子量氨基树脂共混改性：
e.当温度降至40～50℃时，加入氨水，高速乳化25～35min；
f.在30～50min内加入MUF预缩液，继续搅拌25～35min，得到白色或淡灰色乳液。
步骤中各原料的配比如表1所示。
所述步骤（4）中施加入水性聚氨酯胶黏剂的方式为：采用蒸汽雾化施胶工艺，喷嘴为宽口扇形雾化喷嘴，施胶形状为广角圆锥形，施胶***压力为13-15bar。
所述步骤（4）中施胶后的纤维在干燥时加入纳米二氧化硅作为助剂，其加入量为绝干纤维质量的0.5%-1%。
所述步骤（4）中选用脱膜剂的重量百分比组成为：乳化硅油60%-70%，石蜡10%-20%，去离子水10%-15%，乳化助剂烷基苯磺酸钠5%-10%，作为外脱模剂使用。
相比于现有技术，本发明具有以下优势：
     1）本产品是真正的绿色环保节能产品，甲醛释放量远远低于GB18580-2001《室内装饰装修材料 人造板及其制品中甲醛释放限量》要求，接近“零”水平（木质原料在一定的温湿度气候下，自身会释放微量甲醛）；TVOC气体含量达到环境标准HJ571-2010《环境标志产品认证技术要求 人造板及其制品》0.5mg/(m2*h)以下要求。
2）本产品的用途广泛，具有高防潮性，可用于室外装修，在高温高湿环境下使用，板材的耐候性良好。用传统异氰酸酯生产的纤维板防潮性能优异，施胶量控制在60kg/m3以上时，可以达到室外防潮型板材的要求，而用水性聚氨酯生产的复合纤维板，在施胶量达到100kg/m3以上时，可以达到相同的防潮功能，但成本比用异氰酸酯要降低8.5%左右。
3）使用自主研发水性聚氨酯作为胶粘剂，树脂使用过程中不会产生对人体伤害的有毒物质，实现绿色生产，安全生产。
4）产品主要原料为农林加工剩余物，制作成复合纤维板材可替代石油原料生产的复合板材（PVC板材），实现资源高效利用。
附图说明
    图1是水性聚氨酯热固化复合纤维板的生产工艺流程图。
具体实施方式
为更好说明本发明的目的、技术特点及优势，通过以下具体实例进行具体说明。
实施例1
一种水性聚氨酯热固化复合纤维板，采取以下步骤制备：
（1）将长40-60mm，宽15-30mm，厚2-6mm的原木净片进行水洗，除去木片表面的泥沙等杂质。水洗后的木片通过木片泵输送到预蒸煮缸，同时加入锯末做填充料，其中锯末加入的比例不大于填充料总量的50%（优选35%-50%，加入锯末取代一部分木片做原料，起到降低生产能耗的作用），进行初步软化，然后再通过木塞螺旋送至蒸煮缸里蒸煮，进一步软化。蒸煮缸内的蒸汽压力为0.70-0.80MPa，蒸煮时间3-5分钟。
（2）木片蒸煮充分后进入热磨机的磨室解纤，同时往磨室中加入占绝干纤维质量1-1.5%的防水剂。磨室的压力低于蒸煮缸的压力约0.01-0.02MPa，通过压差提高纤维的研磨质量。
（3）纤维施加占绝干纤维质量2-4%的水性聚氨酯胶黏剂，水性聚氨酯胶黏剂的具体制备步骤：
1）亲水性聚氨酯预聚体的合成：
a.在装有机械搅拌、氮气、温度控制仪、恒压滴液漏斗、冷凝回流装备的反应釜中加入计量的聚醚多元醇(N220)、聚醚多元醇(N330)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，控制反应温度为50～60℃；
b.加入2，2-二羟甲基丙酸(DMPA)、一缩二乙二醇(DEG)，保温1.5～2h；
c.升温至65～75℃，加入三乙胺、二月桂酸二丁基锡，搅拌10～20min，并缓慢滴加一缩二乙二醇(PAPI)，在1.5h内滴加完毕；
d.每隔5～10min检测-NCO的浓度，待-NCO含量无变化时，调控体系pH为7.0～7.5，加入N-正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷(KH-558)，10min后加入N-N-双（三甲氧硅基）丙基胺(BTMSPA)，开始降温；
2）低分子量氨基树脂共混改性：
e.当温度降至40～50℃时，加入氨水，高速乳化25～35min；
f.在30～50min内加入MUF预缩液，继续搅拌25～35min，得到白色或淡灰色乳液；
步骤中各原料配比如表1所示。
 
  干燥并保持其含水率在8-12%左右（干燥时加入二氧化硅作为助剂，消除水性聚氨酯的各向异性），进入机械式铺装机进行铺装成型。经预压进入热压机热压，连续热压机选用镜面钢带，采用扇形内部混合型喷头对上下钢带表面喷洒1-2ml/m2左右的脱膜剂，即采用外脱模技术，板坯热压形成纤维板。
比较例1
一种异氰酸酯制造的无醛纤维板，采取以下步骤制备：
（1）将长40-60mm，宽15-30mm，厚2-6mm的原木净片进行水洗，除去木片表面的泥沙等杂质。水洗后的木片通过木片泵输送到预蒸煮缸进行初步软化，然后再通过木塞螺旋送至蒸煮缸里蒸煮，进一步软化。蒸煮缸内的蒸汽压力为0.70-0.80MPa，蒸煮时间3-5分钟。
（2）、木片蒸煮充分后进入热磨机的磨室解纤，同时往磨室中加入占绝干纤维质量1-1.5%的防水剂。磨室的压力低于蒸煮缸的压力约0.01-0.02MPa，通过压差提高纤维的研磨质量。
（3）、纤维施加绝干纤维质量的9-11%的异氰酸酯胶黏剂，同时加入与异氰酸酯（E-MDI）同等量的内脱模剂，干燥并保持其含水率在8.5-13%左右，进行铺装成型。经预压进入热压机热压，板坯热压形成纤维板。
对实施例1水性聚氨酯（WPU）和比较例1异氰酸酯（E-MDI）制得的纤维板进行理化性能评价测试，结果列于表2。对制得的纤维板进行TVOC释放检测，结果列于表3。
表2    WPU和E-MDI纤维板理化性能指标比较
注：按GB/T-11718-2009的要求。
 
注：按HJ 571-2010的要求。
由表2可看出实施例1 的纤维板各项理化性能指标均达到国标要求，由表3可看出实施例1的纤维板同比较例1相比，其各项有机化合物和TVOC释放量达到甚至远低于国标要求，这说明根据本发明所述的制备方法制得的纤维板具有超低TVOC释放的优良性能，是良好的装饰专用材尤其是用作汽车内饰材料。
本发明突破传统异氰酸酯纤维板的生产工艺，用外脱模技术取代内脱模技术，重点从胶粘剂的研发上研究，开发适合超低TVOC释放的纤维板用胶粘剂—水性聚氨酯，同时在原料的使用上选取鲜杨和锯末做填充料，有效的降低了TVOC释放，且成本较传统异氰酸酯生产的纤维板低8.5%左右。

Claims (6)

1.一种水性聚氨酯热固化复合纤维板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将长40-60mm，宽15-30mm，厚2-6mm的原木净片进行水洗，除去木片表面的杂质；
（2）水洗后的木片通过木片泵输送到预蒸煮缸，同时加入锯末组成填充料，进行初步软化，其中锯末加入的比例不大于填充料总量的50%；然后再通过木塞螺旋送至蒸煮缸里蒸煮，进一步软化，蒸煮缸内的蒸汽压力为0.70-0.80MPa，蒸煮时间3-5分钟；
（3）木片蒸煮充分后进入热磨机的磨室解纤，同时往磨室中加入占绝干纤维质量的1-1.5%的防水剂；磨室的压力低于蒸煮缸的压力0.01-0.02MPa，通过压差提高纤维的研磨质量；
（4）研磨后的纤维施加占绝干纤维质量2-4%的水性聚氨酯胶黏剂，干燥并保持其含水率在8-13%，进行铺装成型；然后经预压进入热压机热压，热压时对热压机的上、下钢带表面喷洒1-2 ml/m2的脱膜剂，采用外脱模技术，板坯采用连续平压的方式热压形成纤维板；所述的胶黏剂水性聚氨酯胶黏剂；所述热压时的热压温度为200-220℃，热压速度10-15 s/mm，热压压力2.0-5.0MPa。
2.根据权利要求1中所述的水性聚氨酯热固化复合纤维板制备方法，其特征是：所述步骤（1）中选用鲜杨枝丫材进行削片制得原木片。
3.根据权利要求1或2中所述的水性聚氨酯热固化复合纤维板制备方法，其特征是：所述的水性聚氨酯胶黏剂由水性聚氨酯预聚体与三聚氰胺改性脲醛树脂预缩液的混合制备而成，具体反应步骤如下：
1）亲水性聚氨酯预聚体的合成：
a.在装有机械搅拌、氮气、温度控制仪、恒压滴液漏斗、冷凝回流装备的反应釜中加入计量的聚醚多元醇N220、聚醚多元醇N330、甲苯二异氰酸酯TDI、二苯基甲烷二异氰酸酯MDI，控制反应温度为50～60℃；
b.加入2，2-二羟甲基丙酸DMPA、一缩二乙二醇DEG，保温1.5～2h；
c.升温至65～75℃，加入三乙胺、二月桂酸二丁基锡，搅拌10～20min，并缓慢滴加一缩二乙二醇PAPI，在1.5h内滴加完毕；
d.每隔5～10min检测-NCO的浓度，待-NCO含量无变化时，调控体系pH为7.0～7.5，加入N-正丁基-3-氨丙基三甲氧基硅烷KH-558，10min后加入N-N-双（三甲氧硅基）丙基胺BTMSPA，开始降温；
2）低分子量氨基树脂共混改性：
e.当温度降至40～50℃时，加入氨水，高速乳化25～35min；
f.在30～50min内加入MUF预缩液，继续搅拌25～35min，得到白色或淡灰色乳液；步骤中各原料配比如表1所示：
。
4.根据权利要求3中所述的水性聚氨酯热固化复合纤维板制备方法，其特征是：所述步骤（4）中施加入水性聚氨酯胶黏剂的方式为：采用蒸汽雾化施胶工艺，喷嘴为宽口扇形雾化喷嘴，施胶形状为广角圆锥形，施胶***压力为13-15bar。
5.根据权利要求4中所述的水性聚氨酯热固化复合纤维板制备方法，其特征是：所述步骤（4）中施胶后的纤维在干燥时加入纳米二氧化硅作为助剂，其加入量为绝干纤维质量的0.5%-1%。
6.根据权利要求5中所述的水性聚氨酯热固化复合纤维板制备方法，其特征是：所述步骤（4）中选用脱膜剂的重量百分比组成为：乳化硅油60%-70%，石蜡10%-20%，去离子水10%-15%，乳化助剂烷基苯磺酸钠5%-10%。
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