茶多酚改性酚醛树脂胶合板工艺的研究

摘要

近年来，随着国家的经济快速增长与国家基础建设的迅速发展，我国的人造板工业目前正处于高速发展的时期，其在房屋建造、车船建造、家具建造等领域发挥着重要的作用，同时也是我国经济建设的重要保障之一。根据当前人造板市场中板材生产规模的不断扩大、产量增多，所需原料也随之日渐增加。因此，研究人造板生产中所需原料的替代品，进而有针对性地优化资源配置，提高人造板的生产效率，不仅有利于保持我国经济快速持续稳定的发展，还能够为国家制定人造板行业政策提供依据，使我国的木材加工企业更具竞争力。
　　本论文以茶梗粉末提取液、苯酚、甲醛为原料制备酚醛树脂，对其基本性能进行测定和讨论，以及采用傅里叶红外光谱分析（FTIR）、差示扫描量热分析（DSC）、扫描电子显微镜（SEM）等研究分析了改性酚醛树脂的组分、固化反应进程和机理以及其微观结构。再利用自制的改性酚醛树脂和马尾松为主要原材料，采取正交试验方法和响应面方法对其热压工艺进行研究分析，寻找较优的工艺参数，为实际生产提供依据，推动胶合板产业高效可持续发展。本论文主要结论如下：
　　（1）对改性酚醛树脂的基本性能进行检测，检测结果为密度1.15～1.20 g·cm-3，pH10.9～11.5，固含量38%～49%，粘度18～57s。随着茶多酚提取液代替苯酚比例的增加，改性酚醛树脂的密度逐渐降低，但变化不明显；改性酚醛树脂的固化时间的变化是随着茶多酚提取液比例的增加大体成上升趋势，尤其是40%与50%的固化时间上升明显；当茶多酚添加量小于30%时，变化不明显，随着茶多酚添加比例的继续增加，粘度变化明显增大，尤其是在含量为50%时，下降明显。
　　（2）改性的酚醛树脂的第一个吸热峰和放热峰分别出现在55.7℃，峰值为97.58μv/mg和119.4℃，峰值为91.92μv/mg；第二个吸热峰和放热峰分别出现在145.5℃处，峰值为90.03μv/mg和206.5℃处，峰值为85.20μv/mg；而未改性的酚醛树脂其两次吸热峰分别出现在84.9℃和165.5℃，放热峰分别出现在131.0℃和216.6℃；改性的酚醛树脂相对于未改性酚醛树脂固化反应温度提前，峰值变小。改性酚醛树脂在外界温度30～50℃时，酚醛树脂的活性开始增强,当温度达到60℃以上时，酚醛树脂反应进程加快。随着反应温度升高，树脂固化反应程度加剧，放热量明显增大。对酚醛树脂进行TG分析得出，改性酚醛树脂两次的吸热放热对应TG分析其热重损失分别为3%～9%和10%～15%；未改性酚醛树脂两次的吸热放热对应TG分析其热重损失分别为6%～11%和15%～19%。
　　（3）酚醛树脂固化反应过程的红外光谱图中分析可得，随着茶多酚添加比例的增大，酚醛树脂固化反应前后的红外光谱曲线主要变化在波数3379cm-1（-OH）、2920cm-1（-CH）、1602cm-1（-C=C-）、1472cm-1（-CH2）、1015cm-1（-CO）、963cm-1（-CH）。这些数据表明，酚醛树脂中的羟基、羟甲基和酚环上的活泼氢参与化学反应，其缩合反应主要发生于酚环的邻对位。在波数3379cm-1处明显增加，1602cm-1（-C=C-）略有增加，这是由于本试验添加茶多酚是由乙醇提取的溶液，乙醇本身带有-OH，而茶多酚含有70%～80%的以儿茶素类为主黄烷醇类的化合物，其本身至少含有2个以上的苯环结构，尤其是儿茶素含有间苯三酚结构，含有3个以上的活泼-OH，可以与甲醛反应。
　　（4）扫描电镜观察可知，未改性酚醛树脂的粉末在微观下粒子直径较小、形状不规则但颗粒表面相对光滑，棱角尖锐分明。随着茶多酚替代苯酚的比例的增加，在同等倍数的扫描电镜的观察下，粒子的直径逐渐增大，且粒子表面的孔隙率逐渐增多，直径大小约为5～10um，表面形态模糊，呈网状结构，比表面积增大，能够更好的与板材进行粘合。
　　（5）在试验范围内，吸水厚度膨胀率随着施胶量的增加而降低，受热压时间、热压温度和热压压力的影响较小；密度随着热压时间、热压压力、施胶量在一定范围内的增加，热压温度的降低，胶合强度得到提高；由正交试验结果的极差与方差分析可见，胶合板的最佳生产制备工艺参数范围为热压温度120～150℃、热压时间0.5～1.0min.mm-1、热压压力1.2～1.5MPa和施胶量250～280g·m-2。胶合强度随着热压温度、热压压力、施胶量以及热压时间在一定的时间范围内的增加而得到提高。
　　（6）利用响应面的方法，在试验范围内，热压工艺参数对胶合板的胶合性能有较为显著的影响，因素影响的主次顺序为热压时间>热压温度>热压压力。采用Box-Behnken设计，建立了改性酚醛树脂胶合板热压工艺参数的数学模型，经验证该模型是合理可行的，能够较好的预测胶合板的胶合强度和吸水厚度膨胀率。吸水厚度膨胀率随着热压压力的增大及热压时间的延长而增大，而热压温度对吸水厚度膨胀率几乎没有影响。改性酚醛树脂胶合板的热压工艺参数为热压温度145℃、热压时间为0.9min·mm-1、热压压力为1.3MPa、施胶量为250g·m-2，胶合板的胶合强度可达到1.54MPa。
　　（7）胶合板热压工艺参数的选定，从正交试验和响应面试验结果显示是一致的。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2改性酚醛树脂胶合板工艺国内外研究现状

1.3研究目标和内容

1.4研究技术路线

1.5论文创新点

第二章 茶多酚改性酚醛树脂工艺研究

2.1引言

2.2材料与方法

2.3结果与分析

2.5小结

第三章 改性酚醛树脂胶合板工艺的研究

3.1引言

3.2材料与方法

3.3结果与分析

3.4稳定性试验的分析

3.5小结

第四章 结论

参考文献

致谢