采用菜籽分离蛋白作为粘合剂的低密度木质纤维绝缘板

《Journal of Natural Fibers》：Low-Density Wood-Fiber Insulation Boards Produced with Canola Isolated-Protein Based as a Binder

天然纤维隔热板的研究：菜籽蛋白粘合剂替代pMDI的可行性分析

　　本研究聚焦于开发一种基于天然纤维的隔热板，旨在减少对不可再生资源的依赖，如传统使用的聚氨酯类粘合剂。随着全球对可持续材料需求的增加，利用天然来源的材料替代化石燃料衍生产品已成为一种重要的趋势。木质纤维素基纤维，如木纤维，因其良好的物理性能和天然特性，正逐步取代玻璃棉和岩棉等传统隔热材料。然而，当前许多木质隔热板仍然依赖于非可再生的聚氨酯二苯甲烷二异氰酸酯（pMDI）作为粘合剂，这限制了其在环保方面的优势。因此，本研究尝试使用一种基于分离卡诺拉蛋白的天然粘合剂，结合亚硝酸钠作为交联剂，以提高木质隔热板的性能，并减少对化石燃料的依赖。

在实验过程中，研究团队采用了热压工艺，通过不同的纤维密度（100、115、130和160 kg/m3）以及不同的粘合剂比例（10%和12%）制备了木质纤维隔热板。为了对比效果，同时制备了使用4% pMDI粘合的参考样本。实验结果显示，随着纤维密度的增加，压缩强度和内部粘合强度也随之上升，无论粘合剂类型如何。这一发现表明，纤维密度是影响木质纤维隔热板机械性能的关键因素之一。此外，导热系数的测试结果也显示出这些材料具备良好的隔热性能，且密度对导热系数有直接影响。随着密度的增加，导热系数也随之上升，但总体而言，这些材料仍处于良好的隔热范围，显示出其在建筑隔热领域的应用潜力。

在物理测试方面，研究团队分析了水吸收特性，这对于评估材料在潮湿环境下的表现至关重要。结果显示，不同粘合剂比例对水吸收值的影响在较低密度下并不显著，但在高密度（如160 kg/m3）下，粘合剂比例对水吸收值产生了一定的影响。这表明，粘合剂的选择和比例对于材料的耐水性具有重要作用。同时，纤维本身的吸水性也影响了整体的水吸收表现，尤其是纤维的排列方式和孔隙结构。研究还发现，卡诺拉蛋白的结构和性能在不同pH条件下表现出不同的稳定性，这可能对粘合效果产生影响。

在机械性能方面，压缩强度和内部粘合强度的测试结果进一步支持了密度与性能之间的正相关关系。特别是当密度达到160 kg/m3时，12%粘合剂比例的样品表现出更高的压缩强度和内部粘合强度。这表明，粘合剂比例在较高密度下对材料的结构稳定性具有重要影响。相比之下，使用pMDI粘合剂的样品在相同密度下表现更优，这可能与pMDI的固化过程和材料结构有关。此外，内部粘合强度的测试结果也显示出粘合剂类型对材料的结合力具有影响，特别是在高密度条件下，使用天然粘合剂的样品表现出了与pMDI相当的粘合性能。

在热性能方面，导热系数的测试结果表明，基于卡诺拉蛋白的隔热板在不同密度下均表现出良好的隔热能力，且其导热系数在合理范围内。这一结果表明，即使在使用天然粘合剂的情况下，这些材料仍然可以满足隔热要求。此外，研究还发现，纤维的排列和孔隙结构对导热性能有显著影响，这与材料的热传导路径密切相关。在高温环境下，材料的导热系数会有所增加，这可能与纤维和粘合剂的热稳定性有关。

在粘合剂评估方面，研究团队采用了热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射（XRD）等手段，对粘合剂的性能进行了深入分析。TGA结果显示，卡诺拉蛋白粘合剂在加热过程中表现出一定的热分解行为，尤其是在100°C至650°C之间。这可能与粘合剂中的水分、蛋白质结构以及交联剂的添加有关。DSC测试则显示，粘合剂在125°C时发生吸热反应，这可能与材料的熔融和固化过程相关。而XRD分析进一步揭示了粘合剂的晶体结构，这可能影响其固化效果和最终材料的性能表现。

综上所述，本研究证实了基于卡诺拉蛋白和亚硝酸钠交联剂的粘合剂在制造木质纤维隔热板中的可行性。尽管在某些条件下，pMDI粘合剂仍然表现出更优的性能，但基于天然材料的粘合剂在高密度下同样能够提供良好的机械和热性能。这一发现为未来开发更环保、可持续的隔热材料提供了重要的理论依据和实践指导。此外，研究还强调了粘合剂比例、纤维密度以及生产过程对材料性能的影响，这对于优化生产参数和提高材料性能具有重要意义。随着环保意识的提升和对可持续材料需求的增加，基于天然纤维和粘合剂的隔热板有望在未来建筑行业中得到更广泛的应用。