刨花板用异氰酸酯胶粘剂研究的发展动态

来稿日期:1998-03-20责任编校:潘启英

刨花板用异氰酸酯胶粘剂研究的发展动态

王　戈　王子奇

(黑龙江省林产工业研究所)

1　前　言

在国内外的刨花板工业中,虽然使用的胶粘剂大多数仍以甲醛系列为主,如酚醛树脂胶、脲醛树脂胶、三聚氰胺胶等,但异氰酸酯胶粘剂(M DI)近年得到很大发展和应用。由于其具有很高的胶合强度、良好的耐水性、对原料的适应面广、无甲醛等有毒气体的释放等许多优点,对该胶种的研究越来越受到许多国家的重视,并研制开发了许多种类的异氰酸酯胶粘剂,广泛应用于刨花板生产中,主要使用国家有德国、美国、日本、加拿大等。我国使用此胶种生产刨花板的工厂还很少,大多处于试验阶段。

2　刨花板用异氰酸酯胶粘剂的

研究发展概况

2.1　异氰酸酯胶的初期研究

1849年,由德国学者Wurtz 首先合成得到异氰酸酯化合物;1884年,Hentschel 等人用胺盐与光气反应合成了异氰酸酯,成为工业上合成异氰酸酯的方法。通过研究第二次世界大战结束时德国塑料和橡胶工业情况的同盟国访问小组的报告了解到,德国最早于1940年,其研究人员在研究硫化橡胶的过程中发现了异氰酸酯的胶粘性能,随后美国等

国也对异氰酸酯的胶粘性进行了研究。

异氰酸酯真正用于刨花板生产还是在70

年代。1951年用二异氰酸酯生产刨花板试验成功,1975年西德No vopan 公司开始采用异氰酸酯作为刨花板芯层的胶粘剂,开始了商业性生产二异氰酸酯刨花板。美国、日本等国在70年代中期也引进德国技术,将异氰酸酯胶粘剂用于工业生产中。1981年美国El-coloard 用该胶作为结构刨花板的胶粘剂,且用量逐年增大。德国刨花板产量的10%是以异氰酸酯作为胶粘剂来生产的。日本及西欧一些国家已由异氰酸酯胶部分取代甲醛系列胶来生产轻质刨花板、结构刨花板及MDF 。2.2　异氰酸酯胶的反应机理及种类

异氰酸酯是一种化学性很强的物质,它含有R-N=C=0基团,能与含有活性氢的物质如水、胺、醇及酸反应。当一个单体含有一个以上异氰酸酯基团与含有多个活性氢基团的物质反应时,就制成了强度高、耐水、耐化学性好的固体聚合物。

异氰酸酯能作为刨花板的胶粘剂,主要是活性基团R-N =C=0与木质刨花的木纤维素及木素的羟基反应,通过上述作用,使二异氰酸酯和木材胶接在一起,从而产生了强度好、对酸、碱、水有较好稳定性的接合键。

另外,异氰酸酯还与刨花板中木质刨花里的水分反应生成聚脲,同样把刨花粘接在一起。

异氰酸酯种类很多,最常用的两类分别为甲苯二异氰酸酯(T DI)和4.4-二苯基甲烷二异氰酸酯(M DI)。目前,用于刨花板生

第23卷　第3期1998年5月 林　业　科　技FORESTRY SCIENCE &TECHNO LOG Y

Vol.23No.3M ay .1998

产中的异氰酸酯主要是指M DI,其系列产品也较多,有异氰酸酯MDI、聚合异氰酸酯PM DI、乳化聚异氰酸酯胶EM DI等。据南非的A.P.izzi介绍,二异氰酸酯与单宁——木素——衍生物树脂等复合型的胶粘剂,正在引起人们的关注,在木材胶粘剂中越来越显示出重要的地位。

3　异氰酸酯的最新研究发展动态

3.1　基础性研究

对异氰酸酯胶粘剂应用于刨花板的基础理论研究主要集中在欧洲、美国及日本等国。众所周知,德国的Deppe和Errst最先研究了异氰酸酯与木质刨花的胶合过程,并试验成功了异氰酸酯刨花板。近些年来,美国及南非的学者对二异氰酸酯和含活泼氢化合物的反应以及异氰酸酯和羟基化合物的催化反应机理及动力学都进行了大量的研究,得出了许多有益的结论,取得了许多宝贵的数据。Batubenga等人对二苯甲烷二异氰酸酯与对羟基苄基醇反应动力学进行了研究,确定M DI与PF的反应可用形成氨基甲酸酯的催化剂三乙胺与二丁基二月桂酸锡加速,这些催化剂还可以使得用M DI/PF作为固性木材胶粘剂生产的刨花板质量升级。

日本的前田丰对5种水性高分子——异氰酸酯系列胶粘剂的粘弹性和高温下的胶合特征进行了研究,并讨论了这些实验结果与载荷、耐火试验的相关性;山田雅章、Taki Kinjin等人也都在水性高分子一异氰酸酯胶粘剂的胶合机理等方面进行了大量的研究。

我国的张长武对水性乙烯基——异氰酸酯胶粘剂(API)的胶合性能与动态粘弹性进行了探讨。通过动态粘弹性的测定,了解了许多关于分子之间相互作用及相对运动方面的特性。3.2　应用性研究

近些年来,异氰酸酯胶粘剂刨花板生产得到了很大的发展。欧、美许多国家已有大规模的MDI刨花板生产厂。实践证明,以异氰酸酯化合物或其复合产品作为刨花的结合剂,在用量不足脲醛树脂胶一半的条件下制成的刨花板仍具有良好的物理力学性能,其强度等指标可以与酚醛树脂胶刨花板相比,特别是在氨基树脂中加入少量的二苯甲烷二异氰酸酯,可以大幅度提高刨花板的内结合强度。

当前,欧洲各国对异氰酸酯的应用性研究主要集中于乳液型异氰酸酯的开发利用及其与其它类树脂复合体系的研究。日本以水基异氰酸酯系双组分胶为主。

异氰酸酯与甲醛系列热固性胶粘剂,如U F、PF、M F胶复合使用来生产刨花板,因此使成本降低,制出的板子性能优良,所以得以广泛应用。实践证明,以上两类组分对刨花分别施胶,其效果非常理想,若同时施胶,则强度将下降50%左右。另外,异氰酸酯与单宁甲醛胶进行复合,也因其价格低廉,性能优良,是一种特别有用的胶种,在刨花板中产生以下几种交联反应:(a)M DI与刨花中羟基及水分的反应;(b)MDI与单宁羟基的反应;

(c)甲醛交联单宁的反应;(d)甲醛交联聚脲的反应。聚脲由M DI和水反应而生成,在聚脲与聚脲和聚脲与单宁酚核之间交联反应。这些键合的共同作用形成高强度的固化树脂网络,从而使刨花板强度得到显著提高。

用木素及其它天然聚合物或合成聚合物对异氰酸酯进行改性,并在M DI中加入糠醛以降低成本,这类复合型胶粘剂的研究正在深入发展。据最新资料显示,甘蔗渣木素或针叶材硝硫酸盐制浆木素在氢氧化钠液中与多聚甲醛反应,得羟甲基化木素,然后使其与PF树脂混合,使用时加入异氰酸酯,在一定的热压条件下可制得质量优良的、可用于室外的刨花板。

37

第3期 王戈等:刨花板用异氰酸酯胶粘剂研究的发展动态