興安落葉松膠合木膠黏劑的選擇?

朱建偉 金銀慧 譚 民 閆培英 劉曉娜

按照推進(jìn)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求，國(guó)家決定大力發(fā)展裝配式建筑，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)，這一政策為木結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了難得的機(jī)遇。在木結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)用膠合木的地位至關(guān)重要，它直接關(guān)系到建筑物的安全。因此，大力研究結(jié)構(gòu)用膠合木將極大地促進(jìn)木結(jié)構(gòu)建筑的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。近年來(lái)，我國(guó)部分科研院所和生產(chǎn)企業(yè)對(duì)膠合木進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)在我國(guó)現(xiàn)有的樹種中，落葉松強(qiáng)度高、致密性好、耐腐蝕，是理想的結(jié)構(gòu)材料，制造的結(jié)構(gòu)用膠合木在各項(xiàng)重要指標(biāo)中優(yōu)于其他材種，且落葉松在我國(guó)蓄積量大，又是人工造林的主要樹種，因此，選擇落葉松膠合木作為試驗(yàn)對(duì)象。在木結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)用膠合木需要承載荷載，不但要求強(qiáng)度高，且必須適應(yīng)周圍環(huán)境。影響膠合木強(qiáng)度有很多要素，其中膠黏劑是重要因素之一[1-2]。相關(guān)研究人員[3-5]已對(duì)不同樹種和不同膠黏劑的使用做過研究，表明其膠合性能存在較大差異，但關(guān)于膠黏劑的選擇缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)。目前膠黏劑品種很多，質(zhì)量方面良莠不齊，即使是同一種類膠黏劑，因成分不同，性能也存在較大差異，因此，很難選擇合適的膠黏劑，進(jìn)而導(dǎo)致膠合木的性能不穩(wěn)定。

該試驗(yàn)選擇膠合木生產(chǎn)企業(yè)常用的4種結(jié)構(gòu)膠黏劑，即單組份聚氨酯（PURd）、雙組份間苯二酚（苯酚-間苯二酚-甲醛膠黏劑，簡(jiǎn)稱PRF）以及來(lái)自兩家企業(yè)的雙組份異氰酸酯（MDI-A和MDI-B），依據(jù)GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》[6]從耐久性和力學(xué)性能方面驗(yàn)證不同膠黏劑對(duì)落葉松膠合木膠合強(qiáng)度的影響，為后期膠黏劑的選擇提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 材料與設(shè)備

層板選用興安落葉松（larix gmelinii），含水率為8%～12%。按照膠合木表層材選材，尺寸：1 000 mm（L）×100 mm（W）×25 mm（T）。試驗(yàn)設(shè)備：圓鋸（MJ105A,河南黃河旋風(fēng)股份有限公司）、壓機(jī)（山東臨沂中恒機(jī)械廠）、萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（INSTRON-3582）等。

四種結(jié)構(gòu)膠黏劑的相關(guān)參數(shù)見表1，其中MDI-A與MDI-B是由不同企業(yè)生產(chǎn)的同種類型的膠黏劑。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 落葉松膠合木制備

鋸材經(jīng)鋸解、干燥加工成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的四面光鋸材，尺寸是1 000 mm(L)×100 mm(W)×25 mm(T)。根據(jù)表2膠合木制備工藝參數(shù)進(jìn)行加壓膠合，其中表2膠合工藝參數(shù)均是由企業(yè)提供的膠黏劑使用說明得到。卸壓之后需陳放養(yǎng)生24 h。因木材特征、膠黏劑和膠合工藝是影響膠合性能的主要因素之一[7]，故膠合木制備過程中，為了防止其他因素的干擾，膠合工藝一定要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行，盡可能達(dá)到最大膠合強(qiáng)度。

1.2.2 膠合性能的測(cè)試

膠合性能試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》[6]測(cè)試，包括膠層剪切試驗(yàn)和浸漬剝離試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求加工剪切試樣和剝離試樣。剪切試驗(yàn)包括層板層積方向測(cè)試和層板寬度方向測(cè)試，計(jì)算剪切強(qiáng)度和木破率。浸漬剝離試驗(yàn)包括常溫浸漬剝離、煮沸剝離和減壓加壓剝離測(cè)試，計(jì)算總剝離率和單一膠層最大剝離率。每組測(cè)試取5個(gè)重復(fù)樣，最終結(jié)果取平均值。浸漬剝離試驗(yàn)方法[6]如下：

表1 膠黏劑相關(guān)參數(shù)Tab.1 Adhesive related parameters

表2 膠合木制備工藝參數(shù)Tab.2 Technical parameters of glulam

1）常溫剝離：試件在常溫10～25 ℃水中浸漬24 h，然后放入（70±3）℃的恒溫干燥箱中，干燥至試驗(yàn)前質(zhì)量的100%～110%。在干燥過程中，試樣之間應(yīng)保持至少50 mm的距離，并且木材橫切面的紋理平行于氣流方向。

2）煮沸剝離：試件在沸水中浸漬4 h，然后在室溫0～25 ℃下的水中浸泡1 h，然后放入（70±3）℃的恒溫干燥器中，將試樣干燥至試前質(zhì)量的100%～110%范圍內(nèi)。干燥過程同常溫剝離試驗(yàn)。

3）減壓加壓剝離：試樣在室溫10～25 ℃下的水中浸漬，抽真空到70～85 kPa保持5 min，釋放真空壓力，加壓到500～600 kPa，保壓1 h。上述處理反復(fù)進(jìn)行2次后，把試樣從水中取出，放入（70±3）℃的恒溫干燥器中，在相對(duì)濕度不超過15%，空氣流動(dòng)速度為2～3 m/s的條件下，將試樣干燥至試前質(zhì)量的100%～110%范圍內(nèi)。干燥過程同常溫剝離試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠合面剝離性能

表3 常溫剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Immersion delamination test data

表4 煮沸剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Boil delamination test data

表5 減壓加壓剝離試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Vacuum-pressure delamination test data

圖1 不同剝離試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Different peeling test results

膠層剝離試驗(yàn)結(jié)果如表3～5及圖1所示，通過對(duì)比分析，常溫下膠層剝離率最小，僅2號(hào)MDI-A剝離率數(shù)值較大，總剝離率高達(dá)41.67%，未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。隨著測(cè)試環(huán)境的變化，使用不同膠黏劑的膠層剝離率發(fā)生顯著差異。煮沸條件下，2號(hào)MDI-A和4號(hào)MDI-B膠層總剝離率和單一膠層最大剝離率數(shù)值較大，3號(hào)PRF剝離率最小，總剝離率僅為1%，單一膠層剝離率為2%，表明3號(hào)PRF膠層抵抗外界條件能力更強(qiáng)；減壓加壓條件下，1號(hào)PURd、2號(hào)MDI-A和4號(hào)MDI-B剝離率較大，均大于50%，最大可達(dá)100%。綜上，三種測(cè)試條件下，PRF膠黏劑剝離率最小，膠合性能最好，MDI膠黏劑剝離率最大，膠合性能最差，說明PRF膠黏劑可以與興安落葉松木材之間形成很好的膠合，優(yōu)于其他膠黏劑。原因是由于PRF滲入到木材孔隙中，與木材形成很好的膠合，而MDI膠黏劑未滲入到木材內(nèi)部，僅與木材表面發(fā)生膠合，因此膠合強(qiáng)度低；同時(shí)PRF的加壓時(shí)間較長(zhǎng)，MDI的加壓時(shí)間較短，膠層可能未完全固化進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度低，剝離率增大。由不同企業(yè)生產(chǎn)的MDI膠黏劑膠合性能存在區(qū)別， A企業(yè)生產(chǎn)的MDI膠黏劑在一次常溫剝離時(shí)發(fā)生41.67%的剝離率，在經(jīng)歷煮沸和加壓減壓條件下，完全剝離，與A企業(yè)相比，B企業(yè)生產(chǎn)的MDI膠黏劑表現(xiàn)較好。由此可見，由不同企業(yè)生產(chǎn)的同種膠黏劑因生產(chǎn)配方不同導(dǎo)致膠合強(qiáng)度存在很大差異。

2.2 膠合面剪切性能

表6 不同方向剪切強(qiáng)度Tab.6 The shear strengths in different directions

表7 不同方向膠層木破率Tab.7 The wood failure rates in different directions

試樣剪切強(qiáng)度和木破率結(jié)果如表6～7和圖2所示，根據(jù)結(jié)果分析得出：四種膠黏劑制造的膠合木在層板層積方向的剪切強(qiáng)度及木破率均達(dá)到GB/T 26899—2011規(guī)定的當(dāng)剪切強(qiáng)度大于11.0 MPa, 木破率最小為45%的要求。在膠合木層積方向，剪切強(qiáng)度最小值為12.24 MPa, 木破率在80%～95%之間，其中2號(hào)MDI-A膠合強(qiáng)度最低;在層板寬度方向，剪切強(qiáng)度最小值為3.42 MPa，木破率在60%～80%之間，四種膠黏劑的剪切強(qiáng)度差距不大。對(duì)比不同剪切方向，發(fā)現(xiàn)層積方向剪切強(qiáng)度明顯大于寬度方向，原因是由木材纖維方向各項(xiàng)異性導(dǎo)致。MDI-A和MDI-B是不同企業(yè)生產(chǎn)的同一膠種，但剪切強(qiáng)度不同，主要原因是不同企業(yè)的生產(chǎn)配方不同導(dǎo)致，進(jìn)而影響膠合性能。

3 結(jié)論

浸漬剝離試驗(yàn)中，PRF膠黏劑剝離率最低，MDI膠黏劑剝離率最高；剪切測(cè)試中，PRF膠黏劑剪切強(qiáng)度略高于其他三種膠黏劑，且兩種不同來(lái)源的MDI膠黏劑表現(xiàn)出不同的膠合性能。綜上分析，在耐久性方面，間苯二酚類膠黏劑明顯強(qiáng)于聚氨酯類膠黏劑；在抗剪方面，間苯二酚類膠黏劑略優(yōu)于聚氨酯類膠黏劑。兩種異氰酸酯雖屬同一種膠黏劑，但由于配方不同，膠合性能表現(xiàn)出明顯差異，因此，建議在使用不同企業(yè)的同種膠黏劑時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，以保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定。

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