脲醛树脂胶黏剂热分解特性研究 - 图文

2009级优秀学生研究性学习作品集

脲醛树脂胶黏剂热分解特性研究

Studying the pyrolysis performance of the UF resin

小组成员：苟筱雯（组长）张海静 姜彦菲 杨洋 辛意

指导老师：北京林业大学常建民教授

摘要：该课题测量了脲醛树脂的元素含量及其水分、灰分和挥发分含量；研究了在废弃人造板中的脲醛树脂胶黏剂的热解过程（热分解特性）。这些实验结果有助于从低品位的废弃人造板中安全高效地获取高活性、高抗菌性的生物油。

Abstract：The ultimate and proximate analysis of the UF resin were investigated. The pyrolysis performance of the UF resin was studied. These results could be used in making hyperactivity and high anti-bacterial Bio-oil with waste wood-based panels.

关键词：废弃人造板，脲醛树脂，热解

Key words: waste wood-based panels, UF resin, pyrolysis

1. 研究背景

随着化石能源的短缺和由于其过度使用带来的环境问题日益凸显，寻求并开发包括木材资源在内的可再生清洁能源是 21 世纪世界各国面临的最重要课题之一。木材作为生物质的主要存在形式之一，是自然界可再生资源的重要组成部分，在生物质资源中占有十分重要的地位。将木材合理地转化为能源或化工原料对于减少常规化石资源消耗、弥补化工原料不足、减少环境污染，实现资源、环境与社会的可持续发展，具有重要现实意义和广阔前景。

利用快速热解技术将低品位的木材资源转化为高品质的生物油,是目前国内外研究的热点,被认为是最具发展潜力的生物质能转换技术。快速热解是指在中温(500～650℃) 、高加热速率(104～105℃/s)和极短气体停留时间(小于2s)的条件下, 将生物质直接热裂解,然后使中间液态产物分子在进一步断裂生成气体之前快速冷凝,从而得到高产量的生物油。生物油是一种棕褐色的液体，其含氧量极高，由醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等多种化合物组成。

随着木材工业的蓬勃发展，我国人造板产销量极具增长。然而在人造板大量、广泛使用的同时也产生了大量的废弃人造板。废弃人造板中有大量的木质纤维材料，是很有利用价值的资源，然而如果不对人造板进行合理处置，废弃在环境中或简单燃烧，会产

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生游离二氧化碳、甲烷、甲醛、氮氧化合物等温室气体及危害环境的污染物。因此，如何安全高效地实现废弃人造板的再生利用越来越受到研究者的重视。 2. 目的和意义 2.1 目的

本课题将根据木材热解理论，采用原料在线检测的分析方法得到原料组成成分，使用热重分析仪分析脲醛树脂胶黏剂的热解特性，为安全高效地实现废弃人造板的再生利用提供实验数据。 2.2 意义

本课题的完成能够为从低品位的废弃人造板中安全高效地获取高活性、高抗菌性的生物油提供实验数据，它将有助于加快人造板快速热解技术的发展和产业化实施进程。 3. 研究内容

3.1 原料基本特性分析

1)用元素分析仪测定脲醛树脂中各元素含量。

2)用工业分析仪测定脲醛树脂中水分、灰分和挥发分含量。 3.2 原料热分解特性研究

用热重分析仪测定脲醛树脂热解特性。

技术路线及任务分工

4.1技术路线 （见图1） 4.2任务分工

张海静和苟筱雯负责：1）用元素分析仪测定脲醛树脂中各元素含量; 2）用工业分析仪测定脲醛树脂中水分、灰分和挥发分含量。

姜彦菲、杨洋和辛意负责：用热重分析仪测定脲醛树脂热解特性。 4. 活动时间安排 2010年1月至5月 5. 研究过程及结果

基于对全球日益紧迫的能源问题的兴趣，我们有幸联系

图1. 技术路线 脲醛树脂胶黏剂 脲醛树脂胶黏剂热重分析 脲醛树脂胶黏剂组成成分分析 脲醛树脂胶黏剂热解特性 脲醛树脂胶黏剂基本特性 得到脲醛树脂胶黏剂热分解特性 1

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到了北京林业大学的常建民教授，希望能够进入他的“木材快速热解过程中气相产物的生成与释放规律研究”课题组学习研究。教授欣然接受了我们的请求，并以电子邮件的方式向我们提出了课题的相关问题。我们在网上查阅资料回答了这些问题，对于研究的内容有了一定的前期准备。（问题与解答见附录） 6.1进入实验室

在课题组指导教师的带领下，我们参观了北京林业大学木材胶黏剂制备及性能测试实验室，学习了实验室的规章制度，熟悉了实验环境。 6.2制备实验样品

按照实验的要求，我们准备了实验原料，并根据实验要求将固化后的脲醛树脂粉碎、研磨成微细粉末（粒径<=200目）(见图2和3) 。然后观摩了老师对实验原料进行元素含量分析的过程。

图2. 尿醛树脂固化样品

图3. 研磨处理过程

6.3 测试实验样品的元素含量及其水分、灰分和挥发分含量

把实验样品分别放到元素分析仪和工业分析仪上，打开分析仪电源开关，让实验样品静置一个小时，等待仪器自动对样品进行处理。然后，打开“测量”开关，就能得到

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表1所列的脲醛树脂（胶黏剂）样品的元素分析结果和表2所列的脲醛树脂（胶黏剂）样品的工业分析结果。这些结果与文献[1]是一致的。

表1. 脲醛树脂（胶黏剂）样品的元素分析 Concentration（wt.%） C H O N S

表2. 脲醛树脂（胶黏剂）样品的工业分析

Concentration（wt.%） Moisture Ash Volatiles Fixed carbon

6.4研究实验样品的热分解特性

在老师指导下，我们首先熟悉了实验仪器（岛津热重仪（TGA）），观摩了仪器操作流程，然后开始测试实验样品的热分解特性。

1．用特制溶液洗涤蒸发皿。

2．将研磨完成的样品用药匙放入蒸发皿中。

3．用镊子将蒸发皿加盖并转移至岛津热重仪（TGA）中，并将一个空的蒸发皿放在另一个试验台上作对照试验。

4．开启岛津热重仪（TGA），在电脑上设置相应参数（见图4）。

2.35 0.42 96.11 1.12 31.8 4.1 27.9 36.1 0.1

图4. 设置参数

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5．在岛津热重仪（TGA）升温过程中，通过电脑图像观察待测样品的实时变化。 6．在550摄氏度时静置10分钟

7．在岛津热重仪（TGA）降温过程中，通过电脑图像观察待测样品的实时变化。 8．完成脲醛树脂胶黏剂样品热解时的热重曲线（见图5）。

图5. 脲醛树脂胶黏剂样品热解时的热重曲线

图5中的绿线是温度线，即在岛津热重仪（TGA）反应空间里温度随着时间的变化趋势。该图像主要呈现样品的升温过程，曲线大致为直线上升的。

图5中的黑线（失重线）是这次热重实验的主要数据。失重线要对照温度线来分析，随着时间的推移、温度的逐渐升高，由被测试样品失重曲线得到样品在什么温度下分解得最快。图5表明：在200摄氏度到380摄氏度间样品的分解速度最快。这个结果与参考文献[1,2,3]相吻合。 6. 总结

本课题完成了预定的实验目标：测量了脲醛树脂的元素含量（表1）及其水分、灰分和挥发分含量（表2），研究了在废弃人造板中的脲醛树脂胶黏剂样品热解时的热重曲线（图5）。这些结果为安全高效地实现废弃人造板的再生利用提供了重要数据。

体验与反思

苟筱雯：第一次置身于“木质材料与应用教育部重点实验室”中, 我最深刻的体验是：科学实验工作需要认真严谨，要严格按照实验室的规章制度办事。进入实验室后，第一件事情就是学习实

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验室的规章制度，然后才是研学课题，包括学习仪器仪表使用说明、制备实验样品和对实验样品进行分析测试等等。在观摩研究生的实验时，我看到：整个实验过程有条不紊，令我啧啧称奇。研究生学长们分工明确，动作娴熟；老师们循循善诱、一丝不苟。我一方面感到了自己的知识面太有限——只能做些递送原料、准备容器之类的工作；另一方面深刻认识到了科学实验的严谨性——每个步骤都是挑战，容不得一丝马虎。

在具体实验工作中，我体验到：1）有些实验准备工作比我们事先想象的要细致繁杂很多；2）

实验的成功在很大程度上取决于严格遵守实验规程及精准的实验操作。可喜的是：通过这些实际工作，我们掌握了基本操作技巧、提高了动手能力。

反思：1）对研究课题相关资料的了解不够；2）实验操作水平有待进一步提高；3）分析实验结果的能力尚有欠缺。

辛意：从未走近过尖端科技的我们，终于第一次走入了它的实验室。这里的一切都让我们感到好奇，各种尖端的实验仪器更是激发起了我们的求知欲。

这里浓厚的科学氛围感染了我们，让我们带着对科学的崇敬开始了实验。首先要认识眼前各式

各样的仪器，仅仅是这些结构复杂精密的仪器就让我们大开眼界，在做实验时，尽管我们的技巧仍不够熟练，但我们明显感觉到了这一天下来的进步。四周的墙上贴满了对各种实验的简介，或许我们不能完全理解这些介绍，但真正让我们感到震撼的是智慧的力量，科学的神圣。

姜彦菲：通过此次研究性活动学习，我看到了制作一种化学成品的不易，我们参观了制作树脂胶黏剂的小型机器模型，对于第一次接触这种机械的学生来说，它已经很大了，但事实上，真正用来生产的要比它大好多倍。我们还近距离观察了很多精密仪器的结构组成的特定功能，小小的仪器都有它们固定的功能，它们的用处在试验中有举足轻重的作用。这种学习机会来之不易，我们十分珍惜。我们也深切的感触到，自己还有许多知识需要学习。

杨洋：我在参观高温热解实验室的过程中感受颇深。由于课题内容需要，我们在一位林业大学学生的介绍下，主要了解了热重分析仪这种机器的构造、工作流程、以及得出结果对课题的作用。接着，我们走到林业大学的另一个实验室，参观整个研究性学习课题所属的大课题下的初始实验装置。它是一个有多个分解装置组合而成的机器，把初始材料从端头放入，经过多步高温分解，排气，就能得到最后的要进行实验的材料，看起来就好像是石油的颜色，这便是要用热重分析仪分析的原料。在组长的极少下，我们仔细观察了仪器的各个部分，并从《操作规范》中大致了解了操作过程及工作原理。更令我们感到惊讶的是，在参观结束后，听在带我们参观的姐姐讲，这个机器都是由参加实验的学生自行设计的，这令我们十分震惊，也初次体验了课题研究的不易。虽然，我们只是做这个大课题里的一个子课题的研究，也不能亲自体验这个机器进行热解的过程，但是，在了解了原理和程序之后，对这个研学课题又有了进一步的了解。希望这次的参观能对我们之前参加的实验能起到促进我们进一步分析和理解的作用。我深深的觉得，这一次参观令我受益匪浅。

张海静：这次研学，让我印象最深的就是参观了林大研究脲醛树脂胶黏剂热分解特性的实验室。实

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验室中的仪器从小到不足0.5cm的蒸发皿，到大到存放在专用仓库的生物油制备仪器都让我倍感新奇，同时也体会到了科研人员工作的辛苦与不易。实验时，身旁的学长学姐们耐心地指导和严谨的态度也让我印象颇深。

致谢

在本次研学活动中，“木质材料与应用教育部重点实验室”的常建民教授给了我们极大的支持和帮助，包括实验室、原材料和实验仪器的使用，以及教辅老师的配备等等。在此我们向他表示诚挚的感谢！一些精密仪器（例如，元素分析仪，工业分析仪，热重分析仪）的操作是在苟进胜老师和研究生学长们的指导帮助下完成的，在此向他们一并表示感谢！ 参考文献：

[1] Xuguang Jiang, Chunyu Li, Yong Chi, et al., TG-FTIR study on urea-formaldehyde resin residue during pyrolysis and combustion, J. Hazard. Mater. 173 (2010) 205–210

[2] H.P. Yang, R. Yan, T. Chin, et al., Thermogravimetric analysis-Fourier transform infrared analysis of palm oil waste pyrolysis, Energy Fuel 18 (2004) 1814–1821.

[3] J.G. Liu, X.M. Jiang, L.S. Zhou, et al., Pyrolysis treatment of oil sludge and model-free kinetics analysis, J. Hazard. Mater. 161 (2009) 1208–1215. 附录：

相关问题资料调研

1. UF

1.1 什么是UF？

脲醛树脂是尿素与甲醛反应得到的聚合物。又称脲甲醛树脂。英文缩写UF。1.2 UF的主要成分是什么？主要含有哪些化学元素？ 原料：甲醛、尿素、聚乙烯醇、氢氧化钠、氯化铵。 元素：C，O，H，N，Na，Cl。 2. 人造板

2.1 什么是人造板？主要有哪几种？每种人造板的原料都是什么？

人造板是以木材或其他非木材植物为原料，经一定机械加工分离成各种单元材料后，施加或不施加胶粘剂和其他添加剂胶合而成的板材或模压制品。

人造板主要包括胶合板、刨花（碎料）板和纤维板等三大类产品，其延伸产品和深加工产品达上百种。

胶合板是蒸煮软化的原木，旋切成大张薄片，然后将各张木纤维方向相互垂直放置，用耐水性好的合成树脂胶粘结，再经加压、干燥、锯边、表面修整而成的板材。用来制作胶合板的树种有椴木、桦木、水曲柳、榉木、色木、柳桉木等。

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刨花板是利用施加或未施加胶料的木刨花或木纤维料压制成的板材。 纤维板是将树皮、刨花、树枝等废料经破碎、浸泡、研磨成木浆，再经加压成型、干燥处理而制成的板材。

2.2 脲醛树脂（UF）胶合板和UF刨花板的主要用途？近2年来国内的消费量？

UF胶合板主要用于飞机、船舶、火车、汽车、建筑和包装箱等。

2006年1-12月，中国胶合板制造行业实现累计工业总产值75,819,437,000元；实现累计产品销售收入72,163,513,000元；实现累计利润总额3,198,494,000元。2007年1-11月，中国胶合板制造行业实现累计工业总产值101,828,484千元；实现累计产品销售收入96,534,099千元；实现累计利润总额4,732,364千元。 UF刨花板主要用于家具和建筑工业及火车、汽车车厢制造。

2006年1-12月，中等规模以上刨花板制造企业实现累计工业总产值7,072,059千元；实现累计产品销售收入6,666,291千元；实现累计利润总额136,464千元。2007年1-11月，中等规模以上刨花板制造企业实现累计工业总产值9,643,562千元；实现累计产品销售收入8,937,280千元；实现累计利润总额409,659千元。 3. 废弃人造板

3.1 废弃人造板主要来自哪里？废弃人造板主要有哪些？

废弃人造板主要有木材加工、人造板、家具及木制品制造业的加工剩余物；城市建筑及住房的装饰装修所产生的木质抛弃料；城市基本建设，特别是旧城区改造、房舍拆迁过程中建筑物的木质构造，如门窗、梁、檩等；家具更新换代过程中所抛弃的旧家具和木制品；工业产品、物流仓贮、会议展览和百货超市等行业木制品抛弃物，如木包装箱等；各类建筑工地抛弃的木制品，如人造板、模板等。 3.2 废弃人造板的主要危害是什么？产生危害的物质（或原因）是什么？

废旧人造板处理不当会带来许多严重后果。人造板多是含有甲醛的制品，特别是刨花板中的甲醛含量较高。如果燃烧在产生的烟雾中含有大量甲醛，对空气、环境、人体健康具有严重的危害性；如果作为垃圾填埋则不能完全降解，高温天气产生难闻的气味。

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