低甲醛排放脲醛樹脂膠的制備及應用

包學耕 包梅琪 肖作軍 李汀 李煦

收稿日期：2013-10-16

作者簡介：包學耕（1930-），教授，從事木材膠粘劑的研究、教學與推廣工作，先后在國內100多家人造板廠推廣膠粘劑技術，獲得多項國家級、

省部級獎勵。E-mail：xuegengbao@126.com。

摘要：尿素與甲醛的物質的量比1∶<1，甲醛分2次加入，尿素分4次加入，增強劑為三聚氰胺，占尿素總量的4%。甲醛分2次加入的目的是使尿素與甲醛的反應動力學中生成的次甲基脲與二羥甲基脲處于最大值。用此工藝制備的UF樹脂制成的人造板性能遠高于國家標準及國際標準，板材的甲醛釋放量達到F四星級標準。

關鍵詞：脲醛樹脂膠；低甲醛排放；F四星級人造板

中圖分類號：TQ433.4+31 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）05-0062-04

1 前言

上世紀日本的FC0標準（即E0）甲醛釋放量為0.5 mg/L，2000年又提高到0.3 mg/L，達到該標準的板材稱為F四星級板材，在國際上屬于最高環保等級。某些天然木材（如意大利速生楊等），本身的甲醛釋放量也高達0.2 mg/L，這與F四星級0.3 mg/L相差無幾，因此國際上把F四星級人造板或木制品定位為無公害產品。

將尿素、甲醛物質的量比降至1∶1時，板材的強度處于國標的邊緣，即使再少量增加三聚氰胺的量也沒有作用。當物質的量比降低到1∶<1以下時（稱之為超低物質的量比），甲醛釋放量可以輕易達到F四星級，即≦0.3 mg/L，但板材強度卻大幅度下降。

根據板材強度形成的機理分析，脲醛樹脂成板的強度取決于樹脂膠的內聚力和粘附力的平衡。只有在內聚力與粘附力均處于最大值時，板材的強度達到最高。從脲醛樹脂的分子結構分析，其中有Uron環（少量）、次甲基脲（大量）、二羥甲基脲及醚鍵等基團。這些基團與強度因子的關系見表1。

從斷裂力學分析，板材的強度取決于內聚力與粘附力2者最薄弱的環節中發生的斷裂。若脲醛樹脂中的內聚力與粘附力同時達到最大值時，此時板材的強度最高。即次甲基脲和二羥甲基脲組分比例達到最大時，內聚力與粘附力同時達到最大值，強度應該是最高的。經過對實驗室內制作的幾百張膠合板試件的測試、中試以及大型生產性試驗結果都證明其強度遠遠超過國標。

通過改變脲醛樹脂內部分子結構的排布提高板材的強度這個途徑，不增加昂貴的添加劑、捕捉劑、也無須后處理，而是通過制膠工藝調整，達到分子結構的重排或重組，這是最經濟的提高脲醛樹脂強度的方法之一，“木佳一號”UF樹脂的開發成功，證明這一途徑是正確的。

2 “木佳一號”脲醛樹脂膠工藝

1）尿素與甲醛的物質的量比

把尿素與甲醛的物質的量比降到1∶<1即nU∶nF=1∶0.998，以保證甲醛釋放量達到0.3 mg/L（日本干燥器方法），這個值還不包括三聚氰胺，所以實際的物質的量比應更低。此時不但甲醛排放量達標，而且板材的強度也能滿足國標要求。

2）反應時間

在制膠反應過程中，一羥、二羥甲基脲是反應中間體，它隨著反應不斷地轉化成次甲基脲，其強度也隨之不斷地下降，所以必須在某一反應階段的最佳時刻，即次甲基脲、二羥甲基脲達到最佳組合時，中止或減慢其反應速度并迅速控制反應達到終點，才能使脲醛樹脂所制成的板材強度遠高于常規生產的板材強度。

3）二次添加甲醛

二次添加甲醛的目的是為增加二羥甲基脲的含量，也有利于形成脲醛樹脂膠的次甲基脲與二羥甲基脲達到最佳組合值。

4）多次添加尿素

這不僅降低了甲醛的釋放量，還能使低物質的量比的脲醛樹脂具有高物質的量比脲醛樹脂相同的強度；多次加入尿素導致膠液的分子質量分布范圍拓寬。由于木材屬于多孔性材質，存在一定量的小分子物質有利于堵塞木材的孔隙，從而提高了板材的強度。

5）添加增強劑

用三聚氰胺作增強劑，其用量僅為尿素總量的4%，膠總量的1.6%，成本增加不多。三聚氰胺在反應過程呈酸性狀態時加入，它與羥甲基活性部分發生反應，封閉了不耐水的羥甲基，從而提高了板材的強度。

整個生產工藝仍采用堿-酸-堿工藝，反應平穩，反應周期5～6 h。具體的生產工藝見中國專利201310280153.1。

3 “木佳一號”脲醛樹脂的性能

用“木佳一號”脲醛樹脂制作的膠合板預壓性能良好，膠的適用期可長達6～8 h，制作的板材甲醛釋放量低于0.3 mg/L，力學性能良好。如用該膠制作的三層樺木膠合板，其平均強度為1.94 MPa，合格率100%，最高的達2.57 MPa，最低為1.69 MPa，五層樺木板其平均強度為1.77 MPa，合格率100%。樺木膠合板標準強度是0.9 MPa，所以該膠制得的板材強度是國標強度近2倍；用于橡木板，其平均強度為1.4 MPa左右，也為國標的2倍左右。

“木佳一號”生產F四星級板材用脲醛樹脂膠的理化指標為：

外觀：乳白色黏稠液體

黏度：50～120 mPa·s（25 ℃）

pH值：7.5～8.0

固含量：55%左右

適用期：6～8 h

貯存期：1個月左右（25 ℃）

4 F四星級膠合板、刨花板、纖維板等的研發

1）膠合板

用于膠合板生產，膠中可加18%～20%的面粉作為填料，固化劑選用酸性復合固化劑，如草酸、甲酸或磷酸等和氯化銨復合固化劑。開口陳化時間為1 h，預壓時間為45～60 min（冬季要適當延長），涂膠量為雙面280～300 g/m2，熱壓時間為1.2～1.3 min/mm厚，熱壓溫度為110～120 ℃。

用“木佳一號”脲醛樹脂膠生產的桉木膠合板，性能見表2。膠合板甲醛釋放量楊木比較高，在0.22 mg/L。試驗發現，在制作楊木膠合板時，即使不添加樹脂膠熱壓，其甲醛釋放量也達到0.2 mg/L，這表明楊木本身在熱壓時會釋放出甲醛。

2）刨花板

4塊刨花板樣品經檢測結果見表3。

刨花板的甲醛釋放量是用穿孔法，國標的最高值是9 mg/100 g板，屬于E1級。本試驗板材測得的甲醛釋放量為2.5 mg/100 g板。

3）中纖板

將刨花板用拌膠機經過改造后，用于制作中纖板。

4塊中纖板樣品檢測結果見表4。

試驗發現制得的中纖板試件在水中煮沸2 h后，其板坯不散，而常規中纖板在水中煮沸10 min即全部散掉，這證明本試驗板材的濕強度優異。

5 F四星級耐水板材研究

F四星級板材用脲醛樹脂屬于2類膠，主要用于室內，如與三聚氰胺樹脂按一定比例相混，則可生產出F四星級的耐水板材。

用三聚氰胺樹脂改性的脲醛樹脂（MUF）制備刨花板，性能達到德國的V100級，經2 h煮沸后，其IB超過0.15 MPa。該MUF樹脂用于膠合板，達到美國耐水級的W.P.B（Water prove board）。

（1）在福建漳州生產的F四星級耐水膠合板，性能檢測甲醛釋放量為0.25 mg/L。

（2）在山東蓬萊環球木業生產的厚膠合板出口日本，用于浴室，經日方檢測為免檢產品。

（3）用于浙江嘉善華悅木業的木門生產，經美國檢測，達到W.P.B級。

（4）在上海升達木業的地熱級3層復合竹地板生產中使用，各項性能都達到指標要求。

6 制板工藝的研究

F四星級板材用脲醛樹脂膠或MUF膠必須嚴格遵循木材本身的特性，同時與適合的生產工藝與設備密切配合，才能生產出合格的人造板。

F四星級人造板的生產會涉及單板的表面性能、含水率、涂膠量、預壓性能以及熱壓工藝等多種因素。必須綜合平衡各因素的影響方能生產出合格產品；又如刨花的樹種和形態、刨花板的容重、施膠量都與板材的強度有關；板材的熱壓曲線與強度、甲醛釋放量、膠耗以及生產周期都是互為關聯的；此外樹脂膠的溶解度參數與單板溶解度參數的匹配性，也影響板材的強度。

總之，除選擇性能好的脲醛樹脂膠外，還必須根據具體工廠的設備、采用的制板工藝，對樹脂膠作必要的調整，才能一次性投產成功。

參考文獻

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