常壓型木材組裝膠粘劑的制備與影響因素研究

董黎明，黃 菊，宋 明，周 俊（徐州工程學院 化學化工學院，江蘇 徐州 221111）

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常壓型木材組裝膠粘劑的制備與影響因素研究

董黎明，黃 菊，宋 明，周 俊
（徐州工程學院 化學化工學院，江蘇 徐州 221111）

摘 要：以聚乙酸乙烯酯乳液（PVAc）和乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（VAE）為基體樹脂，PVA為粘度調節劑，多亞甲基多苯基多異氰酸酯（ PAPI）為交聯劑制備了一種具有在常溫常壓條件下使用，并表現良好的力學性能的木材組裝膠粘劑。通過激光粒度分析及力學性能測試研究了配方組成及粘度、固含量和交聯劑含量對膠粘劑性能的影響。結果表明：M（PVAc）：M（VAE）、M （PVA）：M（重鈣）=37.5%：25%：6%：2.5%，；交聯劑（PAPI）=8%（基于主劑質量），常溫常壓養護48小時后，可得到粘接強度為13.6MPa，耐候性優異的木材組裝膠粘劑。

關鍵詞：水性高分子-異氰酸酯；木材組裝膠粘劑；乳液

木質家具一般是由若干零部件按照一定的接合方式組裝而成的。現代木質家具常用的組裝方法有榫接合、釘接合、連接件接合和粘接接合等多種［1］。粘接技術具有工藝、設備簡單，操作方便，成本低廉，適用范圍廣，密封防腐性能好，耐疲勞強度高等優點，在木材組裝領域的應用越來越廣泛。此外，實木家具的制造過程中所涉及到的榫卯接合、指接、薄木模貼、拼板等工藝均離不開膠合技術，膠粘劑在實木家具的生產中占有十分重要的地位［2，3］。

隨著人們環保意識的增強和國家環保法規的健全，木質家具膠粘劑中污染問題越來越受到人們的重視。20世紀80年代，日本首先研發了水性高分子-異氰酸酯膠粘劑（API），它以水溶性高分子、聚合物乳液、填料為主劑和多官能團的異氰酸酯化合物為交聯劑所構成［4］。這類雙組份的膠粘劑與脲醛樹脂（UF）、三聚氰胺-甲醛樹脂（MF）、酚醛樹脂（PF）相比，不含甲醛，使用安全方便，是一種環保型膠粘劑。API的突出優點是可常溫固化，耐水性、耐熱性和耐老化性能優異，同時價格合理，廣泛應用于小斷面建筑集成材、家具拼板、門窗、膠合板、裝飾板的生產。其市場可細分為：集成板材用膠占45%；家具拼板占30%；膠合板（包括無醛膠合板和實木復合地板的芯板）占15%；其他（薄木片、金屬箔、塑料片材與木質板材的復合）占10%［5］。

API膠粘劑一般需采用熱壓工藝才能獲得目標的粘接強度和效果。較高的溫度作用，固化劑多異氰酸酯更容易與主劑或木材表面的活性基團發生化學反應，從而有利于產生較多的化學交聯結構來提升粘接強度。較高的壓力作用有利于膠粘劑滲入木材表面的細胞腔，增大界面結合處的接觸面積，部分膠粘劑“鑲嵌”在木材孔隙中，形成微小的“銷釘”，可形成機械結合；有助于乳膠顆粒之間擴散和融合，在木材和木材表面之間充分的形成連續的薄膜來實現粘接；也有利于膠層中因異氰酸酯反應產生的CO2氣體的排除，減少存留在膠膜中形成氣泡缺陷。相較而言壓力的變化更有利于粘接性能的提高［6-8］。

對于集成材和板材的生產而言，加壓操作是較為方便的，普通的API膠粘劑就可實現可靠的粘接。而在家具的組裝生產過程中，由于組裝部位多為木材纖維的非平行性膠合，有些甚至呈現垂直膠合，特別是一些異形部件的組裝，只能采取有角度的施壓、某方向施壓或無施壓的施工條件進行粘接［9，10］。這對于API膠粘劑提出了更高的性能要求，即低壓力下連接部位的結合強度能夠達到更勝于組裝部件本身的強度。

1 實驗部分

1.1實驗原料

聚乙烯醇（PVA），BP-24、BP-17，工業級，臺灣長春化工集團公司；聚乙酸乙烯酯乳液（PVAc），502乳液，固含量50%，安徽皖維集團有限責任公司；乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（VAE），CP149乳液，固含量50%，賽拉尼斯國際貿易有限公司；交聯劑，多亞甲基多苯基多異氰酸酯（PAPI），PM-400，工業級，煙臺萬華聚氨酯股份有限公司。成膜助劑：鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、十二醇酯（CS12）和二丙醇甲醚（DPM），分散劑（SN-5040）流平劑（BYK-333），潤濕劑（X-405），消泡劑（NXZ），防霉劑（CN46）均由奇艷麗涂料有限公司提供。

1.2膠粘劑制備工藝

按照質量配比，將聚乙烯醇、無機填料、分散劑、水份依次加入釜中，于80-95℃下攪拌分散至聚乙烯醇完全溶解。后降溫至40-60℃，得水分散聚乙烯醇溶液；在攪拌中的聚乙烯醇溶液中，依次加入將聚乙酸乙烯酯-乙烯乳液份、聚乙酸乙烯酯乳液份、pH緩沖劑、消泡劑、潤濕劑、流平劑、防腐劑，控制pH=6.5-7.5，粘度為15000-30000mPa.s，得主劑；將交聯劑與主劑混合攪拌均勻，即得所述環保常壓型木材組裝膠粘劑。

1.3性能測試

壓縮剪切強度參照HG/T 2727-2010標準進行測試，樺木試件規格為30mm×25mm×10mm。按照圖1試件疊合膠結成試樣，施膠面積為25mm×25mm，施膠量為100g/m2。試樣水平靜置養護時間48h后，進行剪切強度試驗，每個樣本測試結果為5組的平均值。

取乳液樣品1ml，由濟南微納Winner2008 全量程激光粒度分析儀進行粒度分析。

2 結果與討論

2.1主劑配方的確定

2.1.1VAE乳液含量對粘接性能的影響

圖1為主劑組成中VAE含量變化對粘接性能的影響。由圖可知隨著VAE乳液含量增加測試木塊的剪切強度出現先增大后減少的趨勢，當VAE乳液組分占據主劑中乳液含量的40%時達到最大值。圖2為激光粒度儀對VAE和PVAc兩種乳液進行粒度測試的分布結果。VAE乳液的粒徑主要在0.3-10μm之間，最大體積分布為1.79μm；而PVAc乳液的粒徑主要在50-500μm之間，最大體積分布為236.24μm。顯然VAE乳液粒徑小于PVAc乳液粒徑近2個數量級，因而VAE乳液在較低壓力下具有較好的滲透性，更容易填進木材纖維的毛細縫隙中，從而提高粘接強度。此外，VAE乳液是醋酸乙烯和乙烯單體的共聚物，聚合物主鏈上由于含有部分乙烯鏈段，起到了內增塑的作用，增加了大分子的柔順性，玻璃化轉變溫度降低，有利于初粘力的提高；然而VAE乳液玻璃化轉變溫度較低，膠層較軟，所以當VAE含量增加到一定程度后，出現膠層內部強度下降，產生粘接效果減弱的趨勢。因此膠粘劑配方中優選VAE乳液組分占據主劑中乳液含量的40%。

圖1 VAE含量對粘接性能的影響

圖2 VAE和PVAc乳液粒度分布結果

2.1.2PVA含量對粘接性能的影響

圖3為兩種PVA含量對于粘接性能的影響。考慮到膠粘劑抗凍融的影響，兩種PVA醇解度均為88%，BP-24的聚合度（2400±50）明顯高于BP-17（1700±50）。由圖可知，兩種PVA均出現隨著含量增加，剪切強度出現先增加后減少的趨勢。BP-24在含量5%時出現最高值12.5MPa，BP-17在含量6%時出現最高值13.6MPa。由于聚乙烯醇的分子鏈上含有許多羥基，其會與異氰酸酯發生固化交聯的反應，隨著PVA含量的增加，剪切強度的性能指標也隨著上升。但當PVA含量較高，固化速度較快，交聯密度較高，易于發生粘接層缺膠，脆性斷裂。相同含量的高聚合度的BP-24粘度較高，所以在較低含量時出現最大剪切強度。低聚合度的BP-17在低粘度時反而可以提高有效成分的固含量，所以其最終最大剪切強度要高于BP-24。因此膠粘劑配方中優選BP-17，其含量為6%。

圖3 PVA含量對粘接性能的影響

2.1.3填料含量對粘接性能的影響

圖4為兩種填料重鈣和輕鈣含量對于粘接性能的影響。由圖可知，隨著輕鈣含量的增加，剪切強度基本上出現下降的趨勢，而重鈣則在含量2.5%時出現最高值13.6MPa后，出現急速下降的趨勢。總所周知，填料有一定的支撐載荷或吸收能量的作用，在某些程度上會增加抗沖擊性，所以添加少量重鈣的粘接性能出現先上升后下降現象。然而填料的用量和粒度會影響應力作用下聚合物的分子運動，加入量越多的填料會使分子運動困難，對界面的浸潤性減弱，從而導致剪切強度的下降。重鈣相比輕鈣比重較高，吸附聚合物量較少，對粘接效果的影響較少。因此膠粘劑配方中優選重鈣為填料，其含量為2.5%。

2.1.4增塑劑含量對粘接性能的影響

圖5為三種成膜助劑（DBP、CS12和DPM）含量對于粘接性能的影響。由圖可知，隨著成膜助劑含量的增加，剪切強度均呈現下降的趨勢，而且下降的程度DBP＞CS12＞DPM。由于PVAc乳液的最低成膜溫度較高，常溫條件下聚合物融合成膜能力較弱導致粘接力較差，一般需要加入增塑劑或成膜助劑來進行改善。而VAE乳液其共聚結構起到了內增塑的作用，當PVAc乳液和VAE乳液混合使用時，VAE成分對PVAc成分起到了內增塑的效果。額外添加成膜助劑，反而會增加膠粘劑中的低分子易揮發組分含量，導致粘接能力下降。三種成膜助劑DBP、CS12和DPM，其沸點依次降低、揮發性依次增加，DPM揮發性最好，其含量對粘接效果的影響也最小。因此膠粘劑配方中可以不使用成膜助劑。

圖4 填料含量對粘接性能的影響

通過以上分析，膠粘劑主劑基本的配方：M（PVAc）：M （VAE）、M（PVA）：M（重鈣）=37.5%：25%：6%：2.5%，其他助劑pH緩沖劑、消泡劑、潤濕劑、流平劑、防腐劑適量，不超過1%。該膠粘劑試樣常溫常壓養護48小時后，在萬能力學試驗機上進行壓縮剪切強度實驗，實驗結果可達到13.6Mpa，滿足HG/T 2727-2010標準要求。

圖5 成膜助劑含量對粘接性能的影響

2.2主劑粘度指標對膠粘劑性能的影響

膠粘劑的實際浸潤性同粘度或流動性密切相關，而主劑的粘度與主劑的組成密切相關，圖6為主劑粘度對粘接性能的影響，主劑的粘度由不同組分和牌號的PVA或CMC含量進行調節。由圖可知，兩條曲線均出現隨著粘度增加，剪切強度出現先增加后減少的趨勢。粘度較低的膠粘劑的流動性較好，易于溢膠，單位面積上的有效成分較少，強度較低；粘度較高的膠粘劑流動性較弱，浸潤性很差，強度也會降低，所以選用適中得粘度。PVA曲線在粘度為25000mPa.s時出現最高值13.6MPa，而采用CMC調整粘度效果較差，曲線在粘度為20000mPa.s時出現最高值8.7MPa。因此，膠粘劑配方中優選PVA組分調整膠粘劑粘度，且粘度為25000mPa.s時，粘接效果最優。

圖6 主劑粘度對粘接性能的影響

2.3主劑固含量指標對粘接性能的影響

圖7為主劑固含量變化對粘接性能的影響。由圖可知，隨著固含量的增加，剪切強度呈現先升高后下降的趨勢，當固含量達到40%時，剪切強度出現最高值13.6MPa。由于VAE乳液和PVAc乳液的固含量均為50%，對主劑的影響不大；PVA和填料含量對固含量的影響較高。初期隨著固含量增加，聚合物組分比例增加，粘接有效組分量增加，粘接效果明顯增加；后期填料比例增加，粘接有效組分量減少，粘接效果明顯降低。

圖7 主劑固含量對粘接性能的影響

2.4交聯劑含量對膠粘劑性能的影響

圖8為交聯劑含量對粘接性能的影響，其交聯劑含量為與主劑的比值。由圖可知，隨著交聯劑含量的增加，剪切強度呈現先升高后下降的趨勢。交聯劑用量較少時，不能形成完全的交聯網絡，交聯劑與木材界面發生的化學反應也較少，剪切強度也較低。隨著交聯劑用量的增加強度增加顯著。當交聯劑含量達到8%時，剪切強度出現最高值13.6MPa。當交聯劑用量過多，使用期膠粘劑粘度會增加，膠粘劑流動性和浸潤性減弱，導致強度下降。比較文獻中加熱加壓交聯劑的最佳用量15%，本配方交聯劑用量較少，這可能與常溫常壓條件下交聯反應速率較慢有關。

圖8 交聯劑含量對粘接性能的影響

3 結論

以PVAc乳液和VAE乳液為主要成分為主劑和PAPI為交聯劑組成的復合膠粘劑，克服了普通木材膠粘劑需要升溫加壓操作的缺點。當膠粘劑M（PVAc）：M（VAE）、M（PVA）：M（重鈣）=37.5%：25%：6%：2.5%；交聯劑（PAPI）= 8%（基于主劑質量）時性能最優。該膠粘劑常溫常壓養護48小時后，粘接強度可達到13.6 MPa，是一種較為理想的新型木材膠粘劑產品，很適用于木制家具制造和組裝。

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Study on the Preparation and Influence Factors of Wood Assembled Adhesive in Normal Pressure

Dong Liming， Huang Ju， Song Ming， Zhou Jun （School of Chemistry & Chemical Engineering， Xuzhou Institute of Technology， Xuzhou 221111， China）

Abstract:To solve the problem of the strong adhesive in normal temperature and pressure， a new wood assembled adhesive based on water-based polymer - isocyanate adhesive （API） is developed. The effect of prescription composition， viscosity， solid content and crosslink agent content were studied by laser particle size analyzer and mechanical property test on the properties of adhesive. when the content of polyvinyl acetate emulsion （PVAc）， vinyl acetate - ethylene copolymer emulsion （VAE）， polyvinyl alcohol（PVA）， heavy calcium were weight ratio of 37.5%， 25%， 6%， 2.5%， and the polyaryl methene isocyanate （PAPI）= 8%（host-based quality）， the results show that wood assembled adhesive exhibits excellent adhesive strength（13.6 MPa）.

Key words:water-based polymer-isocyanate；wood assembled adhesive；emulsion

基金項目：江蘇省自然科學基金項目資助；項目編號：BK2012142。

作者簡介：董黎明（1978- ），男，河北邯鄲人，講師，主要從事高分子材料的開發和應用。