纤维素纳米纤维/聚乙酸乙烯酯纳米复合粘合剂具有改善的机械性能

作者：Ons Chaabouni, Sami Boufilowast;


摘要

纤维素纳米纤维（CNF）是由可再生资源生产的纳米级纤维素，当被包括在聚合物基质中时具有强的增强潜力。在这项工作中，研究了添加CNFs对水性聚醋酸乙烯酯（PVA）胶粘剂性能的影响。通过将PVA分散体与CNF悬浮液在水中简单混合，制备具有1-10重量％CNF中不同含量的粘合剂制剂。粘合剂的粘度随着CNF的添加而增加，即超过5％的含量。 CNFs纳入改善了木材在干燥和潮湿条件下的剪切强度。与纯粘合剂相比，向PVA粘合剂添加10％的CNF增加了剪切强度约2倍。这种强化效应是由纳米纤维素纳米复合材料在聚乙烯醇基体中引起的强烈的增强效应所解释的。 CNF的添加也改善了PVA粘合剂的耐水性，并且强烈地提高了湿润条件下的机械性能，即CNF含量的7％以上。

关键词：CNF，胶粘剂，纤维素纳米纤维纳米复合材料聚醋酸乙烯酯

1.介绍

基于水性聚乙酸乙烯酯（PVA）的粘合剂已经是五十多年来木材工业中最常用的粘合剂之一（Stoeckel，Konnerth，＆Gindl-Altmutter，2013）。它还广泛用于配制用于多孔材料的水性粘合剂，包括纸，纸板，纺织品，陶瓷，箔等（Conner，2001）。基于PVA的粘合剂具有许多优点，例如对木材和纸基材的良好粘合性，使用简单的混合方法易于加工，随着时间的推移具有优异的稳定性，以及由于PVA分散相对较低的成本而具有成本效益的生产（Jaffe，Rosenblum，＆Daniels ，1990）。此外，聚乙酸乙烯酯粘合剂具有低毒性，并已被批准用于食品和药物包装。尽管具有这些特性，但PVA有两个主要缺点：第一，PVA在湿润条件下的性能非常差，第二，PVA粘合剂的机械性能随着温度的升高而降低，并且在70℃以上失去了粘合阻力。

木材中PVA粘合剂的缺点主要来自聚合物本身的结构性质。事实上，PVA是一种无定形聚合物，其Tg离室温不远（约40℃）。因此，当温度超过40℃时，聚合物链的大规模合作运动是可能的，导致聚合物模量的强烈下降，这不可避免地导致粘合剂的内聚能的降低。此外，PVA粘合剂对水的敏感性来源于水对聚乙烯醇的塑化作用，该聚乙烯醇用作PVA的胶体保护剂并且作为用于PVA的胶体保护剂的聚乙烯醇粘合剂的粘合剂和用作粘合剂的增粘剂。降低这种效应的一种方法是通过与可交联单体如丙烯酸羟乙酯，N-羟甲基丙烯酰胺（Brown＆Frazier，2007）和N-异丁氧基甲基丙烯酰胺共聚来实现PVA的受控热固性。然而，这些单体导致甲醛的释放（Brown，Loferski，＆Frazier，2007），现在被归类为致癌物质。交联也可以通过将PVA分散体与热固性树脂或硬化剂如脲甲醛，三聚氰胺 - 甲醛（Kim＆Kim，2005）和酚醛树脂（Lopez-Suevos＆Frazier，2006）混合来实现。然而，后者需要在环境温度下热压或延长压制，并且存储稳定性降低。另一种减轻PVA粘合剂缺点的方法是纳米纳米技术。已经显示对PVA粘合剂的性能有益的纳米颗粒的实例包括碳纳米管（Maksimov，Bitenieks，Plume，Zicans，＆Meri，2010），纳米氧化铝（Kaboorani＆Riedl，2012） Porwal，Nawaz，＆Coleman，2013）纤维素纳米晶体（Aydemir，Guuml;nduuml;z，Aşık，＆Wang，2016; Kaboorani等，2012）或纳米粘土（Kaboorani＆Riedl，2011）。

纤维素纳米原纤维（CNFs）是纤维素分解成纳米尺度的纤维素纳米纤维（CNF），在过去的十年中已成为一个热门研究课题（Kalia，Boufi，Celli，＆Kango，2014），在广泛的创新材料领域具有广阔的应用前景（Klemm et （Boufi，Kaddami，＆Dufresne，2014），纸张的强度添加剂（Gonzalez等，2013; Boufi等，2016），包装增强的聚合物基纳米复合材料（2012年，Maatar，Alila，＆Boufi; Maatar＆Boufi，2015），功能膜（Sehaqui，Zhou，＆Berglund，2012），药物释放（Kolakovic，Peltonen，Laukkanen，Hirvonen和Laaksonen，2012） ，2011），纳米泡沫（Mohammed Alia＆Gibson，2013），涂料添加剂（Gruuml;neberger，Kuuml;nniger，Zimmermann和Arnold，2014）。