淀粉基木材胶粘剂的制备及其特性研究

【摘要】：利用廉价生物质可再生资源开发绿色高性能环境友好型木材胶粘剂是人类不懈追求的目标。而现有以淀粉为主要原料的淀粉基木材胶粘剂的制备工艺普遍存在淀粉用量低、稳定性差、保质期短、工艺复杂等问题,限制了其相关产业的发展。针对这一问题,本论文瞄准产业需求,结合统计分析、结构表征等手段,对淀粉基环境友好型木材胶(以下简称淀粉木材胶)制备的基础工艺进行系统研究,探索出高淀粉用量下淀粉木材胶的制备工艺;在此基础上,对淀粉木材胶制备工艺中各影响因素的相关机理进行了解析,并进行了相应的工艺参数的优化和建模工作;此外,论文研究了助剂的添加对淀粉木材胶关键性能的影响,并初步探索了相关机理;在小试基础上,最终实现了中试放大,获得了一种高淀粉用量的常温使用型淀粉基环境友好型木材胶粘剂,其淀粉用量可达胶粘剂总不挥发物含量的43.9%;并且产品的各项指标达到相关胶粘剂的行业标准。 为探析淀粉木材胶制备的基础工艺,本文首先采用物理共混和接枝共聚方法制备高淀粉含量的淀粉木材胶,结果证明物理共混会导致相分离现象出现,造成胶粘剂粘接性能及稳定性均较差;而接枝共聚可以增强胶粘剂分子结构,有利于出制备高淀粉含量的淀粉木材胶。因此确定接枝共聚作为制备淀粉木材胶的核心工艺。 确定工艺后,本文随即研究了不同手段(糊化预处理、乳化剂)对淀粉木材胶前期接枝共聚工艺的影响及相关机理,并在此基础上利用响应面法对淀粉木材胶制备工艺进行了相关优化,建立了数学模型。相关研究内容如下: 1.从前处理的角度研究了糊化预处理对淀粉木材胶的胶接强度和低温储藏稳定性的影响。对比没有经过糊化预处理的淀粉木材胶,经过糊化预处理的淀粉木材胶的干强度提高了20.9%,湿强度提高了45.8%,同时糊化预处理可以显著提高反应的接枝参数。耐低温稳定性实验证明糊化预处理可以增加淀粉木材胶通过低温储藏-室温解冻循环(以下简称冻融循环)的次数。动态时间扫描实验和XRD实验的结果证明了糊化预处理有利于削弱淀粉分子之间的氢键作用力,促进淀粉与单体之间发生接枝反应,从而改善了淀粉木材胶的粘接性能及结构稳定性。 2.从促进接枝共聚反应的角度研究了乳化剂对淀粉木材胶胶接强度和低温储藏稳定性的影响。结果证明,阴离子乳化剂十二烷基硫酸钠(SDS)可以有效提高淀粉木材胶的粘接性能和耐低温储藏性能。SDS的最佳添加量为淀粉用量的1%(w/w),在此添加量下,淀粉木材胶干强度可达4.75MPa,而湿强度达到1.81MPa。此外还发现SDS可以有效的提高反应的接枝参数,如接枝率提高了80.9%,而接枝百分率提高了45.1%。动态时间扫描实验结果证明SDS提高淀粉木材胶性能的机理在于乳化剂消弱了淀粉分子之间的氢键作用力,有利于淀粉和单体之间的接枝反应,低场核磁和TEM的结果证明SDS可在淀粉表面形成保护层有助于保水作用,防止乳液粒子聚集,有利于提高乳液的稳定性。 3.在上述研究基础上,运用响应面法(RSM)对淀粉木材胶的工艺参数进行统计分析及优化,研究了酸解时间、初始过硫酸铵(APS)用量、乳化剂SDS用量、引发pH值等四个主要影响因素分别对粘度和干强度的影响。结果表明此四个因素对干强度和粘度均存在明显的相关性,响应面优化得到的最佳工艺为酸解时间37.5min;APS用量为淀粉用量的0.94%(w/w),其中初始用量为淀粉用量的0.74%(w/w);乳化剂用量为0.82%(w/w);引发pH为5.85。 获得较好的接枝共聚工艺之后。本文对能进一步提高淀粉木材胶性能的助剂进行了研究,主要考察了提高淀粉木材胶的储藏性能和耐水性能的相关助剂,相关研究内容如下: 1.在提高淀粉木材胶耐储存性方面,研究了尿素对淀粉木材胶流变学特性和耐低温储藏性能以及粘接性能的影响。实验结果表明尿素的添加对粘接性能影响较小。此外,尿素的添加有效降低了淀粉木材胶的粘度及体系的假塑性,同时显著提高了淀粉木材胶通过冻融循环的次数,最佳添加量是加入干重为占淀粉用量为15%(w/w)的尿素;动态时间扫频实验和低场核磁实验的结果证明尿素提高淀粉木材胶耐冻融循环能力的机理可以归结为尿素削弱了淀粉木材胶分子之间的氢键作用,抑制了体系向弱凝胶体系发展,从而提高了淀粉木材胶的耐低温储藏能力。 2.在提高淀粉木材胶耐水性方面,研究了纳米二氧化硅粒子(以下简称纳米硅粒子)对淀粉木材胶性能的影响。添加纳米硅粒子的淀粉木材胶后干强度和湿强度显著提高。与未添加的空白对照相比,添加干重占淀粉用量10%(w/w)的纳米二氧化硅溶胶的淀粉木材胶的干剪切强度从5.92MPa增加到8.36MPa,而湿剪切强度从2.11MPa增加到3.47MPa。利用红外热重流变等手段研究了纳米硅粒子提高淀粉木材胶性能的机理,结果证明,纳米硅粒子可以和淀粉胶分子作用形成氢键,增强了胶粘剂分子的结构,从而提高了淀粉木材胶的粘接能力。 经一系列工艺改良后,论文最终实现了中试放大,实现了高淀粉用量下淀粉木材胶的稳定制备,其淀粉用量可达胶粘剂总不挥发物含量的43.9%左右。中试产品的各项指标并达到相关胶粘剂的行业标准。经济性分析表明淀粉木材胶具有较低的成本,其原料成本大约为商品白乳胶的70%左右。综上所述,本课题所制备的淀粉基环境友好型木材胶粘剂在具有优良性能的同时,还具有较低的成本,因此在木材工业中具有较好的推广价值和市场前景。

【关键词】：淀粉 木材胶粘剂 接枝共聚 粘接性能 储藏性能
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ437
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