CN117887358A - 一种改性生物基木材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；本发明以生物质糖类为原料，通过与改性剂在水热碳化条件下反应得到改性生物基水热炭，增加了水热炭的活性反应位点；所述改性生物基水热炭反应活性高，便于与异氰酸酯类、缩水甘油醚类、羟甲基类、聚氨酯类交联剂充分交联并且与胶粘底物反应产生足够的胶合力；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，具有良好的胶接性能和耐水性能；所述改性生物基胶黏剂的制备方法简单，性能优异，可适用于人造板的生产。
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，木材工业中主要使用的胶黏剂为甲醛基胶黏剂，其中脲醛树脂、酚醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂最为普及，此类醛基胶黏剂具有优异的粘接性能和耐水性能。但是，上述三种胶黏剂存在不可忽视的弊端，一方面，上述胶黏剂的生产原料需要从石油化工产品中获得，其生产过程中需要消耗不可再生的化石资源；另一方面，上述胶黏剂在生产和使用过程中会释放出甲醛，会对环境和人体造成极大的危害。因此，木材胶黏剂行业需要研发一种可再生、无毒无害的环境友好型胶黏剂。
生物质糖类广泛存在于自然界中，可以用来制备木材胶黏剂，但是糖类富含羟基，导致其耐水性不佳。因此，需要对生物质糖类进行化学修饰，通过化学改性来改善生物基木材胶黏剂的耐水性，提高其附加价值。
内容
针对现有技术中存在的一些不足，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；本发明以生物质糖类为原料，通过与改性剂在水热碳化条件下反应得到改性生物基水热炭，增加了水热炭的活性反应位点；所述改性生物基水热炭反应活性高，便于与异氰酸酯类、缩水甘油醚类、羟甲基类、聚氨酯类交联剂充分交联并且与胶粘底物反应产生足够的胶合力；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，具有良好的胶接性能和耐水性能；所述改性生物基胶黏剂的制备方法简单，性能优异，可适用于人造板的生产。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
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基于改性生物基水热炭制备得到；所述改性生物基水热炭在生物基水热炭表面接枝活性官能团-NH2和-COOH；
所述改性生物基胶黏剂的原料以重量份计包括：改性生物基水热炭8～10份，分散剂24～30份，交联剂2～3份，添加剂2～3份。
本发明还提供了上述改性生物基胶黏剂的制备方法，包括：
(1)改性生物基水热炭的制备：
将生物质糖类、改性剂分散于水中搅拌混合均匀，得到混合溶液，然后将混合溶液进行水热碳化反应，反应结束后冷却、分离、烘干、研磨、过筛，得到改性生物基水热炭；
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
将改性生物基水热炭置于研钵中，向研钵中加入分散剂、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，所述改性生物基水热炭制备过程中反应原料以重量份计，生物质糖类28～32份，改性剂8～12份，水128～132份。
优选地，步骤(1)中，所述生物质糖类包括葡萄糖、果糖、淀粉、麦芽糖、纤维素、半纤维素、壳聚糖中的一种或几种。
优选地，步骤(1)中，所述改性剂包括丙烯酰胺、丙烯酸、二乙烯三胺、尿素、柠檬酸中的一种或几种。
优选地，步骤(1)中，所述水热碳化反应的条件为：在180～210℃下反应2～8h。
优选地，步骤(1)中，所述过筛为过300-100目筛，孔径为0.054-0.15mm。
优选地，步骤(2)中，以重量份计，改性生物基水热炭8～10份、分散剂24～30份、交联剂2～3份，添加剂2～3份。
优选地，步骤(2)中，所述分散剂包括5～10％wt的聚乙烯醇溶液、明胶溶液、瓜尔胶溶液、***胶溶液中的一种或几种。
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、环氧大豆油、聚磷酸铵、异佛尔酮二异氰酸酯、硅烷偶联剂、硼砂中的一种或几种。
优选地，步骤(2)中，所述添加剂包括醛基纤维素、单宁、氯化锌、蒙脱土、高岭土、植酸、纳米木质纤维中的一种或几种。
本发明还提供了上述改性生物基胶黏剂在制造人造板中的应用。
优选地，所述人造板包括胶合板、刨花板或中密度纤维板。
优选地，所述人造板的制备步骤包括：
(1)将所述改性生物基胶黏剂涂在中间的单板两面，中间的单板与上下接触面的单板按木板纤维方向互相垂直的方式进行组胚，组胚后于室温下在胶合板上方施加负载冷压，得到胶合板；
(2)将冷压完的胶合板热压处理，得到所述人造板。
优选地，步骤(1)中，所述改性生物基胶黏剂的施胶量为180～210g/m2；
所述冷压的条件为在0.5～0.8Mpa负载冷压30～60min。
优选地，步骤(2)中，所述热压的条件为120～160℃、1.0～1.4MPa的条件下热压800～1000秒。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述改性生物基胶黏剂原料为生物质糖类，生物质糖类广泛存在于自然界中，相比化石资源，生物基糖类可再生、来源广泛且价格低廉。并且，使用可再生型生物基质材料为主要原料，符合可持续发展，制备和使用过程中皆无甲醛释放，绿色环保，符合生态文明建设要求和绿色发展理念。
(2)本发明通过改性剂与生物质糖类共水热碳化，在生物质糖类水解再聚合形成焦炭的过程中在水热炭表面接枝了活性官能团(-NH2/-COOH)，增加了生物基水热炭的活性反应位点。本发明所述改性生物基水热炭反应活性高，便于与异氰酸酯类、环氧类、羟甲基类、聚氨酯类交联剂充分交联并且与胶粘底物产生足够的胶合力，成功制备得生物基无醛胶黏剂，可适用于人造板中胶合板、刨花板、纤维板等的生产。
(3)本发明所述改性生物基胶黏剂具有良好的胶接强度和耐水性能，性能指标满足国家标准GB/T 9846-2015中规定的Ⅱ类胶合板要求(≥0.7MPa)。本发明所制备的改性生物基胶黏剂成本低，制备方法简单，有利于工业化生产。可降低木材工业对以石化资源为基础的合成树脂的依赖，在人造板胶黏剂领域具有良好的应用前景，对于木材工业的发展和应对石化危机问题都具有重要意义。
附图说明
图1为生物基水热炭X射线光电子能谱。
图2为胶合板组装及尺寸示意图。
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
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的保护范围并不限于此，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。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。
实施例1：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入30重量份的无水葡萄糖、130重量份的水和10重量份丙烯酰胺，在常温下混合均匀，倒入高压反应釜中在180℃下反应2.5h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取10重量份水热炭粉末置于研钵中，加入30重量份10％wt的聚乙烯醇溶液，再加入3重量份丙三醇三缩水甘油醚、3重量份单宁，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：
(1)使用厚度为1.5mm的杨木单板制作三层胶合板，杨木单板含水量控制在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中间层杨木单板两面，与上下两层杨木单板按木板纤维方向互相垂直的方式进行组胚，组胚后于室温下在胶合板上方施加0.5Mpa负载冷压60分钟；
(2)将冷压完毕的胶合板在150℃、1.0MPa的条件下热压900秒。对热压完毕的三层胶合板按国家标准GB/T 17657-2013加工为如图2所述的胶合板。
按图3所示拉力示意对胶合板湿粘结强度进行测试，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，本实施例中所述改性生物基胶黏剂的湿粘结强度为1.52MPa，性能指标满足国家标准GB/T 9846-2015中规定的Ⅱ类胶合板要求(≥0.7MPa)。
实施例2：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入30重量份的无水葡萄糖、130重量份的水和10重量份丙烯酸，在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在180℃下反应2.5h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取10重量份水热炭粉末置于研钵中，加入30重量份10％wt的聚乙烯醇溶液，再加入3重量份丙三醇三缩水甘油醚、3重量份单宁，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：
(1)使用厚度为1.5mm的杨木单板制作三层胶合板，杨木单板含水量控制在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中间层杨木单板两面，与上下两层杨木单板按木板纤维方向互相垂直的方式进行组胚，组胚后于室温下在胶合板上方施加0.5Mpa负载冷压60分钟；
(2)将冷压完毕的胶合板在150℃、1.0MPa的条件下热压900秒。对热压完毕的三层胶合板按国家标准GB/T 17657-2013加工为如图2所述的胶合板。
按图3所示拉力示意对胶合板湿粘结强度进行测试，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂的湿粘结强度为1.37MPa，性能指标满足国家标准GB/T9846-2015中规定的Ⅱ类胶合板要求(≥0.7MPa)。
实施例3：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入30重量份的果糖、130重量份的水和10重量份丙烯酰胺，在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在180℃下反应2.5h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取10重量份水热炭粉末置于研钵中，加入30重量份10％wt的聚乙烯醇溶液，再加入3重量份丙三醇三缩水甘油醚、3重量份单宁，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：
(1)使用厚度为1.5mm的杨木单板制作三层胶合板，杨木单板含水量控制在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中间层杨木单板两面，与上下两层杨木单板按木板纤维方向互相垂直的方式进行组胚，组胚后于室温下在胶合板上方施加0.5Mpa负载冷压60分钟；
(2)将冷压完毕的胶合板在150℃、1.0MPa的条件下热压900秒。对热压完毕的三层胶合板按国家标准GB/T 17657-2013加工为如图2所述的胶合板。
按图3所示拉力示意对胶合板湿粘结强度进行测试，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂的湿粘结强度为1.24MPa，性能指标满足国家标准GB/T9846-2015中规定的Ⅱ类胶合板要求(≥0.7MPa)。
实施例4：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入30重量份的果糖、130重量份的水和10重量份丙烯酸，在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在180℃下反应2.5h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取10重量份水热炭粉末置于研钵中，加入30重量份10％wt的聚乙烯醇溶液，再加入3重量份丙三醇三缩水甘油醚、3重量份单宁，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：
(1)使用厚度为1.5mm的杨木单板制作三层胶合板，杨木单板含水量控制在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中间层杨木单板两面，与上下两层杨木单板按木板纤维方向互相垂直的方式进行组胚，组胚后于室温下在胶合板上方施加0.5Mpa负载冷压60分钟；
(2)将冷压完毕的胶合板在150℃、1.0MPa的条件下热压900秒。对热压完毕的三层胶合板按国家标准GB/T 17657-2013加工为如图2所述的胶合板。
按图3所示拉力示意对胶合板湿粘结强度进行测试，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂的湿粘结强度为1.44MPa，性能指标满足国家标准GB/T9846-2015中规定的Ⅱ类胶合板要求(≥0.7MPa)。
实施例5：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入28重量份的无水葡萄糖、128重量份的水、4重量份丙烯酸和4重量份二乙烯三胺，然后在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在210℃下反应2h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取10重量份水热炭粉末置于研钵中，加入30重量份10％wt的明胶溶液，再加入3重量份丙三醇三缩水甘油醚、3重量份单宁，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
实施例6：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入32重量份的果糖、132重量份的水、6重量份丙烯酸和6重量份丙烯酰胺，在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在180℃下反应8h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取8重量份水热炭粉末置于研钵中，加入28重量份10％wt的聚乙烯醇溶液，再加入2重量份三缩水甘油胺、3重量份醛基纤维素，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
实施例7：
(1)改性生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入30重量份的果糖，130重量份的水，10重量份丙烯酸，在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在180℃下反应2.5h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得改性生物基水热炭粉末。
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
取8重量份水热炭粉末置于研钵中，加入24重量份5％wt的聚乙烯醇溶液，再加入2重量份环氧大豆油、3重量份氯化锌，研磨10分钟混合均匀，得改性生物基胶黏剂。
对比例1：
(1)生物基水热炭的制备：
在烧杯中加入30重量份的无水葡萄糖，130重量份的水，在常温下充分搅拌10分钟，倒入高压反应釜中在180℃下反应2.5h。反应结束后将产物固液分离，对固体产物烘干，研磨，过200筛网，得生物基水热炭粉末。
(2)生物基胶黏剂的制备：
取10重量份生物基水热炭粉末置于研钵中，加入30重量份10％wt的聚乙烯醇溶液，再加入3重量份丙三醇三缩水甘油醚、3重量份单宁，研磨10分钟混合均匀，得生物基胶黏剂。
将制备得到的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：
(1)使用厚度为1.5mm的杨木单板制作三层胶合板，杨木单板含水量控制在5～8％；
按210g/m2的单面涂胶量将生物基胶黏剂均匀涂布在中间层杨木单板两面，与上下两层杨木单板按木板纤维方向互相垂直的方式进行组胚，组胚后于室温下在胶合板上方施加0.5Mpa负载冷压60分钟；
(2)将冷压完毕的胶合板在150℃、1.0MPa的条件下热压900秒。对热压完毕的三层胶合板按国家标准GB/T 17657-2013加工为如图2所述的胶合板。
按图3所示拉力示意对胶合板湿粘结强度进行测试，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，本实施例中所述生物基胶黏剂的湿粘结强度为1.13MPa，性能指标满足国家标准GB/T 9846-2015中规定的Ⅱ类胶合板要求(≥0.7MPa)。
综上所述，本发明以生物质糖类为原料，通过改性剂在水热碳化条件下反应得到改性生物基水热炭，增加了改性生物基水热炭的活性反应位点；所述改性生物基水热炭反应活性高，便于与异氰酸酯类、环氧类、羟甲基类、聚氨酯类交联剂充分交联并且与胶粘底物产生足够的胶合力；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，具有良好的胶接性能和耐水性能；所述改性生物基胶黏剂的制备方法简单，性能优异，可适用于人造板的生产。
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 (9)
1.一种改性生物基木材胶黏剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)改性生物基水热炭的制备：
将生物质糖类、改性剂分散于水中混合均匀，得到混合溶液，然后将混合溶液进行水热碳化反应，反应结束后冷却、分离、烘干、研磨、过筛，得到改性生物基水热炭；
(2)改性生物基胶黏剂的制备：
将改性生物基水热炭置于研钵中，向研钵中加入分散剂、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，所述改性生物基水热炭制备过程中反应原料以重量份计，生物质糖类28～32份，改性剂8～12份，水128～132份。
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，所述生物质糖类为葡萄糖、果糖、淀粉、麦芽糖、纤维素、半纤维素、壳聚糖中的一种或几种；
改性剂为丙烯酰胺、丙烯酸、二乙烯三胺、尿素、柠檬酸中的一种或几种。
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，所述水热碳化反应时间为1～10h，反应温度为160～240℃。
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，改性生物基水热炭8～10份、分散剂24～30份、交联剂2～3份，添加剂2～3份。
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，所述分散剂包括5～10％wt的聚乙烯醇溶液、明胶溶液、瓜尔胶溶液、***胶溶液中的一种或几种；
交联剂包括丙三醇三缩水甘油醚、三缩水甘油胺、环氧大豆油、聚磷酸铵、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、蒙脱土、高岭土、植酸、纳米木质纤维中的一种或几种。
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基于改性生物基水热炭制备得到；所述改性生物基水热炭在生物基水热炭表面接枝活性官能团-NH2和-COOH；
所述改性生物基胶黏剂的原料组成以重量份计包括：改性生物基水热炭8～10份，分散剂24～30份，交联剂2～3份，添加剂2～3份。
8.权利要求7所述的改性生物基胶黏剂在人造板制造中应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述人造板包括胶合板、刨花板或中密度纤维板。
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