水环境对热熔胶胶接木粉/聚乙烯复合材性能影响的研究

马军宝，易 欣，邸明伟，王清文,2

（1.东北林业大学，生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2.华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642）

水环境对热熔胶胶接木粉/聚乙烯复合材性能影响的研究

马军宝1，易 欣1，邸明伟1，王清文1,2

（1.东北林业大学，生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2.华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642）

通过万能力学试验机实验，研究了双组分丙烯酸酯胶粘剂、EVA、YEVA、PA以及PUR等5种胶粘剂胶接木粉/聚乙烯复合材的胶接性能，以及EVA、YEVA、PA和PUR 4种热熔胶胶接木粉/聚乙烯复合材的胶接耐水性能。实验结果表明，EVA、YEVA和PUR热熔胶胶接强度要好于双组分丙烯酸酯胶粘剂，且4种热熔胶的胶接耐水性能都好于双组分丙烯酸酯胶粘剂；PA热熔胶胶接强度随浸水时间延长下降最明显。

热熔胶；EVA；PA；PUR；胶接性能

近几十年来，木塑复合材在建筑模板、栈道、室内外建筑装饰以及家具等领域得到了广泛应用[1～4]。在木塑复合材的应用中，角部结构的结合方式是关键也是难题。目前应用较多的是机械连接[5]即依靠螺栓、螺钉等实现连接。然而这种连接方法无法实现无缝连接，且破坏了木塑复合材表面。通过胶粘剂粘接实现木塑复合材的无缝连接是近些年学者研究的重点，且取得了很大的成效[6～10]。

液态胶粘剂大多需要在加热或/和加压下实现固化胶接，而在常温下需要较长时间进行固化，一般为24 h以上，不利于缩短木塑复合材产品的生产周期，如环氧树脂胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂等；且大多数胶粘剂如丙烯酸酯胶粘剂、乳白胶、氨基树脂胶粘剂等耐水性能较差[11]，不能满足有水条件下使用，例如户外、窗户等。热熔胶具有快速胶接、冷却和固化的特性，无需加热加压固化，固化时间短，且耐水性能较好，是木塑复合材在很多方面应用的首选胶粘剂。

实验选用2种硬度（常温下硬度较大的为YEVA，硬度偏小的为EVA）聚乙烯醋酸乙烯酯（EVA）热熔胶（HMA）、聚酰胺（PA）热熔胶以及聚氨酯（PU）热熔胶对木粉/聚乙烯复合材进行胶接试验，研究了不同热熔胶对木塑复合材的胶接强度以及耐水性能，并以双组分丙烯酸酯胶粘剂作为对照。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验中所用试件为实验室通过单螺杆挤出设备制的木粉/聚乙烯木塑复合材，其中木粉为杨木粉，60～80目，用量为60份（木粉与聚乙烯总和为100份）；塑料为高密度聚乙烯（5 000 s）。按照GB/T17517—1998剪裁成2.5 cm×4.0 cm，经过180目砂纸打磨后进行胶接。

热熔胶包括：2种EVA热熔胶；市售热塑性PU热熔胶（8018），固化方式为湿气固化；市售PA热熔胶；以及市售双组分改性丙烯酸酯胶粘剂。具体参数如表1所示。

聚乙烯醋酸乙烯酯（EVA）是最常见的热塑性热熔胶，对于木材以及热塑性塑料都具有良好的胶接性能；EVA热熔胶性能主要取决于单体比例、分子质量以及分子支化度[11]。由图1可以看出，2种EVA热熔胶区别不大，只是在1 693 cm-1处硬度偏小的EVA出现了特征峰，此处为-C=O的特征峰，说明分子链中EVA比YEVA具有稍高比例的酯基。用于热熔胶的PA树脂一般分子质量为1 000～9 000左右，对木材、塑料等具有良好的胶接性能[11]。PUR具有较高的极性和活泼性，对多种材料具有极高的粘附性能，而且还能胶接表面光洁的材料[11]。

图1 EVA热熔胶FTIRFig.1 FTIR spectra of EVA and YEVA

1.2 试件表面处理

将试件用180目砂纸打磨，然后用双组分丙烯酸酯胶粘剂、EVA、YEVA、PA以及PUR热熔胶在指压下进行胶接固化，室温下放置24 h后将试样在室温下浸水，浸水结束后在30℃下干燥至恒量，参照GB/T17517—1998测定试件的压缩剪切强度，平行试样为5个。

1.3 原料与试件性能检测

利用环球法参照GB/T15332—94测定热熔胶的软化点；采用美特斯工业系统有限公司的ZRZ1452型熔体流动速率试验机测定热熔胶的熔融指数。

试件浸水50 h、100 h、150 h、200 h、250 h后，立即用滤纸除去试件表面水分，然后称取质量，再根据浸水前测得质量计算不同浸水时间试件的吸水性 ；试件30 ℃下干燥至恒量后根据GB/T17517—1998利用美特斯工业系统有限公司的CMT5504微机控制电子万能试验机测定不同浸水时间试件的压缩剪切强度。

2 结果与讨论

2.1 试件吸水性

图2为木塑复合材试件的吸水性，可以看出，随着浸水时间的增加，木塑复合材试件吸水逐渐增大，且在前50 h增加明显，之后增加接近于线性曲线，可见250 h浸水没有使试件吸水得到饱和。试件吸水主要是通过锯切试件以及打磨后木粉裸露处吸水，虽然挤出过程中试件表面聚集塑料，但是挤出过程致使比表面出现破损也是导致木塑吸水的原因。

图2 吸水性Fig.2 Water absorption

2.2 吸水对胶接强度的影响

图3为5种胶粘剂的干、湿压缩剪切强度。

图3 不同胶粘剂干、湿压缩剪切强度Fig.3 Dry and wet compression shear strength of different adhesives

由图可知，4种热熔胶胶接强度和耐水性能都好于双组分丙烯酸酯胶粘剂；试件吸水后木粉中的木纤维膨胀，而双组分丙烯酸酯胶粘剂胶层很脆，缺乏韧性，这是导致双组分丙烯酸酯胶粘剂胶接强度下降的主要原因；YEVA热熔胶的胶接强度好于EVA热熔胶，这是因为YEVA热熔胶分子中乙酸乙烯比例比EVA少，分子链中CH3COO-基团较少，分子间距离小，分子结晶度高，分子刚性较大，所以胶层强度较高，木塑表面裸露木粉占整个胶接面面积比例少，胶接强度的形成主要靠表面塑料在胶接时熔融与EVA胶层形成粘结相；EVA与木塑复合材表面塑料均含有-C-C-键结构，很容易相似相容，因此EVA分子中乙烯比例越高相容性越好。PA热熔胶对木塑复合材胶接性能较差，这可能是因为PA软化点范围太窄[12]，在胶接过程中未形成良好胶接时胶层就迅速固化，且试件表面裸露木粉较少，极性键少，同时PA相为极性与试件表面塑料的非极性聚乙烯相不能互容。因此，尽管PA中含有较多的氨基（-NH2）、羰基（C=O）、酰胺基（-NHCO-）等极性基团，却难以形成较高强度的胶接性能。另外，PUR热熔胶比YEVA的胶接强度稍低，是因为PUR表面胶层吸湿固化，内部胶层固化程度不高。

2.3 浸水时间对胶接强度的影响

图4为4种热熔胶胶接木塑复合材的压缩剪切强度随浸水时间的变化。

图4 胶接强度随浸水时间变化曲线图Fig.4 Bonding strength decreasing curves with increasing soaking period

由图4可知，PA热熔胶胶接强度随浸水时间的增加下降最明显，这是因为未形成良好胶接就固化的胶层具有较差的韧性，在木粉吸水膨胀之后胶层与试件表面形成的胶接强度被线胀系数差所产生的内部应力逐渐破坏，并且PA中的极性基团很容易吸水，从而致使PA胶接强度出现明显降低；2种EVA热熔胶胶接强度基本不受浸水时间的影响，这是因为EVA热熔胶胶接时胶层与试件表面熔融在一起，且EVA热熔胶具有很好的韧性，不会因木粉吸水膨胀而使胶层与试件之间形成应力破坏；PUR热熔胶胶接强度随浸水时间增加先增加而后有下降趋势，这是因为PUR是吸湿固化的热熔胶，由于胶层密封性能较好，木塑复合材含水率较低，致使试件中间部位的胶层没有固化完全，随浸水时间的增加水分子通过木塑复合材吸水以及孔隙逐渐进入胶层内部使胶层进一步固化，因此呈现出浸水50 h到100 h胶接强度明显升高。

3 结论

1）4种热熔胶胶接耐水性都好于双组分丙烯酸酯胶粘剂，其中PA热熔胶胶接耐水性受浸水时间影响最大；

2）EVA分子链中酯基含量越高，对胶接木粉/聚乙烯复合材越不利；

3）PUR热熔胶胶层吸湿固化较慢，浸水100 h左右才能使胶层内部完全固化；

4）EVA热熔胶胶层具有韧性，致使其具有很好的胶接耐水性能。

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Performance of hot melt adhesive bonded wood/polyethylene composite under water soaking

MA Jun-bao1, YI Xin1, DI Ming-wei1, WANG Qing-wen1,2
(1.Key Laboratory of Bio-Based Material Science&Technology (Ministry of Education), Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040, China; 2.College of Materials and Energy, South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 5210642, China)

The bonding performance of the hot melt adhesives, including the two-component acrylate, EVA, YEVA(rigid EVA), PA(polyamide) and PUR(polyurethane) based adhesives, to the wood-polyrthylene composite and the waterproofness of the bonded wood-polyethylene composite specimens with the hot melt adhesives, including EVA, YEVA, PA and PUR based adhesives is superio to that for the two-component acrylate adhesive, and the decreasing of bonding strength for PA based adhesive with increasing the soaking period on water is the clearest among EVA, YEVA, PA and PUR based adhesives.

hot melt adhesive; EVA; PA; PUR; bonding performance

A

1001-5922（2016）09-0040-03

2016-05-26

马军宝（1990-），男，硕士，主要从事木塑复合材胶接及应用等研究。E-mail：nefumjbao@163.com。

王清文：E-mail：qwwang2006@126.com。邸明伟：E-mail：dimingwei@126.com。

支持项目：林业公益性行业科研专项资金重大项目（201204802），中央高校基本科研业务费专项资金资助（2572015AB21）。