生物基粘合劑和玻璃纖維絕緣體的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)領(lǐng)域
[0002] 根據(jù)35USC119的規(guī)定，本申請要求2012年8月3日提交的美國臨時申請 61/679, 453的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，該申請被納入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本說明書涉及生物基粘合劑和玻璃纖維絕緣體。
【背景技術(shù)】
[0004] 以下背景討論并不是承認(rèn)以下任意內(nèi)容屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識。
[0005] 美國專利4014726 (玻璃纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)）描述了一種制造玻璃纖維絕緣體的方 法。該方法包括以下步驟：由熔融的玻璃物流形成玻璃纖維，合并玻璃纖維和熱可固化的水 性粘合劑組合物，在多孔傳送帶上使纖維和粘合劑固結(jié)形成松散堆積的物質(zhì)，以及在玻璃 纖維產(chǎn)品上原位固化粘合劑。粘合劑的主要成分是由酚、甲醛、淀粉或降解淀粉、以及脲反 應(yīng)形成的復(fù)合聚合物組分。
[0006] 傳統(tǒng)上在制造纖維玻璃絕緣體中采用脲甲醛、酚甲醛和酚脲甲醛作為粘合劑。然 而，甲醛被國際癌癥研宄機構(gòu)歸類為已知的人體致癌物。甲醛也是一種揮發(fā)性物質(zhì)，在制造 廠產(chǎn)生而進(jìn)入室內(nèi)空氣，尤其對于脲-甲醛絕緣體產(chǎn)品。因此，雖然美國消費產(chǎn)品安全委員 會聲稱玻璃纖維絕緣體產(chǎn)品對家中游離甲醛水平影響極小，但是絕緣體產(chǎn)業(yè)多年來一直嘗 試可能的基本上無甲醛的粘合劑。例如，已采用其他聚合物如聚丙烯酸、聚乙酸乙烯酯和聚 酯來制備無甲醛（或者也稱為"無外加甲醛"）的粘合劑。然而，這些聚合物非常昂貴，釋放 某些揮發(fā)性化合物，并且在有些情況下，其酸性可能損壞制造設(shè)備和需要絕緣的金屬結(jié)構(gòu)。
[0007] 上述非甲醛聚合物通常也由石油制成，因此需要考慮長期價格、可獲得性、使用石 油衍生品的環(huán)境影響。因此，進(jìn)行了一些嘗試以制備不僅不含甲醛、而且包括生物基材料的 粘合劑。生物基材料通常源自植物，或者有時源自動物。
[0008] 美國公開20110021101 (基于改性淀粉的粘合劑）描述了一種用于玻璃纖維的粘 合劑，包括化學(xué)改性的淀粉，硅烷偶聯(lián)劑以及任選的交聯(lián)劑。淀粉改性包括氧化、漂白、或者 酸或堿處理以實現(xiàn)20-4000的聚合度。改性淀粉是水可分散的并且具有降低的粘度。
[0009]日本公開11256477描述了一種用于玻璃纖維的粘合劑，包括經(jīng)水解或交聯(lián)的淀 粉。淀粉中加入2-10重量％的脲（基于淀粉的重量）。所得淀粉用與添加劑配混的氨基甲 酸酯化，所述添加劑包括例如潤滑劑、陽離子軟化劑、表面活性劑和其他添加劑。
[0010] 美國專利7, 854,980(無甲醛的礦物纖維絕緣產(chǎn)品）描述了在一個實施例中，由葡 萄糖一水合物、無水檸檬酸、氨和硅烷構(gòu)成的粘合劑。
[0011] 發(fā)明概述
[0012] 下文試圖向讀者介紹更詳細(xì)的描述，而不是限定或定義任何要求保護(hù)的發(fā)明。
[0013] 本說明書描述的粘合劑在水中包括兩種組分。第一組分是生物基材料或者生物基 材料的混合物。生物基材料可任選地包含生物聚合物納米顆粒。第二組分是一種或多種選 自下組的化合物：脲、聚脲或取代的脲。在一些實施例中，兩種組分是淀粉和脲。總體上，第 一和第二組分構(gòu)成粘合劑總固體的大部分（即50%或更高）。第二組分的干重優(yōu)選和第一 組分的干重至少一樣并且占粘合劑總固體的至少25%。粘合劑的總固體含量優(yōu)選為6-25 重量％。
[0014] 本說明書描述了一種制造玻璃纖維產(chǎn)品的方法。該方法包括將上述粘合劑在玻璃 纖維的物質(zhì)上原位固化的步驟。固化溫度為150°C或更高或者175°C或更高或者200°C或更 高或者225°C或更高。
[0015] 發(fā)明詳述
[0016] 開發(fā)了各種粘合劑（或者稱為樹脂或水性組合物）用于制造玻璃纖維絕緣體。粘 合劑也可用于其他應(yīng)用，但是它們旨在具有與制造玻璃纖維絕緣體中使用的現(xiàn)有粘合劑類 似的一種或多種特征。這樣，通過對工廠可接受程度的改進(jìn)即可將粘合劑用于現(xiàn)有的制造 玻璃纖維絕緣體的設(shè)備。任選地，粘合劑基本無甲醛或者甲醛含量至少小于總固體的1重 量％。
[0017] 常規(guī)的礦物纖維絕緣體制造工藝從熔融原料如玻璃球開始。在工藝的加熱端，熔 融的原料轉(zhuǎn)化為纖維而水性粘合劑噴射到熔融纖維上，這樣，在傳送帶上收集纖維和粘合 劑的混合物。纖維和粘合劑的物流在傳送帶上行進(jìn)通過成形和壓制設(shè)備，進(jìn)入固化爐。在 工藝的冷卻端，纖維和已固化的粘合劑的混合物冷卻，成形或切割，并包裝。
[0018] 為了與噴射設(shè)備相容，粘合劑的布氏粘度應(yīng)小于500cps，優(yōu)選約250cps或更小， 固體含量使得足夠量的粘合劑應(yīng)用于纖維。常規(guī)酚脲甲醛粘合劑的固體含量在約6重量％ 至約20重量％之間。粘合劑在所要求的固體含量條件下作為乳液或分散體還應(yīng)穩(wěn)定，至少 對于噴射設(shè)備的保留時間而言。
[0019] 粘合劑中的水部分冷卻纖維。然而，粘合劑仍然可以通過接觸熔融纖維瞬時加熱 至高達(dá)150°C的溫度。成形和壓制步驟在最高達(dá)75°C的溫度下進(jìn)行。然而，固化步驟通常 在約180°C或更高，優(yōu)選約200°C的溫度下進(jìn)行。因此，粘合劑的固化溫度應(yīng)為75-200°C，但 也應(yīng)在初始應(yīng)用于熔融纖維期間抵御固化。
[0020] 對于絕緣體產(chǎn)品而言存在各種性能要求，但是最重要的是干拉伸強度和濕拉伸強 度。除了這些強度的絕對值之外，保持力（濕拉伸強度除以干拉伸強度）優(yōu)選等于或大于 80%〇
[0021] 下面更詳細(xì)描述的示例性的粘合劑在水中具有兩種組分。第一組分是生物基材 料或者生物基材料的混合物。第二組分增強粘合劑的濕強度，優(yōu)選使粘合劑交聯(lián)至礦物纖 維。第二組分的干重優(yōu)選與第一組分的干重至少一樣。粘合劑的總固體含量優(yōu)選為6-25 重量％。粘合劑可用于上文所述的工藝中，并且可以在玻璃纖維物質(zhì)上原位固化。固化溫 度可以例如為175°C或更高或200°C或更高，最高達(dá)225°C或者最高達(dá)250°C。
[0022] 在以下實施例中，兩種組分構(gòu)成95%或更高的粘合劑的總固體。然而，可加入常規(guī) 的加工添加劑如潤滑劑、軟化劑或表面活性劑，因而降低兩種組分的相對重量，例如降低至 粘合劑中總固體的75重量％或更高，同時粘合劑仍然是基于主要由兩種組分構(gòu)成的單一 樹脂體系。兩種主要組分也可以與第二粘合劑體系摻混，或者部分取代第二粘合劑體系。第 二粘合劑體系可以是非甲醛且非生物基體系，例如聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚 氨酯和聚酯樹脂體系。然而，第一和第二組分優(yōu)選構(gòu)成粘合劑固體的大部分（即50重量％ 或更高），第二組分（例如脲）占粘合劑總固體的20重量％或更高，或者25重量％或更高。
[0023] 可使用少量第二粘合劑體系以增加玻璃纖維絕緣體或者粘合劑結(jié)合的其他纖維 的剛性。例如，可加入上述任意一種或多種第二粘合劑體系，占粘合劑總固體的0.5重 量％ -10重量％。優(yōu)選的用于增加玻璃纖維絕緣體剛性的第二粘合劑體系包括聚乙烯醇 (PVOH)和聚丙烯酸（PAA)。加入聚丙烯酸或另一種酸也可降低粘合劑固化時的氨排放。
[0024] 粘合劑中還可加入補充的交聯(lián)劑（除了第一組分和第二組分的顆粒內(nèi)的任意交 聯(lián)劑之外）。交聯(lián)劑可包括一種或多種選自下組的交聯(lián)劑：二醛、聚醛、酸酐或混合酸酐（如 琥珀酸酐和馬來酸酐）、戊二醛、乙二醛、氧化的碳水化合物、高碘酸鹽氧化的碳水化合物、 表氯醇、環(huán)氧化物、三磷酸酯、石油基單體、低聚和聚合交聯(lián)劑、生物聚合物交聯(lián)劑、二乙烯 砜、硼砂（例如Na2B4O7. 5H20或Na2B4O7.IOH2O)、異氰酸醋、多酸以及產(chǎn)生硅烷醇的可水解的 有機烷氧基硅烷。交聯(lián)反應(yīng)可以是酸催化或堿催化的。合適的二醛和聚醛包括戊二醛、乙二 醛、高碘酸鹽氧化的碳水化合物等。多酸可以是有機或無機的，包括非聚合