髙支化聚酰胺-甲醛树脂合成与应用研究

Urea-formaldehyde resin is currently the most important adhesive in wood-based panel industry, but emission of formaldehyde has been a problem. To lower the level of formaldehyde emission, low-molar ratio strategy was taken in the traditional synthesis. As a result, condensation reactions mainly produce linear resin polymers and significant degradation of adhesion performance occurs. To resolve the contradiction between formaldehyde emission and resin performance, synthesis of the branched polyamide polymers was proposed in this project. With the highly stable and branched structure, large amount of functional groups, good water-solubility, and quasi-urea reactivity, polyamide-formaldehyde resin can be further synthesized and both high-performance and low formaldehyde emission can be achieved. Except for ammonia, there are no other side-products produced during synthesis, implying low purification cost and simple procedures. The approach to control the molecular weight and branching degree of the polyamides will be explored, synthetic routes of polyamides and polyamide-formaldehyde resin will be established. Further, quantum chemistry method will be empolyed to investigate the reaction mechanisms and the condition-structure-performance relationship will be elucidated, so that the basic synthesis theory can be established. The achievements of this project will set solid theoretical and technical foundation for the future application of new polyamide-formaldehyde wood adhesive resin.

脲醛树脂是目前人造板工业用量最大的木材胶黏剂，但存在甲醛释放量大的问题。为降低人造板甲醛释放量，传统脲醛树脂合成被迫采用低摩尔比工艺，这直接导致了树脂分子以线性结构为主，胶合性能显著下降。为解决甲醛释放量和性能之间的矛盾，项目提出利用二乙烯三胺和尿素的脱氨缩合反应合成尿素端支化聚酰胺，利用其结构稳定、支化程度高、官能团多、水溶性好、具有尿素反应活性等优势进一步合成聚酰胺-甲醛树脂，实现高性能和超低甲醛释放量的统一。同时，尿素和甲醛仍然是树脂合成的主要原料，合成成本可以得到有效控制。项目研究内容主要包括：探讨聚酰胺分子量和支化程度控制工艺，建立支化聚酰胺、聚酰胺-甲醛树脂合成方法，用量子化学方法研究合成机理，阐述合成条件-结构-性能关系，建立基本合成理论。研究成果将为最终实现新型聚酰胺-甲醛木材胶黏剂树脂的工业化应用奠定坚实的理论和实验基础。

脲醛树脂是目前最重要的木材胶黏剂，但胶合性能与甲醛释放量之间的矛盾阻碍了树脂的可持续应用。基于矛盾产生的根源，项目提出设计、合成高支化聚脲（聚酰胺）并进一步制备高支化脲-甲醛树脂及高支化聚脲改性脲醛树脂，以同步实现胶黏剂胶合性能的提升及人造板甲醛释放量的降低。项目首先利用多氨基化合物与尿素的缩合反应采用一步法、一锅法，在无催化剂及溶剂的条件下合成了高分子量、高官能度、高支化度，并且具有类似尿素反应活性的聚合物，对其结构和分子量分布进行了表征。项目研究发现，高支化聚脲本身可以直接作为高性能无醛木材胶黏剂使用，这是项目研究的一项重要发现和成果。在高支化聚脲的基础上，使用超低摩尔比（0.5~0.7）进一步合成了高支化聚脲-甲醛树脂，结果显示该树脂与传统脲醛树脂相比具有更为优异的湿状胶合强度和更低的甲醛释放量。此外，还开展了将这类聚合物用于改性低摩尔比脲醛树脂的研究。结果显示，添加1-5%的高支化聚脲时，树脂的耐水性能就获得了明显改善，同时板材的甲醛释放量显著降低。主要原因是，高支化聚脲提升了树脂支化程度的同时还起到了甲醛清除剂的作用。在实验室研究的基础上，项目组放大了高支化聚脲合成，并在刨花板生产线上进行了工业化应用试验，结果显示，刨花板的耐水性能获得有效提升，吸湿厚度膨胀率降低近50%，同时板材甲醛释放量降低近40%。由于高支化聚脲合成简单、绿色，产物稳定无毒，并且在原料成本上有一定优势，在木材胶黏剂领域具有显著的应用潜力。项目研究成果为此类聚合物的合成和应用推广提供了可靠的理论和技术参考。