基于改性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板性能_图文

1、第 26卷 第 6期 Vol 126 No 16材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of Materials Science &Engineering 总第 116期 Dec. 2008文章编号 :167322812(2008 0620900205基于改性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板性能吕谷来 , 傅 立 , 盛奎川 , 钱湘群 , 李建平(浙江大学生物系统工程与食品学院 , 浙江 杭州 310029 【摘 要】 热压温度 、 热压时间和板坯含水率是影响纤维板力学性能的重要因素 。本文采用二次回归通用旋转组合设计试验方法 , 研究了热压温度 、 热压时间和板坯含水率对基于改

2、性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板力学性能 的影响规律 , 获得最佳工艺条件为热压温度 167 , 热压时间 7. 8min , 板坯含水率 34. 2%。在此条件下 , 竹纤维板 的静曲强度达 16. 5MPa , 弹性模量 1032. 6MPa , 抗拉强度 10. 4MPa , 厚度膨胀率 31. 0%。【关键词】 生物质材料 ; 大豆蛋白胶粘剂 ; 竹纤维 ; 中密度板 中图分类号 :TS664. 1; TS102. 2 文献标识码 :AProperties of B amboo Fiberboard B ased L V G u 2lai , FU Li , K , , L I Jian 2

3、ping(School of Food , , H angzhou 310029, China【 , and moisture content are three important factors affecting the physical andmechanical In this paper , the effect of press temperature , press time and moisture content on the properties of fiberboard was evaluated based on the quadratic general rota

4、ry unitized design. According to the results of response optimizer , optimal properties of fiberboard was obtained with moisture content of 34. 2%, press temperature of 167 and press time of 7. 8min. At the optimal conditions , modules of rupture reached 16. 5MPa , modules of elasticity reached 1032

5、. 6MPa , tensile strength reached 10. 4MPa , and 24h thickness swell reached 31. 0%.【 K ey w ords 】 bio 2based materials ; soy protein adhesive ; bamboo fiber ; medium density fiberboard收稿日期 :2008201226; 修订日期 :2008202226基金项目 :浙江省科技厅新苗人才计划资助项目 (2007G 60G 2010041 和浙江省教育厅资助项目 (G 20050412 作者简介 :吕谷来 (198

6、4- , 硕士生 , 主要从事生物质材料研究 。通讯作者 :盛奎川 (1963- , 男 , 浙江绍兴人 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事生物质材料和生物质能源研究 。 E 2mail :kcsheng zju. edu. cn 。1 引 言纤维板结构均匀 、 表面平滑光整 , 具有良好的加工性 能 , 因此被广泛用于家具制造业和建筑业 。目前制备纤维 板的主要原料为木质纤维和脲醛树脂胶粘剂 。 随着森林资 源的过渡砍伐 , 如何保证充足的原料供给 , 已成为一个重要 的社会和经济问题 。另外 , 脲醛树脂来源于不可再生的石 化资源 , 在湿热环境下容易释放出游离甲醛 , 严重污染环 境

7、 , 危害人类健康 。随着原油价格的不断上涨和人们对自 身及环境安全问题的日益关注 , 这一问题变得更为严峻 。竹子生长快 、 产量高 , 与木材相比 , 具有强度高 、 韧性好 等特点 , 是纤维板的理想原料 。 中国竹资源丰富 , 有竹子 40属 500多种 , 面积 800万 hm 2, 占世界竹林面积的 40%1, 现有竹材加工厂数千家 , 竹林年采伐量达 4亿株 ,1200万 t , 在竹加工产业中有大量的纤维残余被废弃而没有被充分利用 。大豆蛋白是油脂加工的副产品 , 来源丰富 。改性大豆 蛋白胶粘剂无毒 , 是一种环境友好型产品 。 Sun 等 2,3利用脲 、 SDS 、 SD

8、BS 、 盐酸胍对大豆蛋白改性 , 提高了其粘接性 能 。 洪一前等 4利用氢氧化钠溶液对大豆分离蛋白改性 , 获得了粘接性能较佳的胶粘剂 。 李永辉等 5运用 SDS 改性 的大豆分离蛋白胶粘剂 , 显著提高了其在胶合板的粘结性 能 、 耐候性能和耐水性能 。但针对改性大豆蛋白胶粘剂的 竹纤维板制备及工艺未见相关研究报道 。目前纤维板主要采用干法工艺制备 , 其中 , 热压温度 、 热压时间和板坯含水率是影响纤维板性能的重要因素 。 本 文采用二次回归通用旋转组合设计实验方法 , 研究热压温 度 、 热压时间和板坯含水率等因素对基于改性大豆蛋白胶 粘剂的竹纤维板的力学性能的影响规律 , 为工

9、业化生产提 供理论依据和工艺措施 。 2 材料与方法2. 1 试验材料大豆分离蛋白由山东东营万得福植物蛋白科技有限公司提供 , 蛋白含量约 90%; 竹纤维由杭州双绿纺织品有限公 司提供 , 长度为 1020mm ; 氢氧化钠 (浓度为 0. 2% 、 防腐 剂 、 脱模剂等均为国产 。 2. 2 仪器设备CN T4204型微机控制电子万能材料试验机 , 深圳新三 思公司 ; 水冷式电动加硫成型机 , 高铁检测仪器 (东莞 有限 公司 ;B20型搅拌机 , 广州市番禺力丰食品机械厂 ;JJ 21型精 密增力电动搅拌器 , 江苏金坛市江南仪器厂 ; 自制成型模具 等 。 2. 3 试验方法 2.

10、 3. 1 竹纤维板制备 0. 2%氢氧化钠溶液 4150ml 加大豆分离蛋白 16. 5g 和防腐剂 1. 6g 搅拌 2h 至均匀 与 155g 竹纤维混合 搅拌 15min 调节板坯含水率 铺装 热压成型 。 2. 3. 2 力学性能检测 度 、 弹性模量 、 , 按 推荐性标准测定 。 每项指标重复测试 4次 , 取算术平均值 。2. 3. 3 二次回归通用旋转组合设计 选取对竹纤维板性能有影响的热压温度 (X 1 、 热压时间 (X 2 和板坯含水率(X 3 3个因素 , 确定其适宜范围分别为 150180 、 510min 、 15%30%。根 据 前 期 研 究 , 固 定 热

11、压 压 力 为 5MPa , 施胶量为 11%, 板尺寸为 152. 4mm ×152. 4mm ×8mm , 目标密度为 0. 75g/cm 3, 以静曲强度 (Y 1 、 弹性模量 (Y 2 、 抗拉强度 (Y 3 及厚度膨胀率 (Y 4 为响应值 , 根据三因 子中心复合设计原理 , 设计 20个试验点 。 数据由美国宾夕 法尼亚州立大学开发的 MINITAB14软件进行处理和分析 。3 结果与分析3. 1 试验结果用响应曲面分析法对热压温度 、 , 。 模型显著性检 本 所 用 中 , 相 关 系 数 R 2=, adjR 2=0. 857, 说明该模型拟合程度 ,

12、 , 模型是合适的 。各项回归系数显著性检验 表 明 , 回归系数 X 2、 X 21、 X 22、 X 23项的 p 值都小于 0. 01, 呈现表 1 竹纤维板的工艺参数响应曲面设计及结果T able 1Design and results of process parameter of b amboo f iberboard with response surface methodologyExpermentX 1/ X 2/min X 3/%Y 1/MPa Y 2/MPa Y 3/MPa Y 4/%1165(0 7. 5(0 22. 5(0 13. 4886. 59. 752. 721

13、65(0 7. 5(0 22. 5(0 13. 9832. 09. 953. 43150(-1 5(-1 10(-1 1. 860. 10. 9189. 04165(0 7. 5(0 43. 5(1. 7 12. 8740. 17. 146. 05165(0 7. 5(0 22. 5(0 13. 5805. 59. 759. 96150(-1 10(1 10(-1 1. 9106. 21. 9244. 07165(0 11. 7(-1 22. 5(0 6. 4563. 62. 7117. 08150(-1 10(1 35(1 8. 2708. 34. 763. 09180(1 10(1 10(

14、-1 1. 542. 00. 8330. 010139. 8(-1. 7 7. 5(0 22. 5(0 5. 4261. 13. 487. 011150(-1 5(-1 35(1 10. 9692. 46. 360. 012180(1 5(-1 35(1 11. 6755. 37. 261. 013165(0 7. 5(0 22. 5(0 13. 2855. 69. 655. 114180(1 5(-1 10(-1 2. 6103. 11. 1311. 015180(1 10(1 35(1 16. 4979. 76. 550. 016165(0 7. 5(0 22. 5(0 13. 7813.

15、 99. 6104. 017165(0 7. 5(0 22. 5(0 13. 5843. 19. 559. 518165(0 7. 5(0 1. 5(-1. 7 0. 95. 00. 7305. 019165(0 3. 3(-1. 7 22. 5(0 4. 6210. 72. 9116. 020190. 2(1. 77. 5(022. 5(02. 797. 11. 1136. 0 注 :(内为编码109 第 26卷第 6期 吕谷来 , 等 . 基于改性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板性能 表 2 回归方程系数显著性检验 T able 2 T est for signif icance of regre

16、ssion coeff icientsCoefficientY 1regressioncoefficientPY 2regressioncoefficientPY 3regressioncoefficientPY 4regressioncoefficientP Constant -336. 9020. 001-24448. 50. 001-301. 7510. 0001941. 320. 016 X 14. 0810. 863288. 30. 7453. 4470. 214-19. 210. 579 X 22. 3230. 000253. 20. 0005. 7490. 000-68. 070

17、. 029 X 3-0. 1180. 51415. 50. 3100. 4000. 004-3. 620. 062 X 21-0. 0130. 004-0. 90. 005-0. 0110. 0000. 060. 000 X 22-0. 3900. 000-20. 50. 000-0. 3510. 0002. 530. 019 X 23-0. 0130. 001-0. 90. 006-0. 0120. 0000. 230. 010 X 1X 20. 0200. 1670. 30. 388-0. 0020. 1930. 0. 050 X 1X 30. 0060. 6010. 20. 5310.

18、0020. 255-0. 745 X 2X 30. 0120. 3081. 00. 802-0. 0120. 0. 375 注 :Y 1=-336. 902+4. 081X 1+2. 323X 2-0. 118X 3-0. 013X 21-22-23+020X 11+0. 012X 2X 3Y 2=-24448. 5+288. 3X 1+253. 2X 2+15. -0. 2-23122X 13+X 2X 3Y 3=-301. 751+3. 447X 1+5. 23-0. -0. 2223-0. 002X 1X 2+0. 002X 1X 3-0. 012X 2X 3Y 4=1941. 32-1

19、-07X 23+0. 212+0. 23X 23+0. 17X 1X 2-0. 08X 1X 3+0. 07X 2X 3极显著 , 。 2=0. 919,adjR 2=0. 846, 2、 X 21、 X 22、 X 23项极显著 , 其余项不显著 。 抗拉强度模型中 ,R 2=0. 967,adjR 2=0. 937, 且回归系数 X 2、 X 3、 X 21、 X 22、 X 23项极显著 , 其余项不显著 。厚度膨胀率模型中 ,R 2=0. 964,adjR 2=0. 932, 且回归系数 X 21、 X 23项极显著 , X 22、 X 1X 2项显著 , 其余项不显著 。因此 , 可

20、用上述模型对试验数据进行分析和预测 。3. 2 响应曲面分析3. 2. 1 三因素对静曲强度 (MOR 和弹性模量 (MO E 的影响 静曲强度和弹性模量具有较好的相关性 。 图 1 显示 了热压温度 、 热压时间和板坯含水率对静曲强度 (MOR 的 影响 。 图 2显示了热压温度 、 热压时间和板坯含水率对弹 性模量 (MO E 的影响 。 从图中可知 , 随着温度的提高 ,MOR 和 MO E 先增大后 减小 , 这是因为温度的提高 , 有利于改进纤维的塑性和胶粘 剂的固化程度 , 纤维板的抗弯曲变形能力随之提高 ; 但当温 度过高时 , 蛋白胶粘剂易降解 , 部分纤维可能发生热解甚至 炭

21、化 , 导致抗弯曲变形能力下降 。随着热压时间的增加 , MOR 和 MO E 先增大后减小 , 这是因为随着时间的增加 , 胶 粘剂的固化更充分 , 纤维与纤维之间结合得更加紧凑牢固 ,图 1 热压温度、 热压时间、 板坯含水率对静曲强度的响应曲面图Fig. 1 Surface plot of t he effect of temp , time and moisture content on MOR图 2 热压温度、 热压时间、 板坯含水率对弹性模量的响应曲面图Fig. 2 Surface plot of t he effect of temp , time and moisture co

22、ntent on MO E29 材料科学与工程学报 2008年 12月MOR 和 MO E 相应得到提高 , 但时间过长易造成胶粘剂固 化过度而变脆 , 影响纤维板性能。 随着板坯含水率的提高 , MOR 和 MOE 先增加后减小 , 这是因为适当的水分可以增强 蛋白胶粘剂的伸展性 , 使纤维之间结合更紧凑 , 但是过高的水 分易导致成型过程中水蒸气难以散发 , 造成裂板等现象。 3. 2. 2 三因素对抗拉强度 (TS 的影响 图 3显示了热 压温度 、 热压时间和板坯含水率对抗拉强度 (TS 的影响 。 从图中可知 , 随着温度的升高 , TS 先增大后减小 ; 随着热压 时间的增加 ,

23、TS 先增大后减小 ; 随着板坯含水率的提高 , TS 先增加后减小 。 热压温度和热压时间对抗拉强度的影响作 用与对弹性模量的影响作用相似 。在一定范围内适当提高 板坯含水率 , 有利于增加板坯的传热效率 , 促进木质素脂化 和降低其软化点 。 同时 , 胶粘剂固化更充分 , 纤维之间的结 合能力增强 , 纤维板的抗拉能力增强 。3. 2. 3 三因素对厚度膨胀率 (24h -ts 的影响 厚度膨 胀率是试件在水中完全浸泡 24h 后 , 厚度的增加量与吸水 前厚度之比 , 是反映 MDF 受潮后是否会变形以及变形大小 的重要性能指标 。图 4显示了热压温度 、 热压时间和板坯 含水率对厚度

24、膨胀率 (24h -ts 的作用 。 从图中可知 , 随着温度的提高 ,24h -ts 先减小后增大 ,图 3 热压温度、Fig. 3 Surface of of temp , content on TS图 4 热压温度、 热压时间 、 板坯含水率对厚度膨胀率的响应曲面图Fig. 4 Surface plot of t he effect of temp , time and moisture content on 24h -t s这是因为热压温度的提高 , 有利于胶粘剂充分固化 , 同时半纤维素等吸湿性高的成分在一定温度下会水解成糠醛 , 提高了纤维间的结合性能和耐水性能 。随着热压时间的增

25、加 ,24h -ts 先减小后增大 , 这是因为热压时间对 24h -ts 的影响 , 一方面与胶粘剂的固化程度有关 , 另一方面竹纤维比较蓬松 , 压缩比大 , 热压过程中内应力较高 , 时间的延长有利于板材内残余应力的平衡 6。随着板坯含水率的提高 ,24h -ts 呈一直增大的趋势 。但若热压时间过长或者热压温度过高 , 蛋白胶粘剂可能降解 , 部分纤维可能发生热解或炭化 , 影响纤维板质量 , 导致耐水性能降低 。3. 3 参数优化及验证利用 MINITAB 软件及回归模型进行优化预测 , 得到最优工艺参数为 :热压温度 167 , 热压时间 7. 8min , 板坯含水率 34. 2

26、%; 在此条件下 , 预测静曲强度达 16. 0MPa , 弹性模量 1007. 4MPa , 抗拉强度 10. 1MPa , 厚度膨胀率 30. 2%。根据优化结果 , 进行验证试验 。在热压温度为 167 ,热压时间 7. 8min , 板坯含水率 34. 2%的条件下 , 实际纤维板测得的静曲强度为 16. 5MPa , 弹性模量 1032. 6MPa , 抗拉强度 10. 4MPa , 厚度膨胀率 31. 0%, 与预测值相比 , 相对误差分别为 3. 13%、 2. 50%、 2. 97%、 2. 65%, 说明所采用的模型能较好地对试验数据进行分析和预测优化 。4 结 论1. 热压

27、温度 、 热压时间和板坯含水率是影响基于改性 大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板性能的主要工艺参数 。随着温 度的升高 , 静曲强度 、 弹性模量 、 抗拉强度先增大后减小 , 厚 度膨胀率先减小后增大 ; 随着热压时间的增加 , 静曲强度 、 弹性模量 、 抗拉强度先增大后减小 , 厚度膨胀率先减小后增 大 ; 随着板坯含水率的提高 , 静曲强度 、 弹性模量 、 抗拉强度 先增大后减小 , 厚度膨胀率一直增加 。2. 采用响应曲面法分析得到最优工艺参数为 :热压温 度 167 , 热压时间 7. 8min , 板坯含水率 34. 2%, 在此条件 下 , 实际测 得 纤 维 板 的 静 曲 强 度

28、为 16. 5MPa , 弹 性 模 量 1032. 6MPa , 抗拉强度 10. 4MPa , 厚度膨胀率 31. 0%。与预 测值相比 , 各指标相对误差不大于 3. 13%。3. 采用改性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板原料来源广 泛 , 废弃后的竹纤维板易生物降解 ; 竹纤维板无甲醛释放 , 符合环保要求 , 是一种环境友好型产品 。(下转第 895页 3 0 9第 26卷第 6期 吕谷来 , 等 . 基于改性大豆蛋白胶粘剂的竹纤维板性能 图 7 添加未改性 CaSO 4晶须和纳米 TiO 2的 PP 2R 树脂的冲击断面形貌Fig. 7 SEM image of fracture surf

29、ace of PP 2R resin wit hunmodified CaSO 4Whisker and nano TiO 2图 8 改性 CaSO 4晶须 /纳米 TiO 2/PP 2R 树脂复合材料的冲击断面形貌Fig. 8 SEM image of fracture surface of TiO 2/CaSO 4whisker/PP 2R compositesKH550偶联剂的改性效果最好 , 其适宜用量为 CaSO 4晶须的 8%, 相应的活化指数为 0. 996。 2. 在硅包膜 、 铝包膜和硅铝复合包膜三种包膜方式中 ,硅铝复合包膜对纳米 TiO 2的改性效果最好 , 改性剂的最佳

30、用量为 6%。3. 经 CaSO 4晶须改性处理后的 PP 2R 树脂的各项性能都有较大幅度的提高 , 其适宜添加量为 5%, 相应的热变形温度由 72 提高到 104 , 断裂伸长率也由 45%提高到122%。 4. 纳米 TiO 2的加入对 CaSO 4晶须 /PP 2R 树脂的耐热性能和力学性能没有明显的影响 , 但却能够大幅度增强复 合材料的抗菌性能 , 纳米 TiO 2的适宜添加量为 0. 5%, 复合 材料的抗菌率达 99%以上 ;5. 复合材料断面的 SEM 显示 , 经改性处理后的 CaSO 4晶须 /纳米 TiO 2在 PP 2R 树脂中呈均匀分散状态 , 从而起到 了增强增

31、韧和抗菌的效果 。参 考 文 献1 董晓武 , 谢云洁 . 聚丙烯共聚物新产品的开发及需求 J.中 国塑料 , 2000, 14(35 :17.2 杨爱武 , 柏基业 . 给水用 PP 2R 管材专用料的研制 J.现代 塑料加工应用 , 2002, 14(3 :58.3 刘雨情 . 国内 BOPP 专用料的开发及生产状况 J.中国化 工信息 , 2001, (48 :1011.4 N Hasegawa , M Kawasumi , M Kato , al. Preparation and clayhybrids using 2J .J , 1998675 , Effect of Surface Coverage of Treated CaCO 3on t he Tensile Properties of Composites J.Polymer Composites , 1997, 18(6 :741747.6 刘玲 , 张军营 , 孟庆函 , 等 . CaSO 4晶须 /聚氨酯弹性体复合 材料性能的研究 J.科研开发 , 2003,13(4 :2225. 7 刘玲 , 殷 宁 , 亢茂青 , 等 . CaSO 4晶须补强增韧聚氨酯弹性 体复合材料力学性能的研究