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芝麻饼粕制备植物蛋白胶黏剂的研究

魏晓博  
【摘要】:芝麻饼粕是一种可再生的植物蛋白资源,因其无毒无害的特性可以用来作为生产胶合板所需的木材胶黏剂。本研究主要以脱皮冷榨芝麻饼粕为主要实验原料,在利用碱溶酸沉方法提取芝麻蛋白的基础上,分别利用尿素(U)和十二烷基硫酸钠(SDS)改性制备芝麻蛋白胶黏剂,通过单因素试验和正交试验得出最佳制胶工艺,目的是通过对比两种单一改性方法筛选出最优改性方法。为了寻找一种甲醛的替代物,以减少“三醛”胶中甲醛释放所带来的健康危害,在最优单一改性方法的基础上,选择毒性较小的乙二醛进行复合改性制备芝麻蛋白胶黏剂,研究了复合改性蛋白胶黏剂的性能,并对胶黏剂的结构进行了表征。为了生产一种环保的蛋白胶黏剂,在最优单一改性方法的基础上,利用鳌合反应原理添加氧化锌进行复合改性制备芝麻蛋白胶黏剂,并研究了胶黏剂的性能及胶黏剂的结构。对比两种复合改性芝麻蛋白胶黏剂的性能,选取最佳性能的复合改性蛋白胶黏剂进行胶合板胶合工艺的优化研究,为复合改性蛋白胶黏剂在实际生产中的应用奠定基础。本研究主要研究结果如下:(1)分别利用尿素和SDS改性制备芝麻蛋白胶黏剂,分别做了改性剂浓度、改性时间、料液比、改性温度对胶黏剂制备的胶合板湿胶合强度影响的单因素试验,通过正交试验优化,得出尿素改性芝麻蛋白胶黏剂的最佳改性条件为尿素浓度3 mol/L、反应时间为4 h、料液比1:8 g/mL、反应温度25℃,在此条件下湿胶合强度达到0.75 MPa,满足国家标准Ⅱ类胶合板(≧0.70MPa)的要求。SDS改性芝麻蛋白胶黏剂的最佳条件为SDS浓度2%、反应时间1 h、料液比1:8 g/mL,在此条件下湿胶合强度达到0.82 MPa,满足国家标准Ⅱ类胶合板的要求。对比两种最佳改性条件下的胶黏剂性能,SDS改性芝麻蛋白胶黏剂因其黏度太高,不利于胶黏剂的涂抹,因此选用尿素改性作为的最佳改性方法。(2)在尿素改性的基础上制备未添加乙二醛的尿素改性芝麻蛋白胶黏剂(USP)和添加不同含量乙二醛的尿素-乙二醛复合改性芝麻蛋白胶黏剂(GUSP),并对USP胶黏剂和GUSP胶黏剂的固体含量、表观黏度进行测定,以及胶黏剂制备的胶合板的湿胶合强度和甲醛释放量进行了测定,并利用红外光谱(FT-IR)、热重分析仪(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)对胶黏剂的结构进行了分析。结果表明随着乙二醛的加入,胶黏剂的固体含量基本保持不变,pH值逐渐降低,胶黏剂的初始黏度呈现先降低后升高的趋势。同时乙二醛的加入,可以在一定程度上提高耐水性,当乙二醛的添加量为12%,湿胶合强度达到最大值,为0.97 MPa,满足国家Ⅱ类胶合板的要求(≥0.70 MPa),高出国标要求38.57%,且GUSP胶黏剂制备的胶合板的甲醛释放量远低于国家标准E_0级的板材要求,可以作为室内装修材料。红外光谱表明芝麻蛋白与乙二醛可能发生了醛胺缩合反应;热重分析表明乙二醛的添加并没有引起胶黏剂热稳定性的显著提高;电镜结果表明GUSP胶黏剂具有平整且“胶钉”多的表面结构,有利于提高耐水性。(3)在尿素改性的基础上制备未添加氧化锌的尿素改性芝麻蛋白胶黏剂(USP)和添加不同含量氧化锌的尿素-氧化锌复合改性芝麻蛋白胶黏剂(ZUSP),对USP胶黏剂和ZUSP胶黏剂的性能以及胶黏剂结构进行了分析。研究表明随着氧化锌的加入,ZUSP胶黏剂的固体含量和pH值逐渐升高,而初始黏度呈现先降低后升高的趋势。相比较USP胶黏剂,ZUSP胶黏剂的湿胶合强度有明显地升高,达到国家标准Ⅱ类胶合板的要求,当氧化锌的添加量为8%,湿胶合强度达到最大,为1.01 MPa,且高出国标要求44.29%。红外光谱发现ZUSP胶黏剂在2215 cm~(-1)处出现了一个新峰,推测芝麻蛋白和氧化锌之间发生了螯合反应。热重分析表明氧化锌的加入可以显著地提高ZUSP胶黏剂的热稳定性。电镜扫描表明相比USP胶黏剂,ZUSP胶黏剂具有更加平整的表面,有助于耐水性的提高。(4)对氧化锌添加量为8%的ZUSP胶黏剂进行胶合工艺的优化,以热压温度、热压时间、热压压力、涂胶量进行单因素试验分析,在此基础上进行正交试验,以湿胶合强度和压缩率为考察指标。结果表明最佳胶合工艺为热压温度120℃、热压时间10 min、热压压力1.2 MPa、涂胶量280 g/m~2,湿胶合强度达到1.10 MPa,满足国家标准Ⅱ类胶合板的要求,高出国家标准57.14%。对胶黏剂所需的原料成本进行粗略估计,生产8%的ZUSP胶黏剂所需要的成本为2981.3元/吨,表明ZUSP胶黏剂可以应用于实际生产。


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