蘇 玲 徐玉蘭 任天愉 龐久寅

（1.煙臺職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 264670；2.北華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林省吉林市 132013）

脲醛樹脂（UF）因其性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、可操作性強(qiáng)，成為我國木材工業(yè)中用量最大的膠黏劑品種[1]。目前，我國生產(chǎn)的脲醛樹脂膠黏劑基本為液體膠，液體脲醛膠儲(chǔ)存期一般為1～2 個(gè)月，極易造成浪費(fèi)。粉狀脲醛樹脂膠與液體脲醛樹脂膠相比，貯存期長，可達(dá)1～2 年，利于集中生產(chǎn)，而且便于運(yùn)輸，可大大降低包裝成本和運(yùn)費(fèi)。粉狀脲醛樹脂越來越受到市場的青睞[2-5]。粉狀脲醛樹脂一般由聚合物乳液通過噴霧干燥方法制得[6-7]。噴霧干燥時(shí)，以黏度大、流動(dòng)性差、軟化點(diǎn)低、難干燥的脲醛乳液為原料，中間體黏度越大，其霧化程度越難，所得產(chǎn)品粒度大，產(chǎn)量低，且難溶于水；中間體黏度太小，其分子量太小，反應(yīng)不完全，噴霧干燥時(shí)，較易霧化，但反應(yīng)不完全，膠粉得率低，游離醛含量明顯增加[8]。因此噴霧干燥制得的粉狀脲醛樹脂膠往往存在不易復(fù)水的現(xiàn)象。目前相關(guān)研究主要集中在脲醛樹脂結(jié)構(gòu)、低甲醛釋放的脲醛樹脂、改性脲醛（UF）樹脂等方面[9]，對粉狀脲醛樹脂復(fù)水研究較少。有學(xué)者通過噴霧干燥方式制備粉狀三聚氰胺脲醛樹脂（MUF），對其水溶性、分子結(jié)構(gòu)、膠結(jié)性能等進(jìn)行研究。通過單層刨花板膠合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，噴霧干燥前后的樹脂性能無明顯差異，表明噴霧干燥的MUF樹脂不影響?zhàn)ず腺|(zhì)量和性能，可以儲(chǔ)存粉狀形式的MUF樹脂；噴霧干燥時(shí)膠液濃度和干燥溫度均對粉狀三聚氰胺脲醛樹脂膠的溶解性能有影響，其中溫度過高可能導(dǎo)致溶液發(fā)生聚合，提前固化，致使粉狀三聚氰胺脲醛樹脂膠不溶解，不能用作黏合劑；該研究制備的粉狀三聚氰胺脲醛樹脂需在40～50 ℃水溫中才能溶解[10]。

聚乙烯醇(PVA)為白色粉末狀水溶性高分子樹脂，無毒無害，被廣泛用作黏合劑[11-13]。水溶性高分子材料大多具有表面活性，可以降低水的表面張力，有助于水對固體的潤濕，對顏料、粘土、填料等物質(zhì)在水中的分散有利，而且水溶性高分子可以吸附在已分散固體顆粒的表面，阻止顆粒的相互聚集[14-15]。

本研究通過加入水溶性高分子聚乙烯醇以改善粉狀脲醛樹脂的復(fù)水性能，研究聚乙烯醇對粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠的黏度、沉降性的影響，并以樹脂固體含量、聚乙烯醇加入量、固化劑量為變量，通過正交試驗(yàn)研究上述因素對粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠膠合強(qiáng)度的影響，確定了適宜的樹脂固體含量、固化劑與聚乙烯醇的加入量。本研究聚焦于改善粉狀脲醛樹脂復(fù)水性能，對于促進(jìn)高性能環(huán)保粉狀脲醛樹脂膠黏劑的專業(yè)化生產(chǎn)、人造板產(chǎn)品的生產(chǎn)與使用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

山楊（Populus davidiana）單板（400 mm×400 mm×1.5 mm）, 吉林市榮升木業(yè)有限責(zé)任公司；4405 粉狀脲醛樹脂（工業(yè)級），太爾膠粘劑（廣東）有限公司；98%無水乙醇（C2H6O，分析純），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；90%乙酸乙酯（C4H8O2，分析純），遼寧泉瑞試劑有限公司；99%氯化銨（NH4Cl，分析純），沈陽市華東試劑場；36%鹽酸（HCl，工業(yè)級），天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；1788 聚乙烯醇，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；工業(yè)面粉（工業(yè)級），天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；工廠脲醛液體膠（摩爾比2.0，固體含量50%，工業(yè)級）。

1.2 設(shè)備

數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-1），金壇市富華儀器有限公司；密增力電動(dòng)攪拌器（JJ-1A），金壇市富華儀器有限公司；分析天平（FA2004），上海越平科學(xué)儀器有限公司；電子天平（TD12001），金姚市金諾天平儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-90），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；平板硫化機(jī)（XLB-D），湖州順力橡膠機(jī)械有限公司；精密推臺踞（MJ6132D），新馬木工機(jī)械設(shè)備有限公司；液壓式木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（WDW-100E），濟(jì)南時(shí)代試金儀器有限公司。

1.3 粉狀脲醛樹脂膠黏劑制備及其基本性能測定

1.3.1 聚乙烯醇改性粉狀脲醛樹脂液體膠制備

稱取100 g粉狀脲醛和100 g蒸餾水加入三口燒瓶中，固定在鐵架臺上，放入30 ℃恒溫水浴鍋中，設(shè)置轉(zhuǎn)數(shù)200 r/s，加熱攪拌30 min，粉狀脲醛與蒸餾水充分混合后，即得固體含量50%粉狀脲醛樹脂膠，標(biāo)記為1號膠。按照同樣方法，加入120 g粉狀脲醛和80 g蒸餾水，制備固體含量60%粉狀脲醛樹脂膠，標(biāo)記為2號膠。加入140 g粉狀脲醛和60 g蒸餾水，制備固體含量70%粉狀脲醛樹脂膠，標(biāo)記為3號膠。從1號、2號、3號膠液中分別取同樣質(zhì)量的膠液于3個(gè)瓶中，瓶中分別加入3%、5%、10%聚乙烯醇，標(biāo)號為4號、5號、6號，靜置備用。將工廠液體脲醛樹脂膠標(biāo)記為7號，其固體含量約為50%。

1.3.2 聚乙烯醇加入前后粉狀脲醛樹脂液體膠黏度測定

取7個(gè)干凈的燒杯并標(biāo)號，從7個(gè)標(biāo)號的液體膠中分別取一定量的膠，分別放入燒杯中。將7個(gè)燒杯放入30 ℃恒溫水浴槽內(nèi)，使膠液溫度達(dá)到30 ℃，攪拌均勻。用涂-4杯測定液體膠黏度。每個(gè)標(biāo)號的樣品平行測定3次，計(jì)算平均值。用此方法將其余6組依次進(jìn)行測定，記錄讀數(shù)。

1.3.3 聚乙烯醇加入前后粉狀脲醛樹脂液體膠沉降性能測定

取1 000 mL量筒，量筒內(nèi)加入1 000 mL蒸餾水，保持量筒水面上部分內(nèi)壁干燥。稱取2 g脲醛樹脂膠料試樣，放入水中同時(shí)按下秒表，記錄樣品下沉至500 mL處所需時(shí)間，每個(gè)樣品重復(fù)3次，計(jì)算平均值[16-19]。1-7號樣品按照以上方法進(jìn)行測量，記錄數(shù)據(jù)。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按正交試驗(yàn)L9（34）設(shè)計(jì)9次試驗(yàn)，以膠合強(qiáng)度為主要考察指標(biāo)，選取液體膠固體含量、氯化銨加入量和聚乙烯醇加入量為影響因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平。正交試驗(yàn)因素與水平見表1，設(shè)計(jì)方案見表2。按設(shè)計(jì)方案制備膠黏劑，并壓制膠合板。

表1 正交試驗(yàn)L 9(3 4)因素水平表Tab.1 Factors and levels of orthogonal array design

表2 正交試驗(yàn)方案Tab.2 Orthogonal test scheme

1.5 膠合板制備

采用不同因素條件制得的粉狀脲醛樹脂液體膠制備三層膠合板。取27 張楊木單板，3 張一組，分別標(biāo)號1～9 組。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在不同固體含量的液體膠中加入相應(yīng)的固化劑氯化銨、親水膠體聚乙烯醇以及適量面粉（面粉加入量為膠液的10%），攪拌均勻。將調(diào)配好的膠黏劑均勻涂布于三層膠合板芯板的正反兩面，組坯后在室溫下放置15 min，然后將板坯放入平板硫化機(jī)熱壓[20-24]。熱壓工藝參數(shù)：溫度110 ℃，壓力1.0 MPa，時(shí)間300 s，單面涂膠量220 g/m2。熱壓完成后取出膠合板，檢查膠合板是否有鼓泡、破損等損壞現(xiàn)象，并記錄標(biāo)號。采用上述方式重復(fù)試驗(yàn)，得到9 組膠合板。另取3 張楊木單板，使用同樣方法調(diào)配工廠液體脲醛樹脂膠（固化劑加入量為膠液的0.5%，面粉加入量為膠液的10%），在同樣熱壓工藝下制備膠合板，標(biāo)號第10 組。

1.6 膠合強(qiáng)度測定

根據(jù)GB/T 9846—2015《普通膠合板》中Ⅱ類膠合板的檢測方法檢測膠合強(qiáng)度。

按照圖1所示鋸取試件，用液壓式木材萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測試試件膠合強(qiáng)度。平行試驗(yàn)3 次，每次試樣為 10個(gè)，取結(jié)果的算術(shù)平均值，結(jié)果之差不大于0.3 MPa。

圖1 膠合強(qiáng)度檢測標(biāo)準(zhǔn)試件圖示Fig.1 Illustration of standard specimens for bonding strength testing

試件膠合強(qiáng)度計(jì)算：

式中：P為最大破壞荷重，N；A為試件剪斷的實(shí)際寬度，mm；B為試件剪斷面的實(shí)際長度，mm；S為試件的膠合強(qiáng)度，N/mm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚乙烯醇對粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠黏度的影響

由表3中1、2、3號數(shù)據(jù)可知，同一種類型的膠黏劑，固體含量越高，膠黏劑的黏度越大，粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠固體含量為70%時(shí)黏度可達(dá)37.22 s。將1、2、3 號膠黏劑與7 號固體含量為50%的工廠液體膠對比可知，在一定固體含量范圍內(nèi)，工廠液體膠的黏度大于粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠黏度。由4、5、6 號數(shù)據(jù)可知，加入聚乙烯醇后有助于提高復(fù)水后膠黏劑的黏度，這是由于加入聚乙烯醇不僅提高了膠黏劑的固體含量，膠黏劑的分子量也得到提高，分子量增大可提高液體的黏度。當(dāng)聚乙烯醇加入量為10%時(shí)，固體含量為70%的復(fù)水樹脂膠黏劑黏度可達(dá)47.92 s。以上分析說明，加入一定量的聚乙烯醇可提高粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的黏度，但聚乙烯醇加入量為10%時(shí)，仍然低于固體含量為50%的工廠液體膠的黏度。

表3 30 ℃時(shí)不同固體含量膠黏劑的黏度Tab.3 Viscosity test results with different solid content at 30 ℃

2.2 聚乙烯醇對粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠沉降性的影響

膠樣在水溶液中沉降快，在一定程度上說明膠樣穩(wěn)定性差[25]。由表4 中1、2、3 號數(shù)據(jù)可知，粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠固體含量越高，膠黏劑在水中沉降越快。對比表中1、2、3 號與4、5、6 號數(shù)據(jù)可知，由于親水性膠體聚乙烯醇的加入，膠液的固體含量增大，膠液沉降時(shí)間減少，但是沉降時(shí)間變化不明顯。膠液的固體含量變化并未對沉降時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響，說明聚乙烯醇的加入在一定程度上提高了粉狀脲醛樹脂的復(fù)水性能。

表4 沉降性檢測結(jié)果Tab.4 Settlement test results

2.3 聚乙烯醇對粉狀脲醛樹脂復(fù)水后膠合強(qiáng)度的影響

表5 所示為通過正交試驗(yàn)得到的膠合板膠合強(qiáng)度。同時(shí)測得用工廠液體脲醛膠制備的第10 組膠合板的膠合強(qiáng)度為2.231 5 MPa。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后的液體膠固體含量為60%時(shí)，膠合板的膠合強(qiáng)度最高，固體含量過高或過低時(shí)都會(huì)導(dǎo)致膠合板的膠合強(qiáng)度變差；膠合板的膠合強(qiáng)度隨氯化銨加入量的增加而上升。正交試驗(yàn)極差分析表明：粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量、氯化銨加入量、聚乙烯醇加入量三因素對膠合板膠合強(qiáng)度的影響程度排序?yàn)橐后w膠固體含量（A）＞氯化銨加入量（B）＞聚乙烯醇加入量（C）。由于聚乙烯醇對膠合板的強(qiáng)度影響程度較小，同時(shí)在9 組試驗(yàn)中，當(dāng)粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量為60%、氯化銨加入量為1.5%、聚乙烯醇加入量為3%時(shí)膠合板的膠合強(qiáng)度最大，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本文選取的優(yōu)化參數(shù)組合為固體含量60%、氯化銨1.5%、聚乙烯醇3%，在此條件下制得的三層楊木膠合板膠合強(qiáng)度為2.113 6 MPa，膠合強(qiáng)度達(dá)到GB/T 9846—2015 Ⅱ類膠合板要求。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab.5 Orthogonal array design and corresponding experimental results

3 結(jié)論

本研究將粉狀脲醛樹脂和適量水混合制備粉狀脲醛樹脂膠黏劑，并在膠液中加入水溶性高分子聚乙烯醇，研究聚乙烯醇對粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠的黏度、沉降性的影響，通過正交試驗(yàn)研究了粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量、聚乙烯醇加入量、固化劑量對膠合強(qiáng)度的影響，得出以下結(jié)論：

1）聚乙烯醇的加入可提高粉狀脲醛樹脂復(fù)水后膠黏劑的黏度。當(dāng)聚乙烯醇加入量為10%時(shí)，固體含量為70%的粉狀脲醛樹脂膠黏劑黏度可達(dá)47.92 s。

2）親水性膠體聚乙烯醇加入后膠液的固體含量增大，膠液沉降時(shí)間減少，但是沉降時(shí)間變化不明顯，聚乙烯醇的加入在一定程度上提高了粉狀脲醛樹脂的復(fù)水性能。

3）膠黏劑參數(shù)優(yōu)化組合為粉狀脲醛樹脂復(fù)水后液體膠固體含量60%、氯化銨1.5%、聚乙烯醇3%，在此條件下制得的膠合板膠合強(qiáng)度為2.113 6 MPa，達(dá)到GB/T 9846—2015 Ⅱ類膠合板要求。