干燥溫度對板材表面自由能及膠接強(qiáng)度的影響1)

張曉峰 孫麗萍 許 民

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

陳 芳 魯 飛

(東莞國際名家具設(shè)計(jì)研發(fā)院)

干燥溫度對板材表面自由能及膠接強(qiáng)度的影響1)

張曉峰 孫麗萍 許 民

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

陳 芳 魯 飛

(東莞國際名家具設(shè)計(jì)研發(fā)院)

采用3種不同的干燥基準(zhǔn)(最高溫度分別是：干球溫度90 ℃，濕球溫度70 ℃；干球溫度95 ℃，濕球溫度75 ℃；干球溫度100 ℃，濕球溫度80 ℃)，制定并執(zhí)行相應(yīng)的熱濕處理?xiàng)l件；測定不同干燥基準(zhǔn)條件下，板材表面潤濕性(表面接觸角)、表面自由能、板材的浸泡剝離率、常態(tài)順紋壓縮剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明：對于25 mm厚的水曲柳板材，干燥基準(zhǔn)的最高溫度控制在95 ℃左右，可以獲得較為理想的表面性質(zhì)和較高的膠接強(qiáng)度；干燥溫度高于100 ℃，表面自由能、膠接強(qiáng)度都顯著下降。

木材干燥基準(zhǔn)；表面接觸角；表面自由能；浸泡剝離率；膠接強(qiáng)度

現(xiàn)代木材加工生產(chǎn)中離不開木材干燥和膠接技術(shù)[1]。在保證干燥質(zhì)量的條件下，提高干燥速度、縮短干燥周期、加快資金周轉(zhuǎn)、節(jié)約干燥成本是每個企業(yè)追求的目標(biāo)。本文通過研究不同干燥基準(zhǔn)下25 mm厚水曲柳板材的膠接強(qiáng)度，提出了該板材的適宜干燥基準(zhǔn)，使之既能保證干燥質(zhì)量，又能縮短干燥周期并且滿足膠接質(zhì)量要求，旨在為生產(chǎn)實(shí)際提供參考。

1 材料與方法

試材為25 mm厚水曲柳板材，由廣東省一家具廠提供(購于俄羅斯)。干燥最高溫度分別是90、95、100 ℃。干燥基準(zhǔn)見表1，熱濕處理?xiàng)l件見表2。

潤濕性(接觸角)及表面自由能的測定：潤濕，是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶流體的過程[2]。為了進(jìn)行膠接，首先使被膠接木材表面潤濕，在被膠接表面貼合之后，潤濕表面應(yīng)膠接固化。膠接的第一步，是固體表面被液體膠黏劑潤濕。因此，潤濕性，是最重要的膠接基礎(chǔ)問題。潤濕的程度，通常以液體對固體表面的接觸角表示，接觸角越小，表明固體越容易被潤濕。本試驗(yàn)測定了同批試材采用3種不同干燥基準(zhǔn)干燥后的接觸角的變化。測定時，將被測木材試件放入JC2000A接觸角測量儀樣品池內(nèi)，分別將被測液體0.001 mL滴在木材表面，測定接觸角。

表1 25 mm厚水曲柳板材干燥基準(zhǔn)

表面自由能，是產(chǎn)生一單位面積無應(yīng)力表面所需要的能量。W.A.Zisman認(rèn)為，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，估算固體的表面自由能。

W.A.Zisman發(fā)現(xiàn)，許多低能量固體表面的接觸角的余弦(cosθ)和液體的表面張力(rla)之間有如下關(guān)系式：cosθ=1+k(rc+rla)。式中：rc為臨界表面張力；k為系數(shù)；rla為液/氣表面張力。當(dāng)θ=0°時，cosθ=1，此時rc=rla。由此提出了臨界表面張力的概念。本研究即采用W.A.Zisman的方法，通過測定不同表面張力的液體在水曲柳木材表面上的接觸角θ，然后以液體的表面張力rlv為橫坐標(biāo)，以cosθ為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上繪出散點(diǎn)圖，得到rlv對cosθ的一條直線，將其外推倒cosθ=1(θ=0°，完全浸潤)處，對應(yīng)于cosθ=1處得到的rlv即為臨界表面張力rc，亦即固體的表面自由能[3]。

表2 25 mm厚水曲柳板材熱濕處理?xiàng)l件

浸泡剝離率的測定：涂膠量300 g/m2；膠接時室內(nèi)溫度17 ℃；加壓時間60 min。膠(RY1981)與固化劑(RY1991)比例(質(zhì)量比)為100∶15；RY1981和RY1991混合后，要求在30～45 min內(nèi)使用完畢。液壓拼板機(jī)，壓力1.5 MPa，卸壓后，在相同的溫度下放置72 h[4]。

膠接后的板材在寬度方向上各截去5 mm的邊，再截取長75 mm的試件作浸泡剝離率實(shí)驗(yàn)。浸泡剝離率試件鋸制見圖1。

圖1 浸泡剝離率試件鋸制形狀

將試件浸泡在室溫水中6 h后取出試件，馬上置于恒溫干燥箱中(40±3)℃，在正常排出空氣狀態(tài)下，干燥18 h，取出后測量試件兩橫切面的剝離長度超過3 mm以上的剝離膠縫。剝離率=(兩橫切面剝離長度的總和/兩橫切面膠縫長度的總和)×100%。

膠接強(qiáng)度的測定：試件鋸制形狀見圖2。常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試件取徑切板，膠接面積為25 mm×25 mm，每組膠接試驗(yàn)計(jì)劃鋸制3組試件。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。加載速度2 mm·min-1。壓縮剪切強(qiáng)度σ=Pmax/(b×l)。式中：σ為試件的常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)度；Pmax為最大破壞載荷；b為試件剪切斷面的寬度；l為試件剪切斷面的長度[5]。

圖2 常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)度試件鋸制形狀

2 結(jié)果與分析

2.1 表面接觸角與表面自由能

不同干燥溫度木材表面接觸角與表面自由能見表3。由表3可見，隨著時間的延長，表面自由能呈現(xiàn)整體下降的趨勢。主要原因是木材表面鈍化、光降解。當(dāng)干燥溫度為90、95 ℃時，木材表面自由能相差不大；干燥溫度達(dá)到100 ℃時，其表面自由能明顯降低，是由于高溫作用下，木材表面官能團(tuán)發(fā)生變化所至[6]。

表3 不同干燥溫度木材表面接觸角及木材表面自由能

續(xù)(表3)

2.2 常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)

本試驗(yàn)中，對于每種干燥溫度，每天測試3組試件，連續(xù)測量6 d的常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)度(見表4)。由表4可見，隨著時間的延長，剪切強(qiáng)度呈下降的趨勢，4 d后趨于平穩(wěn)。95 ℃時，剪切強(qiáng)度最高；100 ℃時，剪切強(qiáng)度最低?？梢姡砻孀杂赡茏罡?，剪切強(qiáng)度不一定最高，這與木材殘余應(yīng)力有關(guān)。試驗(yàn)證明：100 ℃時，木材的殘余應(yīng)力明顯高于其它2個干燥溫度下木材的殘余應(yīng)力。

表4 不同溫度下常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)度

2.3 浸泡剝離率

由表5可見，100 ℃時，木材的浸泡剝離率最高；95 ℃時最低。

表5 不同干燥溫度下浸泡剝離率

3 結(jié)論

木材表面接觸角隨著干燥溫度的升高而增大。

木材表面自由能隨著干燥溫度的升高而減少。90、95 ℃時，木材表面自由能相差不大；但是，干燥溫度超過100 ℃時，木材表面自由能明顯降低。

木材常態(tài)壓縮剪切強(qiáng)度，受溫度、表面自由能及應(yīng)力的影響。在應(yīng)力和表面自由能的雙重影響下，應(yīng)力大、表面自由能低，則剪切強(qiáng)度較低。

浸泡剝離率與剪切強(qiáng)度密切相關(guān)：剪切強(qiáng)度高，則浸泡剝離率低。

對于25 mm厚水曲柳板材，考慮到干燥周期及膠接強(qiáng)度，干燥溫度最好控制在95 ℃左右，不超過100 ℃。當(dāng)干燥最高溫度超過100 ℃，板材的表面自由能、剪切強(qiáng)度明顯下降；浸泡剝離率明顯增大。

[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(jī)械，2003，14(2)：1-4.

[3] Lynn Jarvis H， Zisman W A. Surface activity of fluorinated-organic compounds at organic-liquid/air interfaces(I): surface tension parachor and spreadability[J]. Journal of Physical Chemistry，1959，63(5)：727-734.

[4] 郝金城，張明建.集成材制造技術(shù)[M].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[5] LY/T 1601-2001水基聚合物-異氰酸酯木材膠粘劑.

[6] 鮑輔成，王正，郭文靜.楊木和杉木木材表面性質(zhì)的研究[J].林業(yè)科學(xué)，2004，40(1)：131-136.

Effect of Drying Temperature on Free Energy on the Lumber Surface and Bonding Strength/

Zhang Xiaofeng, Sun Liping, Xu Min

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Chen Fang, Lu Fei

(International Famous Furniture Design Research Institute)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-123～125

We used three different temperature wood drying schedule of 90 ℃ dry bulb temperature (DBT) with 70 ℃ wet bulb temperature (WBT), 95 ℃ DBT with 75 ℃ WBT, and 100 ℃ DBT with 80 ℃ WBT to conduct different heat-wet treatment, accordingly. We investigated the surface contact angle, surface free energy and delamination ratio after water-soaked and compress shear strength. We can get better surface quality and the higher bonding strength under the highest temperature 95 ℃ of the wood drying schedule. If the temperature is more than 100 ℃, the free energy and the bonding strength will be declined obviously.

Wood drying schedule; Contact angle; Surface free energy; Delamination ratio after water-soaked；Bonding strength

張曉峰，男，1969年12月生，東北林業(yè)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動站，從事博士后科學(xué)研究。E-mail：casseyxf@163.com。

2013年12月26日。

S781.71

1) 廣東省重大科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2011A080404002)。

責(zé)任編輯：張 玉。