基于玉米醇溶蛋白膠粘劑的木刨花板力學(xué)性能研究

基于玉米醇溶蛋白膠粘劑的木刨花板力學(xué)性能研究

1玉米醇溶蛋白與其他人造板相比，刨花板生產(chǎn)投資小、能耗低、成本低、木材原料的質(zhì)量要求低。它的原材料來源廣泛，具有良好的物理強(qiáng)度。廣泛應(yīng)用于裝飾、家具、建筑材料、家具等行業(yè)。然而,目前廣泛用于刨花板生產(chǎn)的三醛膠來源于不可再生的石油資源,在濕熱環(huán)境下易長時(shí)間釋放出游離甲醛,嚴(yán)重污染環(huán)境,并危害人類健康。隨著原油價(jià)格的不斷上漲和人們對安全意識和環(huán)保意識的日益增強(qiáng),這一問題變得尤為突出。以玉米為原料進(jìn)行深加工的企業(yè),如生產(chǎn)淀粉、淀粉糖、有機(jī)酸、氨基酸等產(chǎn)品的工廠,都會產(chǎn)生大量的下腳料。在這些下腳料中,大約可以分離出占原料質(zhì)量5%~6%的玉米蛋白粉,其主要蛋白質(zhì)為玉米醇溶蛋白。玉米醇溶蛋白具有獨(dú)特的溶解性,它既不溶于水也不溶于無水醇類,但可溶解于60%~95%含水醇溶液中。TathamA.S.等研究發(fā)現(xiàn),玉米醇溶蛋白具有棒狀或扁長橢圓球體結(jié)構(gòu),分子軸徑比在7:1和28:1范圍之間。但當(dāng)玉米醇溶蛋白溶解在乙醇溶液中時(shí),一定量的分子會呈聚集狀態(tài)存在。由于玉米醇溶蛋白不溶于水且缺乏賴氨酸、色氨酸等人體必需氨基酸,還存在色澤和氣味等一系列問題,因而較少應(yīng)用于食品原料中。但玉米醇溶蛋白富含含硫氨基酸,蛋白質(zhì)分子間以較強(qiáng)的二硫鍵、疏水鍵相連,且具有獨(dú)特的溶解性,特殊的分子形狀和結(jié)構(gòu),這些都決定了它具有成膜性。國內(nèi)外許多學(xué)者對玉米醇溶蛋白的成膜性進(jìn)行了研究。如,KimS.等利用交聯(lián)劑改性玉米醇溶蛋白,結(jié)果表明,改性后的玉米醇溶蛋白可形成良好的薄膜。WuQ.X.等研究表明,經(jīng)過適度改性可以有效提高玉米醇溶蛋白薄膜的強(qiáng)度及耐水性。NicholasP.等研究了玉米醇溶蛋白用于玻璃表面的膠粘性,發(fā)現(xiàn)將玉米醇溶蛋白溶解在醇溶液中,在一定的濕度下具有良好的膠粘性,可用于粘結(jié)玻璃。目前,國內(nèi)外對玉米醇溶蛋白作為膠粘劑用于制備刨花板的研究鮮有報(bào)道。根據(jù)玉米醇溶蛋白的溶解性,本文采用乙醇溶液作為主要溶劑溶解玉米醇溶蛋白,通過單因素試驗(yàn)研究二氯甲烷、玉米醇溶蛋白、制膠時(shí)攪拌溫度等因素對基于玉米醇溶蛋白膠粘劑的刨花板力學(xué)性能的影響規(guī)律,為制備玉米醇溶蛋白膠粘劑及環(huán)境友好刨花板提供理論依據(jù)和工藝措施。2材料和方法2.1蛋白和木糠花玉米醇溶蛋白由江蘇省高郵市日星藥用輔料有限公司提供,蛋白含量約91%;木刨花,由浙江大學(xué)木工廠加工,粒度為2~5mm;乙醇,分析純,浙江省杭州大方化學(xué)試劑廠;二氯甲烷,分析純,浙江省杭州雙林化工試劑廠。2.2電動加硫成型工藝及設(shè)備CNT4204型微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),深圳新三思公司;GT-7014-A50C型水冷式電動加硫成型機(jī),高鐵檢測儀器(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-1型精密增力電動攪拌器,江蘇金壇市江南儀器廠;自制成型模具等。2.3測試方法2.3.1玉米醇溶蛋白凝膠的制備制備工藝流程如下:溶劑75ml→加玉米醇溶蛋白→攪拌1.0h至均勻→與130g木刨花混合→攪拌15min→調(diào)節(jié)板坯含水率→鋪裝→熱壓成型。2.3.2玉米醇溶蛋白成膠固結(jié)實(shí)驗(yàn)前期預(yù)試驗(yàn)中,采用85%的乙醇溶液溶解玉米醇溶蛋白,并進(jìn)行木片粘結(jié)試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)不能將木片有效粘結(jié)在一起。經(jīng)篩選,向乙醇溶液中加入適量的二氯甲烷后,制成的溶液能粘結(jié)木片,且被粘結(jié)木片的干態(tài)剪切強(qiáng)度達(dá)到5MPa左右,表明該玉米醇溶蛋白溶液具有一定的膠粘性。因此,本文采用在85%的乙醇溶液中添加適量的二氯甲烷以溶解并改性玉米醇溶蛋白,制備玉米醇溶蛋白膠粘劑。采用單因素試驗(yàn),控制刨花板的目標(biāo)密度為0.75g/cm3,目標(biāo)厚度為8mm,在前期研究的基礎(chǔ)上,設(shè)定相應(yīng)的熱壓溫度為170℃、壓力5MPa、熱壓時(shí)間8min。選取二氯甲烷、玉米醇溶蛋白和制膠時(shí)攪拌溫度等3個(gè)因素,每個(gè)因素選取5個(gè)水平,考慮到玉米醇溶蛋白本身在高溫下容易變性,影響其性質(zhì),所以溫度范圍定在25℃~65℃,各因素水平如表1所示。每個(gè)水平重復(fù)4次試驗(yàn)。2.3.3性能測試方法測試的力學(xué)性能指標(biāo)為靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等,按刨花板國家標(biāo)準(zhǔn)(GB4897-2003)測定。每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測試4次,取算術(shù)平均值。3結(jié)果與分析3.1混合溶劑體積表2所示玉米醇溶蛋白含量為30%,制膠時(shí)攪拌溫度為25℃條件下,不同二氯甲烷含量的玉米醇溶蛋白膠粘劑制備木刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的測試結(jié)果。表中可知,二氯甲烷含量對刨花板力學(xué)性能的影響顯著。在相同混合溶劑體積條件下,隨著溶劑中二氯甲烷體積百分含量的增加,刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當(dāng)二氯甲烷的體積百分含量為20%時(shí),刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到最佳。這可能是因?yàn)橄蛞掖既軇┲刑砑由倭慷燃淄闀r(shí),玉米醇溶蛋白在乙醇溶液中仍以聚集狀態(tài)存在,沒有充分地分散在溶液中,故溶液的膠粘性很差。隨著二氯甲烷的增加,可使玉米醇溶蛋白從聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變成分散狀態(tài),增強(qiáng)溶液的膠粘性,從而使制備的刨花板各項(xiàng)力學(xué)性能的指標(biāo)值增加。如果二氯甲烷的體積百分含量過高,則反而使玉米醇溶蛋白分子過度分散或結(jié)構(gòu)破壞,從而使制備的刨花板各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)值下降。3.2玉米醇溶蛋白的力學(xué)性能表3所示為二氯甲烷的體積百分含量為20%,制膠時(shí)攪拌溫度為25℃條件下,不同玉米醇溶蛋白含量的膠粘劑制備木刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能測試結(jié)果。表中可知,不同玉米醇溶蛋白含量對刨花板力學(xué)性能的影響顯著。在相同混合溶劑體積條件下,隨著玉米醇溶蛋白百分含量的增加,刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當(dāng)玉米醇溶蛋白的百分含量為30%時(shí),刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到最佳。這是因?yàn)殡S著玉米醇溶蛋白百分含量的增加,膠粘劑的濃度增加,玉米蛋白與刨花顆粒的膠合點(diǎn)增多,增加了板內(nèi)膠合點(diǎn)的數(shù)量和面積,減少了刨花之間的空隙,膠粘劑與刨花之間的結(jié)合更加緊湊、牢固,從而增強(qiáng)了刨花板的力學(xué)性能。隨著玉米醇溶蛋白百分含量的繼續(xù)增加,膠粘劑濃度過高,容易造成施膠不均,且蛋白膠與木顆粒成團(tuán)狀結(jié)塊,造成刨花板不同部位的性能有較大差異,因而降低整塊板的性能。3.3制膠溫度對玉米醇溶蛋白力學(xué)性能的影響表4所示為二氯甲烷體積百分含量為20%,玉米醇溶蛋白含量為30%條件下,制膠時(shí)采用不同攪拌溫度的玉米醇溶蛋白膠粘劑制備木刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能的測試結(jié)果。表中可知,制膠溫度對刨花板的力學(xué)性能影響顯著。隨著溫度的增加,刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)攪拌溫度為25℃時(shí),刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能最佳。這可能是因?yàn)橛衩状既艿鞍自谳^高溫度作用下,肽鍵因過分受熱振蕩而引起氫鍵破壞,并引起二硫鍵斷裂或二硫鍵之間的交換反應(yīng),使玉米醇溶蛋白發(fā)生不同程度的熱變性。溫度越高,玉米醇溶蛋白熱變性的程度越深,從而使膠粘劑的膠粘性及刨花板的力學(xué)性能下降。4玉米醇溶蛋白粘合劑的力學(xué)性能1.采用玉米醇溶蛋白膠粘劑制備木刨花板,當(dāng)溶劑中二氯甲烷的體積百分含量在10%~50%范圍內(nèi)增加時(shí),二氯甲烷對刨花板的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能的影響顯著。隨著二氯甲烷的增加,刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當(dāng)二氯甲烷的體積百分含量為20%時(shí),刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到最佳。2.當(dāng)玉米醇溶蛋白的百分含量在20%~40%范圍內(nèi)增加時(shí),玉米醇溶蛋白對刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能影響顯著。隨著玉米醇溶蛋白的增加,刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當(dāng)玉米醇溶蛋白百分含量為30%時(shí),刨花板的各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到最佳。3.制膠時(shí)攪拌溫度對玉米醇溶蛋白膠粘劑制備的刨花板各項(xiàng)力學(xué)性能的影響顯著。當(dāng)溫度在25℃