冀北山区四种木材胶合性能研究

2022-06-22杨志慧张荣会孟素戎王慧珊吴树伟

林业机械与木工设备 2022年6期

杨志慧，张荣会，孟素戎，王慧珊，吴树伟

(1.河北隆化国有林场管理处徐八屋林场，河北隆化 068150；2.河北农业大学林学院，河北保定 071000)

胶合是木材制品生产过程中的重要的环节，而影响这个环节的重要因素有很多，包括基材特征、加工工艺、胶黏剂性能等因素[1]。木材经过预处理后，增加了木材尺寸稳定性和胶合性能，减少了吸湿性，降低了强度和韧性等。抽提物会污染胶合面，降低木材表面的润湿性；抽提物阻碍胶黏剂固化和胶合耐久性。抽提物作为木材的重要组成成分，对木材很多方面有着重大的影响，如木材的颜色、气味、物理化学性质、渗透性能等[2]。随着密度提高，胶合强度和木破率降低，密度越高的木材，胶合越困难。

河北北部山区白桦、黑桦、山杨、油松等树种资源丰富，有待开发利用。不同的胶粘剂对木材的胶合性能也有很大的影响，前人在预处理对胶合性能影响的各种研究上提供了许多参考，但在冀北山区四种不同木材上未进行过此方面研究。预处理与抽提处理后，都会对木材的胶合性能有影响。基于此，本文采取不同方式处理四种冀北地区木材，并使用不同类型胶黏剂进行胶合，探究其胶合性能，以期为四种木材木制品的生产加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 木材

本研究试验材料白桦、黑桦、山杨、油松均取自河北承德隆化县茅荆坝林场，将木材加工为尺寸30 mm×25 mm×20 mm的试件，白桦、黑桦、山杨、油松各180个，其中每种木材各取出60个试件进行热空气处理、碱抽提处理，其余60个试件作为未处理材对照，进行胶合试验。木材的基本参数见表1。

表1 木材基本参数

1.1.2 胶黏剂

(1)聚氨酯胶黏剂(双组份)

此胶黏剂分为了甲、乙两个组份，无色或淡黄色半透明粘稠液为甲组，乙组为无色或淡黄色透明液，不挥发物含量分别为28%～32%、48%～52%，胶黏剂粘度为40～90 cps，胶合前，甲组和乙组按2∶1的质量比调制，该胶黏剂在130 ℃下则可完全固化。

(2)聚醋酸乙烯酯胶黏剂(以下统称白胶)

白色乳状液体，固体含量为30%，粘度为5 000 cps，pH值为4.5，外购，常温即可固化。

(3)脲醛树脂胶黏剂(以下统称脲胶)

普通散装的白色粉状固体，外购。胶粉、添加剂、改性剂、水及固化剂，按质量比125∶25∶25∶70∶10进行调制。胶液主要性能参数：固体含量60.6%，活性期2～2.5 h(25 ℃)，固化速度84 s(85 ℃)，pH值为5.15，固化温度为115 ℃。

本次试验选用三种不同的胶黏剂，其性能参数见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 预处理方法

(1)碱抽提

将试样放入装有600 ml 1%的NaOH液的烧杯之中，并置于沸水浴中，充分抽提3 h，取试样用蒸馏水冲洗干净，烘干，调节平衡含水率达10%～12%。

(2)热空气处理

将含水率为10%左右的试件，置于电热鼓风干燥箱内干燥至含水率为5%以下。将温度升至目标温度180 ℃，保温处理3 h。

1.2.2 胶合剪切强度测定

剪切试验是在木材万能试验机上进行。为了比较三种胶黏剂的胶合性能的区别，检测了胶合试件的常态处理后的剪切强度和木破率。图1是检测剪切强度的标准试件，图2为胶合破坏后的试件。检测剪切强度时，设定荷载速度为1 mm/min，剪切强度的公式为：

图1 胶合剪切试件

图2 胶合破坏面

P=F/S

(1)

式中：P为剪切强度/MPa；F为最大破坏荷载/N；S为剪切面积/mm2。

1.2.3 胶合工艺

(1)胶合试件规格：30 mm×25 mm×20 mm(长×宽×厚)，每2个为一对胶合在一起，长度上错开5 mm(如图1)。试件胶合后，在室温(22 ℃)下放24 h，使胶黏剂固化。

(2)聚醋酸乙烯酯单面涂胶，涂胶量为240 g/m2，开放陈化2 min，闭合陈放5 min，试件在压机上常温保压60 min，压机压力为1.0 MPa。

(3)脲醛树脂单面涂胶，涂胶量为240 g/m2，开放陈化2 min，闭合陈放5 min，试件在压机上115 ℃保压25 min，压机压力为1.0 MPa。

(4)聚氨酯胶黏剂双面涂胶，涂胶量为240 g/m2，涂胶后露置10～15 min后以不沾手为宜，试件在压机上130 ℃保压60 min，压机压力为0.5 MPa[3]。

1.2.4 木破率测定

观察木材破坏的面积占胶合面的面积的百分率。

2 结果与分析

四种木材不同处理方式不同木破率的测试结果见表2，四种木材不同处理方式不同胶黏剂剪切强度的测试结果如图3。

表2 四种木材不同处理方式不同木破率的测试结果

2.1 树种对胶合性能的影响

由表2和图3可知，相同条件下，黑桦的胶合性能最好，山杨的胶合性能最差。黑桦未处理材经过聚氨酯胶和脲胶处理后其剪切强度比山杨的分别高129.0%、34.2%；黑桦热空气处理材经过聚氨酯胶和脲胶处理后其剪切强度比山杨的分别高104.3%、22.8%；黑桦碱抽提处理材经过聚氨酯胶和脲胶处理后其剪切强度比山杨的分别高68.7%、81.5%。

图3 四种木材不同处理方式不同胶黏剂剪切强度(MPa)的测试结果

原因分析：木材固有的和在加工过程中产生的一些因素会影响其胶合粘接性能。前者包括木材的密度、树种、抽提物、pH值等，后者包括木材的含水率、表面粗糙度等[4]。由表2可知，黑桦的密度最大，山杨的密度最小，四种木材处理前后密度变化不大。木材的剪切强度首先取决于不同树种木材本身的固有强度，因此在相同处理方式相同胶粘剂的条件下，黑桦的剪切强度明显高于山杨的剪切强度，两种桦木的剪切强度相差不大。

2.2 处理方式对胶合性能的影响

由表2和图3可知，四种木材在相同的树种相同胶粘剂条件下，白桦经白胶胶合与脲胶胶合的试件碱抽提处理材剪切强度最优，分别为8.54 MPa、9.94 MPa；经聚氨酯胶胶合的试件未处理材剪切强度最高为10.67 MPa；整体来看碱抽提处理后白桦的剪切强度较好，热空气处理材的剪切强度较差。黑桦经白胶胶合与脲胶胶合的试件碱抽提处理材剪切强度最优分别为9.19 MPa、11.94 MPa；经聚氨酯胶胶合的试件未处理材剪切强度最高为13.33 MPa；整体来看碱抽提处理后黑桦的剪切强度较好，热空气处理材的剪切强度较差。山杨经脲胶胶合的试件碱抽提处理材剪切强度最优为7.63 MPa；经聚氨酯胶胶合的试件未处理材剪切强度最高为5.82 MPa；整体来看不同处理方式下，山杨的剪切强度相差不多，碱抽提处理后的剪切强度较好，未处理材的剪切强度较差。油松经聚氨酯胶和脲胶胶合的试件热空气处理材剪切强度最优分别为7.29 MPa、8.66 MPa；经白胶胶合的试件未处理材剪切强度最高为10.13 MPa；整体来看未处理材和碱抽提处理材后油松的剪切强度较好，热处理材剪切强度较差。

原因分析：从整体来看，在其他条件相同的情况下，热空气处理材的剪切强度较差，碱抽提处理的试件剪切强度较好。因为经热空气处理后的木材表面凹凸、粗糙程度改变，会出现影响胶合强度的结果。一定粗糙度的表面，其凹凸、细孔和沟槽有利于胶粘剂的渗入，会有机械结合的效果。但是粗糙度过大，表面的凹孔、沟槽过深时，由于残留的气体或吸附的水分会阻碍胶粘剂渗透而不利于粘接[5]。抽提物含量增大虽然可以增强木材本身的强度，但是会有碍木材胶合。憎水性抽提物会降低木材表面润湿性，影响胶液的正常流动及其在木材表面的铺展，阻碍界面胶层的固化[6]。抽提物对木材PH值有影响，有增加木材表面酸性的趋势，促进木材表面降解，降低其表面强度。因此，试材抽提物含量的减少可对其胶合性能产生正面影响，使其剪切强度增加。

2.3 胶的种类对胶合性能的影响

由表2和图3可知，四种木材在相同的树种相同工艺条件下，白桦对于未处理材和热空气处理材而言，聚氨酯胶胶合剪切强度最高，分别为10.67 MPa、10.09 MPa；对于碱抽提处理材而言，脲胶胶合剪切强度最高为9.94 MPa。黑桦对于未处理材和热空气处理材而言，聚氨酯胶胶合剪切强度最高分别为13.33 MPa、11.85 MPa，对于碱抽提处理材而言，脲胶胶合剪切强度最高为11.94 MPa。山杨剪切强度方面，未处理材、碱抽提处理材、热空气处理材经脲胶胶合后的剪切强度大于聚氨酯胶合的剪切强度，分别高出7.4%、26.3%、31.6%。油松对于未处理材而言，白胶胶合剪切强度最高为10.13 MPa，对于热空气处理材和碱抽提处理材而言，聚氨酯胶胶合剪切强度最高分别为7.29 MPa、8.66 MPa。木破率方面，经三种胶胶接检测木破率相差不大，聚氨酯胶木破率稍高；三种材经聚氨酯胶胶合后的木破率最高，分别为93%、97%、97%。

原因分析：木材经处理后剪切强度都有不同程度改变，胶黏剂种类的不同直接影响木材胶合剪切强度[1]。木材胶合剪切强度与所用的处理方式和胶黏剂种类有关系，白胶剪切强度均是偏低，木破率明显降低，破坏也大都在胶层破坏，说明白胶的耐久性不如脲胶和聚氨酯胶。其他条件相同的情况下，聚氨酯胶合的木材剪切强度较好，白胶胶合的木材剪切强度较差；白桦和山杨在三种胶粘剂胶合作用下的剪切强度相差不大，但黑桦和油松在三种胶粘剂胶合作用下的剪切强度相差较大。