脲醛树脂预固化特性及控制机理研究

摘要

我国家具制造和室内装饰用材主要以中密度纤维板为主，同时脲醛树脂（Urea-formaldehyede resin，UF）是纤维板的主要用胶，占据了整个木材胶黏剂用量的90％以上。在中密度纤维板生产中，为了保证施胶均匀快速，生产企业普遍采用管道气流干燥法对施胶后的纤维进行干燥。由于施胶后的纤维暴露在干燥管道高温、高湿和酸性环境中，使得树脂在热压工艺前部分交联出现预固化现象。由于失去活性的树脂无法将纤维粘合在一起严重降低板材的物理力学性能，而生产企业为了保证纤维板性能被迫增加施胶量从而增加了生产成本。因此，有效解决在热压工艺之前发生的胶黏剂预固化问题、提高胶黏剂的有效使用性能是实现降低纤维板生产成本、提高材料性能的重要方法之一。
　　本文以脲醛树脂为研究对象，在分析预固化机理基础上选取三大影响因子即温度、树脂固体含量（简称固含）和pH值对脲醛树脂的预固化行为进行了跟踪研究，同时通过对比三大影响因子对树脂主要性能指标的贡献率进行显著性评价，最后针对显著性影响因子采用潜伏型固化剂调控树脂的固化行为并进行控制机理研究，为减少脲醛树脂的预固化、降低施胶量提供理论依据。主要结论如下:
　　(1)以添加了固化剂氯化铵的脲醛树脂为研究对象，通过测定不同预固化时间处理的UF树脂固化时间后发现，随着预固化程度增大固化时间缩短，并且二者存在一定的线性关系。通过流变仪、扫描差示量热仪(DSC)、凝胶色谱(GPC)以及基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（简称飞行质谱，MALDI-TOF MS）跟踪UF树脂变化可以推断整个预固化过程以粘度和分子量增大、羟甲基含量减少、亚甲基含量增大为基本特征，根据活化能的变化大致将预固化过程划分为两个阶段:第一阶段由于水分蒸发粘度增加使得分子间相互碰撞几率增大，树脂体系活性增大，表现为活化能降低;由于羟甲基含量和亚甲基含量变化幅度小，树脂交联程度低，储存模量未明显变化;胶合板干强度和湿强度呈上升趋势。第二阶段，随着预固化程度的增大，伴随羟甲基大量减少、醚键断裂和亚甲基键大量形成，树脂交联程度增大，储存模量迅速增大，由于预固化后失去活性的树脂所占比例增大导致胶合板干强度和湿强度呈下降趋势。
　　以胶合板湿强度值作为分界点，各性能指标均存在相应的临界值，即:粘度值为3.5×106mPa.s、数均分子量和重均分子量分别为初始值的3.85倍和2.5倍、二亚甲基含量比初始值增长23.5％、羟甲基含量比初始值减少17％。当各性能指标低于相应的临界值时，胶合板的湿强度呈上升趋势;反之，高于临界值时，胶合板强度呈下降趋势。
　　(2)选取了三大预固化的影响因子即固化温度、树脂固体含量和pH值，通过对不同预固化处理后树脂的粘度变化、热行为、分子量分布及主要官能团进行跟踪分析，同时对比了三大影响因子对预固化树脂的主要性能指标的贡献率，结果表明:温度和pH值对树脂的固化转化率、羟甲基含、亚甲基含和热焓的影响显著，最主要影响因子为pH值，其次是温度，固含对UF树脂的预固化行为影响不大。
　　(3)利用两种潜伏固化剂六亚甲基四胺+过硫酸铵+对甲基苯磺酸+二乙醇胺和过硫酸铵+磷酸氢二铵对UF树脂的固化性能及控制机理进行了研究，结果表明，添加六亚甲基四胺+过硫酸铵+对甲基苯磺酸+二乙醇胺和过硫酸铵+磷酸氢二铵的树脂固化放热峰外推起点温度分别为110.77℃和108.02℃，均明显高于NH4Cl对应的外推起始温度87.46℃。添加两种合成的潜伏型固化剂的UF树脂体系在100℃下的pH值一直维持在7.0以上呈中性偏碱，在该温度下10min以内均未固化，并且在等温100℃的DSC中未见放热峰。当设定的固化温度高于外推起始温度时，添加了潜伏型固化剂的UF树脂的pH值下降速度随着设定的固化温度的升高呈现先慢后快趋势，同时固化时间缩短。因此两种潜伏固化剂能使树脂在低于活性温度范围内保持性能稳定，高温下分解释放出酸促进UF树脂平稳固化，因而在一定程度上实现了中低温下抑制、高温下延缓UF的预固化行为。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 国内外研究现状及评述

1．1．3 研究的目的与意义

1．2 研究目标和主要研究内容

1．2．1 关键的科学问题与研究目标

1．2．2 主要研究内容

第二章 脲醛树脂预固化机理

2．1 引言

2．2 试验材料与研究方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验仪器

2．2．3 研究方法

2．3 结果与分析

2．3．1 UF树脂在不同预固化阶段的固化速度研究

2．3．2 UF树脂在不同预固化阶段的流变学和热力学行为研究

2．3．3 UF树脂在不同预固化阶段的固化特性研究

2．3．4 UF树脂在不同预固化阶段的分子量分布

2．3．5 UF在不同预固化阶段的结构变化规律

2．3．6 UF树脂在不同预固化阶段的力学强度测试

2．4 小结

第三章 脲醛树脂预固化过程的影响因子研究

3．1 引言

3．2 试验材料与研究方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验仪器

3．2．3 研究方法

3．3 结果与分析

3．3．1 不同温度对UF树脂预固化行为的影响

3．3．2 不同固体含量对UF树脂预固化行为的影响

3．3．3 不同pH值对UF树脂预固化行为的影响

3．3．4 UF树脂预固化行为三大影响因素的综合分析

3．4 小结

第四章 脲醛树脂潜伏型固化剂及控制机理研究

4．1 引言

4．2 试验材料与研究方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 试验仪器

4．2．3 研究方法

4．3 结果与分析

4．3．1 不同固化剂对UF树脂固化时间的影响

4．3．2 不同固化剂对UF树脂预固化特性研究

4．3．3 潜伏型固化剂控制机理研究

4．4 小结

第五章 结论与讨论

5．1 结论

5．1．1 脲醛树脂预固化机理

5．1．2 脲醛树脂预固化过程的影响因子研究

5．1．3 潜伏固化剂与UF树脂预固化过程调控

5．2 主要创新点

5．3 展望

参考文献

在读期间的学术研究

导师简介

致谢