化學(xué)工程與工藝 外文翻譯 中英文

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1、 在聚醋酸乙烯酯乳液木材膠黏劑中 加入農(nóng)業(yè)有機(jī)廢渣與甲殼類填料的應(yīng)用 作者I. U. Ogban，O. Ogbobe 摘要 在PVAC乳液木材膠黏劑中，研究纖維素和甲殼動(dòng)物填料對(duì)其的影響。利用差值掃描量和動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析對(duì)PVAC乳液的彈塑性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，補(bǔ)充進(jìn)來(lái)的填充材料對(duì)該聚合物的玻璃化溫度并沒(méi)有帶來(lái)顯著改變，而拉伸模量，膠黏劑硬度，和剛度都有顯著改變。加入填充料后，乳液的粘度及其木質(zhì)表面的性能都有了很大的改善。纖維填料有著很高的油脂吸附能力，因此，與甲殼類填料相比，能在更大程度上增加乳液的黏度，而甲殼類填料雖然能夠更快的固化，但膠片機(jī)械

2、性能方面卻很差。對(duì)于木材膠黏劑來(lái)說(shuō)，填充物的酸度會(huì)影響膠的凝膠時(shí)間。 關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢渣；乳液；木材膠黏劑 概述 木質(zhì)廢渣作為填料在增加膠黏劑的附著力性能方面可以發(fā)揮重要作用，而這對(duì)更好發(fā)展和增長(zhǎng)的森林產(chǎn)品行業(yè)，更加有效地利用我們的木材資源，有著重要影響。PVAC乳液膠黏劑廣泛的應(yīng)用于木材粘接、家具加工和其他各個(gè)行業(yè)中。膠黏劑越來(lái)越多的應(yīng)用，并滿足人們更多的特定粘結(jié)需求。同時(shí)，利用加入添加劑的辦法，來(lái)改善膠黏劑的粘性。下面列出的是已經(jīng)應(yīng)用多年的不同的添加劑：增塑劑、助劑、力學(xué)改進(jìn)劑、填料。填料在聚合物的生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色，這一趨勢(shì)可能會(huì)使得石油成本與聚合物原料價(jià)格不斷上漲。為

3、此研究人員研究了許多PVAC木材膠黏劑填充材料，尤其是考慮到表面區(qū)域和填充粒子的尺寸大小。被添加到混合乳液中的填料可以是粉末形式，選擇好的填充材料是一個(gè)功能型粘結(jié)劑所必需的。填料，被視為一種高性能的添加劑，不僅可以降低稀釋劑成本，而且還擁有諸如加固、阻燃、增稠、抗阻塞等功能。 由于填充材料對(duì)粘接技術(shù)的改善，它已被研究人員發(fā)現(xiàn)填料的高性能而重視。他們選擇研究從纖維填充材料（比如椰子殼）和甲殼類動(dòng)物的殼（如玉黍螺），來(lái)探討填料與不同的化學(xué)成分對(duì)乳液物理性質(zhì)和膠黏劑性能的影響，以滿足未來(lái)人們對(duì)高性能填料添加劑的需求，因此也是一種受歡迎的投資。 PVAC乳液木材膠黏劑的填充材料可以是有機(jī)的，也可以

4、無(wú)機(jī)物，如木漿、面粉、滑石、碳酸鈣巖等。本文會(huì)進(jìn)一步探究填料使用時(shí)的許多特殊用途。如流體學(xué)性能的改性、用以提高分散粘度的高吸油性填料等。 到目前為止，似乎很少在農(nóng)業(yè)有機(jī)廢渣填料和甲殼綱動(dòng)物殼這一領(lǐng)域有特別成熟的技術(shù)，因此這些手頭研究顯得尤為重要。希望這方面的研究可以擴(kuò)大表面涂層業(yè)和膠黏劑行業(yè)的高性能填料清單，同時(shí)還將有利于木材和家具行業(yè)的發(fā)展。 實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)中，所用聚醋酸乙烯乳液以50%固體含量的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)配方為基礎(chǔ)，表面活性劑的用量待實(shí)驗(yàn)而定，玻璃化溫度為36℃。 填料用100±5毫米粉粒直徑的纖維類植物（椰子）和甲殼類動(dòng)物（玉黍螺）的貝殼粉末混合。也可用商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的

5、高嶺土填充。 樣品制備 取纖維素和甲殼類生物的外殼沖洗曬干，待晾干后將其用電動(dòng)研磨機(jī)打磨成粉末狀，將粉末通過(guò)孔徑100±5毫米的篩孔篩選，然后在90℃下烘干，以備用作填料。以纖維植物外殼作填料的膠黏劑配方見(jiàn)表1所示，以甲殼類動(dòng)物作填料的配方見(jiàn)表2。 測(cè)試方法 膠黏劑樣本的玻璃化溫度使用差示掃描量熱儀（DSC）檢測(cè)（型號(hào)：DSC SP，產(chǎn)地印度）。玻璃化溫度隨著溫度區(qū)間的中點(diǎn)熱容的變化而獲得。粘度使用Brookfield電子同步粘度計(jì)來(lái)檢測(cè)，并在使用前用標(biāo)準(zhǔn)粘度油校準(zhǔn)。剪切強(qiáng)度通過(guò)設(shè)計(jì)和記錄的重復(fù)讀數(shù)讀取。 耐水性測(cè)試 1、沸水測(cè)試 將兩塊木板使用乳液樣品粘合，放入沸水中煮沸，記錄

6、木板脫落的時(shí)間。 2、熱水測(cè)試 將粘合后的木板浸泡在60℃水中，4小時(shí)后再將其放入冷水。這樣以模擬寒冷潮濕的環(huán)境檢測(cè)剪切強(qiáng)度。 3、冷水測(cè)試 將粘合后的木板浸在室溫20℃的水中20小時(shí)，以此確定潮濕條件下的抗剪強(qiáng)度。粘合木板的脫落時(shí)間取決于膠樣的剪切強(qiáng)度。 pH值 這一項(xiàng)可用pH試紙測(cè)量。膠片硬度可以用范圍在1B-6B的鉛筆確定。 結(jié)果與討論 PVAC填充材料的作用已被確切的證明，尤其是在涉及填料表面區(qū)域粒子尺寸大小方面已經(jīng)較為成熟。實(shí)驗(yàn)記錄表明，粗糙的和塊狀的聚合物填料粒子會(huì)降低乳液的粘度，這是由于缺乏聚合物相互作用的基質(zhì)，從而降低了膠片的彈性和應(yīng)力。然而，在粉粒尺寸沒(méi)有

7、太大變化的情況下，幾何規(guī)則對(duì)填充材料的影響可以忽略不計(jì)。在本論文中，將集中研究因化學(xué)成分不同而引起的粘合性變化，由于不同的化學(xué)成分，并試圖探討木材粘合測(cè)試中填料對(duì)其的影響和關(guān)系。 研究中使用的填料構(gòu)成100%全部采用農(nóng)業(yè)廢料（纖維素和甲殼類動(dòng)物貝殼）和商業(yè)填料（高嶺土）標(biāo)準(zhǔn)。 圖1 不同類型的纖維填料對(duì)膠膜拉伸模量在不同的溫度下的影響 一種膠黏劑彈塑性的好壞在很大程度上決定了膜的機(jī)械性能和實(shí)際用途。玻璃化溫度是一種反映聚合物鏈彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的指標(biāo)，因此玻璃化溫度高的材料擁有更高的剛度和強(qiáng)度，而那些玻璃化溫度較低的材料則表現(xiàn)的柔軟而又堅(jiān)韌。

8、 圖2 不同類型的甲殼填料對(duì)膠膜拉伸模量在不同的溫度下的影響 然而，填料的加入，使得這樣的粘合劑剛度得以增加。在研究中，這一變化得到確定。不同的填料對(duì)聚合物拉伸模量的影響不同（圖1和2）。大多數(shù)纖維填料的加入會(huì)將聚合物的模量降低到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下（數(shù)據(jù)1和2）。然而，可以看出，填料的加入并沒(méi)有使膠黏劑樣本的玻璃化溫度得到明顯地改變（表3）。這可能是因?yàn)樘盍蟽H僅是融入了乳液而并沒(méi)有與聚合鍵發(fā)生任何交聯(lián)。 表1 使用纖維素的膠黏劑填料配方 樣本/A 椰子粉/% 商業(yè)填料/% A1 0 100 A2 20 80 A3 40 60 A4

9、50 50 A5 60 40 A6 80 20 A7 100 0 ，這時(shí)的醋酸乙烯水解率已經(jīng)最低了。基礎(chǔ)乳液中填料的加入，尤其是纖維類填料的加入，使得乳液pH值降低。然而，甲殼類生物填料的加入，使得膠黏劑的pH值升高，聚結(jié)速度加快，但是膠片的機(jī)械性能會(huì)有所減弱。表3中的玻璃化溫度表明，填料粒子并沒(méi)有使聚合物片段的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變?nèi)酰@是由于它們的加入僅僅只是簡(jiǎn)單地物理學(xué)結(jié)合，并沒(méi)有任何聚合物鏈之間的交聯(lián)。填料并不能對(duì)粘合劑的耐熱性有所影響，而且也不能像增塑劑那樣使膠黏劑變得柔和。這個(gè)結(jié)果只能說(shuō)是歸因于填充的不溶性。另一方面，液體增塑劑可以與聚合物的高分子鏈混溶，從而使鏈能更好的

10、移動(dòng)。由于分子間排斥力和分子空間構(gòu)型阻礙，這些不溶性填料微粒作為離散粒子或沒(méi)有與聚合物成鍵的鏈而嵌在聚合物中。由于表中的玻璃化溫度很少或沒(méi)有變化，這就證明填料的加入顯著降低了分子聚合物鏈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（表3）。 表2 使用動(dòng)物甲殼的膠黏劑填料配方 樣本/B 甲殼粉/% 商業(yè)填料/% B1 0 100 B2 20 80 B3 40 60 B4 50 50 B5 60 40 B6 80 20 B7 100 0 纖維素填料的加入能夠使膠黏劑pH值降低，固化時(shí)間加長(zhǎng)。這個(gè)最好同時(shí)在冷，熱濕條件下做性能測(cè)試。相反，相比于那些纖維素填料，甲殼類動(dòng)物殼填料的加

11、入固然會(huì)使固化時(shí)間快速，但是這些膠片測(cè)試的機(jī)械性能會(huì)減弱，pH值相對(duì)為加料之前也會(huì)增大。 表3 加入纖維素和玉黍螺粉的PVAC乳液性能 填料類型 玻璃化溫度/℃ 25℃時(shí)粘度值 pH 硬度 高嶺土（A1） 38 8900 4H 20%纖維素 36 8900 5.5 4H 40%纖維素（A3） 35 9500 6 4H 50%纖維素（A4） 34 9700 6 4H 60%纖維素（A4） 35 9800 5 5H 80%纖維素 38 9800 5 6H 100%纖維素 38 10,000 6 6H 無(wú)填料 3

12、6 3900 HB 20%甲殼B1 35 8700 7 5H 40%甲殼B2 35 6000 7 5H 50%甲殼B3 34 6000 8 5H 60%甲殼B4 33 6000 8 4H 80%甲殼B5 34 5500 8 4H 100%甲殼B6 35 5400 9 4H 在表4和表5中，我們觀察到，膠片的剪切強(qiáng)度受pH值、粘度、顆粒尺寸等因素的影響。纖維素填料的粘度增加最為明顯，這是由于填充物本身就有很高的吸油能力。而這種自然地甲殼填料，具有較低的吸油能力，因此粘合劑的粘度增強(qiáng)的很少。粘度的變化對(duì)膠黏劑的性能具有很大的影響

13、。我們可以明顯的觀察到，涂在木地板上的粘合劑很少能夠穿透并滲透在木板的深處。 表4 剪切強(qiáng)度隨固化時(shí)間的變化 固化時(shí)間/h 2 5 7 24 32 168 填料類型 （剪切強(qiáng)度/Kg?cm-2） 高嶺土A1 52 112 120 139 148 173 20%纖維素A2 53 114 120 141 148 179 40%纖維素A3 52 114 120 142 149 173 50%纖維素A4 53 115 121 143 141 173 60%纖維素A5 54 115 121 143 149 17

14、3 80%纖維素A6 54 115 122 144 151 172 100%纖維素A7 54 115 122 145 151 152 無(wú)填料 105 121 125 130 146 153 20%甲殼B1 52 115 122 142 141 173 40%甲殼B2 52 114 122 142 150 173 50%甲殼B3 53 113 120 141 151 173 60%甲殼B4 54 112 120 141 152 173 80%甲殼B5 57 112 121 140 151

15、 171 100%甲殼B6 51 111 121 140 141 171 相反，如果粘合劑在應(yīng)用時(shí)太黏的話，大部分的膠黏劑會(huì)殘余在物體表面。結(jié)果是不容易剝離，因此在有效接觸的粘合面積上，可以適當(dāng)減少木頭間粘合劑的使用量，涂太厚的膠層反而導(dǎo)致膠黏劑的粘結(jié)強(qiáng)度減弱，因此強(qiáng)度不高。 在大多數(shù)情況下，添加填料會(huì)減少PVAC膠黏劑的耐水性，這可以歸因于以下事實(shí)，即填料物的加入使聚合物鏈松散，從而為水滲透進(jìn)高分子膜內(nèi)留下更大的空間。因?yàn)樗麄兊牟煌?，水分子進(jìn)入膠片的吸引力可能被放大。不論冷水、熱水或沸水測(cè)試，并沒(méi)有表現(xiàn)出水的阻力有任何改善（見(jiàn)表5）。表5也表明，純的和更高比例的纖維素能

16、夠在干燥、冷或熱條件下產(chǎn)生更大的抗剪切強(qiáng)度。例如，60%，80%，和100%的纖維素填料膠黏劑在每平方米面積上會(huì)產(chǎn)生更大的剪切強(qiáng)度。在這里，抗剪強(qiáng)度的大小與在填充材料中纖維素的純度有著直接的聯(lián)系，而甲殼類填料膠黏劑的抗剪強(qiáng)度卻正好和純度的高低成反比。 表5 粘合劑在干燥、濕冷、濕熱環(huán)境下木板測(cè)試數(shù)據(jù) 承重/Kg?cm-2 填料類型 干燥 濕冷 濕熱 高嶺土A1 173 89 53 20%纖維素A2 172 82 52 40%纖維素A3 172 82 52 50%纖維素A4 175 83 53 60%纖維素A5 178 83 53 80%

17、纖維素A6 179 88 53 100%纖維素A7 183 89 54 無(wú)填料 153 81 38 20%甲殼B1 172 83 53 40%甲殼B2 171 83 53 50%甲殼B3 171 82 52 60%甲殼B4 170 80 52 80%甲殼B5 166 81 57 100%甲殼B6 168 81 50 結(jié)果顯示，填料的設(shè)定時(shí)間的增加可以增加乳液的固體含量，這就使得聚合物粒子的成膜凝結(jié)產(chǎn)生了一定程度的加速，同樣后來(lái)的剪切強(qiáng)度也隨之增加，已固化的膠片由于粘度的增強(qiáng)，其機(jī)械剪切強(qiáng)度都表現(xiàn)得很好。 所有的這些填料中

18、，按硬度增加的順序依次為：純纖維素，混合纖維素，混合動(dòng)物甲殼，純的動(dòng)物甲殼。這表明，通過(guò)HB-6H標(biāo)準(zhǔn)（表3）和性能評(píng)估，純纖維素填料和混合纖維素填料在提高硬度方面效果突出。 結(jié)論 在這項(xiàng)研究中，所有填料的加入都能夠增加PVAC木材膠黏劑的粘度（表3）。填料的吸油能力越強(qiáng)，對(duì)膠黏劑粘度的增強(qiáng)效果就會(huì)越顯著。粘度受膠黏劑滲透能力、接觸面積、和結(jié)合面強(qiáng)度的影響。 酸性填料能夠改善耐水性，但粘合劑在木質(zhì)表面上固化就得需要更長(zhǎng)時(shí)間。填料的加入不能使PVAC乳液的彈塑性發(fā)生明顯的改變。此外，盡管會(huì)對(duì)硬度和抗剪切強(qiáng)度產(chǎn)生影響（圖1和2），但是，純纖維素填料和一定比例甲殼類生物填料的加入仍然要比商業(yè)上

19、高嶺土填料效果更好。 參考文獻(xiàn) [1]　Brimson，H．F．（1990）．Engineering Materials Handbook 3，ASM International，Material Park，1990． [2]　Gillespie，B．H．Forest Product Journal 25，26–32（1975）． [3]　Brydson，J．A．（1989）．Plastic Materials，Butterworth Scientific Publication，London． [4]　Mohsen，R．M．（1992）．Pigment and Resin Tech

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