木材與玻璃纖維-鉛箔材的膠合強(qiáng)度試驗(yàn)

耿耀宏 王逢瑚

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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木材與玻璃纖維-鉛箔材的膠合強(qiáng)度試驗(yàn)

耿耀宏 王逢瑚

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

以異氰酸酯與白乳膠混合液為膠合劑，試驗(yàn)研究木材與純鉛(Pb)箔、木材與玻璃纖維(GF)強(qiáng)化Pb基復(fù)合箔材的膠合強(qiáng)度，分析膠合劑配比、Pb箔中GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)木材與Pb基復(fù)合箔材膠合強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：異氰酸酯與白乳膠所配膠合劑對(duì)木材與Pb箔有良好膠合作用，二者體積比為1∶1時(shí)，膠合強(qiáng)度最高，達(dá)到1.142 2 MPa；添加GF后，膠合強(qiáng)度均得到提高，隨著Pb箔中GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，先增加后降低，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，膠合強(qiáng)度最高，為1.436 7 MPa。

夾芯結(jié)構(gòu)木材；木基復(fù)合材料；玻璃纖維-鉛復(fù)合箔材；膠合強(qiáng)度

木材作為可降解生物資源，廣泛應(yīng)用于家具、建筑、造紙等領(lǐng)域。然而，我國(guó)森林資源十分緊缺，如何實(shí)現(xiàn)木材的高效科學(xué)利用，成為亟待解決的問題[1-2]。木材/金屬?gòu)?fù)合材料具有木質(zhì)材料的低密度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，同時(shí)具有金屬的高強(qiáng)度、導(dǎo)電、電磁屏蔽性能等特性，實(shí)現(xiàn)了木材高性能化和功能化，成為木材發(fā)展的重要方向[3-5]。將金屬粉或箔材通過(guò)填充、混雜以及覆蓋等方式可以實(shí)現(xiàn)金屬與木材的復(fù)合[4，6]，其中，將金屬箔填充于兩木材之間，形成層狀?yuàn)A層結(jié)構(gòu)制備的木基功能復(fù)合材料，不僅可保持木制品特有的回歸自然的表面裝飾效果及保溫等性能，還能賦予復(fù)合材料導(dǎo)電功能，可開發(fā)電磁波屏蔽、抗靜電等新型導(dǎo)電功能木基復(fù)合材料產(chǎn)品[7-9]。鉛(Pb)具有質(zhì)軟、原子密度大、阻尼性能優(yōu)異等特性，是一種優(yōu)良的隔聲材料。在相同作用力激發(fā)下，鉛所產(chǎn)生的噪聲比其他金屬小得多[10]。將Pb或Pb基復(fù)合材料與木材膠合，形成夾層結(jié)構(gòu)的木材-Pb基復(fù)合箔材復(fù)合材料，該中材料具有抗輻射及隔音降噪的功效，可應(yīng)用于建筑、家具以及特殊抗輻射環(huán)境領(lǐng)域。該種材料能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵是木材與Pb箔之間的膠合強(qiáng)度能否達(dá)到最低要求，為此，本文選擇3種不同配比的膠種對(duì)木材與Pb進(jìn)行膠合，對(duì)其膠合強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行了分析；此外，選擇4種成分的玻璃纖維(GF)強(qiáng)化的Pb基復(fù)合箔材為夾層金屬箔材，分析GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠合強(qiáng)度的影響。旨在為實(shí)現(xiàn)木材的特殊功能性及增加木材附加值以及促進(jìn)木基復(fù)合材料的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

原材料及試劑：木板、純Pb箔、GF強(qiáng)化的Pb基復(fù)合箔材(GF-Pb箔)、異氰酸酯、白乳膠。膠合劑異氰酸酯與白乳膠由東北林業(yè)大學(xué)提供，純Pb箔及GF-Pb復(fù)合箔材由哈爾濱工業(yè)大學(xué)粉末冶金課題組提供。選擇GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的GF-Pb復(fù)合箔材，采用粉末冶金工藝與精軋制相結(jié)合的工藝制備，平均厚度為0.5 μm。將異氰酸酯與白乳膠按3種體積比例進(jìn)行配比，作為膠合劑(見表1)。

表1 膠合劑種類及配比

膠合試樣制備及檢測(cè)方法按照GB/T 17657—1999執(zhí)行。試樣尺寸：長(zhǎng)50 mm、寬50 mm、厚度6 mm，膠合面積1 000 mm2(見圖1)。在木材萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行膠合強(qiáng)度拉伸測(cè)試，每組試樣測(cè)試3個(gè)有效試樣。

圖1 表面膠合強(qiáng)度試樣實(shí)物圖

2 結(jié)果與分析

2.1 膠合劑成分對(duì)膠合強(qiáng)度的影響

由圖2可見：3種試樣在拉伸變形初期，膠合強(qiáng)度隨位移的增加緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)位移增加到一定值后，曲線斜率增加，表面膠合強(qiáng)度隨位移呈線性增長(zhǎng)(如圖2中2#曲線所示)；當(dāng)拉伸位移達(dá)到0.74 mm后，表面膠合強(qiáng)度隨位移變化呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。強(qiáng)度值達(dá)到最大值后，Pb箔與木材發(fā)生分離，隨后強(qiáng)度值急速降低。此外，從圖2中1#曲線和2#曲線還可看出，當(dāng)膠合強(qiáng)度降低到一定值后，出現(xiàn)拉伸屈服平臺(tái)(如圖2中虛線框所示部分)；隨位移的增加，膠合強(qiáng)度保持不變，表明采用異氰酸酯與白乳膠作為膠合劑對(duì)木材與Pb箔有很好的粘合作用。

圖2 膠黏劑配比對(duì)膠合強(qiáng)度的影響

對(duì)每種成分膠合劑粘接的試樣測(cè)試3個(gè)試樣，統(tǒng)計(jì)膠合強(qiáng)度值及算術(shù)平均值(見表2)。膠合劑成分對(duì)膠合強(qiáng)度有重要影響，隨著膠合劑中異氰酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%增加至70%，試樣膠合強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，其中2#膠合劑50%的乳白膠和50%的異氰酸酯混合液所粘合的Pb箔與木板的膠合強(qiáng)度值最高(1.142 2 MPa)，1#膠合劑次之，3#膠合劑最低；但膠合強(qiáng)度均超出了國(guó)家規(guī)定的最低應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)值(0.4 MPa)，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

表2 木材與純Pb膠合強(qiáng)度 MPa

圖3為2#試樣拉伸破壞后的宏觀形貌。由圖3可見：試樣破壞后，Pb箔完整的從木材表面脫離，仔細(xì)觀察木材表面可以發(fā)現(xiàn)，約60%的膠合劑附著在木材表面，40%的膠合劑附著于Pb箔上，附著于Pb箔上的膠合劑在拉伸破壞時(shí)將木材表面部分木纖維“拔出”。從破壞形式看，該種膠合劑將木材與Pb箔牢固的粘合在一起。

圖3 表面膠合強(qiáng)度試驗(yàn)破壞后試樣宏觀形貌

結(jié)合圖2中的3種試樣的拉伸曲線和圖3中的破壞試樣表面形貌，可以推斷Pb與木材二者在拉伸過(guò)程中發(fā)生破壞分離的過(guò)程，主要分為4個(gè)階段：第一階段是從拉伸開始到膠合強(qiáng)度隨位移線性增長(zhǎng)起始階段，此階段拉伸強(qiáng)度隨位移變化增長(zhǎng)緩慢，木材與膠層、膠層與Pb箔之間結(jié)合緊密，此階段無(wú)宏觀裂紋產(chǎn)生。第二階段是膠合強(qiáng)度隨位移線性增加階段，前兩階段拉伸過(guò)程中，Pb箔與木材通過(guò)膠合層結(jié)合緊密，宏觀上無(wú)明顯變化，但在此階段，復(fù)合材料內(nèi)部局部結(jié)合相對(duì)較弱的區(qū)域開始發(fā)生松動(dòng)，產(chǎn)生微裂紋或微孔。第三階段是拉伸應(yīng)力達(dá)到最大值到急速降低階段，當(dāng)拉伸位移達(dá)到一定值后，拉伸應(yīng)力達(dá)到復(fù)合板材結(jié)合最大強(qiáng)度，在前兩階段形成微裂紋或松動(dòng)的區(qū)域，Pb與木材發(fā)生脫離，導(dǎo)致膠合強(qiáng)度迅速降低，而結(jié)合相對(duì)緊密的區(qū)域仍然未發(fā)生破壞。第四階段是與木材已經(jīng)發(fā)生分離的金屬Pb發(fā)生塑性變形，而未發(fā)生分離的區(qū)域，此階段粘合面積變化不明顯，故在拉斷后仍出現(xiàn)拉伸屈服平臺(tái)現(xiàn)象。隨著位移的增加，Pb發(fā)生加工硬化，強(qiáng)度增加，試樣中未發(fā)生分離的粘合區(qū)域逐漸分離，同時(shí)擴(kuò)展至鄰近區(qū)域，材料的拉伸曲線表現(xiàn)為隨著位移的增加膠合強(qiáng)度逐漸降低，最后Pb與木材發(fā)生完全分離，形成如圖3所示拉伸破壞表面。

2.2 GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)膠合強(qiáng)度的影響

選擇異氰酸酯與白乳膠各占50%的2#配比膠合劑對(duì)木材與4種成分的GF-Pb復(fù)合箔材進(jìn)行粘合，對(duì)其膠合強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，膠合強(qiáng)度分別為1.184 3、1.352 6、1.436 7、1.265 4 MPa。與純Pb相比，向純Pb中添加GF后，膠合強(qiáng)度均提高。此外，隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，木材與Pb基復(fù)合箔材的膠合強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，達(dá)到最大值(1.436 7 MPa)；GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，膠合強(qiáng)度有所降低，這與GF增加導(dǎo)致GF-Pb復(fù)合材料內(nèi)組織缺陷，尤其是顯微孔洞數(shù)量增加有關(guān)。

通過(guò)對(duì)純Pb箔及GF強(qiáng)化的Pb基復(fù)合箔材與木材的膠合強(qiáng)度的測(cè)試，膠合強(qiáng)度均達(dá)到行業(yè)規(guī)定應(yīng)用值；通過(guò)對(duì)拉伸試樣表面形貌的觀察也得出一致結(jié)論。本研究中膠合試樣結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為圖4結(jié)構(gòu)，主要由3層組成：木板、膠黏劑層、Pb箔。影響該結(jié)構(gòu)膠合強(qiáng)度的主要因素有三方面：Pb箔的強(qiáng)度、Pb箔與膠合劑的結(jié)合強(qiáng)度、木材與膠合劑的結(jié)合強(qiáng)度。根據(jù)對(duì)拉伸斷口分析可看出，拉伸變形過(guò)程中Pb箔未發(fā)生撕裂或破壞，整體與木材發(fā)生分離，表明Pb箔的強(qiáng)度對(duì)本試驗(yàn)的膠合強(qiáng)度影響不大。因此，膠合劑層與Pb箔結(jié)合界面的強(qiáng)度、膠層與木材之間結(jié)合界面的強(qiáng)度，是影響木材與Pb箔膠合強(qiáng)度的2個(gè)主要因素。

圖4 層狀木材-Pb復(fù)合板材結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

選用的3種膠合劑配比，以異氰酸酯與白乳膠混合液為膠合劑，木材與Pb箔的膠合強(qiáng)度均超出應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)值，其中：異氰酸酯與白乳膠各占50%的配比時(shí)，木材與純Pb的膠合強(qiáng)度最大，達(dá)到1.142 2 MPa。

GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)木材與Pb基復(fù)合箔材的膠合強(qiáng)度有明顯影響，添加GF后，木材與Pb箔的膠合強(qiáng)度得到提高。隨著GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膠合強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，達(dá)到最大值1.436 7 MPa。

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Bonding Strength Test of Wood-GF/Pb Sandwich Plates//

Geng Yaohong, Wang Penghu

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：88-90.

In order to increase the bonding strength of the wood-Pb foil composites, we studied the bonding properties of the wood-Pb and wood-Pb composites reinforced GF, and discussed the optimum ratio of isocyanates to emulsion adhesive and effect of GF content on the bonding strength between wood-GF/Pb sandwich plates. When the volume ratio between isocyanates and emulsion adhesive is 1∶1, the bond strength is highest, reaching 1.142 2 MPa. The bonding strength of the wood-Pb composite is increased with the addition of GF. The bonding strength is increased firstly, and then decreased with the increasing of content of GF. When GF content is 1.5% in weight, the bonding strength is up to a maximum of 1.436 7 MPa.

Wood-based composites； Bonding strength； GF； Isocyanates

耿耀宏，女，1963年9月生，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，博士研究生；現(xiàn)工作于哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)船舶與海洋工程學(xué)院，副教授。E-mail：yaohongg@hit.edu.cn。

2016年5月26日。

S781.65

責(zé)任編輯：張 玉。