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半纤维素分子量对生物基木材胶粘剂粘接性能的影响

日期:2022-12-06    来源:生物质前沿  作者:李鹏辉

国际新能源网

2022
12/06
16:12
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关键词: 化石能源 半纤维素 生物基木材胶

现如今,木材工业中最常用的粘合剂是以化石能源为基础的,但对新的、可再生的、危害较小的粘合剂资源的寻找正在进行。半纤维素作为木材胶粘剂的一种成分,显示出良好的粘结性能。瑞典皇家理工学院化学生物技术和健康工程科学学院Fogelström教授通过使用槐豆胶作为半纤维素模型并通过水解改变分子量,研究了半纤维素分子量对重要粘合剂性能的影响,如粘度和粘合强度。结果显示,粘合强度和分子量之间存在非线性比例关系。在研究中使用的分子量范围内,即70-1460 kDa,中间分子量(320和530 kDa)的粘合剂性能达到最佳,特别是在考虑适用性和粘合强度时。分子量较低的粘合剂,70和150 kDa,没有表现出足够的内聚强度;因此,粘合强度较低。分子量较高的粘合剂,1460 kDa,难以应用,特别是由于其最大固体含量非常低,为5 wt %。

图文解读

对于粘合剂制备,将来自Ceratonia silique种子的刺槐豆胶(LBG)样品分散在去离子水中,在85°C下4小时,以确保非常粘稠的分散体的最大溶解度。

首先,制备了固含量为5 wt %的LBG分散体。LBG分子量的差异导致不同的粘度(图4a)。以前已经报道了分子量对粘度的这种影响。在这项研究中,重要的是所有粘合剂都具有相似的流动性,以便在比较分子量效应时排除粘度的影响。因此,其次,制备具有不同固体含量的LBG分散体以达到恒定的粘度。使用所使用的锥体和板式粘度计无法确定LBG纯分散体的粘度。从图1b可以看出,所有由高固含量的水解LBG制备的胶粘剂的外观与LBG纯胶粘剂相似,其粘度值在0.40至0.45 Pa·s之间变化。即使LBG没有完全溶解在水中,分散体也是均匀的。

Figure 1. Photographs of dispersions containing locust bean gum (LBG) with varying molecular weights applied on wood veneers, with corresponding viscosity and solid-content data: (a) all with 5 wt % solid content and (b) all with 0.40–0.45 Pa·s viscosities. * The viscosity was not possible to determine with the cone and plate viscometer used in this study.

本研究中使用的分散体的固体含量为5-16wt%,单层应用的粘合剂的固体扩散率为18g/m2。固体含量为5%的更高数量的粘合剂会导致粘合剂从粘合线上溢出。由于这些固体含量以及由此产生的固体扩散率与商业木材粘合剂(固体含量≈50 wt %)相比明显较低,本研究中使用的粘合剂也分四层使用,以增加其在粘合线中的数量。四层的应用相当于72克/平方米的固体扩散率。木皮在120℃和1.7MPa下热压2.5分钟。对热压样品进行分析,以确定其干燥、重新干燥和湿拉伸剪切强度。通过光学显微镜分析了粘合线和粘合剂的渗透。

图2显示了用LBG分散体单层粘接的贴面的拉伸剪切强度。浅灰色条代表固体含量为5wt%的分散体。没有进行粘度调整,因此粘度是因分子量不同而变化的。LBG分子量的减少导致了强度的降低。水解-LBG分散体的粘度很低;这导致了溢出和过度渗透,从而导致粘合线上的胶量不足,无法达到良好的强度。为了排除分子量变化引起的粘度差异的影响,制备了具有恒定粘度的分散体(0.40-0.45 Pa-s)。这些分散体的拉伸剪切强度在图2中用深灰色条表示。LBG-530的强度最高,LBG-320的强度略低;这两个样品在粘合线上都出现了木材破坏,分别为65%和50%。LBG-150和LBG-70表现出较低的强度,有15%的木材失效,这表明即使粘合剂留在粘合线内,由于内聚强度不足,较低的分子量也会产生较低的强度。与LBG-530和LBG-320相比,LBG-neat显示出较低的强度,这被认为是由于渗透不足,即由于高粘度和高分子量,粘合剂不能深入到木材中。水解LBG分散体样品有更多的低分子量部分,可以更深入地渗透到木材基材中,从而有助于提高强度。相同分子量和不同粘度的LBG分散体之间的比较表明,更高的、恒定的粘度可以获得更高的强度。粘度越高,越能避免溢出,更多的粘合剂出现在粘合线上(图3)。分析表明,由于所使用的固体粘合剂量很低,所以粘合线非常薄,几乎不存在(图3)。用一层水解LBG和5%固体含量的粘合剂粘合的样品在切割过程中大部分都出现了脱层。

Figure 2. Dry tensile shear strength of veneers bonded with nonhydrolyzed locust bean gum (LBG-neat) dispersion and hydrolyzed LBG dispersions with varying molecular weights, applied in one layer. The numbers in the bars represent percentage of wood failure. Significant differences between samples are indicated with the different letters.

Figure 3. Photographs and optical microscope images of veneers bonded with LBG-70 with (a) 5% and (b) 16% solid content, applied in one layer.

图4显示了用固含量为5wt%的LBG分散体粘合的木皮的拉伸剪切强度和不同的粘度。强度随着LBG分散体数量的增加而增加,因为粘合线中更多的粘合剂可以增加相互作用。粘合线分析表明,使用更多的粘合剂时,粘合线更厚。水解LBG分散体的低粘度有助于提高强度;在连续涂抹两层之间的24小时内,LBG可以渗透到木材中,而无需施加压力。LBG-530有90%的木材失效,LBG-320有80%的木材失效。由于其高粘度,LBG-neat不能像水解LBG那样在不加压的情况下渗透到木材中,但由于干结线中存在更多的LBG,所以强度得到了提高。这可以通过对粘合线的分析来证实,因为90%的故障在木材中,而在粘合剂较少的样品中观察到的故障率为25%。此外,粘合线分析表明,与非水解的LBG相比,水解的LBG渗入基材更深(图6a-c)。

Figure 4. Dry tensile shear strength of veneers bonded with nonhydrolyzed locust bean gum (LBG-neat) dispersion and hydrolyzed LBG dispersions with varying molecular weights, constant solid contents (5 wt %), and varying viscosities (0.11–0.29 Pa·s), applied in one or four layers. The numbers in the bars represent percentage of wood failure. Significant differences between samples are indicated with the different letters.

图5显示了用LBG分散体粘合的木皮的拉伸剪切强度,其粘度恒定,固体含量不同。粘合线中更多的粘合剂并没有像固体含量为5wt%和不同粘度的粘合剂那样产生相同的效果(图4)。由于高粘度和糊状的一致性,LBG分散体在24小时内的自发渗透是有限的。LBG-530、LBG-320和LBG-150由于其高粘度和高分子量,在24小时内无法渗透到木材中。由于第一层没有渗透到木材中,而更像是在木材表面形成了一个粘合层,因此,即使在涂抹最后一层粘合剂后施加压力,以下各层的渗透也是有限的。因此,用更多的胶粘剂可以改善内聚力,但粘性几乎不受影响,失败发生在靠近胶线的地方。然而,分子量最低的LBG分散体,LBG-70,确实显示出更高的强度和更高的木材失效百分比,在粘合线上有更多的粘合剂。在两次涂胶之间的24小时内,低分子量的LBG-70即使在高粘度的情况下也能在一定程度上渗透到木材中,由于木材和胶粘剂之间的相互作用得到改善,更多的胶粘剂会产生更高的强度(图6)。

Figure 5. Dry tensile shear strength of veneers bonded with nonhydrolyzed locust bean gum (LBG-neat) dispersion and hydrolyzed LBG dispersions with varying molecular weights, constant viscosities (0.40–0.45 Pa·s), and varying solid contents (9–16 wt %), applied in one and four layers. The numbers in the bars represent percentage of wood failure. Significant differences between samples are indicated with the different letters.

Figure 5. Optical microscopy images of samples bonded with (a) LBG-neat, (b) LBG-530, and (c) LBG-70 with constant solid content (5%) and varying viscosities (0.11–0.29 Pa·s), and (d) LBG-530 and (e) LBG-70 with constant viscosities (0.40–0–45 Pa·s) and varying solid content (9–16%) applied in four layers.

总结

该研究更好地了解了半纤维素的特性如何影响它们的木材粘合性能,为它们在木材粘合剂中的有效利用铺平道路。槐豆胶(LBG)可以作为半纤维素的模型来研究分子量如何影响粘合性能。高分子量的LBG即使在低浓度下(5wt %)也会产生粘度非常高的分散体,这限制了在粘合线中获得足够多的粘合剂的可能性。通过水解LBG以降低分子量,可以实现更高的分散体固体含量。在酸性条件下水解LBG会降低分子量,使其成分不受影响。

在这项研究中,使用了不同分子量的LBG,作者已经证明了粘结贴面的强度以非线性的方式取决于分子量。通过本研究中使用的改进的应用方法(不是太低的粘度和更高的应用固体量),中等分子量的LBG(530和320 kDa)可以达到最高的强度。更高的分子量1460 kDa,由于非常高的粘度,不能使粘合剂充分渗透到木材中。较低的分子量150和70 kDa,可以渗透到木材中,但其内聚强度不够。使用中等分子量的LBG的另一个好处是,与高分子量的LBG相比,其分散体的粘度更低,允许更广泛的粘合剂固体含量。这对胶粘剂的应用有重要影响,因为更高的固体含量可以在更少的层中应用。此外,使用更高的固体含量将减少压制时间,这是大规模应用的一个重要因素。如果聚合/交联到足够高的分子量(约300kDa或更高),更现实的替代品,如木材或草本半纤维素,可用作木材粘合剂成分,但正如本研究所证明的,使用过高的分子量会因渗透力不足而降低强度。此外,使用太高的分子量也会增加其生产成本。

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