專利名稱：用于纖維板制造的含有低二異氰酸酯含量的聚合mdi的粘結劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體而言涉及具有熱固性粘結劑的合成板的制造，更特別涉及具有異氰酸酯粘結劑的纖維板的制造。
雖然用于纖維板制造的異氰酸酯粘結劑技術已經(jīng)運用了很多年，但是異氰酸酯并未獲得廣泛的商業(yè)接受(主要因為成本)。每磅MDI基異氰酸酯傾向于比甲醛基粘結劑更貴，但在較低劑量率下使用，這就部分彌補了成本缺陷。例如，MDI基粘結劑一般占約6％的總成品纖維板重量，與其對照的脲甲醛占高達20％的總纖維板重量。而且，在許多種情況下，MDI基粘結劑比脲甲醛或三聚氰胺甲醛樹脂固化更慢。
纖維板一般經(jīng)多步法制造。一般，木屑(或其它合適的物質(zhì))被進料到蒸煮器以便經(jīng)暴露于蒸汽和高壓加以軟化。該方法也降解了木屑內(nèi)的某些木素。然后將處理過的木屑送料到勻料機，在那里它們通過強烈的機械力分離成為它們的組分纖維。熱濕纖維排出勻料機并經(jīng)蒸汽快速輸送通過“吹線”(blowline)。一般，粘結劑經(jīng)吹線注射添加到纖維上。
與高劑量甲醛基粘結劑配方相比，使用經(jīng)吹線注射的低劑量異氰酸酯粘結劑提出一種不同的挑戰(zhàn)。因為使用這種低劑量異氰酸酯粘結劑必須對將粘結劑均勻分布在板上引起足夠的重視。該任務更加復雜，因為異氰酸酯在高溫(諸如吹線中受到的溫度)下與水迅速反應形成聚脲。
所述吹線將粘結劑處理過的纖維沉積到干燥器中，最后進入產(chǎn)生最終板的成型和壓合設備。理論上，粘結劑聚合成最終的熱固形式是在熱壓下進行的，其在壓合纖維板成最終形式之后。因為異氰酸酯在高溫下易與水反應，并且因為水和高溫在纖維板制造過程中是很普遍的，大量異氰酸酯極有可能在壓合之前轉變成聚脲，其可能導致固體的形成并弄臟吹線或干燥器。此外，預聚合提供了相當比例的非活性粘結劑，大大降低了粘結效率。某些異氰酸酯也可能在干燥過程中揮發(fā)，從而在該過程中損失。
為了從一般的纖維板制造過程的苛刻條件下保護異氰酸酯基粘結劑，人們已經(jīng)研究出乳化異氰酸酯。這些改性異氰酸酯可以使用在線靜態(tài)混合器與水混合，并隨后注射進入吹線。乳化可防止在吹線壁上累積異氰酸酯-水反應的產(chǎn)物并有助于防止粘結劑的早期反應。乳化也有助于增加被分散液體的體積，這樣有助于粘結劑在纖維板上達到更均勻的分布。遺憾的是，改性異氰酸酯使得乳化必需承擔另外的制造成本，其使得這些產(chǎn)品的成本效益更小。
為了避免粘結到金屬壓機壓板上，異氰酸酯粘結劑的另一不利成本是它們需要脫模劑。甲醛基粘結劑通常不需要脫模劑。在工業(yè)實踐中，通常剛好在異氰酸酯乳化前，使水基脫模劑與乳化MDI進行在線乳化，并“吹線”注射。對脫模劑的需求更有助于增加被分散流體的體積，但是增加了系統(tǒng)成本。
上述所有技術眾所周知。使用異氰酸酯粘結劑經(jīng)“吹線”注射生產(chǎn)纖維板的方法在例如Celotex公司于1983年公開的美國專利第4,407,771號中作了描述。使用乳化異氰酸酯在例如ICI美國公司于1976年公開的美國專利第3,996,154號中作了描述。與異氰酸酯粘結劑一起使用的蠟脫模劑在例如ICI美國公司于1983年公開的美國專利第4,388,138號和美國專利第4,396,673號中作了描述。使用在線混合設備將異氰酸酯粘結劑分散到中密度纖維板(MDF)制造過程的“吹線”中在例如Medite公司于1992年公開的美國專利第5,093,058號中作了描述。
盡管所有這些眾所周知的技術，由于上述各種成本效益的局限性，異氰酸酯在纖維板制造中的使用一直保持微量。本發(fā)明涉及用于粘結纖維板的一種新型異氰酸酯基組合物，并特別涉及一種MDI基組合物，其提供了優(yōu)于以前采用的異氰酸酯技術的顯著優(yōu)點。
本發(fā)明方法廣泛涉及成型纖維板，其包括以下步驟1)將纖維提供給吹線；2)將較低二異氰酸酯含量的聚合MDI提供給吹線從而用聚合MDI處理纖維；3)至少部分干燥處理過的纖維；和4)壓合處理過的纖維形成纖維板。
本發(fā)明也涉及采用含有聚合MDI的這種粘結劑制造的纖維板。
聚合MDI(多亞甲基多亞苯基多異氰酸酯)粘結劑已在制備纖維板中使用。包含異氰酸酯混合物的這些粘結劑一般包括較高含量的二異氰酸酯分子。例如，經(jīng)濟實用的聚合MDI一般包括約48％到50％二異氰酸酯分子，約22％到26％三異氰酸酯分子，剩余物含有更大的低聚物。這種經(jīng)濟實用的聚合MDI的實例來自坐落于新澤西州WestDeptford的Huntsman Polyurethanes的Rubinate1840異氰酸酯和Rubinate M異氰酸酯。
本發(fā)明中使用的合適的聚合MDI也包括可乳化的聚合MDI。這些物質(zhì)也包含異氰酸酯混合物，(一般包括上述的較高含量的二異氰酸酯分子)，但是通過已知技術改變成可乳化的。這種經(jīng)濟實用的聚合MDI的一種實例來自坐落于新澤西州West Deptford的HuntsmanPolyurethanes的Rubinate1780。
按照本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果降低聚合MDI的二異氰酸酯含量可獲得改性結果。優(yōu)選結果可利用具有少于約48％(重量)的二異氰酸酯含量的聚合MDI達到。更優(yōu)選具有約45％(重量)或45％(重量)以下的二異氰酸酯含量的聚合MDI。更加優(yōu)選具有約40％(重量)或40％(重量)以下的二異氰酸酯含量的聚合MDI。最優(yōu)選具有約35％(重量)或35％(重量)以下的二異氰酸酯含量的聚合MDI。
二異氰酸酯含量可用合適的方式降低。例如，在本領域中有許多已為人知的技術可降低聚合MDI的二異氰酸酯含量。
任何一種這樣的技術可通過蒸餾脫除至少某些二異氰酸酯。第二種合適技術是將至少某些二異氰酸酯分子轉變成異氰脲酸酯(也稱為三聚MDI)。技術人員非常熟悉這些技術中的每一種。當然，也可使用合適技術的任意組合降低二異氰酸酯含量。
聚合MDI也包含聚氨酯改性體、異氰脲酸酯改性體、縮二脲、脲等。聚合MDI可改性為水分散性，并以水乳液形式應用。將聚合MDI改性為水分散性的這種方法已在上述美國專利第3,996,154號中全部公開。
聚合MDI可以單獨使用，或與其它粘結劑物質(zhì)(包括但不局限于含甲醛的粘結劑物質(zhì))、稀釋劑、增量劑、填料等一起使用。合適的增量劑包括例如油諸如大豆油和亞麻子油、溶劑、木素、碳水化合物等。合適的填料包括例如玻璃纖維、塑料、廢物等。
另外，聚合MDI也可以包括阻燃劑諸如例如多磷酸銨、磷酸三氯丙酯(TCPP)、三聚氰胺、磷酸三苯酯等。
另外，聚合MDI也可以包括合適的脫模劑諸如例如皂、脂肪酸、蠟、聚硅氧烷、脂肪酸鹽等。
此外聚合MDI也可以包括殺蟲劑諸如硼酸等。
優(yōu)選纖維板產(chǎn)品由木纖維制造，雖然也可以使用其它纖維素纖維(包括從農(nóng)業(yè)產(chǎn)品制造的那些)。
如上所述，本發(fā)明廣泛涉及纖維板，并特別涉及中密度纖維板的制造。制備中密度纖維板的方法對于技術人員來說已經(jīng)非常熟悉并包括了異氰酸酯粘結劑的吹線添加。該方法在下面作了概括性的描述。
在中密度纖維板制造中，可將多異氰酸酯樹脂直接應用到纖維板制造裝置的勻料機以外的吹線中的熱濕纖維物質(zhì)上。通常，首先對木屑進行篩選從中去除過大和過小的物質(zhì)如細屑和灰塵。木屑也可以進行初始洗滌步驟。
清洗過的木屑被運送到向加壓蒸煮勻料機系統(tǒng)(其可采用常規(guī)設計)給料的貯料倉。加壓勻料機在蒸汽壓下將原料木料勻料變成纖維。木片仍在壓力下從蒸汽加壓蒸煮器進入勻料區(qū)，并在勻料過程中保持這一壓力。
蒸煮器為原料切片提供了預蒸汽。熔化蠟在給料至蒸煮器時可有利地計量加到切片上。一般，在蒸煮器中的汽蒸在合適的壓力約5.5到8.3巴下進行約5到10分鐘。
當切片從蒸煮器排出時，它們通過也在蒸汽壓下操作的勻料機。切片在勻料機中被撕碎成纖維并隨后通過?？?即吹閥)被吹出勻料機進入“吹線”。一般，勻料機中的蒸汽壓力可以從約5.5到10.3巴，溫度在140到205℃的范圍內(nèi)。從勻料機排出進入吹線的纖維一般含水量為50％(重量)或更高，例如50-60％(基于總固體重量)，并且溫度至少約100到204℃，一般約118℃以上。勻料后，原料和蒸汽通過吹線被運送到閃蒸管干燥器，在那里纖維含水量降低到約2到20％(重量)。
如上所述，本發(fā)明涉及將較低二異氰酸酯含量的聚合MDI基粘結劑導入吹線。將低二異氰酸酯含量的聚合MDI粘結劑(這里其可用水或脫模劑乳化)添加到吹線中并用低二異氰酸酯含量的聚合MDI處理從勻料機排出的熱纖維。
一般，處理過的纖維在空氣蒸汽管干燥器中放置約30秒，在這段時間里溫度在約38到260℃。
勻料后，用粘結劑處理并干燥，纖維和空氣經(jīng)空氣旋風分離器分離。隨后，纖維被運送到可將纖維均勻鋪放到運動成型線上的機械成型機頭。
隨后將氈片進料到可使氈片在后加工中更易加工的預壓機。預壓后，將氈片切成所需的長度并進料到一般的紙板成型壓機諸如具有多個蒸汽或油熱壓板的一般的中密度纖維板壓機，或將氈片在兩個反向鋼帶間壓實的連續(xù)壓機。壓機將氈片壓實和壓縮成所需厚度的同時用熱量固化粘結劑組合物。一般，在壓合操作中，氈片通常被加熱到約121到232℃的溫度，同時它們在約6.9到69巴的壓力下被壓縮。壓合時間一般約2到10分鐘。
形成中密度纖維板的上述方法是為了說明并不是為了限制本發(fā)明。本發(fā)明涉及將包含具有較低二異氰酸酯含量的聚合MDI的粘結劑導入任何合適的纖維板制造過程的吹線中這一過程的實現(xiàn)。本發(fā)明也涉及采用該方法生產(chǎn)的纖維板。
特定應用中所需粘結劑物質(zhì)的數(shù)量可通過簡單實驗確定。一種應用是從約1到20％，優(yōu)選從約2到10％，更優(yōu)選從4到7％，(基于一般采用的纖維的烘干重量)。
采用本發(fā)明的包含低二異氰酸酯含量的聚合MDI的粘結劑已經(jīng)獲得顯著加快的線速度-顯著節(jié)約成本。另外，本發(fā)明的含聚合MDI的粘結劑使最終纖維板產(chǎn)品具有優(yōu)異的物理和機械性能。例如，與采用傳統(tǒng)、商品可供的含聚合MDI的粘結劑生產(chǎn)的纖維板相比，可生產(chǎn)具有高內(nèi)粘結強度和減少的邊緣溶脹的纖維板。
提供下面的實施例是為了進一步說明并不是為了限制本發(fā)明。
在制作樣品粘結劑1，2和3之前進行乳化，將樣品粘結劑改性以降低它們的二異氰酸酯含量。特別是，通過結合蒸餾和三聚步驟降低樣品粘結劑1，2和3的二異氰酸酯含量以獲得表I中所列特征。
表I

利用如下所述的每種樣品粘結劑生產(chǎn)纖維板。將包含純軟材混合物的木片進料到料斗，每個木片大小為約1.5×0.75×0.2英寸，然后將所述木片進料到木材蒸煮器。在蒸煮器中，將木片在壓力約6巴和溫度約160℃下蒸煮以軟化木片并為分離纖維作準備。隨后，木片在兩個勻料板間進料(一個靜止，另一個在約1450轉/分鐘下運轉)，在那里單個纖維和纖維集束通過機械研磨而分離。在這之后，纖維通過吹閥被運送到吹線。吹線直徑大約為16毫米，長度為9米，在那里使稠度約1到2％(纖維體積)的纖維以接近音速通過飽和蒸汽環(huán)境。
每個樣品粘結劑以約1∶1(重量)的比率與水乳化并注射到吹線中通過混合纖維和乳化樣品粘結劑處理纖維。在這一階段內(nèi)，木料以約每小時100公斤的流速通過吹線并且乳化樣品粘結劑的流速為約每分鐘100克。用乳化樣品粘結劑處理完纖維后，處理過的纖維通過一個入口溫度約90℃和出口溫度約55℃的直徑約2.7米、長度約89米的閃蒸管干燥器，從而將所處理過的纖維的水含量降低到約12到14％(烘干基準通過干木料的重量除以濕木料中水的重量并乘以100來計算)。
然后在氈片成型之前將干燥和處理過的纖維收集到貯料倉。于是氈片在在線的連續(xù)壓縮帶上經(jīng)成型、稱重和預壓縮以壓固纖維氈片，并切成壓合長度大小。然后，預壓縮過的氈片在包括兩個分別采用聚硅氧烷脫模紙覆蓋的壓盤組成的加熱壓機中進行最后的壓合步驟。壓實閉合包括一個兩級閉合，緊跟著是在最后位置保壓，隨后的釋壓階段可允許緩慢釋放蒸汽壓。纖維板被壓合成約9毫米的厚度。在每毫米纖維板厚度為6、8和12秒(即壓合時間分別為約54、72和108秒)的壓實因子下對每種樣品粘結劑1、2和3進行三種測試產(chǎn)生了分別對應于每種粘結劑的測試纖維板#1、#2和#3。
在壓實因子為6(測試纖維板#1)下采用對照樣品粘結劑4生產(chǎn)纖維板所作的各種試驗導致板的一致性脫層，從而證明了與使用傳統(tǒng)的聚合MDI基粘結劑相比本發(fā)明提供了更快的固化時間。因此，以每毫米纖維板厚度為7、8和12秒的壓實因子對對照樣品粘結劑4進行的三種測試分別產(chǎn)生測試纖維板#2、#3和#4。
然后按照ASTMD-1037對每種測試纖維板進行物理和機械性能測試。表II列出了按照ASTM D-1037測量的每種測試纖維板的厚度溶脹和內(nèi)粘結強度，并清楚表明按照本發(fā)明生產(chǎn)的纖維板與采用傳統(tǒng)的聚合MDI基粘結劑物質(zhì)生產(chǎn)的纖維板相比產(chǎn)生了優(yōu)異的性能。
表II

權利要求
1.制造纖維板的方法，其包括a.)將纖維提供給吹線；b.)將包含具有較低二異氰酸酯含量的聚合MDI的粘結劑提供給吹線以處理纖維；c.)至少部分干燥所處理過的纖維；和d.)壓合所處理過的纖維形成纖維板。
2.權利要求1的方法，其中含聚合MDI的粘結劑具有少于約48％的二異氰酸酯含量。
3.權利要求2的方法，其中含聚合MDI的粘結劑具有約45％或45％以下的二異氰酸酯含量。
4.權利要求3的方法，其中含聚合MDI的粘結劑具有約40％或40％以下的二異氰酸酯含量。
5.權利要求4的方法，其中含聚合MDI的粘結劑具有約35％或35％以下的二異氰酸酯含量。
6.權利要求1的方法，其中含聚合MDI的粘結劑是可乳化的。
7.權利要求6的方法，其中可乳化的聚合MDI被乳化。
8.權利要求1的方法，其中含聚合MDI的粘結劑是聚氨酯改性過的粘結劑。
9.權利要求1的方法，其中聚合MDI包含異氰脲酸酯改性。
10.權利要求1的方法，其中所述纖維包含纖維素纖維。
11.權利要求10的方法，其中纖維素纖維選自包括木材纖維、農(nóng)業(yè)纖維和其混合物。
12.權利要求1的方法，其中聚合MDI進一步包括至少一種阻燃劑。
13.權利要求12的方法，其中至少一種阻燃劑選自多磷酸銨、磷酸三氯丙酯、三聚氰胺和磷酸三苯酯。
14.權利要求1的方法，其中聚合MDI進一步包括至少一種脫模劑。
15.權利要求14的方法，其中至少一種脫模劑選自皂、脂肪酸、蠟、聚硅氧烷和脂肪酸鹽。
16.一種包含纖維和含有較低二異氰酸酯含量的聚合MDI的粘結劑的纖維板。
17.權利要求16的纖維板，其中纖維板的密度為約790到867公斤/米3。
18.權利要求16的纖維板，其中所述纖維板的內(nèi)粘結強度為約0.8到約1.2牛/毫米2。
19.權利要求16的纖維板，其中含聚合MDI的粘結劑具有少于約48％的二異氰酸酯含量。
20.權利要求19的纖維板，其中含聚合MDI的粘結劑具有約45％或45％以下的二異氰酸酯含量。
21.權利要求20的纖維板，其中含聚合MDI的粘結劑具有約40％或40％以下的二異氰酸酯含量。
22.權利要求21的纖維板，其中含聚合MDI的粘結劑具有約35％或35％以下的二異氰酸酯含量。
全文摘要
本發(fā)明涉及纖維板制造中使用的改性異氰酸酯。特別是,本發(fā)明涉及用于纖維板制造的具有較低二異氰酸酯含量的聚合MDI的使用。本發(fā)明也涉及利用這種改性聚合MDI生產(chǎn)的纖維板。
文檔編號C08L97/02GK1328592SQ99811154
公開日2001年12月26日 申請日期1999年7月23日 優(yōu)先權日1998年7月27日
發(fā)明者C·J·莫里爾蒂, T·M·科拉茨克, S·B·博恩斯 申請人:亨茲曼國際有限公司