高淀粉含量木材用胶粘剂的制备及其性能研究

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利用天然的生物质原料开发无污染的木材用胶粘剂是推动木材加工业持续前进的动力。作为天然木材胶中的一种,接枝醋酸乙烯酯(VAc)改性淀粉胶的市场前景广阔,但其现有制备方法中VAc用量依然偏大,这是当降低VAc用量、提高淀粉比例时,木材胶的流动性以及贮藏能力显著降低造成的。为了解决上述问题,本论文首先优选了合适的淀粉与VAc质量比和酸解条件制备高淀粉含量木材用胶粘剂;在对淀粉接枝VAc动力学研究的基础上通过工艺条件优化改善胶粘剂性能;最后利用复合乳化剂提高高淀粉含量木材胶的贮藏性并对优化后的胶粘剂性能进行了分析。主要内容包括:首先,研究了淀粉与VAc的质量比对淀粉木材胶粘结性能、接枝参数和贮藏稳定性的影响,结果表明:淀粉与VAc较优添加比为7:3。在此基础上,研究了酸解条件对淀粉乳粘度和淀粉胶性能的影响,并分析了酸解作用机理。结果表明,当盐酸浓度为0.5mol/L.反应1.5h时制得的淀粉胶各项性能较好。多角度激光光散射凝胶色谱系统(GPC/SEC-MALS)与接枝参数分析可知,酸解1.5h时淀粉的重均分子量(Mw)为2.02×106,此时淀粉降解合适,接枝程度最好,接枝到淀粉分子上的支链Mw为3.11×106,这使得胶粘剂间各组分相容性较好且达到一个利于粘结的比例。其次,在高淀粉浓度条件下,研究了接枝共聚反应初期,过硫酸铵(APS)和VAc浓度、聚合反应温度对接枝反应速率(Rg)的影响,获得低APS浓度下的接枝反应速率方程:Rg=K[APS]0.51[VAc]1.18,验证了其合理性。提出接枝聚合反应机理,根据等活性理论和稳态理论,推导出理论速率方程:Rg=K[APS]0.5[VAc],这与实验得到方程吻合较好,表明提出的接枝聚合反应机理合适。以动力学研究结果为基础,研究了APS与阴离子型乳化剂十二烷基硫酸钠(LSS)添加量、聚合反应温度以及接枝共聚时间对接枝参数和淀粉木材胶性能的影响。结果表明:聚合温度为70℃,APS.LSS的添加量分别占淀粉干基质量的1%和1.5%、反应3h时,制得的高淀粉含量木材胶性能较好。再次,研究了LSS和非离子型乳化剂烷基酚聚氧乙烯醚(OP-10)复合使用对高淀粉含量木材胶性能的影响,并分析了其作用机理。结果表明:随着OP-10用量的增多,胶粘剂的贮藏稳定性先提高后降低,当LSS与OP-10复合比例为7:1时最好,低温循环七次后粘度由初始时10.75Pa·s增长为22.32Pa.s,而仅添加LSS的胶粘剂循环七次后粘度由初始时11.03Pa·s增长为29.89Pa·s。蓝值和差式扫描量热仪(DSC)分析表明:与单一乳化剂相比,LSS与OP-10复合比例为7:1时的淀粉胶中形成的乳化剂与直链淀粉的络合物结构更加稳定;粒径、扫描电镜与Zeta电位分析结果表明:乳化剂产生的空间位阻抑制了胶粒间的相互聚集;DSC分析表明:添加乳化剂的淀粉胶中回生现象受到遏制。因此,复合乳化剂(LSS与OP-10质量比为7:1时)的作用机理为:一方面LSS. OP-10分别与直链淀粉形成络合物且有一些LSS和OP-10附着在淀粉粒子表面共同产生空间位阻,另一方面OP-10还在胶粒表面形成水化层,产生空间位阻,二者发挥协同作用,共同抑制了胶粒间的相互聚集,致使高淀粉含量木材胶中淀粉回生受到抑制,最终改善了其贮藏性。最后,对优化后的高淀粉含量木材胶进行性能分析,结果表明:制得的淀粉胶粘剂除干强度外,其余各项性能均达到了HG/T2727-2010的常年用型标准,市场应用前景广阔。
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