PU胶粘剂在木材加工中的应用

 

随着科学技术的飞速发展,国民经济取得了迅猛地增长,使人民生活水平有了很大提高。特别是与人民生活密切相关的房地产业,其发展更是蒸蒸日上,使人们对木质产品需求量骤增,各种人造板材,各种中高档木质家具、装修装饰材料源源不断地从工业流水线上产出。而这些产品的使用均离不开性能优良、使用便捷的木材胶粘剂,现在全部使用木质材料的产品约 70%以上是与胶粘剂有关,可以说,木材加工行业是胶粘剂消耗量最大的部门,例如前苏联有 80%的胶粘剂应用于木材加工行业,日本大约 76%,美国约 60%,我国约占70%左右,由此可见,木材胶粘剂在木材加工工业中占有及其重要的地位。因此,胶粘剂用量的多少,己成为衡量一个国家、一个地区木材工业技术发展水平的重要标志。据《中国林业统计资料》和己发表的有关数据推算,预测 2010年人造板用胶量将增至 169万吨。

当前,木材工业使用的胶粘剂主要有脲醛树脂( UF)、酚醛树脂(PF)、三聚氰胺--甲醛树脂(MF),白乳胶,万能胶等等,其中尤以UF价格低,用量最大。但是,这些胶粘剂大多需加热固化,要求木材含水率低于8% ,均含有游离的甲醛或有毒的有机溶剂,在产品使用期间会逐渐向周围环境散发, 易对人体健康和生活环境产生严重危害。人们在生活当中长时间接触后会引起多发性疾病,如气管炎、哮喘、皮炎,甚至会造成恶性肿瘤。随着人们安全意识和环保意识的不断提高,甲醛及有机溶剂的释放量越来越受到关注,同时也影响了木材工业的快速发展。因此,开发研究低污染或无污染、无溶剂环保型的胶粘剂已势在必行。
PU胶粘剂是由分子链中含有异氰酸基(-NCO)及少量氨酯基(-NHCOO),具有很高极性和活泼性的一类胶粘剂。1848年Wurtz首先用硫酸二乙酯和氰酸钾合成PU。19世纪Hofmann和Curtius等著名的化学家都对其性质进行过研究。1869年Gentier初步确定了PU的结构。1940年德国法本公司的研究人员发现PU具有特殊的胶接性能。并在第二次世界大战期间将4,4一二苯基甲烷二PU(MDI)应用于战车的履带胶接上。第二次世界大战以后,拜尔公司开发了DesmodurR系列的多PU和Desmocoll系列的端羟基聚酯多元醇,至今仍被广泛应用。

PU胶粘剂开发于20世纪50年代,80年代以来发展较快,至今己成为一个品种繁多、应用广泛的行业。1951年Deppe首先将PU胶粘剂应用在刨花板的制备上。1973年美国EllingsonLumber公司试制了用于室外的两面贴单板的MDI刨花板。WilsonJ.B和富田文一郎分别对PU胶粘剂制造人造板的胶合强度、湿强度、粘弹性等性质进行了较深入的研究。随着PU胶粘剂的优点逐渐被发现,其在木材中的应用也越来越广泛。我国已经开发出刨花板用PU树脂胶粘剂;人造板用可乳化PU树脂胶粘剂;胶接木材用PU树脂胶粘剂等系列产品。国内的其它科研工作者也对PU胶粘剂在木材中的应用做了大量的工作,北华大学时君友等人将玉米淀粉的酚化产物处理成乳液,在一定酸碱度条件下,与无毒无公害的合成橡胶胶乳共聚制成API胶的主剂,将多PU化合物的PU基封闭处理后,作为API胶的固化剂,制成双组分无醛耐水的API胶。用该胶压制的三层复合实木地板、机拼细木工板、胶合板及集成材等胶合制品,其理化性能指标完全达到有关标准要求。东北林业大学艾军等人1311用荧光显微技术和Dsc分析方法研究了人造板用PU胶粘剂牢固的化学胶接,尤其用于农作物秸杆(麦草、稻草)的胶接可得到符合我国木质A类优等品标准的刨花板。唐朝发等人研究了低成本水性高分子PU胶粘剂,将交联剂所用PU用低温亚硫酸氢钠法进行封闭处理,使-NCO封闭率达到50%以上,同时加入一定量的DBP结果表明低成本API胶粘剂能够适应胶合板、细木工板的生产要求,所生产出的胶合板、细木工板性能满足国标要求。徐信武等研究了改性PU对于稻草刨花板性能的影响。当密度超过0.75g/cm3时,稻草刨花板抗弯性能达到美国ASTMA208.1标准中M3级木质刨花板的要求。目前研究者们正在研究新型热塑性聚氨酯弹性树脂,干式复合用聚氨酯胶粘剂的研制,反应型阻燃聚氨酯改性酚醛胶粘剂,水基型聚氨酯改性丙烯酸酯系列胶粘剂等。

单组分湿固化聚氨酯胶粘剂是近年来正在研究的一种新型胶粘剂,具有无甲醛释放,不含有机溶剂,耐水性、耐老化性好,对粘接基材含水率要求不严格,以及对被粘材料适应性强的优点,并且单组分聚氨酯胶粘剂的研制,解决了双组分聚氨酯胶粘剂在混合和计量当中耗费工时、成本高、易出错的缺点,以及使用期内胶粘剂性能下降。室温固化的单组分胶粘剂,使用时不需要使用其它交联剂,给施工带来极大方便,广泛适用于木材的胶合及二次加工。随着技术水平的发展和人们环保意识的不断提高,它在木材加工业的应用也会越来越广泛。

目前PU胶粘剂在木材工业中的应用主要有如下几种形式:水性高分子PU胶粘剂(API);PU预聚体胶粘剂;PU共混复合胶粘剂、最常见的是PU与脲醛树脂、单宁等的共混、多PU单体直接做为胶粘剂使用,其中以水性高分子一PU胶粘剂(API)、PU预聚体胶粘剂应用最为广泛。

(l)、水性高分子一PU胶粘剂(API)水性高分子一PU胶粘剂(API)是以水溶性高分子(通常为醋酸乙烯酯乳液:PVAc),乳液(通常为苯乙烯一丁二烯胶乳:SBR,聚丙烯酸酚乳液,乙酸乙酯一乙烯共聚乳液:EVA等),填料(通常为碳酸钙粉末:CaCO3)为主要成分的主剂,和多官能团的PU化合物(通常为P-MDI)为主要成分的交联剂所构成。两者混合产生的三维交联使其胶接耐水性大为提高,因此可将其作为高耐水性木材胶粘剂使用。API胶粘剂在我国的应用开发较晚,起步于20世纪90年代,目前有生产厂家将其用于拼板胶的生产。价格高是限制API应用的一个主要因素,另外API的适用期短,工艺操作不便也为生产带来许多麻烦。但作为水性聚氨酯胶粘剂的一颗新星,API胶粘剂以其优异的胶接性能和环境友好特性而引起了人们的重视,积极从事于对它的研究。

(2)、PU预聚体胶粘剂,预聚体胶粘剂的结构可根据不同使用场合进行结构设计,得到性能各异的胶粘剂。在木材加工领域,应用较多的PU预聚体胶粘剂类型是湿固化PU胶粘剂。湿固化型聚氨酯胶粘剂中含有活泼的-NCO基团,当暴露于空气中时能与空气中的微量水分发生反应。胶接时,它能与基材表面的水以及表面羟基等活性基团发生化学反应,生成脲键结构,因此,湿固化型聚氨酯胶粘剂固化后的胶层组成是聚氨酯一聚脲结构。湿固化型聚氨酯胶粘剂是制造人造薄木的理想胶粘剂,湿材的胶接不仅有利于刨切工序的顺利进行,提高刨切质量,还一可提高人造薄木的出材率。利用湿固化型PU胶粘剂不仅可以将速生材、小径木、抚育间伐材等小材直接胶接成任意大幅面的板材,而且直接胶接还可以节约大量的能源消耗。既做到了小材大用、劣材优用,又可节约能源,降低生产成本。

聚合MDI(PMDI)4,4一二苯甲烷二PU(MDI)是刨花板制造工业中最适用的二PU类。聚合MDI胶粘剂中含有60%以上的高分子量的二PU异构体,其聚合度近于6。PU基和木材组分中的羟基反应在木材和胶层之间生成氨酯共价键。同时和木材中的水分反应生成聚脲,这些反应都是MDI用做木材胶粘剂的主要反应。其中聚脲的生成有利于木材的胶接,因为,第一,增大了胶粘剂分子的分子量及其分布,产生较好的填隙性能;第二,酰胺基团及其进一步与PU反应生成的氨酯基团将加速固化反应,同时,木材和PU反应共同构成一个自催化体系。

与常用的胶粘剂相比MDI胶粘剂具有加压时间短、胶层耐水和耐老化性能好等优点,不足之处是用MDI胶粘剂生产刨花板时易发生粘板,有毒性,且要求计量和泵送系统不能被水污染。

常用的人造板用合成胶粘剂均系醛类胶粘剂,即脲醛树脂(UF),酚醛树脂(PF)、三聚氰胺-甲醛树脂(MF)等胶粘剂。这些醛类胶粘剂的胶接制品在生产和使用过程中都有甲醛逸出,污染空气,对人体健康造成危害,现已受到有关环境法规的限制。另外,人造板生产中使用醛类胶粘剂时,原料的含水率须在2%~3%之间,而木材的平衡含水率一般在10%以上,因此,必须对原料进行干燥。无甲醛释放的异氰酸醋类胶粘剂,与普通甲醛类胶粘剂的胶接过程不同,如前所述,它可以与木材中的水分以及组成木材的羟基反应,形成一种坚韧、耐水的化学胶接,因此,除了无游离甲醛释放之外,在生产中有时无需对原料进行干燥。

PU胶水的使用还扩大了人造板的原料来源,大量的农作物秸杆、谷壳等都可以用PU胶水制作人造板,是一种高效环保的胶粘剂。



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