使用硅烷偶联剂对结合甲醛的芦苇和小麦刨花板的改善作用外文翻译资料

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使用硅烷偶联剂对结合甲醛的芦苇和小麦刨花板的改善作用

Guangping Han；Changwu Zhang；Dongmei；ZhangKenji；Umemura；Shuichi Kawai；

摘要：通过脲醛树脂粘结的芦苇和秸秆刨花板是由两种不同结构的材料制作的。这种刨花板的密度范围是 0.55-0.90g/cm ³。颗粒的大小和刨花板的密度对板子性能的影响被测试过。由细颗粒生产的刨花板物性比由粗颗粒制成的更好。刨花板密度的增加导致了其性能有相应的改进。相对来说，通过脲醛树脂粘结的芦苇和秸秆刨花板的性能低于商业刨花板。三硅烷偶联剂被用来提高芦苇、麦粒和脲醛树脂之间的接合性。这项研究的结果表明，通过硅烷偶联剂的加入，刨花板的性能会有所改善。每个偶联剂的改善状况是不同的；环氧硅烷对于芦苇刨花板比较有效，而氨基硅烷对于麦秸刨花板更好。

关键字：芦苇秸秆；麦秸；碎料板；脲醛树脂；硅烷偶联剂；

导论

基于全球森林资源衰退和人口增长，近年来，以农业为基础的资源已被用以补充从现有森林资源砍伐的木质材料。这些农基材料的主要利用方式之一是转化为复合材料产品。这项调查研究已经进行了多年，将竹子、甘蔗渣、高粱、和油棕茎制成复合产品的制作技术已经有所提高。^1-4有些问题仍然存在季节性，存储，散射源和可焊性等问题。⁵在这些因素中，尤其当脲基树脂被应用时，粘结性仍然是一个主要未解决的技术问题。

芦苇一向被用来造纸，但近年来，也正在考虑它的其他用途，尤其是对于远离造纸厂的地区,这些资源没有被利用。世界上农业植物之一,小麦占据最大的种植面积:约1410亿公顷而最高年产量达到8350亿吨。目前，麦秸没有被工业化的利用，只有少量的用于造纸生产。因此，有必要找出替代应用，以便这些材料可以被充分的利用以此有益于人类和环境。

一些芦苇和麦秸刨花板的研究已经进行了。据报道由脲醛树脂制作的板子性能较差，而高质量的板子可使用异氰酸酯树脂来制造。硅烷偶联剂通常施加用于提高有机和无机材料之间的粘合。有分子中至少有两个官能团：一个是甲氧或乙氧基基团，是在中或者其他无机材料中分解所得；另一个是氨基或环氧基团，它可以与有机材料反应得到。在这方面，硅烷偶联剂被用于通过固定一些有机官能团来修改其无机表面。

本研究的目的是评估芦苇和小麦刨花板的基本属性和识别的有效方法来提高通过使用硅烷偶联剂后，脲醛树脂与这些材料的粘合性。

实验

材料

使用的原料分别是空气密度为0.57和0.31克/厘米的芦苇（Phragrnites群落TRIN）和小麦（小麦L.）的茎。茎第一次用茎用鼓式削片机切成150 - 200毫米的长度,然后进一步完善。将这些颗粒筛分成细和粗两组颗粒。表1总结了细和粗颗粒的成分分析。使用的所有粒子用烘箱在80℃条件下干燥至水分含量约3%。

在此研究中使用的脲醛树脂由中国正阳木材加工公司提供。脲醛树脂的树脂固体含量和脲/甲醛摩尔比分别为60％-65％和1.0：1.4。

三硅烷偶联剂（乙烯基硅烷，氨基硅烷和环氧硅烷）在这项研究中被用于提高刨花板的性能。这些化合物的化学结构如下。

乙烯基硅烷(SiVN)

Vinyltriethoxysilane(SiVN 1):CH₂=CH-Si(OC₂H₅)₃

Vinylytris(beta;-methoxyethoxy)silane (SiVN 2):CH₂=CH-Si(OC₂H₄OCH₃)₃

氨基硅烷(SiNH)

r-Aminopropyltriethoxysilane: NH₂-C₃H₆-Si(OC₂H₅)₃

Epoxide silane (SiEP)

r-Glycidoxypropyltrimethoxy:

O

/

H₂C-CH-CH₂-O-C₃H₆-Si(OCH₃)₃

这些硅烷偶联剂（盖冼化学公司，中国）的一些性能示于表2中。

板的制造

脲醛树脂被喷到基于掺混13%的树脂含量的颗粒干燥重量的烘箱中。基于树脂固体的重量，硅烷偶合剂的两成与脲醛树脂在之前混合好。基于树脂固体的重量百分之一的NH₄Cl，被加入作为固化催化剂。

表1 细颗粒和粗颗粒的分析成分

表示为基于总重量百分比。

表2 硅烷偶联剂的一些性质

手工制成的席子在150℃条件下用距离棒压制7分钟变成8mm的薄板。使用一种三步骤挤压过程来避免起泡。在第一个步骤中，席子被用1分钟3MPa的压力下压制，在第二和第三步分别用3min2Mpa和3Min1Mpa的压力压制。该板的尺寸为450times;430times;8mm，且目标密度范围为0.55 -0.90g/cm ³。两块板均在相同的条件下制造;一共有52板制造一起。制造板的密度示于表3。

板的测试

样本切割后按GB/ T4897-92（中国的刨花板标准）进行测试。试样弯曲试验大小为27times;5cm，有效跨距为15cm。样品尺寸的内部结合（IB）和厚度溶胀（TS）分别为5times;5厘米和2.5times;2.5厘米。厚度膨胀率通过浸渍在20℃的水中2小时后测量板厚度的变化测定。每个条件重复4到8次。

结果与讨论

芦苇和小麦板的属性

图1和图2显示了粒子大小对断裂模量(MOR)和不同密度的芦苇和麦秸板的影响。类似于传统的木基刨花板，MORS和IBS同时增加了板密度。芦苇和小麦两者的IB值比常规木材刨花板低得多。

它是从图中显而易见的，无论对于芦苇和小麦碎料生成的单板MORS和的IB比来自粗颗粒在相同的板密度的水平更好。众所周知的尺寸和颗粒结构对板性质有很大的影响。一般情况下，小颗粒导致低MOR和高IB。该实验的结果可以归因于原材料的固有特性。像其他非木材一样，无论是芦苇和小麦秸秆都比木材半纤维素和灰分含量高。这两种秸秆的外表面覆盖有许多二氧化硅和蜡。固有的非极性的组合会引起二氧化硅和蜡，以及脲基树脂的极性，亲水性的表面导致这两个部件之间难以粘附。在更小的颗粒的情况下，所述颗粒的比表面积增大，导致含有二氧化硅和蜡的表面的减少。这将导致引起二氧化硅和蜡等更高MORS和的IB得到降低的粘合的抑制作用。

图3表示粒径在TS上板的不同密度的效果。在一般情况下，水浸泡了长持续时间之后TS必须增加而增加，因为在更高密度的板压实颗粒的更大的回弹板密度的倾向。然而，在此研究中，发现了两簧片和小麦板的TS值减少与增加板上的密度，特别是簧片板有关。在这种TS情况下，减少的原因可能是在水浸渍时间比较短。虽然样本量小，一个浸泡2小时可能太短，水无法全面渗入板子;因此大部分的压实颗粒没有经历过完整的回弹。低密度板比高密度板多个空隙。因此，会有更多的水吸收，造成较大的回弹。就高密度来说，高粘接强度可能占更重要的位置，其中吸水率在这么短的浸泡而言更占主导地位。

使用的细颗粒做成的板子的TS值比那些由粗颗粒制成低。这可能是由于板的紧密结构，其中细颗粒之间的接触比较好造成的。更高的IB强度也可能导致水渗透的减少。图3还表明，小麦板比芦苇板大很多，这可能反映了芦苇板具有相同密度的更高IB值，如图2所示。

采用硅烷偶联剂改进板特性

上述籼稻板性能的效果并不理想，必须加以改进。图4和表4显示从用硅烷偶联剂和粗颗粒制成的板子的效果。所有的值进行校正成板密度为0.70克/ cm 3，根据板的密度和特性之间的相关关系获得线性方程。通常通过加入硅烷偶联改善板性能。对于芦苇板，即使MOR没有大幅增加，IB也显著改善。加入SIEP后的IB值变为控制的两倍高。还发现该TS值与控制值相比降低了约5％。对于小麦板，SINH掺入0.24MPa的IB，这是控制值的4倍。SINH还降低小麦板控制值三分之一的TS值，从而导致最后TS值只有17%。

各偶联剂引起的改善是不同的。此，SINH结果在小麦板的IB上有很大的改善，但对于SiVN1和SiVN2不是很有效。这种差异可能与它们在使他们能够发挥功能的最佳粘合剂的化学结构上的差异有关。SiVN1和SiVN2分别与聚乙烯和聚酯树脂相溶；SINP和SIEP是与甲醛和环氧树脂相溶。

环氧硅烷（SIEP）被认为对芦苇板是更有效的，而小麦板的性能因为添加的SINH进行了极大地改善。这种改进可能是由于偶联剂脲醛树脂和这些颗粒之间的反应。在SIEP分子中有两个官能团：甲氧基硅烷基和环氧基。甲氧基硅烷容易水解，并可与二氧化硅在材料表面发生反应产生硅醇基形成强硅氧烷键。据推测，在树脂分子中环氧基和酰胺基团之间也可以发生反应，并且所形成的酰胺基也能够与甲醛的水合物反应。乙氧基硅烷和氨基是SINH分子的两个主要的官能团。乙氧基硅烷可能会遇到类似于甲氧基烷的反应，脲醛中可能发生氨基和羟基基团之间的反应。脲醛树脂加入硅烷偶联剂之后的固化反应可能是更复杂的，发生上述反应必须进一步的调查。

结论

脲醛芦苇和小麦的特性可以制造不同密度的小麦刨花板是确定的。已经发现粒径对板性质产生着深远的影响。从微粒产生既芦苇和小麦板的物性为比那些从因为它们具有更高的粘合程度的粗颗粒制成更好。

板的特性与板的密度密切相关。板密度的增加导致机械性能和尺寸稳定性更高。然而，样品密度在0.50-0.80g/cm³时的IB比GB/T4897-92（0.35MPa时）的最低要求低。该TS值为芦苇和小麦碎料超过标准要求的8％。

硅烷偶联剂可用于改善板芦苇和小麦刨花板的性能。改善对于IB比MOR或TS更加明显。看来，SIEP比芦苇板更有效，而SINH对小麦板更好。引起硅烷偶联剂接合性的提高的机理并不完全清楚，在此阶段，，需要更详细的调查。

致谢

作者感谢 Professor Zhenguo Lui，中国黑龙江林业产品研究所为他的整个研究提供宝贵支持和援助，并感谢Ms. Ee Ding Wong的阅读与批评。

参考文献

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