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CN103406967B - 基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法 - Google Patents

基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法是利用造纸废木素乙酰化后形成的木素胶胶黏剂与采用空气粉碎技术粉碎秸秆形成的颗粒经混合并热压而形成的人造板的方法。特别的，木素乙酰化是利用采用4-二甲氨基吡啶和吡啶混合物（1:1-3，V:V）为催化剂在常温下进行的。本发明的优点在于：乙酰化木素胶黏剂不含有甲醛，且乙酰化能在常温下快速反应；生产的人造板具有更高的物理强度、耐水性和耐久性。

Description

基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法
技术领域
本发明属于人造板生产的技术领域，具体涉及到人造板的胶黏剂和成型方法。
背景技术
人造板用胶粘剂占世界胶粘剂总量的70%之多，而其中的三大胶（脲醛树脂(UF)、酚醛树脂(PF)、三聚氰胺－甲醛树脂(MF)）以其使用方便、价格低廉的优势一直以来受到生产者的长期依赖，但是，自其被证实在生产和使用过程中释放的甲醛会对人体造成伤害以来，其产品的销售在广大消费者中正接受越来越大的阻力。据统计，我国每年有100万吨以上的甲醛用于纤维板，引起严重的环境污染，包括生产过程的污染和使用中引起的室内空气污染。因此，国内外学者一直致力于低甲醛和无甲醛板的研究，但目前无论在基础理论方面还是工艺技术方面尚没有重大突破。
造纸废木素是造纸工业的副产物，我国每年产量约有1000多万吨。但时至今日, 我国对木素的应用仍然很少, 造纸废木素还没有得到很好的高值化利用, 大多数高浓黑液是为了回收碱而燃烧掉, 只利用了燃烧所放出的热量, 其利用价值不高。相当多的低浓度中的木素被排放至水体，造成严重的水污染。因此如何开发利用造纸废木素资源以提高其回收利用价值就显得非常必要。
天然植物中,木素就象胶黏剂一样，分布在纤维素和半纤维素的周围，主要分布在纤维细胞的S2层（总量最大）和复合胞间层（浓度最高），对纤维素纤维具有很强的粘合作用，使之成为强有力的骨架结构。根据木素的这一特性和原理，多年来，人们纷纷致力于基于木素的胶黏剂开发工作。作为胶粘剂，目前木素在工业上的应用有两种途径，一是直接作为胶粘剂，二是与酚醛、脲醛等其它胶粘剂共混改性后使用。木素本身作为胶黏剂使用时，要求有一定的酸度，而且热压温度偏高，与其它胶相比需要更长的热压时间。同时木素压缩后会使产品呈现黑色，增加了生产的后加工程序，而且产品的物理性能、耐水性都存在较大缺陷；针对以上不足，人们尝试采用改性的方法以改变木质素性能，常见的改性方法包括羟甲基化、酚化、氧化法等。而利用木素对酚醛、脲醛改性方面，国内外主要集中在木素-酚醛（LPF）胶，木素-脲醛（LUF）胶，木素-三聚氰氨（LMF）胶，木素-聚氨酯（LPU）胶等品种，已取得多项突破，但是这些木素胶粘剂含有大量的甲醛，限制了纤维板的使用范围，其生产过程和使用过程中也产生较多含甲醛废气。而木素直接作为胶粘剂使用时存在玻璃点转移温度高、成型时不易融熔化与分散。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法，利用该方法生产的人造板环保无甲醛。
本发明所述的一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法是利用造纸废木素乙酰化后形成的木素胶胶黏剂与采用空气粉碎技术粉碎秸秆形成的颗粒经混合并热压而形成的人造板的方法。
造纸废木素含有大量的酚羟基、醇羟基和羧基，极性大，致使其软化点高，难以塑化。本发明的一个技术点就是通过乙酸酐对造纸废弃的木素进行乙酰化，使改性后的木素具有良好的热塑性和热熔融性。
所述造纸废弃的木素改性的方法为：采用4-二甲氨基吡啶和吡啶混合物（1:1-3，V:V）为催化剂,用量为3-5%，，在30-50℃下利用乙酸酐/乙酸混合液（1:1，V：V）对木素进行乙酰化（固液比为1:1-2），反应时间为3-5h，木素的乙酰化度达到1.1/C9以上，使得木素的玻璃点转移温度（Tg）降到170℃以下，由此形成木素胶，具体化学反应过程如下：
利用空气粉碎技术将秸秆粉碎到至50-80微米尺寸的秸秆颗粒。
利用木素胶和秸秆颗粒制备无甲醛人造板的方法是采用二次热压法制备无甲醛人造板，具体为：
第一次热压：在中低温140-160℃条件下，将木素胶与秸秆颗粒混合均匀，在模具中铺装，木素用量为总原料的10%-30%，然后进行热压，热压压力为3-7Mpa，保压3-10分钟，卸压；在此温度下秸秆纤维中的半纤维素脱乙酰基，产生乙酸，乙酸对木素进行部分溶解使木素分散至秸秆颗粒之间形成颗粒-木素胶复合体；
第二次热压：将热压温度升至170-200℃，压力提高至8-12Mpa，保压8-15分钟，含水率为保持为3－5%，然后泄压，冷却；乙酰化木素在170℃条件下发生熔融，进入秸秆细胞壁，木素与纤维素、半纤维素组分之间发生互穿和塑化，产生高强度的互穿网络聚合物（Interpenetrating Polymer，简称INP）结构。
本发明的优点在于：（1）乙酰化木素胶黏剂是环境友好的不含甲醛的纤维板粘合剂，来自造纸厂的工业木素经过乙酰化处理后Tg下降到170℃以下，使得后续纤维板的高温成型过程中乙酰化木素在170℃条件下发生熔融，进入秸秆细胞壁，木素与纤维素、半纤维素组分之间发生互穿和塑化。（2）本发明开发的生产工艺过程和产品均无甲醛污染问题，从源头上解决了采用普通纤维板引起室内装修的甲醛污染问题。（3） 秸秆纤维板较传统的含甲醛纤维板具有更高的物理强度、耐水性和耐久性。尤其是弹性模量达到4000MPa以上，可以与高档次木材相媲美。
具体实施方式
利用本发明所述的技术方案制备无甲醛人造板的具体实施过程分为木素胶的制备、秸秆颗粒的制备、利用木素胶和秸秆颗粒制备无甲醛人造板三个步骤，如下具体举例其制备过程，具体如下：
实施例一
（1）木素胶的制备
 称取30g干燥后的造纸废木素，加入30g乙酸酐和30g醋酸，然后加入3%的催化剂，在30℃反应5h，然后减压蒸发、干燥，粉碎，得到纳米级乙酰化木素胶。
（2）秸秆颗粒
利用空气粉碎技术将秸秆粉碎到至70微米尺寸的秸秆颗粒。
（3）无甲醛人造板的制备
按照板材厚度5mm，密度0.7g/cm3、木素用量30%的要求准备原料，其中玉米秸秆粉末的尺寸为70um。
纤维板热压工艺：热压分两段进行，具体热压工艺参数为：第一段热压温度140℃，升压至5Mpa，保压5min左右，卸压；第二段温度升至190℃，压力提高至10Mpa，保压10min，卸压，冷却成型。
利用本发明所述技术方案制备的无甲醛人造板材的物理性能指标：静曲强度：21.4MPa、弹性模量3768.2MPa、24h吸水厚度膨胀率：8.4%，内结合强度：1.6MPa；游离甲醛：未检出。
实施例二
（1）木素胶的制备
 称取100g干燥后的造纸废木素，加入100g乙酸酐和100g醋酸，然后加入5%的催化剂，在45℃反应4h，然后减压蒸发、干燥，粉碎，得到纳米级乙酰化木素胶。
（2）秸秆颗粒
利用空气粉碎技术将秸秆粉碎到至80微米尺寸的秸秆颗粒。
（3）无甲醛人造板的制备
按照板材厚度5mm，密度0.7g/cm3、木素用量30%的要求准备原料，其中玉米秸秆粉末的尺寸为80um。
纤维板热压工艺：热压分两段进行，具体热压工艺参数为：第一段热压温度160℃，升压至4Mpa，保压5min左右，卸压；第二段温度升至190℃，压力提高至11Mpa，保压9min，卸压，冷却成型。
需要特别说明的是，在实际应用过程中秸秆利用空气粉碎技术粉碎形成的秸秆颗粒的粒度尺寸应在50-80微米之间。利用本发明所述的技术方案中的各项技术参数均能实现本发明所述的技术目的。

Claims (4)

1.一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法，所述无甲醛人造板是利用造纸废木素乙酰化后形成的木素胶胶黏剂与采用空气粉碎技术粉碎秸秆形成的颗粒经混合并热压而形成的，其特征在于：
利用木素胶和秸秆颗粒制备无甲醛人造板的方法是采用二次热压法制备无甲醛人造板，具体步骤为：
第一次热压：在中低温140-160℃条件下，将木素胶与秸秆颗粒混合均匀，在模具中铺装，木素用量为总原料的10％-30％，然后进行热压，热压压力为5MPa，保压3-10分钟，卸压；在此温度下秸秆纤维中的半纤维素脱乙酰基，产生乙酸，乙酸对木素进行部分溶解使木素分散至秸秆颗粒之间形成颗粒-木素胶复合体；
第二次热压：将热压温度升至170-200℃，压力提高至10MPa，保压8-15分钟，含水率为保持为3－5％，然后泄压，冷却；乙酰化木素在170℃条件下发生熔融，进入秸秆细胞壁，木素与纤维素、半纤维素组分之间发生互穿和塑化，产生高强度的互穿网络聚合物结构。
2.如权利要求1所述的一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法，其特征在于：所述木素胶的制备方法为：
采用体积比为1:1-3的4-二甲氨基吡啶和吡啶混合物为催化剂，用量为3-5％，在30-50℃下利用体积比为1:1的乙酸酐和乙酸混合液对木素进行乙酰化，反应时间为3-5h，木素的乙酰化度达到1.1/C9以上，使得木素的玻璃点转移温度降到170℃以下，由此形成木素胶。
3.如权利要求1所述的一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法，其特征在于：所述采用空气粉碎技术粉碎秸秆形成的颗粒尺寸的大小为50-80微米。
4.如权利要求2所述的一种基于木素胶的制备无甲醛人造板的方法，其特征在于：所述木素胶的制备过程中固液体积比为1:1-2。
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