木材厚度上含水率偏差對膠接界面的影響1)

張曉峰 陳 巖

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省輕工業(yè)技工學(xué)校)

在現(xiàn)代木材加工工業(yè)生產(chǎn)中，由于膠接技術(shù)的廣泛使用，對膠粘劑的依賴性在不斷的增強，所以膠接質(zhì)量越來越成為影響木制品質(zhì)量的重要因素之一［1］。很多因素會影響木質(zhì)材料膠接質(zhì)量如:表面接觸角、表面潤濕性、表面自由能等［2］，其中，木材表面的活性基團是影響膠接質(zhì)量的重要因素。木材表層含水率的變化影響著木材表面活性基團，也決定著木材厚度上的含水率偏差。筆者通過研究木材厚度上含水率偏差對木材表面活性基團及膠接界面活性基團的影響，探究其與膠接性能的關(guān)系，為膠接強度的理論研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試材

研究所選試材為水曲柳板材，厚度25 mm。購于黑龍江省亞布力林業(yè)局。所選試材為同一棵樹木的、相同高度部位的徑切與弦切板材。

1.2 研究方法

木材厚度上含水率偏差的檢驗，是根據(jù)《鋸材干燥質(zhì)量》中的規(guī)定進行的。干燥的板材厚度小于50 mm，將分層含水率試片鋸制成3層。分層含水率試片的鋸解方法，見圖1。

分層含水率的檢測是等厚地把試片分成3層，用稱質(zhì)量法測定每層的含水率，求得厚度上的含水率偏差。ΔW=W2－((W1+W3)/2)。式中:ΔW為鋸材厚度上的偏差;W1為上層含水率;W2為中層含水率;W3為下層含水率。在本研究中，選取了3塊分層含水率檢驗板，將它們放置在恒溫恒濕箱中(避光保存)。環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為60%。在同一檢驗板上，每次鋸制2塊分層含水率試片。每天測定其分層含水率的變化情況。按照厚度上含水率偏差公式計算鋸材厚度上含水率的偏差。

圖1 分層含水率試片鋸解方法

木材表面的潤濕性，對木材膠接質(zhì)量影響很大，而木材表面接觸角，正是反映木材表面潤濕性的重要參數(shù)［3］。應(yīng)用上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JC2000A接觸角/張力測量儀，測定不同表面張力的液體對木材表面的接觸角;表面自由能就是產(chǎn)生一單位面積無應(yīng)力表面所需要的能量［4］。根據(jù)W.A.Zisman的理論，固體的表面自由能與液體的臨界表面張力在數(shù)值上非常接近。因此，可以通過測量臨界表面張力數(shù)值來估算固體的表面自由能［5］。本研究連續(xù)測定了一周時間內(nèi)每天木材表面的自由能的變化。對于同一干燥質(zhì)量條件下的木材，在選取試件時，考慮到木材的各項異性，每天待測的樣品盡量選取在同一塊木材附近。研究中取3組試件，在干燥結(jié)束后，每天測定其表面接觸角的變化，連續(xù)測一周。由于木材是多孔性物質(zhì)，被測木材表面并不平整，對液體的滲透性也比較強。為了減少測量中產(chǎn)生的誤差。試樣拍照數(shù)量為30張/件，每10張為一組，求其平均值。因此，同一個試件，同一種液體，可以得到3組數(shù)據(jù)。這3組數(shù)據(jù)的平均值為該試件的接觸角。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材表面潤濕性

木材表面潤濕性通常用接觸角來表征。木材表面接觸角測量及木材表面自由能的計算結(jié)果見表1。本研究木材的最終含水率為7.71%。儲存6 d后含水率為9.74%。木材干燥后，在一周時間內(nèi)木材表面自由能呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。由表1可見:在1～3 d內(nèi)木材表面自由能下降的平均速度為2.17 mJ·m－2·d－1;第4 天以后，表面自由能下降的平均速度為 1.07 mJ·m－2·d－1，可見木材表面自由能下降的速度明顯變緩。通過對木材厚度上含水率偏差的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在干燥結(jié)束后3 d時間內(nèi)，木材的含水率呈現(xiàn)明顯上升的趨勢。在這段時間內(nèi)木材表面自由能下降速度比較快，其原因可能是由于木材吸收了水分，導(dǎo)致木材表面活性基團與水中的羥基發(fā)生反應(yīng)，使木材表面自由能降低。

表1 木材表面接觸角及自由能

2.2 含水率偏差測試結(jié)果及分析

由圖2可以看出:在存儲條件相同的情況下，含水率偏差呈現(xiàn)波動的變化趨勢:第1～2天，呈現(xiàn)小幅度上升趨勢;第2天開始，含水率偏差都呈現(xiàn)下降趨勢，說明木材心、表層含水率差在減小，木材表層吸收了空氣中的水分;第3天，含水率偏差達到最小值然后呈逐漸上升趨勢，但是變化的強度明顯放緩;5 d后，含水率偏差上升到最大值，然后又下降。

圖2 木材厚度上含水率偏差隨時間的變化規(guī)律

2.3 木材表面 C1s、N1s、O1s原子比例

在每天測量含水率偏差的同時，使用光電子能譜儀(XPS)也對木材表面的C1s、N1s、O1s的含量進行了測定。木材表面XPS寬掃描譜圖見圖3。木材表面C1s、N1s、O1s原子比例的測定結(jié)果見表2。由圖3及表2中可以看出，該部位試件元素的含量變化比較顯著，但峰位置沒有隨著存儲時間而延長，最初3d內(nèi)C元素和O元素變化不明顯。從第4天開始變化較為顯著。試件的XPS測試中C1s的含量變化趨勢不是穩(wěn)定，這是由于此處的試件干燥條件受外界影響較大，使得干燥過程中產(chǎn)生不均勻，從而使得其木材的化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變，碳的含量發(fā)生很大變化。O1s的含量變化也呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，O1s的含量從30.12%增加到31.74%，而后又大幅度降低到23.96%。綜上所述，伴隨著存儲時間的延長木材表面C1s、O1s和N1s的原子比例變化較大，證明木材含水率偏差的變化對此有較大的影響，從而可能會對膠接界面帶來一定的影響。

表2 木材表面及膠接界面C1s、O1s和N1s原子比例 %

2.4 膠接界面 C1s、N1s、O1s原子比例

大多數(shù)木材和膠粘劑，主要由碳、氫、氧和氮4種元素組成。對木材和膠粘劑的化學(xué)性質(zhì)分析中，分析碳的狀態(tài)變化很重要，明確吸收峰的位置和強度，就可以知道碳原子的結(jié)合方式，進一步可以推知木材表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)變化。膠接界面的 C1s、O1s和 N1s原子比例如表2所示。對于膠接界面元素變化，C1s、O1s和N1s原子比例變化比較明顯，與木材的表面相比較C1s的量相對增加;N1s的含量顯著增加;O1s的含量減少。說明膠粘劑與木材發(fā)生了反應(yīng)，其變化規(guī)律與木材表面活性基團的變化規(guī)律基本相同，只是含量的增減。

圖3 木材表面XPS寬掃描譜圖

2.5 含水率偏差對膠接界面活性基團的影響

對O1s的影響:存儲時間為2～3 d時，此時膠接木材，膠接界面O1s的含量達到最大值，含水率偏差為0.6%。隨著存儲時間的延長和含水率偏差的增大，膠接界面O1s逐漸減小(圖4)。

對N1s的影響:存儲時間5～6 d時，膠接界面N1s的含量達到最大值，含水率偏差小于1.4%。隨著存儲時間的延長和含水率偏差的增大，膠接界面N1s逐漸增加(圖5)。

對C1s的影響:膠接界面C1s的含量達到最大值的區(qū)域為存儲時間5～6 d內(nèi)，含水率偏差0.5% ～1.0%。隨著存儲時間的延長，膠接界面C1s逐漸增加。但是，如果含水率偏差大于1.0%，隨著存儲時間的延長，C1s含量呈下降趨勢(圖6)。

圖4 木材含水率偏差對界面O1s的影響

圖5 木材含水率偏差對界面N1s的影響

3 結(jié)論

①木材含水率偏差的增加會導(dǎo)致膠接界面O1s逐漸減小。

圖6 木材含水率偏差對界面C1s的影響

②木材存儲時間加長，木材表面潤濕性降低。

③含水率偏差為0.5% ～0.8%時，隨著存儲時間的延長，膠接界面C1s逐漸增加。但是，如果含水率偏差大于1.0%，隨著存儲時間的延長，C1s含量呈下降趨勢。

④木材存儲時間在5～6 d時進行膠接，膠接界面N1s的含量達到最大值。含水率偏差為1.0% ～1.4%時，隨著存儲時間的延長和含水率偏差的增大，膠接界面N1s逐漸增加。

［1］ 顧繼友.膠接理論與膠接基礎(chǔ)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［2］ 程瑞香，顧繼友.落葉松、樺木和柞木集成材膠接性能的研究［J］.木材加工機械，2003(2):1－4，9.

［3］ 錢俊，張文標(biāo)，金永明，等.電場對楊木膠合效應(yīng)之初探［J］.浙江林學(xué)院學(xué)報，1999，16(2):109－113.

［4］ 秦偉，張志謙，吳曉宏，等.RTM成型復(fù)合材料的界面改性［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2003，19(6):206－212.

［5］ Stamm A J.Bound-water diffusion into wood in across-the-fiber directions［J］.Forest Products Journal，1960，10(10):524－528.