CN116096830A

CN116096830A - 用于含纤维素材料的粘合剂及包含它的产品

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Publication number: CN116096830A
Application number: CN202180055119.7A
Authority: CN
Inventors: 安娜·谢兰克; 葆拉·科瓦尔斯卡; 安杰伊·皮特利克; 汉斯·约阿希姆·埃德尔曼
Original assignee: Sistec Poland LLC
Current assignee: Sistec Poland LLC
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-05-09
Also published as: US20240309252A1; MX2023000978A; AU2021312636A1; PL434762A1; CL2023000210A1; CO2023001918A2; BR112023001086A2; EP4185651A1; EP4185651A4; WO2022019790A1; CA3186479A1; KR20230057358A; JP2023535059A

Abstract

公开了一种没有动物产品的易于使用和储存的用于含纤维素材料的环境友好的粘合剂，特别适用于木材复合材料的生产，以及使用该粘合剂获得的复合材料产品。

Description

用于含纤维素材料的粘合剂及包含它的产品

本发明涉及一种不含动物蛋白的生态粘合剂，其形式为适用于生产木材复合材料的用于含纤维素材料的胶粘剂组合物。

尽管基于动物蛋白和淀粉的胶粘剂能够在干燥条件下长期保持结合，但基于天然成分的胶粘剂的主要问题是其强度和耐水性有限。酪蛋白、血蛋白、大豆已通过化学变性和热处理进行了修饰。在20世纪初，这使得可以实现胶粘剂特性的显著改善，因此可以将获得的胶粘剂修饰应用于飞机螺旋桨的构建。[1],[2]

在随后的几年中，对合成聚合物的兴趣增加导致了第一次合成树脂的开发：苯酚-甲醛和脲-甲醛胶粘剂。它们更坚固、防水并且使得可以胶合材料用于外部应用，最重要的是，它们高效并且可重复、容易并且相对快速地大量获得。天然胶粘剂被搁置在一旁。它们的用途仅限于组装乐器，形成一些家具或制作装饰单板。[2]-[6]

然而，近年来，基于甲醛的胶粘剂变得非常有争议。甲醛是一种有毒的并且致癌的物质，在3.1mg/l时已观察到非常高的急性吸入毒性[7]。从生产过程中消除甲醛的其他胶粘剂，诸如PMDI，也对人体健康有威胁。PMDI的吸入毒性为LD50>0.493mg/l/4h(大鼠)[8]。此外，绝大多数合成胶粘剂的生产都基于不可再生资源-原油资源的使用，并且其生产通过多次长期缩聚过程导致向大气的二氧化碳排放显著增加。

从专利WO 2017/157646 A1已知一种用于含纤维素材料的无甲醛粘合剂，其包含动物蛋白作为主要粘合剂组分。

本发明的目的是提供一种用于含纤维素材料的替代粘合剂，该粘合剂也将基于环境友好的、容易获得的且生物可再生的成分，但不特别包含动物蛋白。同时，随着蛋白质含量本身的大幅降低，其应使得可以满足适用于基于脲-甲醛树脂的产品的要求和标准。

如今，重要的是因为动物蛋白的使用是一个越来越大的争议，特别是在一些消费者群体中。越来越频繁，我们满足了还对其他产品(不仅仅食物)提出的素食主义者或绝对素食主义者的期望。

本发明的主要目的是制备工业胶粘剂，不仅不使用有毒和致癌物质，而且不使用动物蛋白。本发明的另外的目的是能够胶合碎木材并最小化成品中甲醛的排放，碎木材是用于生产满足这些产品的现有标准的人造板的原材料。

出乎意料的是，在本发明中实现了这样定义的目的。

本发明涉及一种用于含纤维素材料的无甲醛粘合剂，其特征在于，它是一种组合物，该组合物包括：

-植物来源的蛋白质组分，优选大豆蛋白和/或油菜籽蛋白和/或面筋蛋白和/或豌豆蛋白和/或玉米面筋蛋白，量为1至25％，

-包含2至10个-OH基团的多元醇，特别是山梨糖醇、麦芽糖醇和甘油，量为5％至45％，优选山梨糖醇，量为10％至30％，

-蛋白质修饰剂-优选盐或氧化剂，特别是氢氧化钠或过氧化氢，量为0.05-5％，

-水，量直到100％。

优选地，根据本发明的粘合剂的特征在于以下特征中的至少一个：

-它另外包含量为3％至20％，优选量为7％至15％的脲；

-它另外包含量为1％至15％，优选量为4％至8％的过氧化氢；

-它另外包含量为0.5％至8％，优选量为4％至6％的酪蛋白；

-它另外包含量为2％至20％，优选量为5％至10％的糖蜜；

-它另外包含量为0.5％至30％，优选量为2％至10％的水玻璃；

-它另外包含量为1％至15％，优选量为5％至10％的来源于云杉木的改性木质素；

-它包含量为1％至10％，优选量为2％至5％的面筋蛋白；

发明优点

开发使用工业过程中的天然副产品的可生物降解的、无甲醛的胶粘剂具有巨大的经济、社会、环境和健康益处。如果农业、工业和林业废物未被用于例如动物饲料，则在炉中焚烧或储存-这是由温室气体排放导致气候变暖加剧以及由土壤、空气和水污染导致环境污染的另外的因素。使用食品工业副产品生产树脂是非常有趣的解决方案，不仅是因为减少废物产生的可能性。由于新的应用，它也有大的潜力来适应不同的生产要求，变成可再生资源，取代原油消耗，原油资源每年都在减少。

胶粘剂与其基底之间的粘附取决于许多因素，包括其如何发生。为了更好地理解粘附现象，解释胶粘剂结合的来源和强度，已经开展了许多研究。它们尤其描述了胶粘剂和基底之间的物理化学结合，在于胶粘剂和基底的原子和分子之间的电子转移或共享。当胶粘剂渗透到基底表面上的孔中时，由于物理-机械现象的帮助，也可发生粘附。结果是，通过将液体或胶粘剂渗透到胶粘剂硬化的材料的孔中来确保胶合强度。当胶粘剂和待结合的基底之间的结合形成是基于范德瓦尔斯力的存在时，粘附也通过吸附发生。假定胶合强度由胶粘剂和基底的官能团之间的直接反应确定。

体现本发明的蛋白质胶粘剂被分类为分散胶粘剂。它们的特征在于以下事实，当液相通过蒸发被移出到木材或大气中时，它们是固定的。已经在胶粘剂制备阶段的重要功能是分子间相互作用，这在胶合过程中影响人造板的特性。由于木纤维是多孔材料的事实，在将胶粘剂施加到纤维上之后，渗透到空隙中，并且然后浸润，这甚至更深地渗透到壁细胞中。只有能够形成氢键的低分子量胶粘剂组分才浸润。这些现象对于实现所需的结合机械特性至关重要。

氢键在结合胶粘剂中起着重要作用。胶粘剂的所有基本组分都能够根据氢键合原理相互作用。

整个胶合过程的关键是在高温和增压的影响下板的成型和压制阶段。在此阶段，胶粘剂组分与木材之间的接触显著增加，因为木材本身是不均匀材料，并且在其相邻组元之间具有小的接触面积。在这些条件下产生的蒸汽的作用引发纤维组分，即半纤维素、木质素和无定形纤维素的降解。因此，形成的产品在粘合纤维上起着重要作用。此外，在高温下，木质素变得柔软，并由于缩合而与胶粘剂的组分反应，这同时提高了胶合强度。

升高的温度还导致蛋白质的不可逆变性，当确定胶粘剂组合物的组成时应考虑到这一点，因为它也可以在添加的成分的影响下发生。根据本发明，胶粘剂制剂中存在的甘油积极影响了蛋白质的水合和热力学稳定性。由于其在胶粘剂中的存在，与使用甲醛胶的板相比，其参与的成品保留了更多量的水。

化学和机械/物理因素两者决定了木材胶粘剂的品质。蛋白质与木制基底化学相互作用的能力取决于“暴露”的官能团的数量和类型。有效的机械结合允许胶粘剂渗透到基底表面，这取决于组分在其载体中在水中的分散程度。

此外，蛋白质胶粘剂的粘附受粘度的调节。为了获得胶粘剂制剂的合适的粘度、流动性和渗透性，上述蛋白质变性是重要的，这增加了胶粘剂特性。在混合和均化过程中，蛋白质变性和分解的过程导致反应性官能团的暴露，这允许容易地获得与粘合基底的相互作用。这可以通过机械和热处理、高温水解和提高pH来实现。使用金属氢氧化物获得的配方的较高的pH值不仅有助于使蛋白质变性，而且还改善了胶的胶粘特性，并提高了渗透到木材孔中的速率。

常用的变性剂也是脲。由于与蛋白质的羟基基团的积极相互作用，它破坏氢键，这打开并展开其致密结构。通过暴露更多的疏水官能团，胶粘剂的耐水性应得到改善。

根据本发明的粘合剂使得可以从含纤维素的原材料生产产品，特别是用于生产纤维板和刨花板。使用本发明制造的所有产品均满足适用标准。

对选定的产品进行的测试结果与PN-EN标准和Sestec Polska Sp.z o.o.的内部标准进行了比较。单个产品的标准列于下面的表1和表2中。

表1.对于3mm纤维板(MDF)的PN-EN标准和Sestec标准。

MDF	固体[％]	内结合[MPa]	溶胀[％]	吸收[％]
					Sestec标准	40	0.50	50	80
EN标准	-	0.65	35	-

表2.对于单个等级的16mm刨花板的PN-EN 312标准和Sestec标准

刨花板	产品等级	固体[％]	内结合[MPa]	溶胀[％]
					Sestec标准	P1	40	0.24	80
EN标准		-	0.24	-
					Sestec标准	P2	40	0.35	50
EN标准		-	0.35	-
					Sestec标准	P3	40	0.45	14
EN标准		-	0.45	14

具体实施方式

用于含纤维素材料的粘合剂包括：

a)多元醇-包含2至10个-OH基团的多元醇。特别优选山梨糖醇、麦芽糖醇和甘油。优选使用含量为70-95％的溶液。特别优选使用含量为按重量计70％的山梨糖醇。根据本发明的粘合剂中多元醇组分的量范围为每百份粘合剂5至45％份。更优选，使用10至20％。所用多元醇的最终选择取决于特定应用和所需的最终胶粘剂特性。

b)植物蛋白-植物来源的蛋白质组分，大豆蛋白和/或油菜籽蛋白和/或豌豆蛋白和/或面筋蛋白和/或玉米面筋蛋白。以粉末的形式使用。最优选，蛋白质含量为70-95％，特别是85％的大豆蛋白。根据本发明的粘合剂中蛋白质组分的量范围为3至25％。通常，应说明所有测试的蛋白质都满足成品预期的标准，但其制备、掺入混合物的量或方法取决于成品的最终应用。

c)蛋白质修饰剂-优选金属氢氧化物或氧化剂，优选第I和II族的金属氢氧化物，特别优选氢氧化钠或氢氧化钙，呈粉末或薄片形式。最优选NaOH，而氧化剂优选过氧化氢和/或高锰酸钾，更优选强双氧水。

蛋白质修饰剂的量为0.05-5％，优选0.1-1％，最优选0.5％。

此外，考虑到适当选择的应用，主要是获得成品所需的材料类型、胶合材料类型或生产过程本身，使用另外成分可能是有益的，诸如：酰胺化合物，特别是脲，酪蛋白，糖蜜，水玻璃，改性木质素，三聚氰胺衍生物，玉米汤。这些成分的作用及其对粘合剂特性的影响在下面的实施例中更详细地讨论。

I.蛋白质优化

为了选择合适的植物来源的蛋白质，使用了以下：

-小麦面筋蛋白

-玉米面筋蛋白

-油菜籽蛋白

-糙米蛋白

-豌豆蛋白

-玉米蛋白

-大豆蛋白

它们中的大多数在与水-甘油混合物接触时形成浆料，然后随时间推移沉积。许多蛋白质修饰剂已被用于消除这种现象，包括氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁、顺丁烯二酸酐、脲。结果是，分别使用氢氧化钠和脲以及同时使用这两种组分是最有利的。

制备了混合物，因此不仅进行了选择蛋白质的过程，而且还选择了合适的液体组分，诸如糖蜜、甘油、山梨糖醇和植物油，积极影响了胶粘剂的特性。该配方包含49.5％的水、0.5％的氢氧化钠、12.5％的蛋白质、12.5％的脲和25％的液体添加剂。

为了开发本发明，选择3mm的中密度纤维板进行测试。通过在适当的条件下喷涂，使用与粘合剂混合的松木纤维，并形成板坯(mat)。粘合剂的量为基于干木材的8至13％的固体胶粘剂。优选10-12％。最优选11％。板坯在170-230℃、优选180-220℃、最优选190-210℃的温度下在压力下被压制，压制时间为7-13s/mm的板厚度，优选8-11s/mm、最优选10s/mm。最佳时间还取决于板坯的湿度和生产室内的空气湿度。

表3.使用多种蛋白质和液体成分的3mm MDF板的结果。

将结果与通过Sestec建立的内部标准进行比较(表3)。所有蛋白质就强度参数而言均满足Sestec的最低内部标准。然而，一些不在规定的允许溶胀以及同时吸水性的范围内。大豆、豌豆和面筋蛋白示出最有利的特性，因此，它们能够满足标准的欧洲标准。这些蛋白质被用于进一步修改和创造潜在的现成配方。

II.MDF板

为了开发本发明，选择中密度和3mm厚度的纤维板用于测试，通过在适当的条件下喷涂，使用与粘合剂混合的松木纤维，并形成板坯。粘合剂的量为基于干木材的8至13％的固体胶粘剂。优选10-12％。最优选11％。板坯在170-230℃、优选180-220℃、最优选190-210℃的温度下在压力下被压制，压制时间为7-13s/mm的板厚度，优选8-11s/mm、最优选10s/mm。最佳时间还取决于板坯的湿度和生产室内的空气湿度。同时，为MDF板选择油菜籽蛋白、改性淀粉和大豆蛋白作为上述测试蛋白质的代表。在整个蛋白质组中获得的结果是可比的，然而，所选的是在商业上可获得的，量使其工业用途成为可能。

1.油菜籽蛋白

表4.用于3mm厚MDF板的根据本发明的粘合剂的示例性组合物，使用油菜籽蛋白(wt％)。

2.油菜籽蛋白和食物粗纤维(roughage)浓缩物

表5.用于3mm厚MDF板的根据本发明的粘合剂的示例性组合物，使用油菜籽蛋白和食物粗纤维浓缩物(wt％)。

上述溶液的混合优选在碱性环境中以及在15-35℃、特别是20-25℃的温度下进行。

油菜籽蛋白浓缩物中包含的食物粗纤维是一种具有亲水性特性的成分。胶粘剂组合物中使用的这种物质的可接受的量受由其吸收的水量的限制。在生产中使用食物粗纤维导致成品强烈溶胀，这可能导致不符合用于干燥成型的MDF板的根据PN-EN 622-5标准的耐水性标准。

对于表4中呈现的“D”配方获得了最有利的结果。然后，它被用于测试使用相同参数制作的8mm厚MDF板的特性，对于此获得的内结合(内结合强度)也高于标准-0.8MPa。

3.大豆蛋白

表6.用于3mm厚MDF板的根据本发明的粘合剂的示例性组合物，使用大豆蛋白(wt％)。

为了产生中密度纤维板，通过在合适的条件下喷涂使用与粘合剂混合的3mm厚的松木纤维，并形成板坯。粘合剂的量为基于干木材的8至13％的固体胶粘剂。优选10-12％。最优选11％。板坯在170-230℃、优选180-220℃、最优选190-210℃的温度下在压力下被压制，压制时间为7-13s/mm的板厚度，优选8-11s/mm、最优选10s/mm。最佳时间还取决于板坯的湿度和生产室内的空气湿度。

使用表6中列出的配方制作的板的所有参数均符合用于干燥成型的MDF板的由Sestec和PN-EN 622-5建立的标准两者的要求。结果呈现于表7中。

表7.根据表6中的配方，使用大豆蛋白的3mm厚MDF板的结果

使用根据表7的配方1、2、3和4以生产根据相同的参数的厚度为6mm的板。结果汇总在表8中。所有值均符合用于干燥成型的MDF板的由Sestec建立的标准和PN-EN 622-5标准两者。

表8.根据表6中的配方，使用大豆蛋白的6mm厚MDF板的结果

III.刨花板

为了开发本发明，选择密度为660±30kg/m³以及厚度为16mm的单层刨花板用于后续测试。通过在适当的条件下喷涂使用与粘合剂混合的松木片，并形成板坯。粘合剂的量为基于干木材的7至13％的固体胶粘剂。优选9-12％。最优选11％。板坯在170-230℃、优选180-220℃、最优选190-210℃的温度下在压力下被压制，压制时间为7-15s/mm的板厚度，优选8-13s/mm，最优选10s/mm的板厚度。最佳时间还取决于板坯的湿度和生产室内的空气湿度。

1.大豆蛋白、豌豆蛋白和酪蛋白

表9.用于刨花板的根据本发明的粘合剂的示例性组合物，使用豌豆蛋白、酪蛋白和/或大豆蛋白(wt％)。

表10.根据表9中的配方，使用豌豆蛋白、酪蛋白和/或大豆蛋白的刨花板的结果。

将结果与内部Sestec标准和PN-EN 312标准进行了比较。表9中根据配方W0019R、W0019S和W0019US描述的胶接接头满足P1等级胶粘剂的强度标准，而胶粘剂组合物W0019SW、W0019UG和W0019WG满足刨花板的P2等级的强度标准。P1和P2等级不要求耐水性。为了更好的分析，另外将在水中浸泡后的溶胀结果与内部Sestec标准进行了比较。(表10)。

在向胶粘剂组合物中添加大豆蛋白和水玻璃后，观察到板的强度参数显著改善。水玻璃的添加使内结合改善0.08-0.2MPa，以及在水中浸泡后的溶胀结果改善5-7％。酪蛋白及其用量对板的耐水性没有积极效果。

W0019SW和W0019WG配方获得了最有利的结果。即使对于要求更高的等级中，满足了强度结果。在水中浸泡后，厚度溶胀非常好，也满足P3等级标准的要求。所有胶粘剂制剂均满足Sestec标准，最低固体含量>40％。

2.大豆蛋白、面筋蛋白或豌豆蛋白

表11.用于刨花板的根据本发明的粘合剂的示例性组合物，使用大豆蛋白和面筋蛋白或豌豆蛋白(wt％)。

表12.根据表11中的配方，使用大豆蛋白和面筋蛋白或豌豆蛋白的刨花板的结果。

将结果与内部Sestec标准和PN-EN 312标准进行了比较。表11中根据配方W0025和W0025WG描述的胶接接头满足P1等级胶粘剂的内结合标准。胶粘剂组合物W0035A满足根据PN-EN 312的刨花板的P2等级的强度标准，然而，它不满足浸泡在水中后溶胀测试的Sestec标准。P1和P2等级不要求耐水性。因此，为了更深入的分析，引入了内部标准(Sestec标准)，并且在水中浸泡后厚度溶胀的结果也包括在结果汇总中(表12)。

考虑到专利中描述的所有胶接接头，已经示出酪蛋白和面筋蛋白之间的正相关，因此，板的强度参数和耐水性得到了改善。W0035Z配方中酪蛋白的去除不导致成品的强度参数发生任何变化。用玉米汤代替一些水，导致强度增加最小。然而，它并没有改善刨花板的耐水性。

证明了添加豌豆蛋白对成品参数的显著影响。与添加面筋蛋白的配方相比，用豌豆蛋白甚至获得了2.5倍的更好的结果。

3.大豆蛋白

表13.用于刨花板的根据本发明的粘合剂的示例性组合物，使用大豆蛋白(wt％)。

表14.根据表13中的配方，使用大豆蛋白的刨花板的结果。

将结果与PN-EN 312标准和内部Sestec标准进行比较。表13中根据配方W0033A、W0033B、W0033D、W0033K和W0033M描述的胶接接头满足P1等级的强度标准，而胶粘剂组合物W0033J、W0033L和W0033W满足刨花板的P2等级的强度标准。P1和P2等级不要求耐水性。为了更深入的分析，厚度溶胀的结果也包括在结果汇总中(表14)。考虑到该参数，在组合物W0033H和W0033I的情况下也满足P3等级的参数。

通过使用尤其是添加剂诸如水玻璃、山梨糖醇、糊精和乳剂，证明了对板的强度参数的积极效果。所有这些配方添加剂都导致了内结合的增加，这使得它们被归类为P2等级。

根据配方，从胶粘剂组合物中去除糖蜜也有助于提高强度，并显著改善板的耐水性50-100％。没有证明酪蛋白对产品参数有积极效果。

糖蜜的去除不一定对板的强度参数有积极效果。对于存在上述添加剂的W0033H胶粘剂组合物，获得了最佳的强度结果。

IV.甲醛排放测试

在波兹南木材技术研究所(Wood Technology Institute in Poznań)，根据PN-EN717-1:2006标准，使用室法进行了甲醛排放测试。结果示出于表15。

目的是证明通过用根据本发明开发的胶接接头胶合松木纤维来减少来自天然木材的甲醛排放。

作为参考样品(编号1)，仅使用松木纤维制造用于生产MDF板的板，由其制成板坯，并且然后在与生产其他板相同的条件下压制。对于样品2和3的生产，通过在适当的条件下喷涂，使用与粘合剂混合的松木纤维，并形成板坯。粘合剂的量为基于干木材的11％的固体胶粘剂。在210℃下在压力下，以10s/mm的板厚度的压制时间压制板坯。

表15.使用室法对MDF板进行甲醛排放测试的结果。

所得结果证实了所开发的配方中不存在甲醛。此外，它们证实了蛋白质与醛的结合，在这种情况下，与木材本身所包含的甲醛结合。这允许将有毒醛的排放减少最高达64-77％。

此外，收到的结果证实了本发明的假设的实现，在限制来自针对没有任何胶的纯木制板坯的最终胶合产品的甲醛排放的范围内。

文献目录

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Claims

1.一种用于含纤维素材料的粘合剂，其特征在于，它包含以下成分：

-植物来源的蛋白质组分，优选选自包括以下的组：大豆蛋白、油菜籽蛋白、面筋蛋白、豌豆蛋白和玉米面筋蛋白，量为3至25％，

-包含2至10个-OH基团的多元醇，优选选自包括以下的组：山梨糖醇、麦芽糖醇和甘油，量为5％至45％，特别是山梨糖醇，量为10％至30％，

-蛋白质修饰剂，选自包括金属氢氧化物或氧化剂的组，特别是氢氧化钠或过氧化氢，量为0.05-5％，

-水，直到100％。

2.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为3％至20％，优选量为7％至15％的脲。

3.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为1％至15％，优选量为4％至8％的过氧化氢。

4.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为0.5％至8％，优选量为4％至6％的酪蛋白。

5.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为2％至20％，优选量为5％至10％的糖蜜。

6.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为0.5％至30％，优选量为2％至10％的水玻璃。

7.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为1％至10％，优选量为2％至5％的面筋蛋白。

8.根据权利要求1所述的粘合剂，其特征在于，其进一步包含量为1％至15％，优选量为5％至10％的改性木质素，特别是来源于云杉木的改性木质素。

9.一种复合材料产品，通过将含纤维素的起始材料与根据权利要求1至8中任一项所述的粘合剂粘合并将其形成产品而获得。

10.根据权利要求9所述的复合材料产品，其特征在于，所述起始材料是木材，特别是木纤维或木刨花，来自谷物、稻、油菜籽、罂粟、玉米、亚麻、向日葵的秸秆，和/或纸。

11.根据权利要求9或10所述的复合材料产品，其特征在于，它是板，优选是压制板或层压板。