一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂及其制备方法

1.本发明涉及木材胶粘剂制备技术领域，特别是涉及一种无甲醛抗菌的木材胶粘剂制备方法及应用。


背景技术：

2.木材胶粘剂广泛应用于人造板材及室内装饰领域。目前最常用的木材胶粘剂还是甲醛系的高分子树脂及衍生物，国内每年的用量超过4000万吨。甲醛作为醛类树脂的主要的生产原料，已被证明具有明确的致癌性，严重限制了胶粘剂生产和应用，并对环境安全和人类健康都产生巨大的影响。
3.随着健康环保意识的逐渐增强，发展可持续的生物基绿色胶粘剂引起广泛关注。多种生物质衍生的聚合物，如木质素，甲壳素、淀粉、单宁，大豆蛋白等，已被用于人造板材的加工制造。其中纤维素作为一种低成本、无毒、可持续的天然高分子聚合物，其生物相容性、生物降解性、化学改性性和优异的机械性能，使其成为有望替代甲醛基粘结剂的新型环保型粘结剂。然而，自然生物聚合物面临许多挑战，包括分子间相互作用弱、生物质固有的亲水性和在潮湿环境下的易被微生物分解和腐蚀等，导致粘结层粘结性能降低，产品的耐久性、耐水性和抗霉性差，这些缺陷极大地限制了他们在当前市场上的竞争力。因此，如何提高纤维素基木材胶粘剂的粘合性能、增强防霉抗菌性成为当前发展生物质环保型木材胶粘剂的关键问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术木材胶粘剂存在甲醛污染、抗霉性差、粘合强度不能满足工业需求问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂及其制备方法，提供一种无甲醛的、抗菌的、原料可再生的纤维素基木材胶粘剂，该胶粘剂对木材具有粘合强度高、防霉效果显著的特点，可满足实际应用中对胶粘剂的要求。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂的制备方法，包括以下步骤：
7.a.将聚乙二醇(pva)完全溶解在去离子水中，配制成透明的pva水溶液，其中pva的质量比例为5～20％；
8.b.将季铵化纤维素加入在所述步骤a中配制的pva水溶液中，机械搅拌，得到分散均匀的混合液，其中季铵化纤维素的质量比例为1～10％；
9.c.向在所述步骤b中得到的混合液中依次加入交联固化剂，所述交联固化剂采用丙三醇三缩水甘油醚(ptge)和硼酸中的任意一种或者两种的混合物，使得到反应物混合液进行加热反应，控制加热温度为60～95℃，反应时间为2～5h，获得无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂；
10.当所述交联固化剂为ptge时，反应物混合液中ptge质量比例为1～5％；
11.当所述交联固化剂为硼酸时，反应物混合液中硼酸质量比例为0.01～0.5％；
12.当所述交联固化剂为ptge和硼酸混合物时，反应物混合液中ptge的质量比例为1～5％，且反应物混合液中硼酸的质量比例为0.01～0.5％。
13.优选地，在所述步骤a中，pva的质量比例为10～20％。
14.优选地，在所述步骤b中，季铵化纤维素的质量比例为4～10％。
15.优选地，在所述步骤b中，所述季铵化纤维素采用季铵化纳米纤维素、季铵化微米纤维素、季铵化再生纤维素中的任意一种或者至少两种的混合物。
16.优选地，在所述步骤b中，所述的季铵化纤维素采用所有含季铵盐基团的纤维素材料的至少一种，含季铵盐基团的纤维素材料包括通过季铵盐改性、季铵盐接枝、季铵盐包覆中至少一种方法所获得的季铵化纤维素。
17.优选地，在所述步骤c中，当所述交联固化剂为ptge和硼酸混合物时，反应物混合液中ptge的质量比例为1～3％，且反应物混合液中硼酸的质量比例为0.02～0.2％。
18.一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂，利用本发明无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂的制备方法制备而成。
19.优选地，无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂，采用季铵盐改性纤维素作为木材胶粘剂的主剂，通过季铵盐改性纤维素与pva通过交联固化作用，形成稳固的交联网络。
20.本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
21.1.本发明采用季铵盐改性纤维素作为木材胶粘剂的主剂，满足了可再生、可降解、无甲醛的绿色环保要求；
22.2.本发明采用的季铵盐改性纤维素具有防霉抗菌的特性，免去额外添加防腐剂的繁琐工艺，降低了防腐剂破坏交联网络的风险；
23.3.本发明通过对纤维素改性和交联的共同作用提高粘合强度；季铵盐改性纤维素改善了纤维素表面的正电荷性能和活性基团，增强了纤维素的化学反应性，与pva通过交联固化作用形成稳固的交联网络，显著提升所制纤维素基木材胶粘剂的粘合强度；
24.4.本发明木材胶粘剂成分组成简单、制备工艺简易、成本低廉、无毒无害，适用于放大推广。
附图说明
25.图1为本发明优选实施例制备的pcp3和对比例pva木材胶粘剂放置三天的防霉图片对比图。
26.图2为本发明各实施例和对比例所制备的无甲醛抗菌木材胶粘剂的ⅱ类湿剪切强度对比图。
具体实施方式
27.现详细说明本发明的多种示例性实施方案(数据总结见表1)，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
28.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
29.对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。
30.以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
31.实施例1
32.在本实施例中，一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂的制备方法，包括以下步骤：
33.将聚乙二醇(pva)完全溶解在去离子水中，配制成10％的透明pva水溶液。向溶液中加入季铵化纳米纤维素(ncnf)，机械搅拌得到分散均匀的混合液，其中ncnf的质量比例为4％。向混合液中依次加入交联固化剂ptge和硼酸，ptge的质量比例为1％，硼酸的质量比例为0.02％，升温至90℃加热3h，获得无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂pcp1，黏度为3721mpa
·
s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.170mpa，ⅱ类湿剪切强度为0.729mpa。
34.实施例2
35.本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：
36.在本实施例中，一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂的制备方法，包括以下步骤：
37.将聚乙二醇(pva)完全溶解在去离子水中，配制成10％的透明pva水溶液。向溶液中加入季铵化纳米纤维素(ncnf)，机械搅拌得到分散均匀的混合液，其中ncnf的质量比例为4％。向混合液中依次加入交联固化剂ptge和硼酸，ptge的质量比例为2％，硼酸的质量比例为0.02％，升温至90℃加热3h，获得无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂pcp2，黏度为9282mpa
·
s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.266mpa，ⅱ类湿剪切强度为1.099mpa。
38.实施例3
39.本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
40.在本实施例中，一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂的制备方法，包括以下步骤：
41.将聚乙二醇(pva)完全溶解在去离子水中，配制成10％的透明pva水溶液。向溶液中加入季铵化纳米纤维素(ncnf)，机械搅拌得到分散均匀的混合液，其中ncnf的质量比例为4％。向混合液中依次加入交联固化剂ptge和硼酸，ptge的质量比例为3％，硼酸的质量比例为0.02％，升温至90℃加热3h，获得无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂pcp3，黏度为17336mpa
·
s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.761mpa，ⅱ类湿剪切强度为1.188mpa。
42.实施例4
43.本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
44.在本实施例中，一种无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂的制备方法，包括以下步骤：
45.将聚乙二醇(pva)完全溶解在去离子水中，配制成10％的透明pva水溶液。向溶液
中加入季铵化纳米纤维素(ncnf)，机械搅拌得到分散均匀的混合液，其中ncnf的质量比例为4％。向混合液中依次加入交联固化剂ptge和硼酸，ptge的质量比例为3％，硼酸的质量比例为0.2％，升温至90℃加热3h，获得无甲醛抗菌的纤维素基木材胶粘剂pcp3-b0.2，黏度为77866mpa
·
s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.418mpa，ⅱ类湿剪切强度为1.280mpa。
46.对比例1
47.本对比例所制备的胶粘剂，除不含季铵化纳米纤维素，其他组成均与实施例3中的相同。所得胶粘剂标记为pc0p3，黏度为1354mpa
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s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.466mpa，ⅱ类湿剪切强度为0.538mpa。
48.对比例2
49.本对比例所制备的胶粘剂，除不含交联固化剂，其他组成均与实施例3中的相同。所得胶粘剂标记为pcp0-b0，黏度为4736mpa
·
s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.606mpa，ⅱ类湿剪切强度为0.506mpa。
50.对比例3
51.将聚乙二醇(pva)完全溶解在去离子水中，配制成10％的透明pva水溶液。升温至90℃加热3h，获得胶粘剂pva，黏度为1128mpa
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s。根据国标gb/t9846-2015对使用该胶粘剂进行粘合的木板进行剪切强度测定，测得干剪切强度为2.089mpa，由于pva的强亲水性和溶胀性，ⅱ类湿剪切强度无法测得。
52.表1.各实施例和对比例所制备的无甲醛抗菌木材胶粘剂的成分组成和性能数据表
[0053][0054]
图1为本发明上述实施例1制备的pcp3和对比例pva木材胶粘剂放置三天的防霉图片对比图。季铵盐改性纤维素具有防霉抗菌的特性，免去额外添加防腐剂的繁琐工艺，降低了防腐剂破坏交联网络的风险。图2为上述实施例和对比例所制备的无甲醛抗菌木材胶粘剂的ⅱ类湿剪切强度对比图。上述实施例采用季铵盐改性纤维素作为木材胶粘剂的主剂，从原料选择上既满足了天然环保、无甲醛污染的可持续发展的要求，又具有防霉抗菌的作用。季铵盐改性纤维素改善了纤维素表面的正电荷性能和活性基团，增强了纤维素的化学
反应性，通过改性和交联的共同作用，与聚乙二醇(pva)形成稳固的交联网络，显著提升胶粘剂的粘合强度。本发明上述实施例制备的纤维素基木材胶粘剂原料无醛无毒、成分组成简单、制备工艺简易、防霉抗菌、粘合强度优异，适用于大规模生产和实际应用推广。
[0055]
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。