木制建筑用胶粘剂对温度的变化测试研究

2021-04-27张晓萌樊继永

粘接 2021年7期

张晓萌樊继永

摘要：目的：为了分析木制建筑用胶粘剂性能对温度的变化影响，设计性能变化测试实验。方法：分析木制建筑用胶粘剂的胶结机制，并根据胶结机制和原理，分别从木制建筑用胶黏剂制备、性能测试以及环境温度测控3个方面准备实验原料与仪器。设置60℃、70℃和85℃作为制备反应环境温度变量，实现木制建筑用胶粘剂的合成制备。以不同温度下得出的制备结果为样本，分别从胶粘剂表征、黏度和粘接强度3个方面进行性能测试，并对测试数据进行处理与分析。结果：经过对胶黏剂性能测试结果的量化分析，发现60℃下制备胶黏剂的红外光谱信号更强，且70℃下的测试实验样本的黏度和粘接强度更强。结论：经过纵向对比，木制建筑用胶粘剂在60℃～70℃环境下的性能更优，70℃为最佳制备反应温度。

关键词：木制建筑;胶粘剂;温度变化;温度测试

中图分类号：TQ436 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0021-05

Test and Research on the Change of Temperature of Adhesives for Wooden Buildings

Zhang Xiaomeng， Fan Jiyong

（92690 PLA troops， Sanya 572099， China）

Abstract：Objective： In order to analyze the effect of the properties of adhesives used in wooden building on the temperature change， the performance change test was designed. Methods： The bonding mechanism of adhesives used in wooden construction was analyzed. According to the bonding mechanism and principle， the raw materials and instruments were prepared from three aspects： preparation of adhesives used in wooden construction， performance test and environmental temperature measurement and control. 60℃， 70℃ and 85℃ were set as the reaction temperature variables to realize the synthesis and preparation of adhesives for wooden building. The results obtained at different temperatures were taken as samples， and the properties of the adhesives were tested from three aspects： adhesive characterization， viscosity and bonding strength， and the test data were processed and analyzed. Results： Through the quantitative analysis of the test results of the adhesives， it was found that the infrared spectral signal of the adhesives prepared at 60℃ was stronger， and the viscosity and bonding strength of the test samples were stronger at 70℃. Conclusion： Through longitudinal coMParison， the performance of the adhesives for wooden construction is better at 60℃～70℃， and 70℃ is the best preparation reaction temperature.

Key words：wooden construction; adhesive; temperature change; temperature test

0 引言

胶粘剂是一种天然的或合成的物质，可以通将两种或更多的木制建筑构建或材料粘在一起，称为胶粘剂。简单地说，胶粘剂是一种通过粘合使被粘物结合在一起的物质。胶粘剂具有优良的粘接性能，与螺栓、铆接、焊接等机械连接方式相比，其成本低，受力连续，质量轻，比强度高，表面平整光滑，密封性好[1]。该胶粘剂可用于工艺生产中各种材料、厚度、薄度及复杂部件的连接。根据使用方法，胶粘剂可分为热固型、热熔型、室温固化型、压敏型等;根据使用对象可分为结构型、非构型或专用胶等。这些建筑胶粘剂主要应用于各类建筑工程装修施工，各种建筑复合材料的生产，以及建筑物的加固、保护、密封等。但是，在不同的温度条件下，木制胶性能各不相同，为确保木制胶的最佳使用性能，设计了木制胶温度变化测试实验，得到了温度对木制胶性能的影响规律。

1 木制建筑用胶粘剂对温度的变化测试实验设计

1.1 分析木制建筑用膠粘剂的胶结机制

木材建筑胶粘剂具有优异的耐候性和耐高低温性能，但更重要的是其优异的粘接性、拉伸强度等机械性能。为了设计和生产出性能优良的复合胶粘剂，编制最佳工艺方案，分析机械性能试验数据离散性大的原因等，必须对复合胶粘剂的粘接机理有一定的认识。粘合过程实际上是一个非常复杂的物理化学过程[2]。粘接部位由两个被粘制件和木材建筑用粘接剂3部分组成，粘接部位的强度取决于两个方面：①粘接部位的粘接力;②粘接部位与被粘制件的粘接力。对于玻璃幕墙来说，理想的破坏形式是粘接点的粘附力大于粘接点的粘合力，即粘接点与金属粘接点的破坏是粘接点与粘接点内聚破坏同时存在的混合破坏，而粘接点与玻璃粘接点的破坏则是粘接点与玻璃粘接点同时存在的混合破坏，也就是说，粘接点与玻璃粘接点无损伤。粘合时，胶粘剂与被粘合木制建筑构件接触面产生的粘合力是由机械嵌合力组成的，粘合力的产生取决于粘合材料的材质、被粘合材料的表面结构和状态，以及粘合的工艺过程、固化条件等。粘合过程中，当粘合产物分子从溶液中迁移到被粘附的金属或玻璃表面时，高聚物分子的极性基团逐渐靠近被粘附物体表面的极性基团，并形成两者之间的分子、原子和原子团之间的相互作用。其中化学键力最大，氢键力次之，而范德华力则最小。胶粘剂与金属被粘材料和木材建筑材料接触时，由于金属对电子的亲和力较低，而高分子对电子的亲和力较高，电子从金属传递到胶粘剂，使界面产生接触电势产生静电引力。金属、玻璃被粘制构件与建筑结构中的粘接件要具有良好的粘接性能，必须在粘接件与被粘制构件之间形成湿润状态，粘接件与被粘制构件密切接触[3]。实际上，只有当液体的表面张力在合适的值时，粘接强度才是最高的。木材建筑胶粘剂的润湿性还与工艺条件及环境因素有关。因此，在使用木结构用胶粘剂时，应对木结构的金属、玻璃被粘合件的表面进行适当处理，以提高其表面自由能。总之，木材建筑材料粘接剂与金属、玻璃被粘接件的粘接是一个极其复杂的过程，粘接强度受材料、表面处理方法、固化条件、施工工艺、环境条件、操作人员等因素的影响，其中粘接温度对粘接强度起决定性作用。

1.2 准备实验原料与仪器

实验所需准备的实验原料和仪器主要分为3部分，一是木制结构物胶粘剂样品制备所需准备的相关材料，二是胶粘剂样品性能测试所需的仪器和设备，另外由于此次研究的目的是在不同的温度条件下胶粘剂性能的变化情况，因此需要控制样品制备过程中的环境变量，即温度变量，以形成对比样品[4]。通过以上3个部分的综合，可以得到一些实验原料的准备，如表1所示。

同理可以得出木制建筑用胶粘剂制备以及性能测试步骤中需要使用的仪器，如表2所示。

除了上述基本制备与测试仪器外，还需要安装温控装置和测试数据采集装置。其中温控装置的基本结构如图1所示。

根据电阻随温度变化的特点，通过测量热电阻来反映被测环境的温度。采用热电阻温度传感器测量[-50℃～2000℃]范围内的温度，热响应时间≤5s，公差≤1.5℃，保护管材料采用1Cr18Ni9Ti不锈钢，满足系统温度测量要求[5]。SBWR/2-63型集成温度变送器采用单片机，测量精度为0.1%f.s，具有漂移自校正电路功能。在温控装置上增加了加热器和冰箱。在实验中，当环境温度低于目标温度时，需要启动加热器。温度传感器等温表面上的导热系数与传热面积成正比，即：

式中参数 q是热源的热传导率， s和 b分别是等温表面的面积，厚度是垂直于传热面，参数 q是热传导率。试验中的制冷元件考虑选择半导体制冷片进行制冷，当电流通过两种不同的导体界面时，电流会从外部吸收热量，或者把热量直接送到外部，并且热量的大小与电流成比例。准备的相关实验仪器将最终安装在恒温实验环境中。

1.3 设置胶粘剂制备反应环境温度

引发剂的热分解温度是胶粘剂制备反应温度设置的限制条件之一，间接的影响胶粘剂的聚合稳定性和反应速度。设置的反应环境温度应高于引发剂的有道分解温度，保证能够为胶粘剂的制备工艺提供充足的游离基，同时也需要考虑反应过程中出现凝结和副反应的情况[6]。结果表明，反应环境温度会直接影响胶粘剂的质量和性能。根据以上温度对木材建筑材料胶粘剂性能影响的理论，利用所安装的温控装置，设定和控制木材建筑材料粘合反应时间，实验设定了60℃、70℃和85℃的实验环境温度变量。

1.4 制备木制建筑用胶粘剂

木制建筑材料中的胶粘剂主要有增粘树脂、溶剂、增稠剂、增稠剂、防老剂等，可通过溶合、熔融结合、接枝共聚、极化处理而得到。在制备过程中加入增粘树脂的目的是提高制备样品的湿润性、初粘性、剥削性和拉伸剪切强度。适当的溶剂使体系达到最佳的结合效果，所以如何选择胶粘剂是关键。热塑性弹性体胶粘剂为嵌段共聚物，分子链上有聚丁二烯链和聚苯乙烯链。该胶粘剂在纯溶剂和混合溶剂中容易溶解。不同溶剂对胶粘剂中 PS和 PB相的溶解性、胶粘剂的形态结构及在挥发后形成膜的性质都有一定影响[7]。原料溶解性好，挥发速度适宜，毒性低，成本低。单溶剂往往难以取得满意的效果，通常选择由好溶剂和坏溶剂或无溶剂组成的混合溶剂体系。开发胶粘剂压敏胶、热熔压敏胶、热熔胶粘剂等一般应加入适量增塑剂，可增加初粘性，降低熔体硬度及内聚强度。在自由基引发剂的作用下，将准备的增粘树脂、溶剂等原料以及初步聚合的胶粘剂单体按照一定的比例配制在一起，通过各个原料在溶剂中的溶解实现溶液聚合反应[8]。图2中显示了具体的准备过程。

具体操作中，将溶剂和增粘劑按一定比例投入四口瓶，搅拌均匀，加适量增强剂，拉匀均匀后，升温至目标温度开始反应，并保温30min，升温至指定温度反应相应的时间，反应结束后，将混合体系抽真空脱去未反应原料[9]。在四口瓶中翻拌均匀，然后加入已计量的增稠剂和防老剂，常温搅拌30min，目标温度反应1.5h，待其温度低于55℃时加入剩余丙酮降粘。最终在室温下放置，得到合成的木制结构胶的制备结果。

1.5 木制建筑用胶粘剂性能测试与表征

木制建筑材料胶粘剂的指标有外观、垂度、挤出度、硬度、拉伸强度等，以不同温度下的胶粘剂样品为研究对象，对其表征、粘度、粘结强度等性能进行测试。

1.5.1 胶粘剂表征测试

采用傅里叶变换红外光谱仪测试木制建筑用胶粘剂制备样本的表征，为了保证测试方面对样本进行压片处理，共压片32次，研究其微观形态的变化[10]。在6℃/10min，70℃/10min，85℃/10min，条件下进行了处理。试样被磨成粉末，粒径≤75?m。用Cu-Kα辐射辐射源测试管管部电压为40kV，用步进式扫描法测试管角扫描范围为10?～90?。

1.5.2 黏度测定

将均匀无气泡的制备样品放置到恒温水浴中，水浴设置的温度为25℃，恒温1h，保持样品温度均匀。开启BROOKFIELD粘度计，进入测试界面，木制建筑材料选择50RPM的速度，在20℃条件下测试;木制建筑材料选用25℃条件下的速度，在12RPM条件下测试;SBS不同牌号的粘度选择速度12RPM，在25℃条件下测试。读入3min之后的读数，用mPa·s表示。反复测定3次，取3次资料的平均值作为资料的黏度[11]。

1.5.3 粘接强度测试

用拉伸剪切强度反映粘接强度的试验结果表明，被粘体采用3层结构的胶合板，含水率低于15%，其胶接面应加工光滑，长度方向为顺纹理方向。将两个胶合板接合面用砂皮打磨至光滑，分别在接合面上涂胶，涂胶面积20mm×50mm。当晾晒温度在20±2℃，相对湿度在50%～70%时，可采用15～20min晾晒，如果没有达到，可适当延长干燥时间[12]。在试件上迭接一块胶合板，在胶接面上施加0.5MPa的压力装置，压力时间为30s。减压后，在48h内完全固化，然后用上拉机进行性能测试。在测试中，控制牵引器的加载速度为100mm/min。将样品放置于夹具内，使施加的力彼此平行，启动拉伸机构。在不同的拉伸剪切力作用下，记录样品的最大荷载。3个试件同时测定，3次测量数据的平均值即为拉伸剪切强度数据，其精度为0.01MPa。拉伸剪切强度公式为：

其中 P、 L、 B 3个参数分别是试件断裂时的最大载荷、胶接段长度和胶接段宽度。

1.6 测试数据处理

采用SPSS14.0软件对木制建筑用胶粘剂性能测试结果进行量化分析，并通过对不同温度下制备的胶粘剂样本的量化测试结果进行纵向对比，从而得出实验结论。

2 测试结果与分析

2.1 胶粘剂表征分析结果

胶粘剂红外光谱的测试结果如图3所示。

如图3所示。921cm-1为环氧化合物的特征峰，1038和1178cm-1为醚键的伸缩振动峰，2872和2960cm-1为-CH3的吸振峰，2926cm-1为-CH2的吸振峰，3400cm-1为-OH吸收峰。在红外光谱测试反应后，918cm-1处的环氧结构特征峰出现减弱消失的发展趋势。在3400cm-1处，-OH带的吸收峰值减弱。研究发现，环氧基在开环反应中成功地形成了交-连网结构。通过各个样本的纵向对比可以看出，不同温度下制备生成的胶粘剂样本的红外光谱走势基本相同，但60℃下制备胶粘剂的红外光谱信号更强。

2.2 胶粘剂黏度测试结果分析

整合量化从测试数据得出木制建筑用胶粘剂黏度的测试对比结果，如表3所示。

由表3中的数据统计情况可以看出，编号为002和005的两个木制建筑用胶粘剂固含量最高，黏度最强，001样本和004样本的黏度高于003样本和006样本。由此可知，70℃为胶粘剂的最佳制备反应时间，温度约接近该温度，胶粘剂的黏度性能越高。

2.3 胶粘剂粘接强度测试结果分析

同理分别从初黏和终黏两个方面统计胶粘剂的粘结强度测试数据，如表4所示。

综合初粘和终粘的测试结果数据，发现温度为70℃下制备的胶粘剂样品的初粘和终粘强度均高于60℃和85℃的样品。

3 结语

由于木制建筑承重结构材的使用量不断攀升，对胶粘剂的质量也提出了更高的要求。因此，在承重构件中选用最合适的胶粘剂，以确保产品的质量，显得尤为重要。研制出环境友好、常温快速固化、耐气候性能较好的胶粘剂，是木制建筑及其构件发展的关键环节。胶粘剂作为木结构及其构件生产过程中的一种粘合介质，随着木制建筑的日益普及，粘合技术的发展显得尤为重要，前景广阔。

参考文献

[1]刘江华.钢架构建筑工程中胶粘剂的应用研究[J].粘接，2020，44（10）：10-13+65.

[2]张学敏，邓勇，杨树梅，等.环境因素对胶粘剂粘接性能的影响[J].山东化工，2019，48（03）：26-27+29.

[3]苏红伟，陈秀.气相色谱-质谱法测试胶粘剂中甲苯二异氰酸酯[J].分析测试技术与仪器，2019，025（01）：28-32.

[4]赵鹏，方宏远，王磊，等.内交联型水性聚氨酯胶粘剂的制备与性能研究[J].化学工程师，2019，33（09）：21-23+43.

[5]吴艾林，邓化清，李铭.胶粘剂粘接性能受环境因素的相关影响研究[J].粘接，2020，41（01）：33-36+44.

[6]张学敏，邓勇，杨树梅，等.环境因素对胶粘剂粘接性能的影响[J].山东化工，2019，48（03）：26-27+29.

[7]韩勇，郭刚.高玻璃化转变温度高韧性挠性覆铜板用环氧树脂胶粘剂的研究[J].云南化工，2020，47（04）：103-104.

[8]戴公连，岳喆.混凝土箱梁早期温度测试与分析[J].武汉大学学报（工学版），2019，52（02）：48-53.

[9]董艳妮，朱云，谢程程.具有温度补偿的燃气表环境温度影响测试装置设计[J].中国计量大学学报，2019，030（01）：110-117.

[10]谢勇.195m超高墩的温度场测试及数值分析[J].交通世界（运输车辆），2020（05）：84-86.

[11]陸冰松，赵竞，邹方竹，等.环境温度变化对5G毫米波电磁辐射测试影响的研究[J].电信网技术，2019（09）：85-89.