基于玉米醇溶蛋白胶粘剂的木刨花板力学性能研究

基于玉米醇溶蛋白胶粘剂的木刨花板力学性能研究

1玉米醇溶蛋白与其他人造板相比，刨花板生产投资小、能耗低、成本低、木材原料的质量要求低。它的原材料来源广泛，具有良好的物理强度。广泛应用于装饰、家具、建筑材料、家具等行业。然而,目前广泛用于刨花板生产的三醛胶来源于不可再生的石油资源,在湿热环境下易长时间释放出游离甲醛,严重污染环境,并危害人类健康。随着原油价格的不断上涨和人们对安全意识和环保意识的日益增强,这一问题变得尤为突出。以玉米为原料进行深加工的企业,如生产淀粉、淀粉糖、有机酸、氨基酸等产品的工厂,都会产生大量的下脚料。在这些下脚料中,大约可以分离出占原料质量5%~6%的玉米蛋白粉,其主要蛋白质为玉米醇溶蛋白。玉米醇溶蛋白具有独特的溶解性,它既不溶于水也不溶于无水醇类,但可溶解于60%~95%含水醇溶液中。TathamA.S.等研究发现,玉米醇溶蛋白具有棒状或扁长椭圆球体结构,分子轴径比在7:1和28:1范围之间。但当玉米醇溶蛋白溶解在乙醇溶液中时,一定量的分子会呈聚集状态存在。由于玉米醇溶蛋白不溶于水且缺乏赖氨酸、色氨酸等人体必需氨基酸,还存在色泽和气味等一系列问题,因而较少应用于食品原料中。但玉米醇溶蛋白富含含硫氨基酸,蛋白质分子间以较强的二硫键、疏水键相连,且具有独特的溶解性,特殊的分子形状和结构,这些都决定了它具有成膜性。国内外许多学者对玉米醇溶蛋白的成膜性进行了研究。如,KimS.等利用交联剂改性玉米醇溶蛋白,结果表明,改性后的玉米醇溶蛋白可形成良好的薄膜。WuQ.X.等研究表明,经过适度改性可以有效提高玉米醇溶蛋白薄膜的强度及耐水性。NicholasP.等研究了玉米醇溶蛋白用于玻璃表面的胶粘性,发现将玉米醇溶蛋白溶解在醇溶液中,在一定的湿度下具有良好的胶粘性,可用于粘结玻璃。目前,国内外对玉米醇溶蛋白作为胶粘剂用于制备刨花板的研究鲜有报道。根据玉米醇溶蛋白的溶解性,本文采用乙醇溶液作为主要溶剂溶解玉米醇溶蛋白,通过单因素试验研究二氯甲烷、玉米醇溶蛋白、制胶时搅拌温度等因素对基于玉米醇溶蛋白胶粘剂的刨花板力学性能的影响规律,为制备玉米醇溶蛋白胶粘剂及环境友好刨花板提供理论依据和工艺措施。2材料和方法2.1蛋白和木糠花玉米醇溶蛋白由江苏省高邮市日星药用辅料有限公司提供,蛋白含量约91%;木刨花,由浙江大学木工厂加工,粒度为2~5mm;乙醇,分析纯,浙江省杭州大方化学试剂厂;二氯甲烷,分析纯,浙江省杭州双林化工试剂厂。2.2电动加硫成型工艺及设备CNT4204型微机控制电子万能材料试验机,深圳新三思公司;GT-7014-A50C型水冷式电动加硫成型机,高铁检测仪器(东莞)有限公司;B20型搅拌机,广州市番禺力丰食品机械厂;JJ-1型精密增力电动搅拌器,江苏金坛市江南仪器厂;自制成型模具等。2.3测试方法2.3.1玉米醇溶蛋白凝胶的制备制备工艺流程如下:溶剂75ml→加玉米醇溶蛋白→搅拌1.0h至均匀→与130g木刨花混合→搅拌15min→调节板坯含水率→铺装→热压成型。2.3.2玉米醇溶蛋白成胶固结实验前期预试验中,采用85%的乙醇溶液溶解玉米醇溶蛋白,并进行木片粘结试验,结果发现不能将木片有效粘结在一起。经筛选,向乙醇溶液中加入适量的二氯甲烷后,制成的溶液能粘结木片,且被粘结木片的干态剪切强度达到5MPa左右,表明该玉米醇溶蛋白溶液具有一定的胶粘性。因此,本文采用在85%的乙醇溶液中添加适量的二氯甲烷以溶解并改性玉米醇溶蛋白,制备玉米醇溶蛋白胶粘剂。采用单因素试验,控制刨花板的目标密度为0.75g/cm3,目标厚度为8mm,在前期研究的基础上,设定相应的热压温度为170℃、压力5MPa、热压时间8min。选取二氯甲烷、玉米醇溶蛋白和制胶时搅拌温度等3个因素,每个因素选取5个水平,考虑到玉米醇溶蛋白本身在高温下容易变性,影响其性质,所以温度范围定在25℃~65℃,各因素水平如表1所示。每个水平重复4次试验。2.3.3性能测试方法测试的力学性能指标为静曲强度、弹性模量、抗拉强度及内结合强度等,按刨花板国家标准(GB4897-2003)测定。每项指标重复测试4次,取算术平均值。3结果与分析3.1混合溶剂体积表2所示玉米醇溶蛋白含量为30%,制胶时搅拌温度为25℃条件下,不同二氯甲烷含量的玉米醇溶蛋白胶粘剂制备木刨花板的各项力学性能指标的测试结果。表中可知,二氯甲烷含量对刨花板力学性能的影响显著。在相同混合溶剂体积条件下,随着溶剂中二氯甲烷体积百分含量的增加,刨花板的静曲强度、弹性模量、抗拉强度及内结合强度等各项力学性能指标均呈现先增加后下降的趋势。当二氯甲烷的体积百分含量为20%时,刨花板的各项力学性能指标均达到最佳。这可能是因为向乙醇溶剂中添加少量二氯甲烷时,玉米醇溶蛋白在乙醇溶液中仍以聚集状态存在,没有充分地分散在溶液中,故溶液的胶粘性很差。随着二氯甲烷的增加,可使玉米醇溶蛋白从聚集状态转变成分散状态,增强溶液的胶粘性,从而使制备的刨花板各项力学性能的指标值增加。如果二氯甲烷的体积百分含量过高,则反而使玉米醇溶蛋白分子过度分散或结构破坏,从而使制备的刨花板各项力学性能指标值下降。3.2玉米醇溶蛋白的力学性能表3所示为二氯甲烷的体积百分含量为20%,制胶时搅拌温度为25℃条件下,不同玉米醇溶蛋白含量的胶粘剂制备木刨花板的各项力学性能测试结果。表中可知,不同玉米醇溶蛋白含量对刨花板力学性能的影响显著。在相同混合溶剂体积条件下,随着玉米醇溶蛋白百分含量的增加,刨花板的静曲强度、弹性模量、抗拉强度及内结合强度等各项力学性能均呈现先增加后下降的趋势。当玉米醇溶蛋白的百分含量为30%时,刨花板的各项力学性能达到最佳。这是因为随着玉米醇溶蛋白百分含量的增加,胶粘剂的浓度增加,玉米蛋白与刨花颗粒的胶合点增多,增加了板内胶合点的数量和面积,减少了刨花之间的空隙,胶粘剂与刨花之间的结合更加紧凑、牢固,从而增强了刨花板的力学性能。随着玉米醇溶蛋白百分含量的继续增加,胶粘剂浓度过高,容易造成施胶不均,且蛋白胶与木颗粒成团状结块,造成刨花板不同部位的性能有较大差异,因而降低整块板的性能。3.3制胶温度对玉米醇溶蛋白力学性能的影响表4所示为二氯甲烷体积百分含量为20%,玉米醇溶蛋白含量为30%条件下,制胶时采用不同搅拌温度的玉米醇溶蛋白胶粘剂制备木刨花板的各项力学性能的测试结果。表中可知,制胶温度对刨花板的力学性能影响显著。随着温度的增加,刨花板的静曲强度、弹性模量、抗拉强度及内结合强度等各项力学性能均呈现下降趋势。当搅拌温度为25℃时,刨花板的各项力学性能最佳。这可能是因为玉米醇溶蛋白在较高温度作用下,肽键因过分受热振荡而引起氢键破坏,并引起二硫键断裂或二硫键之间的交换反应,使玉米醇溶蛋白发生不同程度的热变性。温度越高,玉米醇溶蛋白热变性的程度越深,从而使胶粘剂的胶粘性及刨花板的力学性能下降。4玉米醇溶蛋白粘合剂的力学性能1.采用玉米醇溶蛋白胶粘剂制备木刨花板,当溶剂中二氯甲烷的体积百分含量在10%~50%范围内增加时,二氯甲烷对刨花板的静曲强度、弹性模量、抗拉强度及内结合强度等各项力学性能的影响显著。随着二氯甲烷的增加,刨花板的各项力学性能均呈现先增加后下降的趋势。当二氯甲烷的体积百分含量为20%时,刨花板的各项力学性能达到最佳。2.当玉米醇溶蛋白的百分含量在20%~40%范围内增加时,玉米醇溶蛋白对刨花板的各项力学性能影响显著。随着玉米醇溶蛋白的增加,刨花板的各项力学性能均呈现先增加后下降的趋势。当玉米醇溶蛋白百分含量为30%时,刨花板的各项力学性能达到最佳。3.制胶时搅拌温度对玉米醇溶蛋白胶粘剂制备的刨花板各项力学性能的影响显著。当温度在25℃