脲醛樹(shù)脂膠黏劑熱分解特性研究

1、月尿醛樹(shù)脂膠黏劑熱分解特性研究Studying the pyrolysis performance of the UF resin小組成員：茍?bào)泠ńM長(zhǎng)）張海靜 姜彥菲 楊洋 辛意指導(dǎo)老師：北京林業(yè)大學(xué)常建民教授摘要：該課題測(cè)量了月尿醛樹(shù)脂的元素含量及其水分、灰分和揮發(fā)分含量；研究了在廢棄 人造板中的月尿醛樹(shù)脂膠黏劑的熱解過(guò)程（熱分解特性）。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于從低品位 的廢棄人造板中安全高效地獲取高活性、高抗菌性的生物油。Abstract: The ultimate and proximate analysis of the UFresin were investigated.The pyro

2、lysis 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關(guān)鍵詞：廢棄人造板，月尿醛樹(shù)脂，熱解Key words: waste wood-based panels, UF resin, pyrolysis1 .研究背景隨著化石能源的短缺和由于其過(guò)度使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，尋求并開(kāi)發(fā)包括木材資源在內(nèi)的可再生清潔能源是 21世紀(jì)世界各國(guó)面

3、臨的最重要課題之一。木材作為 生物質(zhì)的主要存在形式之一，是自然界可再生資源的重要組成部分，在生物質(zhì)資源中占有十分重要的地位。將木材合理地轉(zhuǎn)化為能源或化工原料對(duì)于減少常規(guī)化石資源消耗、 彌補(bǔ)化工原料不足、減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，具有重要現(xiàn) 實(shí)意義和廣闊前景。利用快速熱解技術(shù)將低品位的木材資源轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的生物油，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)。快速熱解是指在中溫 （500 650c）、高加熱速率（104105c /s）和極短氣體停留時(shí)間（小于2s）的條件下，將生物 質(zhì)直接熱裂解，然后使中間液態(tài)產(chǎn)物分子在進(jìn)一步斷裂生成氣體之前快速冷凝，從而得

4、到高產(chǎn)量的生物油。生物油是一種棕褐色的液體，具含氧量極高，由醴、酯、醛、酮、 酚、有機(jī)酸、醇等多種化合物組成。隨著木材工業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)人造板產(chǎn)銷(xiāo)量極具增長(zhǎng)。然而在人造板大量、廣泛 使用的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的廢棄人造板。 廢棄人造板中有大量的木質(zhì)纖維材料， 是很有 利用價(jià)值的資源，然而如果不對(duì)人造板進(jìn)行合理處置， 廢棄在環(huán)境中或簡(jiǎn)單燃燒，會(huì)產(chǎn)生游離二氧化碳、甲烷、甲醛、氮氧化合物等溫室氣體及危害環(huán)境的污染物。因此，如 何安全高效地實(shí)現(xiàn)廢棄人造板的再生利用越來(lái)越受到研究者的重視。2 .目的和意義2.1 目的本課題將根據(jù)木材熱解理論，采用原料在線檢測(cè)的分析方法得到原料組成成分，使用熱重分析儀分析月

5、尿醛樹(shù)脂膠黏劑的熱解特性，為安全高效地實(shí)現(xiàn)廢棄人造板的再生利 用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.2 意義本課題的完成能夠?yàn)閺牡推肺坏膹U棄人造板中安全高效地獲取高活性、高抗菌性的生物油提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，它將有助于加快人造板快速熱解技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化實(shí)施進(jìn)程。3 .研究?jī)?nèi)容3.1 原料基本特性分析1）用元素分析儀測(cè)定月尿醛樹(shù)脂中各元素含量。2）用工業(yè)分析儀測(cè)定月尿醛樹(shù)脂中水分、灰分和揮發(fā)分含量3.2 原料熱分解特性研究用熱重分析儀測(cè)定月尿醛樹(shù)脂熱解特性。技術(shù)路線及任務(wù)分工 4.1技術(shù)路線（見(jiàn)圖1） 4.2任務(wù)分工張海靜和茍?bào)泠┴?fù)責(zé)：1） 用元素分析儀測(cè)定月尿醛樹(shù)脂中 各元素含量；2）用工業(yè)分析儀 測(cè)定月尿醛樹(shù)脂中水

6、分、灰分和 揮發(fā)分含量。姜彥菲、楊洋和辛意負(fù) 責(zé)：用熱重分析儀測(cè)定月尿醛樹(shù) 脂熱解特性。4 .活動(dòng)時(shí)間安排2010年1月至5月5 .研究過(guò)程及結(jié)果月尿醛樹(shù)脂膠黏劑月尿醛樹(shù)脂膠黏劑 熱重分析月尿醛樹(shù)脂膠黏劑 熱解特性月尿醛樹(shù)脂膠黏劑組成成分分析月尿醛樹(shù)脂膠黏劑 基本特性得到月尿醛樹(shù)脂膠黏劑熱分解特性圖1.技術(shù)路線基于對(duì)全球日益緊迫的能 源問(wèn)題的興趣，我們有幸聯(lián)系 到了北京林業(yè)大學(xué)的常建民教授，希望能夠進(jìn)入他的“木材快速熱解過(guò)程中氣相產(chǎn)物的 生成與釋放規(guī)律研究”課題組學(xué)習(xí)研究。教授欣然接受了我們的請(qǐng)求，并以電子郵件的 方式向我們提出了課題的相關(guān)問(wèn)題。我們?cè)诰W(wǎng)上查閱資料回答了這些問(wèn)題，對(duì)于研究的 內(nèi)

7、容有了一定的前期準(zhǔn)備。（問(wèn)題與解答見(jiàn)附錄）6.1 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室在課題組指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下，我們參觀了北京林業(yè)大學(xué)木材膠黏劑制備及性能測(cè)試 實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度，熟悉了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。6.2 制備實(shí)驗(yàn)樣品按照實(shí)驗(yàn)的要求，我們準(zhǔn)備了實(shí)驗(yàn)原料，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將固化后的月尿醛樹(shù)脂粉碎、 研磨成微細(xì)粉末（粒徑=200目）（見(jiàn)圖2和3）。然后觀摩了老師對(duì)實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行元素 含量分析的過(guò)程。圖2.尿醛樹(shù)脂固化樣品圖3.研磨處理過(guò)程6.3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)樣品的元素含量及其水分、灰分和揮發(fā)分含量把實(shí)驗(yàn)樣品分別放到元素分析儀和工業(yè)分析儀上，打開(kāi)分析儀電源開(kāi)關(guān)，讓實(shí)驗(yàn)樣 品靜置一個(gè)小時(shí)，等待儀器自動(dòng)對(duì)樣品進(jìn)行處理。然后，打

8、開(kāi)“測(cè)量”開(kāi)關(guān)，就能得到表1所列的月尿醛樹(shù)脂（膠黏劑）米品的元素分析結(jié)果和表2所列的月尿醛樹(shù)脂（膠黏劑）樣品的工業(yè)分析結(jié)果。這些結(jié)果與文獻(xiàn)1是一致的。表1.月尿醛樹(shù)脂（膠黏劑）樣品的元素分析Concentration （wt.%）-C318H4.1O27.9N36.1S0.1表2.月尿醛樹(shù)脂（膠黏劑）樣品的工業(yè)分析Concentration（wt.%）Moisture2.35Ash0.42Volatiles96.11Fixed carbon1.126.4研究實(shí)驗(yàn)樣品的熱分解特性在老師指導(dǎo)下，我們首先熟悉了實(shí)驗(yàn)儀器（島津熱重儀（TGA）,觀摩了儀器操作 流程，然后開(kāi)始測(cè)試實(shí)驗(yàn)樣品的熱分解特性。1

9、 .用特制溶液洗滌蒸發(fā)皿。2 .將研磨完成的樣品用藥匙放入蒸發(fā)皿中。3 .用銀子將蒸發(fā)皿加蓋并轉(zhuǎn)移至島津熱重儀（TGA）中，并將一個(gè)空的蒸發(fā)皿放 在另一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上作對(duì)照試驗(yàn)。圖4.設(shè)置參數(shù)5 .在島津熱重儀（TGA）升溫過(guò)程中，通過(guò)電腦圖像觀察待測(cè)樣品的實(shí)時(shí)變化6 .在550攝氏度時(shí)靜置10分鐘7 .在島津熱重儀（TGA）降溫過(guò)程中，通過(guò)電腦圖像觀察待測(cè)樣品的實(shí)時(shí)變化8 .完成月尿醛樹(shù)脂膠黏劑樣品熱解時(shí)的熱重曲線（見(jiàn)圖 5）。圖5.月尿醛樹(shù)脂膠黏劑樣品熱解時(shí)的熱重曲線圖5中的綠線是溫度線，即在島津熱重儀（TGA）反應(yīng)空間里溫度隨著時(shí)間的變化 趨勢(shì)。該圖像主要呈現(xiàn)樣品的升溫過(guò)程，曲線大致為直線上

10、升的。圖5中的黑線（失重線）是這次熱重實(shí)驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)。失重線要對(duì)照溫度線來(lái)分析， 隨著時(shí)間的推移、溫度的逐漸升高，由被測(cè)試樣品失重曲線得到樣品在什么溫度下分解 得最快。圖5表明：在200攝氏度到380攝氏度間樣品的分解速度最快。這個(gè)結(jié)果與參 考文獻(xiàn)1,2,3相吻合。6.總結(jié)本課題完成了預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：測(cè)量了月尿醛樹(shù)脂的元素含量（表1）及其水分、灰分和揮發(fā)分含量（表2）,研究了在廢棄人造板中的月尿醛樹(shù)脂膠黏劑樣品熱解時(shí)的熱重 曲線（圖5）。這些結(jié)果為安全高效地實(shí)現(xiàn)廢棄人造板的再生利用提供了重要數(shù)據(jù)。體驗(yàn)與反思o(jì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，第一件事情就是學(xué)習(xí)實(shí)茍?bào)泠旱谝淮沃蒙碛凇澳举|(zhì)材料與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

11、”中 ，我最深刻的體驗(yàn)是： 科學(xué)實(shí) 驗(yàn)工作需要認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，要嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度辦事驗(yàn)室的規(guī)章制度，然后才是研學(xué)課題，包括學(xué)習(xí)儀器儀表使用說(shuō)明、制備實(shí)驗(yàn)樣品和對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn) 行分析測(cè)試等等。在觀摩研究生的實(shí)驗(yàn)時(shí)，我看到：整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有條不紊，令我嘖嘖稱(chēng)奇。研究 生學(xué)長(zhǎng)們分工明確，動(dòng)作嫻熟；老師們循循善誘、一絲不茍。我一方面感到了自己的知識(shí)面太有限 只能做些遞送原料、準(zhǔn)備容器之類(lèi)的工作；另一方面深刻認(rèn)識(shí)到了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性一一每個(gè) 步驟都是挑戰(zhàn)，容不得一絲馬虎。在具體實(shí)驗(yàn)工作中，我體驗(yàn)到：1）有些實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作比我們事先想象的要細(xì)致繁雜很多；2）實(shí)驗(yàn)的成功在很大程度上取決于嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)程及精準(zhǔn)的

12、實(shí)驗(yàn)操作。可喜的是：通過(guò)這些實(shí)際工 作，我們掌握了基本操作技巧、提高了動(dòng)手能力。反思：1）對(duì)研究課題相關(guān)資料的了解不夠；2）實(shí)驗(yàn)操作水平有待進(jìn)一步提高；3）分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力尚有欠缺。辛意：從未走近過(guò)尖端科技的我們，終于第一次走入了它的實(shí)驗(yàn)室。這里的一切都讓我們感到好奇，各種尖端的實(shí)驗(yàn)儀器更是激發(fā)起了我們的求知欲。這里濃厚的科學(xué)氛圍感染了我們，讓我們帶著對(duì)科學(xué)的崇敬開(kāi)始了實(shí)驗(yàn)。首先要認(rèn)識(shí)眼前各式 各樣的儀器，僅僅是這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密的儀器就讓我們大開(kāi)眼界，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，盡管我們的技巧仍 不夠熟練，但我們明顯感覺(jué)到了這一天下來(lái)的進(jìn)步。四周的墻上貼滿(mǎn)了對(duì)各種實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)介，或許我 們不能完全理解這些介紹，

13、但真正讓我們感到震撼的是智慧的力量，科學(xué)的神圣。姜彥菲：通過(guò)此次研究性活動(dòng)學(xué)習(xí)，我看到了制作一種化學(xué)成品的不易，我們參觀了制作樹(shù)脂膠黏 劑的小型機(jī)器模型，對(duì)于第一次接觸這種機(jī)械的學(xué)生來(lái)說(shuō)，它已經(jīng)很大了，但事實(shí)上，真正用來(lái)生 產(chǎn)的要比它大好多倍。我們還近距離觀察了很多精密儀器的結(jié)構(gòu)組成的特定功能，小小的儀器都有 它們固定的功能，它們的用處在試驗(yàn)中有舉足輕重的作用。這種學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)來(lái)之不易， 我們十分珍惜。我們也深切的感觸到，自己還有許多知識(shí)需要學(xué)習(xí)。楊洋：我在參觀高溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)室的過(guò)程中感受頗深。由于課題內(nèi)容需要，我們?cè)谝晃涣謽I(yè)大學(xué)學(xué)生的介紹下，主要了解了熱重分析儀這種機(jī)器的構(gòu)造、工作流程、以及得出結(jié)

14、果對(duì)課題的作用。接著,我們走到林業(yè)大學(xué)的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，參觀整個(gè)研究性學(xué)習(xí)課題所屬的大課題下的初始實(shí)驗(yàn)裝置。它 是一個(gè)有多個(gè)分解裝置組合而成的機(jī)器，把初始材料從端頭放入，經(jīng)過(guò)多步高溫分解，排氣，就能 得到最后的要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的材料，看起來(lái)就好像是石油的顏色，這便是要用熱重分析儀分析的原料。在組長(zhǎng)的極少下，我們仔細(xì)觀察了儀器的各個(gè)部分，并從操作規(guī)范中大致了解了操作過(guò)程及工 作原理。更令我們感到驚訝的是，在參觀結(jié)束后，聽(tīng)在帶我們參觀的姐姐講，這個(gè)機(jī)器都是由參加 實(shí)驗(yàn)的學(xué)生自行設(shè)計(jì)的，這令我們十分震驚，也初次體驗(yàn)了課題研究的不易。雖然，我們只是做這 個(gè)大課題里的一個(gè)子課題的研究，也不能親自體驗(yàn)這個(gè)機(jī)器進(jìn)行

15、熱解的過(guò)程，但是，在了解了原理 和程序之后，對(duì)這個(gè)研學(xué)課題又有了進(jìn)一步的了解。希望這次的參觀能對(duì)我們之前參加的實(shí)驗(yàn)?zāi)芷?到促進(jìn)我們進(jìn)一步分析和理解的作用。我深深的覺(jué)得，這一次參觀令我受益匪淺。張海靜：這次研學(xué)，讓我印象最深的就是參觀了林大研究月尿醛樹(shù)脂膠黏劑熱分解特性的實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室中的儀器從小到不足 0.5cm的蒸發(fā)皿，到大到存放在專(zhuān)用倉(cāng)庫(kù)的生物油制備儀器都讓我倍感新奇，同時(shí)也體會(huì)到了科研人員工作的辛苦與不易。實(shí)驗(yàn)時(shí)，身旁的學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐們耐心地指導(dǎo)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?態(tài)度也讓我印象頗深。致謝在本次研學(xué)活動(dòng)中，“木質(zhì)材料與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的常建民教授給了我們 極大的支持和幫助，包括實(shí)驗(yàn)室、原材料和實(shí)驗(yàn)

16、儀器的使用，以及教輔老師的配備等等。 在此我們向他表示誠(chéng)摯的感謝！ 一些精密儀器(例如，元素分析儀，工業(yè)分析儀，熱重 分析儀)的操作是在茍進(jìn)勝老師和研究生學(xué)長(zhǎng)們的指導(dǎo)幫助下完成的，在此向他們一并表示感謝！參考文獻(xiàn)：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) 202102 H.P. Yang, R. Yan, T. Chin, e

17、t al., Thermogravimetric analysis-Fourier transform infrared analysis of palm oil waste pyrolysis, Energy Fuel 18 (2004) 18141821.3 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) 12081215.附錄：相關(guān)問(wèn)題資料調(diào)研1 . UF1.1

18、什么是UF?月尿醛樹(shù)脂是尿素與甲醛反應(yīng)得到的聚合物。又稱(chēng)月尿甲醛樹(shù)脂。英文縮寫(xiě)UF。1.2 UF的主要成分是什么？主要含有哪些化學(xué)元素？原料：甲醛、尿素、聚乙烯醇、氫氧化鈉、氯化俊。元素：C, O, H, N, Na, Cl。2 .人造板2.1 什么是人造板？主要有哪幾種？每種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為原料，經(jīng)一定機(jī)械加工分離成各種單元 材料后，施加或不施加膠粘劑和其他添加劑膠合而成的板材或模壓制品。人造板主要包括膠合板、刨花(碎料)板和纖維板等三大類(lèi)產(chǎn)品，具延伸產(chǎn) 品和深加工產(chǎn)品達(dá)上百種。膠合板是蒸煮軟化的原木，旋切成大張薄片，然后將各張木纖維方向相互垂 直放置，

19、用耐水性好的合成樹(shù)脂膠粘結(jié)，再經(jīng)加壓、干燥、鋸邊、表面修整而成 的板材。用來(lái)制作膠合板的樹(shù)種有根木、樺木、水曲柳、樺木、色木、柳枝木等。刨花板是利用施加或未施加膠料的木刨花或木纖維料壓制成的板材。纖維板是將樹(shù)皮、刨花、樹(shù)枝等廢料經(jīng)破碎、浸泡、研磨成木漿，再經(jīng)加壓成 型、干燥處理而制成的板材。2.2 月尿醛樹(shù)脂（UF）膠合板和UF刨花板的主要用途？近2年來(lái)國(guó)內(nèi)的消費(fèi)量？UF膠合板主要用于飛機(jī)、船舶、火車(chē)、汽車(chē)、建筑和包裝箱等。2006年1-12月，中國(guó)膠合板制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值75,819,437,000元；實(shí)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)品銷(xiāo)售收入72,163,513,000 元；實(shí)現(xiàn)累計(jì)利潤(rùn)總額 3,198,494,000元。2007年1-11月，中國(guó)膠合