王 輝,周曉劍,王 鳳,曹 明,杜官本
(1.西南林業(yè)大學(xué) 云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650224;2.昭通學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院,云南 昭通657000)
在人造板用化學(xué)合成類膠黏劑中,脲醛樹脂始終占有絕對的優(yōu)勢和地位,主要原因在于脲醛樹脂具有便捷的生產(chǎn)工藝、優(yōu)良的膠接性能和無可比擬的成本優(yōu)勢[1-2]。與此同時,甲醛作為樹脂合成主要原料之一,導(dǎo)致樹脂在使用過程中存在一定程度的甲醛釋放,對脲醛樹脂的應(yīng)用和發(fā)展造成了極大障礙。為了解決甲醛造成的危害,專家學(xué)者們從不同角度進(jìn)行了探索,包括使用各類改性劑、優(yōu)化樹脂合成工藝、后處理等[3-5]。普遍認(rèn)為,采用低摩爾比樹脂合成工藝對甲醛釋放的控制最為有效[6-8]。遺憾的是,隨著甲醛釋放的逐步降低,樹脂的固化更加困難、人造板整體性能下降等缺陷更為凸顯。因此,在保證樹脂環(huán)保性的同時繼續(xù)完善和提升低摩爾比脲醛樹脂的性能以彌補(bǔ)上述缺陷,對脲醛樹脂以及人造板行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
在現(xiàn)有脲醛樹脂合成理論和工藝條件下,低摩爾比脲醛樹脂的合成主要以“堿-酸-堿”工藝為主,摩爾比的降低基本上是通過在合成反應(yīng)末期補(bǔ)加大量尿素而獲得的,而大量研究發(fā)現(xiàn)[9-10],在樹脂合成反應(yīng)末期加入大量尿素時將對樹脂中已形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系有很大的負(fù)面作用,會破壞已經(jīng)建立的支化體系,形成大量的線性結(jié)構(gòu),極易形成類似于晶體結(jié)構(gòu)的排列,最終導(dǎo)致樹脂膠接過程中難以形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致樹脂的膠接強(qiáng)度和耐水性能急劇下降。因此,提升低摩爾比脲醛樹脂性能的關(guān)鍵在于拓展樹脂體系的支化度。
支化聚乙烯亞胺(HPEI)作為一類重要的商業(yè)化高分子聚合物,具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和良好的溶解性,而且分子中含有大量的活性氨基,具有極高的反應(yīng)活性、很容易發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)[11]。因此,考慮到HPEI 聚合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和化學(xué)反應(yīng)能力,從理論上講,作為低摩爾比脲醛樹脂的改性劑將能夠有效兼顧性能與甲醛釋放之間的關(guān)系。為此,本研究將探索HPEI 聚合物對低摩爾比脲醛樹脂體系應(yīng)用性能的影響,考察不同的加入方式與樹脂體系綜合性能之間的關(guān)系,評估HPEI 聚合物在復(fù)合體系中的作用,為低摩爾比脲醛樹脂性能改善和HPEI 聚合物在木材膠黏劑中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。
甲醛(37%水溶液)、尿素,均為分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。支化聚乙烯亞胺(HPEI),平均分子量為600,分析純,云南曉月科技有限公司。氫氧化鈉、甲酸,分析純,汕頭市達(dá)濠區(qū)精細(xì)化學(xué)品有限公司。
樹脂的合成工藝路線參照文獻(xiàn)[12]進(jìn)行,具體為:常溫下,將37%的甲醛溶液100 g 和尿素(U1)35 克加入反應(yīng)容器中,用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至弱堿性,升溫至90℃,加入尿素(U2)11.3 g,保溫反應(yīng)約30 min 后,調(diào)整溶液的pH 值為弱酸性,保溫反應(yīng)至要求黏度時,再次調(diào)整pH 值至弱堿性,加入尿素(U3)16 g,反應(yīng)約30 min 后,加入尿素(U4)11.7 g,反應(yīng)20 min 后,降溫、冷卻、出料,備用。樹脂的最終摩爾比為1.0,將其編號為UF0。
基于上述合成的低摩爾比脲醛樹脂,通過在使用過程中摻雜不同比例的支化聚乙烯亞胺,形成的系列樹脂編號為UF1,通過在樹脂反應(yīng)末期添加一定質(zhì)量比例的支化聚乙烯亞胺合成的樹脂,編號為UF2。為了形成對比,同時從刨花板廠購取低摩爾比改性脲醛樹脂,F(xiàn)/U 摩爾比為0.95。
1.3.1 樹脂膠接強(qiáng)度測試
樣品準(zhǔn)備:在實(shí)驗(yàn)室壓制三層楊木膠合板,幅面尺寸為200 mm(長)×200 mm(寬)×1.5 mm(厚),單板含水率為8%~9%,購于安徽。固化劑直接使用氯化銨固體,添加量為膠液質(zhì)量的1.0%,施膠量200 g/m2,手工雙面施膠。膠合板熱壓成型工藝為:熱壓溫度依據(jù)樹脂固化特征溫度進(jìn)行選擇、熱壓壓力1.5 MPa、熱壓時間4 min。
樣品測試:膠接強(qiáng)度的測試包括干狀膠接強(qiáng)度和24 h 浸水后的濕狀膠接強(qiáng)度兩種類型,測試方法參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》和GB/T 9846—2015《普通膠合板》中相關(guān)要求進(jìn)行。
1.3.2 樹脂固化特征測試
測試儀器:差示掃描量熱儀,型號Perkin Elmer DSC。
測試條件:稱取5~10 mg 待分析樣品,置于鋁坩堝中,加蓋密封,在升溫速率10 K/min,測試溫度25~200℃和氮?dú)獗Wo(hù)條件下進(jìn)行測試。
1.3.3 樹脂結(jié)構(gòu)組成分析
測試儀器:iS50 型紅外光譜分析儀(FT-IR)。
測試條件:采用KBr 壓片法或涂片法進(jìn)行分析,樣品掃描范圍500~4 000 cm-1,掃描次數(shù)為32 次,測試環(huán)境溫度(24~25℃),相對濕度≤60%。
1.3.4 樹脂形貌特征分析
所用設(shè)備為KYKY-EM6900 型鎢燈絲掃描電鏡,多次累計(jì)噴金300 s,放入樣品倉進(jìn)行測試,測試用電壓為15 kV,測試電流10 uA。
基于HPEI 聚合物將有利于彌補(bǔ)低摩爾比脲醛樹脂內(nèi)聚強(qiáng)度不足的考慮,首先開展了HPEI 聚合物對脲醛樹脂體系膠接強(qiáng)度及耐久性影響的試驗(yàn),具體試驗(yàn)內(nèi)容及所得結(jié)果如下。
2.1.1 HPEI 摻雜量對低摩爾比脲醛樹脂膠接強(qiáng)度的影響
脲醛樹脂作為一種熱固性樹脂,其膠接強(qiáng)度的獲得主要通過固化過程來完成,樹脂體系的結(jié)構(gòu)組成對固化后膠層性能具有直接影響,由于受合成工藝的限制,樹脂的結(jié)構(gòu)組分可調(diào)整的空間已比較有限,因此,在固化前對樹脂體系進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑僬{(diào)控對獲得優(yōu)良膠接效果將產(chǎn)生重要作用。為此,以HPEI 聚合物作為樹脂體系調(diào)控組分,通過改變HPEI 聚合物的摻雜比例,對其膠接效果進(jìn)行對比分析,測試結(jié)果如圖1~2所示。
圖1 HPEI 聚合物添加比例對自制樹脂體系膠接強(qiáng)度的影響Fig.1 The effects of HPEI polymer content on the bonding strength of low molar ratio UF resin produced by ourselves
圖2 HPEI 聚合物添加比例對生產(chǎn)用樹脂體系膠接強(qiáng)度的影響Fig.2 The effects of HPEI polymer content on the bonding strength of commercial low molar ratio urea-formaldehyde resin
很顯然,通過在自制低摩爾比脲醛樹脂中摻雜一定質(zhì)量比例的HPEI 聚合物,通過熱壓固化過程的交聯(lián)反應(yīng),可顯著提升板材的膠接強(qiáng)度,特別是經(jīng)過24 h 冷水浸泡后的濕強(qiáng)度,提升幅度均在65%以上,說明HPEI 聚合物的加入在一定程度上提升了固化后膠層抵御水分破壞的能力,也可以側(cè)面反映出HPEI 聚合物的加入有利于提升固化后膠層的致密性。同時,隨著HPEI 聚合物添加比例的增加,膠接強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢,而當(dāng)HPEI 聚合物的添加量繼續(xù)增加至7%時,板材耐水膠接強(qiáng)度又會出現(xiàn)一定程度的上升。為了確認(rèn)HPEI 聚合物在低摩爾比脲醛樹脂的作用效果,試驗(yàn)過程中又從工廠購取了工業(yè)化生產(chǎn)用低摩爾比脲醛樹脂作為對比,在相同加入量條件下樹脂膠接強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2所示。由于工業(yè)化生產(chǎn)用樹脂經(jīng)過了一定的改性處理,本身具有較好的膠接耐水性,因此,與HPEI 聚合物復(fù)合后增加幅度不如自制樹脂效果顯著,但在濕強(qiáng)度方面仍有不同程度的提升,而且變化趨勢與自制樹脂基本一致,HPEI 聚合物添加量在7%時,增加幅度達(dá)到最高為64%。同時,對比圖1和圖2,我們可以發(fā)現(xiàn),盡管基體UF 樹脂的性能存在一定差別,但HPEI 聚合物加入后對樹脂膠接耐久性能的提升效果是一致的,特別是經(jīng)冷水浸泡后濕強(qiáng)度的提升,效果非常顯著。這意味著HPEI 聚合物在樹脂固化過程中充分參與到了樹脂交聯(lián)體系當(dāng)中,通過官能團(tuán)之間的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng),進(jìn)一步降低親水性游離基團(tuán)的比例,賦予固化后樹脂體系更加優(yōu)良的耐水性能。
2.1.2 HPEI 摻雜方式對低摩爾比脲醛樹脂膠接強(qiáng)度的影響
為了進(jìn)一步考察HPEI 聚合物在低摩爾比脲醛樹脂體系中的作用效果,本試驗(yàn)進(jìn)一步對比了不同摻雜方式條件下,HPEI 聚合物對脲醛樹脂體系膠接強(qiáng)度的影響,測試結(jié)果如圖3所示。其中,UF0 代表純的低摩爾比脲醛樹脂,UF1-1%代表以共混的方式添加1%質(zhì)量比例HPEI 聚合物樹脂體系,UF2-1%代表以共聚方式添加1%質(zhì)量比例HPEI 聚合物樹脂體系。可以發(fā)現(xiàn),在HPEI 聚合物用量一致條件下,HPEI 聚合物摻雜方式的不同確實(shí)會帶來膠接強(qiáng)度上的差別,而且在濕強(qiáng)度方面的變化更為明顯。
從圖3的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)將HPEI 聚合物通過共聚方式引入到樹脂體系中將產(chǎn)生更加優(yōu)異的效果。其根本原因在于,HPEI 聚合物以共聚方式加入到UF 樹脂體系中時,可能更易與體系中的活性基團(tuán)形成穩(wěn)定的化學(xué)交聯(lián),形成的HPEI 聚合物與UF 共聚合分子結(jié)構(gòu)體系,一定程度上可以減少末期尿素對樹脂中已形成支化體系的去支化負(fù)面作用,而且HPEI 聚合物的引入可以增加樹脂體系的支化度,降低線性聚合物之間的聚合幾率,更有利于交聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的形成。從理論上講,HPEI 聚合物的加入增加了體系中氨基(-NH2)的比例,樹脂中甲醛與氨基(-NH2)的總摩爾比較純脲醛樹脂中更低,如此推理樹脂的性能會繼續(xù)降低,而實(shí)際并非如此。這正是基于HPEI 聚合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,有效彌補(bǔ)了摩爾比的降低對體系性能的不利影響,使得樹脂整體具有優(yōu)良的膠接耐久性能。而不同摻雜方式下濕強(qiáng)度之間的差別也進(jìn)一步說明了HPEI 聚合物和UF 樹脂體系之間的結(jié)合程度和結(jié)合方式可能存在一定的差異性。為此,對不同聚合體系下樹脂的結(jié)構(gòu)組成做了進(jìn)一步的分析。
圖3 HPEI 聚合物摻雜方式對樹脂體系膠接強(qiáng)度的影響Fig.3 The effects of HPEI polymer adding form on the bonding strength of low molar ratio urea-formaldehyde resin
為了考察HPEI 聚合物對樹脂體系結(jié)構(gòu)組成的影響,利用FT-IR 對不同樹脂體系進(jìn)行了表征,測試結(jié)果如圖4所示。圖中UF 樹脂和HPEI 聚合物均為液態(tài)樣品,而UF-HPEI 共聚體系和UF-HPEI共混體系為固化后的固態(tài)樹脂樣品。對比圖中不同的譜線發(fā)現(xiàn)無論是共混還是共聚,500~700 cm-1(N-H 面外變形彎曲振動)之間新峰的出現(xiàn),HPEI 聚合物中950 cm-1(-NH2中N-H 的伸縮振動)、1 464 cm-1(-CH2-中C-H 的伸縮振動)處特征峰的消失,以及UF 樹脂中900 cm-1(C-H 的伸縮振動或N-H/O-H的伸縮振動)、1 447 cm-1(C-H的彎曲振動)處峰值的消失[13-14],均表明HPEI 聚合物與UF 樹脂體系之間產(chǎn)生了化學(xué)層面的鍵合,結(jié)合不同化學(xué)位移所對應(yīng)特征峰的變化,可以推知無論是在酸性還是堿性條件下HPEI 聚合物中的氨基(-NH2)可以和UF 樹脂中的羥甲基(-CH2OH)進(jìn)行脫水縮合反應(yīng),但至于具體的結(jié)合方式還有待深入追蹤和探討。從HPEI 聚合物的不同摻雜方式反映出HPEI 聚合物以共聚的方式可以與UF 樹脂體系之間形成更加高效和深層的結(jié)合,體現(xiàn)在1 500~1 700 cm-1區(qū)間峰值的變化。對于共聚體系而言,該區(qū)間幾乎沒有吸收峰,說明氨基與羥甲基之間的反應(yīng)更加徹底,殘留的活性反應(yīng)基團(tuán)比例更少,而在共混體系中,此處還有明顯的峰值,說明固化后的樹脂體系中還殘留有部分羥基,這也是固化后樹脂交聯(lián)體系具有不同耐水性的原因之一,與膠接強(qiáng)度的變化相吻合。
圖4 HPEI 聚合物不同摻雜方式下樹脂體系的FT-IR 圖譜Fig.4 The FT-IR spectrum of resins with HPEI polymer
對于熱固性樹脂而言,強(qiáng)度的獲得主要通過固化環(huán)節(jié)來完成。為了獲得HPEI 聚合物對UF 樹脂固化反應(yīng)的作用,本研究中采用差示掃描量熱儀(DSC)對HPEI 聚合物與UF 樹脂體系的固化歷程進(jìn)行了表征,結(jié)果如圖5所示。不同體系下樹脂的固化特征溫度有明顯差別,而摻雜方式的不同會對樹脂體系的固化峰值溫度產(chǎn)生不同影響,意味著樹脂將經(jīng)歷不同的固化歷程。圖5中UF1 和UF2 體系的固化歷程均沒有單體成分對應(yīng)的固化峰,說明在不同體系中HPEI 聚合物與UF之間均可形成結(jié)合,即HPEI 聚合物融入了UF 樹脂體系中,這與前面的結(jié)論高度一致。同時,根據(jù)DSC 測試分析原理,固化峰值溫度代表樹脂體系固化達(dá)到最大程度時對應(yīng)的溫度值[15],因此圖5中固化曲線峰值溫度的變化表明共混方式有利于樹脂體系固化溫度的降低,但固化反應(yīng)分布在兩個區(qū)域,即100~110℃區(qū)間和120~150℃區(qū)間,對比HPEI 聚合物自身的固化歷程,可以認(rèn)為在100~110℃區(qū)間的固化峰主要來自于脲醛樹脂體系中的低分子聚合物之間的交聯(lián),而HPEI聚合物與脲醛樹脂體系之間的交聯(lián)反應(yīng)主要發(fā)生120~150℃之間。而共聚體系條件下樹脂的固化峰值溫度較純脲醛樹脂體系有所提高,說明樹脂交聯(lián)體系的形成需要在更高能量條件下進(jìn)行,這也側(cè)面說明了HPEI 聚合物與樹脂體系之間形成了以高于UF 樹脂體系的化學(xué)交聯(lián),從而導(dǎo)致樹脂固化峰值溫度也有一定程度的提升,這與樹脂結(jié)構(gòu)變化的測試結(jié)果相一致。
圖5 不同樹脂體系的固化特征曲線Fig.5 The curing curves of resins with HPEI polymer
圖6為不同樹脂體系固化后的形貌特征測試結(jié)果,對比UF 樹脂固化體系,經(jīng)過HPEI 聚合物改性后在結(jié)構(gòu)特征上發(fā)生了明顯變化。HPEI 聚合物以共混方式加入后樹脂體系整體還是以脲醛樹脂體系為主,但與脲醛樹脂體系不同的是HPEI聚合物的加入對體系結(jié)構(gòu)致密度有明顯的增強(qiáng)效果,表現(xiàn)為具有更好的連續(xù)性,這將為樹脂耐水性能的提升貢獻(xiàn)積極作用。而當(dāng)HPEI 聚合物以共聚方式添加到樹脂體系中時,盡管添加比例一致,但在相同條件下樹脂固化后卻形成了更具特色的結(jié)構(gòu)體系,具體如圖6c所示。從表觀上看,UF-HPEI 共聚固化體系呈現(xiàn)出了一種完全不同于脲醛樹脂體系以及共混體系的結(jié)構(gòu)特征,形成了一種更加蓬松的層狀組合結(jié)構(gòu),這也進(jìn)一步說明HPEI 聚合物的加入方式不同,參與到脲醛樹脂體系中的方式和所發(fā)揮的作用有顯著差別。共聚方式下形成的層狀組合結(jié)構(gòu)體系,將表現(xiàn)為更加顯著的各向異性特征,在與木質(zhì)基體材料形成相互交聯(lián)后,各向異性特征得到進(jìn)一步加強(qiáng),宏觀將表現(xiàn)為膠接強(qiáng)度與耐水性能的增加。而且,該蓬松結(jié)構(gòu)體系與木材之間更容易以原位生長方式形成互穿交聯(lián)體系,形成膠黏劑與被膠接材料之間的緊密結(jié)合體,對復(fù)合材料膠接性能的提升提供幫助。
圖6 不同樹脂固化體系形貌特征Fig.6 The morphological characteristics of different cured resins
1)利用支化聚乙烯亞胺(HPEI)增強(qiáng)低摩爾比脲醛樹脂,通過探討HPEI 聚合物添加比例的影響發(fā)現(xiàn),當(dāng)加入量為膠液質(zhì)量比例的1%時,即可明顯提升樹脂體系的膠接強(qiáng)度,尤其是濕強(qiáng)度方面,提升幅度可達(dá)65%以上。而在相同添加比例條件下,HPEI 聚合物以共聚方式與UF 樹脂之間形成的復(fù)合體系,具有更加顯著的增強(qiáng)效果。
2)通過對不同條件下的樹脂體系進(jìn)行FT-IR分析發(fā)現(xiàn),雖然HPEI 聚合物的加入方式不會改變與樹脂體系之間的交聯(lián)方式,但不同的加入方式會對HPEI 聚合物參與化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)程度產(chǎn)生影響,相比較而言,共聚條件下參與化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)的程度更為深入,形成的樹脂體系結(jié)構(gòu)更加緊密。而通過降低特征基團(tuán)(如-CH2OH、-NH2)的比例,為固化后樹脂體系耐水性能提升提供了重要支持。
3)不同樹脂體系的DSC 測試結(jié)果也反映了共混主要以物理增強(qiáng)為主,而共聚則可以形成更高比例化學(xué)層面的交聯(lián),從而改變樹脂體系的結(jié)構(gòu)組成,這一結(jié)論和變化從固化后樹脂的SEM 測試結(jié)果中得到了進(jìn)一步印證,HPEI 聚合物加入方式不同,最終形成的樹脂結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出明顯的差別,對其應(yīng)用性能將產(chǎn)生重要影響。
脲醛樹脂,由于具有突出的成本優(yōu)勢和優(yōu)異膠接性能,已成為人造板生產(chǎn)用最重要的一類膠黏劑。然而,甲醛釋放問題對脲醛樹脂的應(yīng)用造成了極大的障礙,經(jīng)過長期的研究發(fā)現(xiàn),降低合成樹脂的摩爾比,對甲醛釋放的控制效果最為顯著。隨著低摩爾比樹脂生產(chǎn)技術(shù)的不斷普及,甲醛釋放雖然得到了顯著改善,而樹脂的膠接強(qiáng)度和耐久性也呈現(xiàn)出急劇下降趨勢,給實(shí)際生產(chǎn)帶來了不少困擾。因此,基于低摩爾比樹脂合成工藝,為了擬補(bǔ)樹脂膠接強(qiáng)度的不足,普遍的做法是在樹脂合成過程中添加不同的改性劑,包括化學(xué)原料、無機(jī)原料、生物質(zhì)原料等類型[16-18],以期提升樹脂自身的交聯(lián)能力,雖然對樹脂的膠接性能具有一定的改善,但仍難以達(dá)到期望的交聯(lián)目標(biāo)?;诖耍x取兼具結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和反應(yīng)能力的HPEI 聚合物作為改性劑,對其在低摩爾比脲醛樹脂中的應(yīng)用可行性進(jìn)行了一系列試驗(yàn),結(jié)果證明,HPEI聚合物可以有效融入現(xiàn)有樹脂體系當(dāng)中,并對樹脂的膠接強(qiáng)度和耐水性能產(chǎn)生積極作用,而且,不同的加入方式條件下樹脂固化后體系的結(jié)構(gòu)組成有很大差別。
基于本試驗(yàn)得到的結(jié)果,雖然可以證實(shí)HPEI聚合物在增強(qiáng)低摩爾比脲醛樹脂中具有很大的發(fā)展?jié)摿?,但仍有一定的局限性,體現(xiàn)在以下幾個方面:
1)脲醛樹脂的絕對優(yōu)勢之一表現(xiàn)為成本較低。本改性劑的加入會在一定程度上增加脲醛樹脂的生產(chǎn)成本,對工業(yè)化推廣會產(chǎn)生一定障礙,因此平衡和協(xié)調(diào)成本與性能之間的關(guān)系是未來研究工作的重點(diǎn)之一。
2)基于HPEI 的改性效果,是否還有更加合適的方式參與到UF 樹脂體系中,使HPEI 的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢得以充分展示,后期研究工作將繼續(xù)探索。
3)HPEI 聚合物的加入對樹脂結(jié)構(gòu)組成的影響以及結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,膠接強(qiáng)度和耐水性能提升的內(nèi)在作用機(jī)制還缺少深入解析,有待進(jìn)一步地深入研究。