网球拍用木质素胶粘剂的制备与性能研究

2021-05-31马磊

化学与粘合 2021年3期

马磊

（西北大学现代学院，陕西西安710130）

前言

网球拍由拍头、拍喉、拍柄组成，在使用时还需要配合网球线、避震结等配件使用，这种需要体力和智力相结合的运动在经济综合实力稳步增强的中国得到逐步推广，并被越来越多的体育爱好者所接受。在制备网球拍过程中，胶粘剂发挥着重要的辅料作用，然而目前市场上常见的网球拍用胶粘剂普遍存在黏度和胶合强度低、透胶等问题[1～3]，有必要制备出适应于网球拍的专用胶粘剂，但是目前具体成分配比对胶粘剂和胶合板性能的影响规律并不清楚[4～6]。在此基础上，本文考察了碱浓度、酚醛比、反应时间和木质素添加量对网球拍用木质素胶粘剂性能的影响，结果将有助高性能网球拍用胶粘剂的开发与应用。

1 试验材料与方法

试验原料包括灰分1.24%、60目的木质素、分析纯酚醛、NaOH、甲醛、异丙醇和盐酸羟胺。将试验原料按照配比混合均匀后在78℃进行反应，NaOH用量为（酚醛+木质素）质量的4%～16%，酚醛物质的量比介于1.5∶1～3.0∶1，反应时间介于2～4h，酚醛：木质素介于100∶1～40∶60，具体过程为：将木质素、NaOH和水混合均匀后在78℃溶解，60min后加入酚醛和甲醛，保温4h后取出，在38℃减压蒸馏直至黏度达到100～200mPa·s，制备得到木质素胶粘剂。

根据GB/T1723-93《涂料黏度测定法》测试黏度[7]；根据GB/T 14074-2006《木材胶粘剂及其树脂检验方法》测试固含量和游离甲醛含量[8]；采用MBC-3型平板硫化机将胶粘剂压制成胶合板[9]，尺寸示意图如图1，并采用MTS-810型液压伺服拉伸机测试胶合强度，同时观察透胶情况[10]。

图1 木质素胶粘剂胶合板试件的尺寸示意图Fig.1 The schematic diagram of plywood bonded with lignin adhesive

2 试验结果与分析

表1为碱浓度对木质素胶粘剂胶合强度的影响，其中，苯酚/木质素=75∶25，酚醛比=2.0∶1，反应时间3h。可见，当碱浓度为4%时，胶粘剂黏度为49mPa·s、固含量为39.5%、游离甲醛为0.489%，相应的胶合板的胶合强度为0.42MPa，但是存在透胶现象；随着碱浓度从4%增加至16%，胶粘剂黏度从49mPa·s增加至89mPa·s，固含量从39.5%增加至47%，胶合板胶合强度从0.42MPa增加至0.58MPa。对比分析可知，碱浓度8%、12%和16%时胶粘剂的黏度、固含量和胶合强度都大于碱浓度为4%的胶粘剂，且前三种胶粘剂的胶合板都没有透胶现象。由此可见，木质素胶粘剂中碱浓度会对胶粘剂性能产生明显影响，这主要是因为胶粘剂中碱浓度会影响苯酚和甲醛的缩合反应，在不同的碱性环境中，苯酚与甲醛发生反应形成羟甲基酚，从而对胶粘剂性能产生影响，在碱浓度为8%时胶合板具有最大的胶合强度。

表1 碱浓度对木质素胶粘剂胶合强度的影响Table 1 The effect of alkali concentration on the bonding strength of lignin adhesive

表2为酚醛比对木质素胶粘剂胶合强度的影响，其中，苯酚/木质素=75∶25，碱浓度为8%，反应时间3h。可见，当酚醛比为1.5∶1时，胶粘剂黏度为49mPa·s、固含量为36.1%、游离甲醛为0.099%，相应的胶合板的胶合强度为0.39MPa，但是存在透胶现象；随着酚醛比从1.5∶1增加至3.0∶1，胶粘剂的黏度从49mPa·s增加至149mPa·s，固含量从36.1%增加至40.1%，游离甲醛从0.099%增加至0.959%，胶合板胶合强度从0.39MPa增加至0.72MPa。由此可见，酚醛比的增加有利于提高木质素胶粘剂的黏度、固含量和胶合强度，这主要是因为酚醛比的增加会促进苯酚与甲醛发生反应而形成羟甲基苯酚。考虑到酚醛比为3.0∶1时胶粘剂中游离甲醛太高，而胶合强度与酚醛比2.0∶1时相近，因此适宜的酚醛比选取2.0∶1。

表2 酚醛比对木质素胶粘剂胶合强度的影响Table 2 The effect of phenolic aldehyde ratio on the bonding strength of lignin adhesive

表3为反应时间对木质素胶粘剂胶合强度的影响，其中，苯酚/木质素=75∶25，酚醛比=2.0∶1，碱浓度为8%。可见，当反应时间为2h时，胶粘剂黏度为129mPa·s、固含量为44.1%、游离甲醛为0.175%，相应的胶合板的胶合强度为0.54MPa，且不存在透胶现象；随着反应时间从2h增加至4h，木质素胶粘剂的黏度和固含量先减小后增加，胶合强度逐渐增大，且反应时间为2h、3h和4h时，胶合板胶合过程中都未发生透胶现象。此外，值得注意的是，当反应时间为3h和4h时，木质素胶粘剂的游离甲醛含量都明显低于反应时间为2h的胶粘剂，且反应时间3h和4h时游离甲醛含量差异不大，表明反应时间超过3h后胶粘剂中甲醛基本反应完全，过长的时间反而会使得胶粘剂黏度太大而不利于胶合板胶合。综合而言，适宜的反应时间为3h。

表3 反应时间对木质素胶粘剂胶合强度的影响Table 3 The effect of reaction time on the bonding strength of lignin adhesive

表4为木质素添加量对木质素胶粘剂胶合强度的影响，其中，碱浓度为8%，反应时间3h、酚醛比=2.0∶1。可见，当酚醛∶木质素=100∶0时，胶粘剂黏度为24mPa·s、固含量为44.6%、游离甲醛为0.041%，相应的胶合板的胶合强度为0.83MPa；随着酚醛：木质素含量从100∶0降低至40∶60，木质素胶粘剂的黏度和胶合板胶合强度变化幅度较大，固含量和游离甲醛含量也会随着酚醛：木质素比例发生变化，这也就说明木质素胶粘剂中酚醛∶木质素比例会对胶粘剂性能产生明显影响，这主要是因为胶粘剂中木质素是一种网状结构高分子化合物，在胶粘剂中加入木质素会影响甲醛与苯酚的正常聚合，在胶粘剂中含量过高会造成胶合板物理性能变差，不利于压制胶合。适宜的酚醛∶木质素比例为75∶25，此时木质素胶粘剂具有较低的游离甲醛含量，适宜的黏度和较高的胶合强度。