植物种子粉基木材胶粘剂的制备与性能测试

摘要

为了推动开发更具经济性和环境友好性的天然产物基木材胶粘剂配方，本研究展示了基于植物种子的木材胶粘剂的制备与测试方法。该实验方案可用于评估基于植物种子的农产品是否适合作为合成基木材胶粘剂的替代品。

摘要

近年来，以植物籽粕为原料的木材胶粘剂产品日益受到关注，因为这些植物原料被视为可再生且环境友好的材料。这些天然产品可作为石油基胶粘剂的替代品，以缓解环境与可持续性方面的担忧。本研究展示了以棉籽粕和豆粕为原料制备和测试植物籽粕基木材胶粘剂的方法。除未处理的粕粉外，还制备并测试了水洗粕粉和蛋白质分离物。通过将冻干粕粉与去离子水按质量比3:25（w/w）混合并搅拌2小时，制得胶粘剂浆料。使用刷子将每种胶粘剂样品涂覆于两片木材单板的一端。将涂有胶粘剂的木材单板重叠部分通过热压进行粘合。胶接强度以胶合试件破坏时的剪切强度表示。胶粘剂的耐水性通过浸泡水后胶合试件破坏时剪切强度的变化来测定。该实验方案可用于评估基于植物籽粕的农产品是否适合作为合成木材胶粘剂的替代材料。通过调整胶粘剂配方（添加或不添加助剂）以及优化粘合条件，可进一步提升其在多种实际应用中的胶接性能。

引言

木材的胶合在林产品工业中正发挥着日益重要的作用，是高效利用木材资源的关键因素¹。自20世纪30年代以来，人们对基于天然产物的木材胶黏剂的兴趣稳步增长，并在1960年左右达到顶峰²。此后，由于石油基胶黏剂价格大幅降低，导致蛋白质类胶黏剂在多个传统市场中被取代。在过去二十年中，这一趋势发生逆转，人们重新关注可再生、可生物降解且更环保的材料。这些天然资源包括但不限于大豆蛋白^3-5、棉籽蛋白⁶、米糠⁷、小麦面筋⁸、酒糟蛋白⁹、油菜籽蛋白和油^10-12、高粱和甘蔗渣中的木质素^13,14，以及源自虾壳的多糖¹⁵。

尽管种子蛋白分离物已被广泛评估为潜在的木材胶粘剂，但其分离过程涉及腐蚀性的碱性和酸性试剂，导致基于分离物的胶粘剂成本相对较高且对环境不够友好¹⁶。因此，一些脱脂后的种子粕（粉状物）无论是否经过处理，也已被尝试用于胶粘剂用途，尽管这些粕的胶粘性能不如蛋白分离物^17-19。我们已将棉籽粕（CM）依次分级分离为不同组分，并检测了各组分在粘接单板木材时的胶合强度^20,21。其中水不溶性固相组分（以下简称洗涤棉籽粕-WCM）可用作木材胶粘剂，其性能可与棉籽蛋白分离物（CSPI）相媲美，且制备成本低于CSPI。

粘合强度和耐水性是评估潜在胶粘剂材料性能的两个关键参数。此处，粘合强度以每块木材试样搭接接头断裂时的剪切强度来表示。胶粘剂的耐水性通过测定粘接木材试样在浸泡水后断裂时搭接剪切强度的变化来衡量。本实验方案以脱脂棉籽粉和豆粕为原料，提供了一种简单直接的方法，用于制备和测试基于植物种子的木材胶粘剂。该方案有助于推动开发更具经济性和环境友好性的天然产物基木材胶粘剂配方的研究工作。

方案

1. 基于棉籽粕和豆粕的产品（图1）

1. 从商业渠道获取原料，即脱脂棉籽和豆粕。
2. 将固体脱脂粕在旋风式样品磨中研磨，使其通过0.5 mm的钢筛，得到工作用粕¹⁶。
3. 将工作用粕进行水提取（25 g粕:200 ml水），制备水洗粕，以分离粕中的水溶性成分²¹。
4. 通过碱提酸沉法从工作用粕中制备蛋白质分离物¹⁶。

2. 木单板条的制备

1. 从商业来源获得的1.59 mm厚的单板上，切割出宽25.4 mm、长88.9 mm的条状试样。
2. 在每条试样的一端起25.4 mm（1.0"）处，沿垂直于木纹方向用铅笔划一条线。根据测试处理方式或编号对这些试样条进行适当标记。每个测试变量需准备5至10对木片。

3. 黏合剂浆料的制备

1. 根据施用率计算测试用木材试件所需的水洗餐量例如， 4 mg 干重/cm^-2) × 总粘接面积（例如， 581 cm² 90根木条，每根粘接面积为2.54 × 2.54 cm，另加约30%余量以确保充足即， 4 × 581 × 130% 3克水洗饲料（以该示例为例）。
2. 将水洗后的粉料与去离子水按3:25（w/w）的比例混合，置于烧杯中，用封口膜密封后，使用磁力搅拌子搅拌2小时。

4. 胶接木材试样的制备

1. 将粘合剂浆液涂刷在两片木单板条的一端，覆盖长度为25.4 mm（1.0英寸）"）长度。室温晾干10 - 15分钟，或直至表面微粘。
2. 在第一层之上再涂刷一层粘合剂浆液，并再次风干。所施加的干燥粘合剂制备量约为每平方厘米4.5毫克干固体。² 每根木条的粘合情况。
3. 重叠粘性胶涂覆区域（25.4 × 25.4 mm 或 1.0" x 1.0"2条木单板条的搭接剪切强度。使用台式加热压机在100 °C下热压20分钟，压力为400 psi（2.8 MPa）。注意，压力是指压机施加的力除以木材样品的重叠面积。根据各测试变量的需要，可调整上述粘接参数。
4. 在温湿度可控的养护室或培养箱中，将粘接好的木材试样于22 - 23 °C、相对湿度50 - 60%的条件下冷却并调节状态48小时； 图2).

5. 防水性实验

1. 将经过初始调湿处理的胶合木材试样置于塑料托盘中，在室温（22 - 23 °C）下浸入自来水浸泡 48 小时。浸泡后的湿态试样应立即进行剪切强度测试，并将结果报告为湿态强度。测试前可用纸巾轻轻拍拭单板表面，去除多余水分。
2. 将另一组经过初始调湿处理的胶合木材试样浸入 63 ºC 的水浴中 4 小时，随后在室温条件（温度 22 - 23 °C，相对湿度 50 - 60%）下干燥过夜（18 - 20 小时）。重复一次浸水-干燥循环，第二次干燥时间为 48 小时。干燥后的试样进行剪切强度测试，并将结果报告为浸泡胶合强度。

6. 搭接剪切强度测量

1. 将已粘接的木材试样装入材料试验机的32 × 40 mm鱼鳞格楔形夹具中，夹持压力设为7 MPa，并将横梁速度设置为1 mm min^-1。
2. 测量并记录每个粘接木材试样的断裂剪切强度。每种胶粘剂配方和测试变量的多次测量结果取平均值。

结果

每种胶粘剂配方的性能由粘接木材试样断裂时的剪切强度决定，其数值随所用木材单板的尺寸不同而变化。例如，在表1中，使用较薄且较窄的枫木条时（见棉籽-1），粘接试样的干态和浸泡态胶粘强度值均低于本方案推荐使用的较厚且较宽的棉籽-2条带，尽管采用的是相同的棉籽基胶粘剂配方。此外，在对较薄且较窄的木材单板进行胶粘剪切强度测试时，观察到更多的木材本体破坏试样。具体而言，在干态粘接试样中，脱脂粉、水洗粉和蛋白分离物分别有3个、4个和全部10个试样在木材纹理处发生破坏，而非在胶粘接头处；当使用相同的三种胶粘剂配方时，浸泡态试样中分别有0个、6个和9个试样在木材纹理处发生破坏。这表明胶粘剂的强度超过了薄木材条带本身的强度²¹。这一现象似乎适用于所用的两种原料。即，经水洗的棉籽粉的胶粘性能与棉籽蛋白分离物相当。另一方面，对于大豆类产品，水洗粉的干态和浸泡态强度更接近于脱脂粉，而非蛋白分离物，这可能反映了棉籽粉与大豆粉在化学组成上的差异。

表2比较了使用水洗棉籽粕在100 °C下粘接的四种木材的干燥、湿润和浸泡试样...

讨论

本文介绍了一种以植物种子为原料制备和测试木材胶粘剂的基本方法。本方案中示例的胶粘剂浆料仅由脱脂种子粉和水组成。通过添加测试试剂（如十二烷基硫酸钠、亚硫酸氢钠或桐油）^5,6,23 和/或改变混合条件（如pH值、固液比例）^3,24,25，可获得多种不同的胶粘剂配方。如果胶粘剂浆料的流变性能不适合在木条上进行适当涂布，则也需要对胶粘剂配方进行调整。

固体表面测试材料——单板为天然产品，因此其木材纹理和表面粗糙度可能存在较大差异。由于这一原因，文献中报道的测试重复次数为3至10次。由于这些变异以及其他已知和未知因素的影响，剪切强度测量结果中出现较大的标准偏差（>10%）并不罕见，如表1及文献^6-8,12,25所示，这可能会影响在P ≤ 0.05水平下的部分统计分析结果。因此，一些研究论文仅以标准偏差呈现数据，随后进行比较和讨论，而不进行显著性统计分析（例如，^7,8,12,26）。该方法仍能在一定程度上反映测试变量影响的总体趋势...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
脱脂棉籽粕	Kentwood Co-op		Kentwood, LA, USA
脱脂豆粕	Kentwood Co-op		Kentwood, LA, USA
木单板	Certainly Wood, Inc.		East Aurora, NY, USA
旋风式样品研磨机（型号 3010-014）	UDY Corporation		Fort Collins, CO, USA
台式加热压机（型号 3856）	Carver, Inc.		Wabash, IN, USA
材料试验机	Zwick GmbH & Co.		Ulm, Germany