生物质改性MUF树脂的性能及其马尾松结构材的试制

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三聚氰胺树脂作为木结构用胶黏剂开发和应用的热点,其主要问题在于韧性较差。本研究以三聚氰胺树脂为研究对象,分别以生物质材料木质素、单宁和大豆蛋白进行增韧改性,研究不同添加量生物质(占总尿素质量的2%、4%、6%、8%、10%)对改性三聚氰胺性能的影响。用旋转粘度计、接触角测量仪、红外光谱仪、扫描电镜、差示扫描量热仪、热重分析仪和X-射线衍射光谱仪等仪器,分析三聚氰胺树脂改性前后基本性能、表面润湿性、化学成分、表观形貌和胶合性能等变化,探究不同改性方法对三聚氰胺树脂增韧改性的最佳工艺,并用于马尾松CLT的制备。得出以下结论:(1)用木质素改性三聚氰胺树脂,会使三聚氰胺树脂的颜色逐渐加深至黑色;改性前后初黏度均较小且相差不大,储存稳定性有所降低;加入木质素后,初始接触角总体呈现增大的趋势,以木质素添加量为2%和4%改性的树脂胶黏剂的接触角最大;张力总体呈现减小的趋势;固化温度随着木质素加量的不同呈现不同的变化趋势,以木质素添加量为2%改性的树脂胶黏剂的固化温度最高,木质素添加量为10%改性的树脂胶黏剂的固化温度最低;热稳定性呈升高的趋势;木质素特有的对羟苯基双邻位、愈创木基单邻位空位点具有极强的化学活性,能与三聚氰胺树脂进一步发生取代或缩合反应;树脂断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变;胶合性能和断裂伸长率均有所提高,当木质素添加量为4%时胶合性能最佳,树脂的胶合强度为1.63 MPa,断裂伸长率增加了100.19%。(2)单宁改性三聚氰胺树脂也会使三聚氰胺树脂的颜色逐渐加深至黑色,改性前后初黏度均较小且相差不大,储存稳定性有所降低;加入单宁后,初始接触角总体呈现增大的趋势,以单宁添加量为2%和4%改性树脂的接触角最大;张力呈现减小的趋势;固化温度增加,热稳定性升高;单宁加量的变化并不会显著影响MUF树脂(三聚氰胺-尿素-甲醛共缩聚树脂)的结构,单宁的结构可能被MUF树脂的结构所覆盖;树脂断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变;胶合性能和断裂伸长率均有所提高,当单宁添加量占尿素的6%时为最佳工艺,此时树脂的胶合强度为1.69 MPa,断裂伸长率增加了119.69%。(3)大豆蛋白改性三聚氰胺树脂后颜色呈现淡黄色,这与木材本身的颜色很贴合,所以大豆蛋白改性的三聚氰胺树脂在胶合木美观方面没有影响;改性后初黏度略微有所提高,储存稳定性有所降低;随着大豆蛋白的加入,初始接触角均有所增大,以大豆蛋白添加量为2%改性树脂的接触角最大;张力呈现减小的趋势;固化温度增加,热稳定性升高;改性前后所有树脂红外曲线峰形基本一致;树脂断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变;胶合性能和断裂伸长率均有所提高,当大豆蛋白添加量占尿素的10%时为最佳工艺,此时树脂的胶合强度为1.86 MPa,断裂伸长率增加了159.45%。(4)木质素、单宁与大豆蛋白能够连接三聚氰胺三嗪环上的氨基或羟甲基,减少MUF树脂中的交联位点,使部分网状交联转变为线型交联,封闭了MUF树脂的羟基官能团,使得树脂的交联密度下降;将柔性链段引入至刚性结构的三嗪环间,与原来通过亚甲基(-CH2-)相连的分子链相比,其分子中可变形能力变大、树脂交联密度较低,固化产物之间能够更好的弹性接触和规则排列,更有利于防止水分的楔入而提高树脂的耐水性能。三聚氰胺树脂分子内网络链增长,还可使三嗪环在扭转构象中出现两个三嗪环面面平行折叠结构,两个环间便产生了π-π堆积效应,从空间结构上对MUF树脂进行增韧。此外,引入生物质木质素、单宁和大豆蛋白还会带来良好的生物相容性和有效降解性。改性后的MUF树脂成功压制出性能良好的马尾松CLT。
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