基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板性能_圖文

1、第26卷第6期Vol 126No 16材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)Journal of Materials Science &Engineering 總第116期Dec.2008文章編號(hào):167322812(20080620900205基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板性能呂谷來,傅立,盛奎川,錢湘群,李建平(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品學(xué)院,浙江杭州310029【摘要】熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率是影響纖維板力學(xué)性能的重要因素。本文采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法,研究了熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率對(duì)基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板力學(xué)性能的影響規(guī)律,獲得最佳工藝條件為熱壓溫度167,熱壓

2、時(shí)間7.8min ,板坯含水率34.2%。在此條件下,竹纖維板的靜曲強(qiáng)度達(dá)16.5MPa ,彈性模量1032.6MPa ,抗拉強(qiáng)度10.4MPa ,厚度膨脹率31.0%。【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)材料;大豆蛋白膠粘劑;竹纖維;中密度板中圖分類號(hào):TS664.1;TS102.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AProperties of B amboo Fiberboard B ased on Modified Soy Protein AdhesiveL V G u 2lai ,FU Li ,SHENG K ui 2chuan ,QIAN Xiang 2qun ,L I Jian 2ping(School of Biosys

3、tems E ngineering and Food Science ,Zhejiang U niversity ,H angzhou 310029,China【Abstract 】Press temperature ,press time and moisture content are three important factors affecting the physical andmechanical properties of fiberboard.In this paper ,the effect of press temperature ,press time and moist

4、ure content on the properties of fiberboard was evaluated based on the quadratic general rotary unitized design.According to the results of response optimizer ,optimal properties of fiberboard was obtained with moisture content of 34.2%,press temperature of 167and press time of 7.8min.At the optimal

5、 conditions ,modules of rupture reached 16.5MPa ,modules of elasticity reached 1032.6MPa ,tensile strength reached 10.4MPa ,and 24h thickness swell reached 31.0%.【K ey w ords 】bio 2based materials ;soy protein adhesive ;bamboo fiber ;medium density fiberboard收稿日期:2008201226;修訂日期:2008202226基金項(xiàng)目:浙江省科技

6、廳新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007G 60G 2010041和浙江省教育廳資助項(xiàng)目(G 20050412作者簡(jiǎn)介:呂谷來(1984-,碩士生,主要從事生物質(zhì)材料研究。通訊作者:盛奎川(1963-,男,浙江紹興人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事生物質(zhì)材料和生物質(zhì)能源研究。E 2mail :kcsheng 。1引言纖維板結(jié)構(gòu)均勻、表面平滑光整,具有良好的加工性能,因此被廣泛用于家具制造業(yè)和建筑業(yè)。目前制備纖維板的主要原料為木質(zhì)纖維和脲醛樹脂膠粘劑。隨著森林資源的過渡砍伐,如何保證充足的原料供給,已成為一個(gè)重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問題。另外,脲醛樹脂來源于不可再生的石化資源,在濕熱環(huán)境下容易釋放出游離甲醛,嚴(yán)重污

7、染環(huán)境,危害人類健康。隨著原油價(jià)格的不斷上漲和人們對(duì)自身及環(huán)境安全問題的日益關(guān)注,這一問題變得更為嚴(yán)峻。竹子生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高,與木材相比,具有強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn),是纖維板的理想原料。中國(guó)竹資源豐富,有竹子40屬500多種,面積800萬hm 2,占世界竹林面積的40%1,現(xiàn)有竹材加工廠數(shù)千家,竹林年采伐量達(dá)4億株,1200萬t ,在竹加工產(chǎn)業(yè)中有大量的纖維殘余被廢棄而沒有被充分利用。大豆蛋白是油脂加工的副產(chǎn)品,來源豐富。改性大豆蛋白膠粘劑無毒,是一種環(huán)境友好型產(chǎn)品。Sun 等2,3利用脲、SDS 、SDBS 、鹽酸胍對(duì)大豆蛋白改性,提高了其粘接性能。洪一前等4利用氫氧化鈉溶液對(duì)大豆分離蛋白改性,

8、獲得了粘接性能較佳的膠粘劑。李永輝等5運(yùn)用SDS 改性的大豆分離蛋白膠粘劑,顯著提高了其在膠合板的粘結(jié)性能、耐候性能和耐水性能。但針對(duì)改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板制備及工藝未見相關(guān)研究報(bào)道。目前纖維板主要采用干法工藝制備,其中,熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率是影響纖維板性能的重要因素。本文采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法,研究熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率等因素對(duì)基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板的力學(xué)性能的影響規(guī)律,為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和工藝措施。2材料與方法2.1試驗(yàn)材料大豆分離蛋白由山東東營(yíng)萬得福植物蛋白科技有限公司提供,蛋白含量約90%;竹纖維由杭州雙綠紡織品有限公司提供,長(zhǎng)度為

9、1020mm ;氫氧化鈉(濃度為0.2%、防腐劑、脫模劑等均為國(guó)產(chǎn)。2.2儀器設(shè)備CN T4204型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),深圳新三思公司;水冷式電動(dòng)加硫成型機(jī),高鐵檢測(cè)儀器(東莞有限公司;B20型攪拌機(jī),廣州市番禺力豐食品機(jī)械廠;JJ 21型精密增力電動(dòng)攪拌器,江蘇金壇市江南儀器廠;自制成型模具等。2.3試驗(yàn)方法2.3.1竹纖維板制備0.2%氫氧化鈉溶液4150ml 加大豆分離蛋白16.5g 和防腐劑1.6g 攪拌2h 至均勻與155g 竹纖維混合攪拌15min 調(diào)節(jié)板坯含水率鋪裝熱壓成型。2.3.2力學(xué)性能檢測(cè)測(cè)試的力學(xué)性能指標(biāo)為靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及厚度膨脹率等,按G B48

10、9721992推薦性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測(cè)試4次,取算術(shù)平均值。2.3.3二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)選取對(duì)竹纖維板性能有影響的熱壓溫度(X 1、熱壓時(shí)間(X 2和板坯含水率(X 33個(gè)因素,確定其適宜范圍分別為150180、510min 、15%30%。根據(jù)前期研究,固定熱壓壓力為5MPa ,施膠量為11%,板尺寸為152.4mm ×152.4mm ×8mm ,目標(biāo)密度為0.75g/cm 3,以靜曲強(qiáng)度(Y 1、彈性模量(Y 2、抗拉強(qiáng)度(Y 3及厚度膨脹率(Y 4為響應(yīng)值,根據(jù)三因子中心復(fù)合設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。數(shù)據(jù)由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)的MINITAB14軟

11、件進(jìn)行處理和分析。3結(jié)果與分析3.1試驗(yàn)結(jié)果用響應(yīng)曲面分析法對(duì)熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率三因素進(jìn)行優(yōu)化,試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表2。本試驗(yàn)所選用的靜曲強(qiáng)度模型中,相關(guān)系數(shù)R 2=0.925,校正決定系數(shù)adjR 2=0.857,說明該模型擬合程度好,試驗(yàn)誤差小,模型是合適的。各項(xiàng)回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表明,回歸系數(shù)X 2、X 21、X 22、X 23項(xiàng)的p 值都小于0.01,呈現(xiàn)表1竹纖維板的工藝參數(shù)響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)及結(jié)果T able 1Design and results of process parameter of b amboo f iberboard with res

12、ponse surface methodologyExpermentX 1/X 2/min X 3/%Y 1/MPa Y 2/MPa Y 3/MPa Y 4/%1165(07.5(022.5(013.4886.59.752.72165(07.5(022.5(013.9832.09.953.43150(-15(-110(-1 1.860.10.9189.04165(07.5(043.5(1.712.8740.17.146.05165(07.5(022.5(013.5805.59.759.96150(-110(110(-1 1.9106.2 1.9244.07165(011.7(-122.5(0

13、6.4563.6 2.7117.08150(-110(135(18.2708.3 4.763.09180(110(110(-1 1.542.00.8330.010139.8(-1.77.5(022.5(0 5.4261.1 3.487.011150(-15(-135(110.9692.4 6.360.012180(15(-135(111.6755.37.261.013165(07.5(022.5(013.2855.69.655.114180(15(-110(-1 2.6103.1 1.1311.015180(110(135(116.4979.7 6.550.016165(07.5(022.5(

14、013.7813.99.6104.017165(07.5(022.5(013.5843.19.559.518165(07.5(0 1.5(-1.70.9 5.00.7305.019165(0 3.3(-1.722.5(0 4.6210.7 2.9116.020190.2(1.77.5(022.5(02.797.11.1136.0注:(內(nèi)為編碼109第26卷第6期呂谷來,等.基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板性能表2回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)T able2T est for signif icance of regression coeff icientsCoefficientY1regression

15、coefficientPY2regressioncoefficientPY3regressioncoefficientPY4regressioncoefficientPConstant-336.9020.001-24448.50.001-301.7510.0001941.320.016 X1 4.0810.863288.30.745 3.4470.214-19.210.579 X2 2.3230.000253.20.000 5.7490.000-68.070.029 X3-0.1180.51415.50.3100.4000.004-3.620.062 X21-0.0130.004-0.90.0

16、05-0.0110.0000.060.000 X22-0.3900.000-20.50.000-0.3510.000 2.530.019 X23-0.0130.001-0.90.006-0.0120.0000.230.010 X1X20.0200.1670.30.388-0.0020.1930.170.050 X1X30.0060.6010.20.5310.0020.255-0.080.745 X2X30.0120.308 1.00.802-0.0120.8550.070.375注:Y1=-336.902+4.081X1+2.323X2-0.118X3-0.013X21-0.390X22-0.

17、013X23+0.020X1X2+0.006X1X3+0.012X2X3 Y2=-24448.5+288.3X1+253.2X2+15.5X3-0.9X21-20.5X22-0.9X23+0.3X1X2+0.2X1X3+X2X3Y3=-301.751+3.447X1+5.749X2+0.4X3-0.011X21-0.351X22-0.012X23-0.002X1X2+0.002X1X3-0.012X2X3Y4=1941.32-19.21X1-68.07X2-3.62X3+0.06X21+2.53X22+0.23X23+0.17X1X2-0.08X1X3+0.07X2X3極顯著,其余項(xiàng)不顯著。彈

18、性模量模型中,R2=0.919,adjR2=0.846,且回歸系數(shù)X2、X21、X22、X23項(xiàng)極顯著,其余項(xiàng)不顯著?？估瓘?qiáng)度模型中,R2=0.967,adjR2=0.937,且回歸系數(shù)X2、X3、X21、X22、X23項(xiàng)極顯著,其余項(xiàng)不顯著。厚度膨脹率模型中,R2=0.964,adjR2=0.932,且回歸系數(shù)X21、X23項(xiàng)極顯著,X22、X1X2項(xiàng)顯著,其余項(xiàng)不顯著。因此,可用上述模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。3.2響應(yīng)曲面分析3.2.1三因素對(duì)靜曲強(qiáng)度(MOR和彈性模量(MO E的影響靜曲強(qiáng)度和彈性模量具有較好的相關(guān)性。圖1 顯示了熱壓溫度 、熱壓時(shí)間和板坯含水率對(duì)靜曲強(qiáng)度(MOR的影

19、響。圖2顯示了熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率對(duì)彈性模量(MO E的影響。從圖中可知,隨著溫度的提高,MOR 和MO E 先增大后減小,這是因?yàn)闇囟鹊奶岣?有利于改進(jìn)纖維的塑性和膠粘劑的固化程度,纖維板的抗彎曲變形能力隨之提高;但當(dāng)溫度過高時(shí),蛋白膠粘劑易降解,部分纖維可能發(fā)生熱解甚至炭化,導(dǎo)致抗彎曲變形能力下降。隨著熱壓時(shí)間的增加,MOR和MO E先增大后減小,這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加,膠粘劑的固化更充分,纖維與纖維之間結(jié)合得更加緊湊牢固,圖1熱壓溫度、熱壓時(shí)間、板坯含水率對(duì)靜曲強(qiáng)度的響應(yīng)曲面圖Fig.1Surface plot of t he effect of temp,time and m

20、oisture content on MOR圖2熱壓溫度、熱壓時(shí)間、板坯含水率對(duì)彈性模量的響應(yīng)曲面圖Fig.2Surface plot of t he effect of temp,time and moisture content on MO E29材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2008年12月MOR和MO E相應(yīng)得到提高,但時(shí)間過長(zhǎng)易造成膠粘劑固化過度而變脆,影響纖維板性能。隨著板坯含水率的提高, MOR和MOE先增加后減小,這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乃挚梢栽鰪?qiáng)蛋白膠粘劑的伸展性,使纖維之間結(jié)合更緊湊,但是過高的水分易導(dǎo)致成型過程中水蒸氣難以散發(fā),造成裂板等現(xiàn)象。3.2.2三因素對(duì)抗拉強(qiáng)度(TS的影響圖3顯示了

21、熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率對(duì)抗拉強(qiáng)度(TS的影響。從圖中可知,隨著溫度的升高,TS先增大后減小;隨著熱壓時(shí)間的增加,TS先增大后減小;隨著板坯含水率的提高,TS 先增加后減小。熱壓溫度和熱壓時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響作用與對(duì)彈性模量的影響作用相似。在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高板坯含水率,有利于增加板坯的傳熱效率,促進(jìn)木質(zhì)素脂化和降低其軟化點(diǎn)。同時(shí),膠粘劑固化更充分,纖維之間的結(jié)合能力增強(qiáng),纖維板的抗拉能力增強(qiáng)。3.2.3三因素對(duì)厚度膨脹率(24h-ts的影響厚度膨脹率是試件在水中完全浸泡24h后,厚度的增加量與吸水前厚度之比,是反映MDF受潮后是否會(huì)變形以及變形大小的重要性能指標(biāo)。圖4顯示了熱壓溫度、熱

22、壓時(shí)間和板坯含水率對(duì)厚度膨脹率(24h-ts的作用。從圖中可知,隨著溫度的提高,24h-ts先減小后增大 ,圖3熱壓溫度、熱壓時(shí)間、板坯含水率對(duì)抗拉強(qiáng)度的響應(yīng)曲面圖 Fig.3Surface plot of t he effect of temp,time and moisture content on TS圖4熱壓溫度、熱壓時(shí)間、板坯含水率對(duì)厚度膨脹率的響應(yīng)曲面圖Fig.4Surface plot of t he effect of temp,time and moisture content on24h-t s這是因?yàn)闊釅簻囟鹊奶岣?有利于膠粘劑充分固化,同時(shí)半纖維素等吸濕性高的成分在一定

23、溫度下會(huì)水解成糠醛,提高了纖維間的結(jié)合性能和耐水性能。隨著熱壓時(shí)間的增加,24h-ts先減小后增大,這是因?yàn)闊釅簳r(shí)間對(duì)24h-ts的影響,一方面與膠粘劑的固化程度有關(guān),另一方面竹纖維比較蓬松,壓縮比大,熱壓過程中內(nèi)應(yīng)力較高,時(shí)間的延長(zhǎng)有利于板材內(nèi)殘余應(yīng)力的平衡6。隨著板坯含水率的提高,24h-ts呈一直增大的趨勢(shì)。但若熱壓時(shí)間過長(zhǎng)或者熱壓溫度過高,蛋白膠粘劑可能降解,部分纖維可能發(fā)生熱解或炭化,影響纖維板質(zhì)量,導(dǎo)致耐水性能降低。3.3參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證利用MINITAB軟件及回歸模型進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測(cè),得到最優(yōu)工藝參數(shù)為:熱壓溫度167,熱壓時(shí)間7.8min,板坯含水率34.2%;在此條件下,預(yù)測(cè)靜曲強(qiáng)

24、度達(dá)16.0MPa,彈性模量1007.4MPa,抗拉強(qiáng)度10.1MPa,厚度膨脹率30.2%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。在熱壓溫度為167,熱壓時(shí)間7.8min,板坯含水率34.2%的條件下,實(shí)際纖維板測(cè)得的靜曲強(qiáng)度為16.5MPa,彈性模量1032.6MPa,抗拉強(qiáng)度10.4MPa,厚度膨脹率31.0%,與預(yù)測(cè)值相比,相對(duì)誤差分別為3.13%、2.50%、2.97%、2.65%,說明所采用的模型能較好地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)優(yōu)化。4結(jié)論1.熱壓溫度、熱壓時(shí)間和板坯含水率是影響基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板性能的主要工藝參數(shù)。隨著溫度的升高,靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度先增大后減小,厚度

25、膨脹率先減小后增大;隨著熱壓時(shí)間的增加,靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度先增大后減小,厚度膨脹率先減小后增大;隨著板坯含水率的提高,靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度先增大后減小,厚度膨脹率一直增加。2.采用響應(yīng)曲面法分析得到最優(yōu)工藝參數(shù)為:熱壓溫度167,熱壓時(shí)間7.8min,板坯含水率34.2%,在此條件下,實(shí)際測(cè)得纖維板的靜曲強(qiáng)度為16.5MPa,彈性模量1032.6MPa,抗拉強(qiáng)度10.4MPa,厚度膨脹率31.0%。與預(yù)測(cè)值相比,各指標(biāo)相對(duì)誤差不大于3.13%。3.采用改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板原料來源廣泛,廢棄后的竹纖維板易生物降解;竹纖維板無甲醛釋放,符合環(huán)保要求,是一種環(huán)境友好型產(chǎn)品。

26、(下轉(zhuǎn)第895頁(yè)39第26卷第6期呂谷來,等.基于改性大豆蛋白膠粘劑的竹纖維板性能 圖7添加未改性CaSO 4晶須和納米TiO 2的PP 2R 樹脂的沖擊斷面形貌Fig.7SEM image of fracture surface of PP 2R resin wit hunmodified CaSO 4Whisker and nano TiO 2圖8改性CaSO 4晶須/納米TiO 2/PP 2R 樹脂復(fù)合材料的沖擊斷面形貌Fig.8SEM image of fracture surface of TiO 2/CaSO 4whisker/PP 2R compositesKH550偶聯(lián)劑的改性

27、效果最好,其適宜用量為CaSO 4晶須的8%,相應(yīng)的活化指數(shù)為0.996。2.在硅包膜、鋁包膜和硅鋁復(fù)合包膜三種包膜方式中,硅鋁復(fù)合包膜對(duì)納米TiO 2的改性效果最好,改性劑的最佳用量為6%。3.經(jīng)CaSO 4晶須改性處理后的PP 2R 樹脂的各項(xiàng)性能都有較大幅度的提高,其適宜添加量為5%,相應(yīng)的熱變形溫度由72提高到104,斷裂伸長(zhǎng)率也由45%提高到122%。4.納米TiO 2的加入對(duì)CaSO 4晶須/PP 2R 樹脂的耐熱性能和力學(xué)性能沒有明顯的影響,但卻能夠大幅度增強(qiáng)復(fù)合材料的抗菌性能,納米TiO 2的適宜添加量為0.5%,復(fù)合材料的抗菌率達(dá)99%以上;5.復(fù)合材料斷面的SEM 顯示,經(jīng)

28、改性處理后的CaSO 4晶須/納米TiO 2在PP 2R 樹脂中呈均勻分散狀態(tài),從而起到了增強(qiáng)增韌和抗菌的效果。參考文獻(xiàn)1董曉武,謝云潔.聚丙烯共聚物新產(chǎn)品的開發(fā)及需求J .中國(guó)塑料,2000,14(35:17.2楊愛武,柏基業(yè).給水用PP 2R 管材專用料的研制J .現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2002,14(3:58.3劉雨情.國(guó)內(nèi)BOPP 專用料的開發(fā)及生產(chǎn)狀況J .中國(guó)化工信息,2001,(48:1011.4N Hasegawa ,M Kawasumi ,M Kato ,et al.Preparation andmechanical properties of polypropylene cla

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