低摩尔比脲醛树脂微结构调控与性能影响机制研究

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降低脲醛(UF)树脂摩尔比可有效减少制备人造板甲醛释放量,但随摩尔比降低,树脂表现出更多胶体性质,其改性难以用经典缩聚理论指导。本研究以胶体理论为基础,从UF树脂微结构入手,利用改变甲醛/尿素(F/U)摩尔比、与三聚氰胺共缩聚、生物质纳米材料添加等调控树脂微结构(结晶结构、聚集形态、结晶区尺寸和分布),通过对调控前后UF树脂固化特性、热稳定性、水解稳定性、胶接性能以及人造板甲醛释放量等进行表征,揭示摩尔比、共缩聚及纳米材料对UF树脂微结构作用机制、微结构调控机制、微结构变化对性能影响机制,建立UF树脂微结构变化与性能影响关系,为低摩尔比UF树脂改性提供新思路和理论支持。主要研究结论如下:  (1)当F/U摩尔比低于1.2时,UF树脂分子主要以胶体粒子形态存在,固化过程中胶体粒子聚集形成球状聚集体和球形结晶区。当摩尔比从1.2降低到0.9时,树脂结晶度提高14.26%,球状聚集体直径增加612.93%,达到微米级;同时,球形结晶区直径增加,并出现小球形结晶的团聚。这些微结构变化能够提高树脂水解稳定性和热稳定性,降低制备胶合板甲醛释放量。  (2)三聚氰胺共缩聚后低摩尔比UF树脂分子支链羟甲基含量增加,固化时发生交联反应并降低结晶度。缩聚阶段加入三聚氰胺,当添加量从5%提高至15%时,树脂结晶度降低5.85%,球状聚集体直径增加110.76%,结晶区直径增加100.54%。这些微结构变化导致树脂水解稳定性降低,胶合板胶合强度提高26.97%,甲醛释放量降低21.33%。缩聚阶段后加入三聚氰胺,当添加量从5%提高至15%时,树脂结晶度降低6.36%,球形聚集体直径降低36.77%,结晶区直径增加61.64%。这些微结构变化使树脂水解稳定性降低,胶合板胶合强度提高19.27%,甲醛释放量降低46.05%。在相同三聚氰胺添加量下,缩聚阶段加入,树脂具有更高的胶合板胶合强度,缩聚后加入,树脂具有更低的甲醛释放量。  (3)纳米材料对UF树脂微结构调控与其形态密切相关。棒状纳米结晶纤维素(NCC)诱导UF树脂胶体粒子在其周围聚集形成有序结晶结构。加入0.3%NCC使树脂结晶度提高14.89%,球状聚集体直径降低36.95%。这些微结构变化导致树脂热稳定性降低,水解稳定性提高,胶合板胶合强度提高32.79%,甲醛释放量降低21.32%。纤维素纳米纤维(CNF)诱导UF树脂胶体粒子在其周围聚集,但其网状形态阻碍结晶结构的形成。加入0.3%CNF使树脂结晶度降低12.82%,球状聚集体和结晶区消失,导致树脂热稳定性和水解稳定性降低,胶合板胶合强度提高54.98%,甲醛释放量增加25.75%。片状淀粉纳米晶(SNC)诱导UF树脂胶体粒子在其表面聚集形成有序结晶。加入0.3%SNC使树脂结晶度增加2.49%,球状聚集体直径增加20.17%,球状结晶区转化成片状,直径降低64.55%。这些微结构变化导致树脂热稳定性降低,水解稳定性提高,胶合板胶合强度提升44.26%,甲醛释放降低16.46%。纳米材料通过其表面羟基与UF树脂分子间形成氢键,诱导胶体粒子在其周围有序排列,提升树脂结晶度并将不规则分布的大球形结晶区转化成均匀分布的小球形结晶,增强树脂性能。  (4)对低摩尔比UF树脂进行化学或物理改性时,结晶度增加使固化体系结构更致密,水分难以进入、甲醛不易释放,有利于树脂水解稳定性提高和甲醛释放量降低;结晶区热传导率高但缺乏交联,结晶度增加不利于热稳定性和胶合强度提高。结晶区尺寸增加,使体系水解和甲醛释放面积减小、热解单元尺寸增大,有利于水解稳定性和热稳定性提高以及甲醛释放量降低。结晶区从不规则分布向均匀分散转变,使体系在受外力时能量层层耗散,提高树脂胶接性能。球形聚集体尺寸减小使固化体系结构均一,孔隙、甲醛释放面积以及热解单元尺寸减小,有利于水解稳定性和胶合强度提高,甲醛释放量和热稳定性降低。化学改性时结晶度和球状聚集体尺寸的变化与甲醛释放量和水解稳定性的关系存在差异。
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