基于大豆蛋白胶的刨花板性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.33MB 82 页 15积分

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摘要

刨花板是人造板中一个主要板种，具有生产能耗小、成本低、物理力学性能

良好等特点，受到广泛青睐。为了研究开发环境友好型板材，本课题采用由上海

泓涵化工科技有限公司提供的大豆蛋白胶为胶粘剂，探讨了基于大豆蛋白胶的刨

花板制备工艺的研究，选取枫木刨花和麻杆刨花为原料，通过响应曲面试验和正

交试验研究了热压温度、热压时间、施胶量和目标密度四个主要因素对刨花板板

材的力学性能（内结合强度、表结合强度、静曲强度）和耐水性能（2h 吸水厚度

膨胀率）的影响，得出基于大豆蛋白胶制备刨花板的最佳工艺参数。主要内容和

结论如下：

（1）选取 M180 和H140 两种蛋白胶，采用不同的添加比例，探讨不同类型

的胶粘剂对刨花板性能的影响。通过单因素试验可以得出，随着 H140 胶粘剂含量

的不断增大，刨花板的各项性能呈先增大后减小的趋势。通过对不同比例的混合

胶粘剂的比较得出，选择 M180:H140 为1:2 为宜。

（2）通过添加石蜡的方法提高刨花板的耐水性，考虑不同水平的施蜡量对刨

花板性能的影响。通过施蜡量的单因素试验，得出最佳的施蜡量为 1.5%，此时，

2h 吸水厚度膨胀率降低了 50%左右，大大提高了刨花板的耐水性能，而石蜡的添

加并不影响刨花板的力学性能。

（3）研究基于大豆蛋白胶的枫木刨花板的最佳制备工艺。通过响应曲面试验

分析热压时间、热压温度、施胶量和密度对枫木刨花板力学性能和耐水性的影响。

应用 Design Expert7.1.6 软件模拟二次多项式回归方程的预测模型，确定最佳工艺

条件为：热压时间 27.5min，热压温度 178℃，施胶量 15.7%，密度 0.78g/cm-3,该

条件下预测刨花板的内结合强度达 0.557MPa，表结合强度达 0.984MPa，静曲强度

达21.893MPa，2h 吸水厚度膨胀率达 4.734%，实际测得内结合强度为 0.527MPa，

表结合强度为 0.902MPa，静曲强度为 22.26MPa，2h 吸水厚度膨胀率为 4.682%，

均达到 GB/T 4897.1-2003 对在干燥状态下使用的普通用板要求。

（4）探讨利用大豆蛋白胶粘剂压制麻杆刨花板的制备工艺，分析热压时间、

热压温度、施胶量和密度对麻杆刨花板性能的影响。通过实验得出：大豆蛋白胶

可以用于麻杆刨花板的制造；得出的最佳工艺参数：热压时间 25min、热压温度

180℃、施胶量 18%、密度 0.80g/cm3。在此条件压制的板材性能均达到 GB/T

4897.1-2003 对在干燥状态下使用的普通用板要求。

关键词：大豆蛋白胶刨花板性能指标响应曲面分析正交试验

工艺参数

ABSTRACT

As a main board of hard board, Particleboard has low energy consumption, low

cost, good physical and mechanical properties and wins high favor. The soy protein

adhesive is used so as to develop environmental friendly particleboard, which supported

by HongHan Chemical Technology Co., Ltd in ShangHai and derived from the

preparation parameters of particleboard were investigated. The raw materials used in the

production of particleboard are maple particle and hemp stalk particle. The effect of hot

pressing temperature, hot pressing time, soy protein-based adhesive content, and density

of particle on the particleboard physical and mechanical properties (IB、surface bonding

strength、MOR) and water-resistance property （2h-TS）were analyzed by response

surface analysis and orthogonal test and the optimal values of process parameter were

obtained. The main research contents and results were as the following:

(1) Selection of M180 protein adhesive and H140 protein adhesive, using different

adding proportion, investigated the effect of different types of adhesive on the properties

of particleboard by single-factor experiments. The results indicated that the particle

properties began to increase and then decrease with increasing content of H140 adhesive.

According to the comparison of adhesive mixed in different proportions, selected the

appropriate ratio of adhesive was that M180 to H140 was 1 to 2.

(2) Study of the method for improving the particleboard water-resistance property

by adding the paraffin and investigate the effect of paraffin addition on the properties of

particleboard by single-factor experiments. The results indicated that the optimum

content of paraffin was 1.5%. At this point, 2h-TS decreased 50%, and the particleboard

water-resistance property was improved greatly. The addition of paraffin did not affect

the particleboard physical and mechanical properties.

(3)The preparation parameters of maple particle board derived from soy

protein-based adhesive were investigated. The effect of hot pressing time, hot pressing

temperature, soy protein-based adhesive content, and density of maple particle on the

particle board physical and mechanical properties and water-resistance property were

analyzed by response surface analysis. Design Expert 7.1.6 software was used to

develop a quadratic polynomial regression model for the above parameters. Results

showed that the optimal values of process parameter were as follows: hot pressing time

27.5min, hot pressing temperature 178℃,soy protein-based adhesive content 15.7%,

density of maple particle 0.78g/cm3. At the optimal conditions, IB 0.557MPa, surface

bonding strength 0.984MPa, MOR 21.893MPa, 2h-TS 4.734% were predicted but

actual value IB 0.527MPa, surface bonding strength 0.902MPa, MOR 22.26MPa, 2h-TS

4.682%. The properties of maple particle board met the national standards.

(4)Preparation parameters of hemp stalk particle board derived from soy

protein-based adhesive were investigate and the effects under different levels of hot

pressing time, hot pressing temperature, soy protein-based adhesive content, and density

of hemp particle on the particle board physical and mechanical properties were analyzed.

The results shows that soy protein-based adhesive can be used in hemp stalk particle

board production and the optimal parameters are hot pressing time 25 min, hot pressing

time 180℃, soy protein-based adhesive content 18%, density of hemp particle board

0.75 g/cm3. Under such conditions, the particleboard has mechanical properties

exceeding the Chinese National GB／T 4897.4-2003 standard requirements．

Key Word ：soy protein-based adhesive, particle board, performance

index, response surface analysis, orthogonal test, process parameter

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 课题的研究背景及意义 ....................................... 1

§1.1.1 课题的研究背景 ........................................ 1

§1.1.2 课题研究的意义 ........................................ 2

§1.2 大豆蛋白胶的发展历程及研究现状 ............................. 3

§1.2.1 大豆蛋白胶改性方法 .................................... 3

§1.2.2 大豆蛋白胶的发展历程及研究现状 ........................ 5

§1.3 刨花板及工艺研究 ........................................... 6

§1.3.1 刨花板 ................................................ 6

§1.3.2 刨花板制备工艺 ........................................ 8

§1.4 课题来源和主要研究内容 .................................... 10

§1.4.1 课题来源 ............................................. 10

§1.4.2 主要研究内容 ......................................... 10

第二章大豆蛋白胶对刨花板性能的影响 ................................. 12

§2.1 前言 ...................................................... 12

§2.2 材料与仪器 ................................................ 12

§2.2.1 试验材料 ............................................. 12

§2.2.2 试验仪器 ............................................. 12

§2.3 试验方法 ................................................... 12

§2.3.1 枫木刨花板的制备 ..................................... 12

§2.3.2 刨花板力学性能和耐水性能的测定 ....................... 13

§2.3.3 混合大豆蛋白胶粘剂的热压实验 ......................... 13

§2.4 结果与分析 ................................................ 13

§2.4.1 M180 型大豆蛋白胶与 H140 型大豆蛋白胶理化性质比较 ..... 13

§2.4.2 不同蛋白胶配比对刨花板性能的影响 ..................... 14

§2.5 本章小结 .................................................. 18

第三章施蜡量对刨花板性能的影响 ..................................... 19

§3.1 前言 ...................................................... 19

§3.2 材料与仪器 ................................................ 19

§3.2.1 试验材料 ............................................. 19

§3.2.2 试验仪器 ............................................. 19

§3.3 试验方法 ................................................... 19

§3.3.1 枫木刨花板的制备 ..................................... 19

§3.3.2 刨花板力学性能和耐水性能的测定 ....................... 19

§3.3.3 石蜡对刨花板性能影响的单因素试验 ..................... 19

§3.4 结果与分析 ................................................ 20

§3.4.1 石蜡增强刨花板耐水性机理 ............................. 20

§3.4.2 不同施蜡量对刨花板性能的影响 ......................... 20

§3.5 本章小结 .................................................. 23

第四章大豆蛋白胶枫木刨花板制作工艺的优化研究 ....................... 24

§4.1 前言 ...................................................... 24

§4.2 材料与仪器 ................................................ 24

§4.2.1 试验材料 ............................................. 24

§4.2.2 试验仪器 ............................................. 24

§4.3 试验方法 ................................................... 24

§4.3.1 枫木刨花板的制备 ..................................... 24

§4.3.2 刨花板力学性能和耐水性能的测定 ....................... 24

§4.3.3 单因素试验 ........................................... 24

§4.3.4 响应曲面试验 ......................................... 25

§4.4 结果与分析 ................................................ 25

§4.4.1 单因素试验结果 ....................................... 26

§4.4.2 响应曲面试验结果 ..................................... 34

§4.4.3 参数优化和试验验证 ................................... 49

§4.5 本章小结 .................................................. 50

第五章大豆蛋白胶麻杆刨花板制作工艺的研究 ........................... 51

§5.1 前言 ...................................................... 51

§5.2 材料与仪器 ................................................ 51

§5.2.1 试验材料 ............................................. 51

§5.2.2 试验仪器 ............................................. 51

§5.3 试验方法 .................................................. 51

§5.3.1 麻杆刨花板的制备 ..................................... 51

§5.3.2 刨花板力学性能和耐水性能的测定 ....................... 52

§5.3.3 单因素试验 ........................................... 52

§5.3.4 正交试验 ............................................. 52

§5.4 结果与分析 ................................................ 53

§5.4.1 单因素试验结果 ....................................... 53

§5.4.2 正交试验结果 ......................................... 62

§5.4.3 大豆蛋白胶制造麻杆刨花板的最优工艺参数 ............... 68

§5.5 本章小结 .................................................. 69

第六章结论与展望 ................................................... 70

§6.1 结论 ...................................................... 70

§6.2 展望 ...................................................... 70

参考文献 ............................................................ 72

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 77

致谢 .............................................................. 78

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景及意义

§1.1.1 课题的研究背景

我国是一个森林资源匮乏的国家，森林面积约占 1.5 亿hm2，只占世界森林总

面积的 4%，为了维护生态安全和林业可持续发展，解决木材的供需矛盾，需要大

力发展人造板功工业。由于人造板对木材具有广泛的替代性和丰富的原料来源，

最近几年人造板发展势头迅猛，已成为林业的支柱产业[1]。而刨花板作为人造板的

一个主要板种，具有能耗小、成本低、对木材原料的质量要求不高，木材、非木

材原料（蔗渣、竹子、农业剩余物秸秆等）、城市废弃木材等都可以作为刨花板的

生产原料，且刨花板具有较好的物理力学性能等特点，受到广泛青睐。我国近几

年来，刨花板的产量稳中有升，2008 年我国的刨花板产量就达到 1142 万m3，突

破千万立方米大关[2]。北京奥运会、上海世博会以及“十一五”期间我国城市公用设

施固定资产的投资都刺激了我国刨花板行业的发展，我国的刨花板消费量会逐年

增加。

目前国内有关刨花板的研究报道也很多。韩豫东等[3]人利用自制的异氰酸酯乳

液胶粘剂压制木质及非木质刨花板，通过单因子实验确定制造满足标准的木质及

非木质刨花板的胶种和施胶量。李永祥等[4]人采用无毒脲醛树脂胶粘剂，研究了不

同工艺条件下向日葵秆制备的刨花板的性能，得出最佳工艺参数，不仅大大降低

人造板的材料成本，同时也可以增加农民收入，具有很大的现实意义。李晓平等[5]

人采用脲醛树脂作为胶粘剂，研究了蓖麻秆不同部位对蓖麻秆刨花板性能的影响，

得出蓖麻秆皮部对板材的性能影响不明显，髓部对板材性能产生不利影响；将髓

部去除后，除弹性模量外，板材的其他各项性能都得到了明显改善。常建民等[6]

人以生物油替代 45%苯酚(质量分数)制备生物油／酚醛树脂(PF)胶粘剂，制备落叶

松刨花板。通过正交试验法优选出制备刨花板的最佳工艺参数。杨庆等[7]人利用新

型异氰酸酯多聚合合成树脂胶粘剂，分析了麦秆刨花板和木质普通刨花板性能差

别，研究表明在合理的生产工艺下，麦秆刨花板的各项性能要优于同密度、同含

水率的普通 A类优等刨花板，并且麦秆刨花板产品原料成本低，市场竞争能力强，

具有显著的经济效益、社会效益和生态效益。徐信武等[8]人同样用改性的异氰酸酯

胶粘剂，在实验的条件下压制稻草刨花板。探讨了密度和施胶量对稻草刨花板性

能的影响，分析了石蜡对板子力学性能和尺寸稳定性的作用。寻觅等[9]人自制脲醛

树脂(UF)胶，并探讨实验室条件下烟秆/木材刨花板的生产工艺，比较烟秆刨花板、

烟秆/木材刨花板和木材刨花板三者的物理力学性能。

随着世界不可再生资源的日渐枯竭和人类对环境问题的日益关注，利用可再

基于大豆蛋白胶的刨花板性能研究

生资源生产环保型胶粘剂已经引起世界各国工业界的重视。大豆蛋白胶由于丰富

的来源、便宜的价格并且具有环境友好性特点，显出了较大的发展潜力。2008 年，

方坤等[10]人研究了基于十二烷基硫酸钠改性的大豆蛋白胶粘剂的竹刨花板性能，

通过响应曲面实验分析了热压温度、热压时间和板坯含水率对竹刨花板力学性能

和耐水性的影响，得出最优工艺参数。方坤等[11]人还通过选用 NaOH、SDS 以及

脲改性大豆分离蛋白，获得环境友好型生物质胶粘剂，研究其流变性能，并与不

同种类、不同粒度大小的刨花混合，试验室制备刨花板。研究改性大豆蛋白胶粘

剂对刨花板力学性能的影响，优选出较佳的改性试剂，通过实验得出，NaOH、SDS

及脲改性均使大豆蛋白胶粘剂的黏度增大，

NaOH 和SDS 的改性效果优于脲改性；

NaoH 和SDS 的改性明显提高了刨花板的各项力学性能，而脲改性刨花板的力学

性能偏低；选用粒度范围为 2-5mm 的中刨花时，刨花板的力学性能最佳；基于 NaoH

改性的大豆蛋白胶粘剂的木刨花板力学性能最佳，其次为竹刨花板，稻秸刨花板

的性能较差。

2001 年Mo 等[12]研究了改性豆胶在低密度麦秸刨花板上的应用，采用大豆分

离蛋白（蛋白质含量在 90%以上），与氢氧化钠、尿素和十二烷基苯磺酸（SDBS）

一起用于制胶，制得的刨花板表现出较好的抗拉强度。2004 年Cheng 等[13]人用利

用1.85％的 NaOH，3％的硼酸，1.5M 的脲，0.4％的硫代磷酰胺(BTPT)脲酶抑制

剂及 4％的 NaH2PO2改性的豆蛋白胶粘剂制备麦草颗粒刨花板，制得的板材具有

较好的力学强度和耐水性。Cheng 等[13]还将多种方法改性的大豆蛋白胶用于麦秸

刨花板粘接，并对比各种改性方式的效果。用尿素和丁基硫代磷酸三胺（nBTPT）

处理的改性豆胶，板材的胶合强度显著提高，加入氢氧化钠和柠檬酸后，胶合强

度提高幅度更大；硼酸处理的豆胶可使板的抗拉强度得到改善，而板材的静曲强

度和弹性模量变化不大。同时采用尿素、nBTPT、柠檬酸、磷酸二氢钠、硼酸和

氢氧化钠等多种试剂配制改性剂，改性后豆胶压制的麦秸刨花板获得了最大的力

学强度和耐水性。2010 年美国俄勒冈州立大学 Lapyote Prasittisopin 等人将含有两

种组分的无甲醛的大豆基胶粘剂通过分步添加的方式制备刨花板[14]。

§1.1.2 课题研究的意义

从1940 年以来，人造板行业一直使用合成树脂胶粘剂粘接复合木材，工业上

使用最多的含甲醛胶粘剂是苯酚甲醛和脲醛树脂胶粘剂,这些人造板在制造和使

用过程中，会释放出甲醛，不仅对人体造成伤害，还会对环境造成威胁，并且由

于原油价格的节节攀升导致合成树脂原料的价格上涨，也进一步促使了必需研究

和开发生物环境友好型的胶粘剂来代替合成树脂胶粘剂。在 2006 年2月公布的国

家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020 年)中，“农林生物质综合开发利用”

第一章绪论

被列为重点领域(农业)中的优先主题。通过利用物理、化学或生物技术将相关农产

品和农业废弃物等可再生资源转化为高附加值的生物质材料，从而用来替代石油

类产品，得到环境友好型的产品，这是二十一世纪最为重要和热门的研究课题[15]。

大豆蛋白胶粘剂就是通过对大豆蛋白改性修饰而得到的性能优良的胶粘剂。

不含甲醛，属于环境友好型胶粘剂，成本也较低，并且具有较好的耐水性能，因

此，利用大豆蛋白胶制备人造板不但减少了对不可再生资源的过分依赖，还能对

减轻环境污染做出重大贡献。杨光老师研究发明的“豆宝宝”生物胶粘剂属于天

然植物无醛胶，具有高粘结度、强耐水性、无甲醛、成本合理的特点，已获得美

国专利，在胶合板、中密度纤维板以及乒乓球底板上都已成功运用，利用这种蛋

白胶生产的胶合板产品质量可以达到国家“Ⅱ类胶合板”（耐热水性）的质量指

标和世界上最严苛的日本 F☆☆☆☆标准。但是此胶粘剂在刨花板上的应用，目前

还没有相关报道。

本课题主要在实验室的条件下，以大豆蛋白胶为胶粘剂，探讨刨花板板材的

力学性能和耐水性能。以同样不含甲醛基的枫木刨花为原材料，探讨大豆蛋白胶

的枫木刨花板的制备工艺。枫香属金缕梅科，具有生长快、分布广的特点，可以

为刨花板提供新的原料来源。目前，国内外有关枫木刨花板的研究鲜有报道，这

使本课题的研究具有更大的理论价值和现实意义。另外，我国是一个农业大国，

每年的农作物秸秆达 6亿吨[16]，是一种巨大的可再生资源，尤其是在目前木材原

材料日益紧张的情况下，探讨农作物秸秆在人造板上的工业化利用也具有很大的

现实意义。虽然农作物秸秆不能完全取代木材，但是作为一种绿色生态建材，不

仅在家具制造、室内装修等行业，还是在建筑和包装等行业，都可以成为木制板

材的有力补充，也是符合我国当前国情的一项社会效益，经济效益以及环境效益

三者并存的重大工程。因此，本课题还补充了以麻杆为原材料，基于大豆蛋白胶

的刨花板制备工艺的研究，为应用于工业生产奠定基础。麻杆为大麻剥皮后的下

脚料，资源丰富、价格低廉，用于生产刨花板可以节约大量木材资源，但是，大

麻经剥皮后，剩余麻杆的力学强度远低于木纤维，制作的刨花板往往难以达到木

材刨花板国际标准的技术要求，能否用蛋白胶制造出合格的麻杆刨花板是一个值

得探讨的问题。

§1.2 大豆蛋白胶的发展历程及研究现状

§1.2.1 大豆蛋白胶改性方法

大豆蛋白主要由7S球蛋白（β-浓缩球蛋白与γ-浓缩球蛋白）和11S球蛋白（可

溶性蛋白）组成，大约占整个大豆籽粒贮存蛋白的70%[17]。7S的疏水性氨基酸含

量高，11S的硫氨基酸含量高。这两种成分与大豆蛋白的功能性密切相关。由于球

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摘要：

摘要刨花板是人造板中一个主要板种，具有生产能耗小、成本低、物理力学性能良好等特点，受到广泛青睐。为了研究开发环境友好型板材，本课题采用由上海泓涵化工科技有限公司提供的大豆蛋白胶为胶粘剂，探讨了基于大豆蛋白胶的刨花板制备工艺的研究，选取枫木刨花和麻杆刨花为原料，通过响应曲面试验和正交试验研究了热压温度、热压时间、施胶量和目标密度四个主要因素对刨花板板材的力学性能（内结合强度、表结合强度、静曲强度）和耐水性能（2h吸水厚度膨胀率）的影响，得出基于大豆蛋白胶制备刨花板的最佳工艺参数。主要内容和结论如下：（1）选取M180和H140两种蛋白胶，采用不同的添加比例，探讨不同类型的胶粘剂对刨花板性能的影响...

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