冀北山區(qū)四種木材膠合性能研究

楊志慧， 張榮會， 孟素戎， 王慧珊， 吳樹偉

(1.河北隆化國有林場管理處徐八屋林場，河北 隆化 068150；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000)

膠合是木材制品生產(chǎn)過程中的重要的環(huán)節(jié)，而影響這個環(huán)節(jié)的重要因素有很多，包括基材特征、加工工藝、膠黏劑性能等因素[1]。木材經(jīng)過預(yù)處理后，增加了木材尺寸穩(wěn)定性和膠合性能，減少了吸濕性，降低了強(qiáng)度和韌性等。抽提物會污染膠合面，降低木材表面的潤濕性；抽提物阻礙膠黏劑固化和膠合耐久性。抽提物作為木材的重要組成成分，對木材很多方面有著重大的影響，如木材的顏色、氣味、物理化學(xué)性質(zhì)、滲透性能等[2]。隨著密度提高，膠合強(qiáng)度和木破率降低，密度越高的木材，膠合越困難。

河北北部山區(qū)白樺、黑樺、山楊、油松等樹種資源豐富，有待開發(fā)利用。不同的膠粘劑對木材的膠合性能也有很大的影響，前人在預(yù)處理對膠合性能影響的各種研究上提供了許多參考，但在冀北山區(qū)四種不同木材上未進(jìn)行過此方面研究。預(yù)處理與抽提處理后，都會對木材的膠合性能有影響?；诖?，本文采取不同方式處理四種冀北地區(qū)木材，并使用不同類型膠黏劑進(jìn)行膠合，探究其膠合性能，以期為四種木材木制品的生產(chǎn)加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 木材

本研究試驗材料白樺、黑樺、山楊、油松均取自河北承德隆化縣茅荊壩林場，將木材加工為尺寸30 mm×25 mm×20 mm的試件，白樺、黑樺、山楊、油松各180個，其中每種木材各取出60個試件進(jìn)行熱空氣處理、堿抽提處理，其余60個試件作為未處理材對照，進(jìn)行膠合試驗。木材的基本參數(shù)見表1。

表1 木材基本參數(shù)

1.1.2 膠黏劑

(1)聚氨酯膠黏劑(雙組份)

此膠黏劑分為了甲、乙兩個組份，無色或淡黃色半透明粘稠液為甲組，乙組為無色或淡黃色透明液，不揮發(fā)物含量分別為28%～32%、48%～52%，膠黏劑粘度為40～90 cps，膠合前，甲組和乙組按2∶1的質(zhì)量比調(diào)制，該膠黏劑在130 ℃下則可完全固化。

(2)聚醋酸乙烯酯膠黏劑(以下統(tǒng)稱白膠)

白色乳狀液體，固體含量為30%，粘度為5 000 cps，pH值為4.5，外購，常溫即可固化。

(3)脲醛樹脂膠黏劑(以下統(tǒng)稱脲膠)

普通散裝的白色粉狀固體，外購。膠粉、添加劑、改性劑、水及固化劑，按質(zhì)量比125∶25∶25∶70∶10進(jìn)行調(diào)制。膠液主要性能參數(shù)：固體含量60.6%，活性期2～2.5 h(25 ℃)，固化速度84 s(85 ℃)，pH值為5.15，固化溫度為115 ℃。

本次試驗選用三種不同的膠黏劑，其性能參數(shù)見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 預(yù)處理方法

(1)堿抽提

將試樣放入裝有600 ml 1%的NaOH液的燒杯之中，并置于沸水浴中，充分抽提3 h，取試樣用蒸餾水沖洗干凈，烘干，調(diào)節(jié)平衡含水率達(dá)10%～12%。

(2)熱空氣處理

將含水率為10%左右的試件，置于電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥至含水率為5%以下。將溫度升至目標(biāo)溫度180 ℃，保溫處理3 h。

1.2.2 膠合剪切強(qiáng)度測定

剪切試驗是在木材萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。為了比較三種膠黏劑的膠合性能的區(qū)別，檢測了膠合試件的常態(tài)處理后的剪切強(qiáng)度和木破率。圖1是檢測剪切強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試件，圖2為膠合破壞后的試件。檢測剪切強(qiáng)度時，設(shè)定荷載速度為1 mm/min，剪切強(qiáng)度的公式為：

圖1 膠合剪切試件

圖2 膠合破壞面

P=F/S

(1)

式中：P為剪切強(qiáng)度/MPa；F為最大破壞荷載/N；S為剪切面積/mm2。

1.2.3 膠合工藝

(1)膠合試件規(guī)格：30 mm×25 mm×20 mm(長×寬×厚)，每2個為一對膠合在一起，長度上錯開5 mm(如圖1)。試件膠合后，在室溫(22 ℃)下放24 h，使膠黏劑固化。

(2)聚醋酸乙烯酯單面涂膠，涂膠量為240 g/m2，開放陳化2 min，閉合陳放5 min，試件在壓機(jī)上常溫保壓60 min，壓機(jī)壓力為1.0 MPa。

(3)脲醛樹脂單面涂膠，涂膠量為240 g/m2，開放陳化2 min，閉合陳放5 min，試件在壓機(jī)上115 ℃保壓25 min，壓機(jī)壓力為1.0 MPa。

(4)聚氨酯膠黏劑雙面涂膠，涂膠量為240 g/m2，涂膠后露置10～15 min后以不沾手為宜，試件在壓機(jī)上130 ℃保壓60 min，壓機(jī)壓力為0.5 MPa[3]。

1.2.4 木破率測定

觀察木材破壞的面積占膠合面的面積的百分率。

2 結(jié)果與分析

四種木材不同處理方式不同木破率的測試結(jié)果見表2，四種木材不同處理方式不同膠黏劑剪切強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖3。

表2 四種木材不同處理方式不同木破率的測試結(jié)果

2.1 樹種對膠合性能的影響

由表2和圖3可知，相同條件下，黑樺的膠合性能最好，山楊的膠合性能最差。黑樺未處理材經(jīng)過聚氨酯膠和脲膠處理后其剪切強(qiáng)度比山楊的分別高129.0%、34.2%；黑樺熱空氣處理材經(jīng)過聚氨酯膠和脲膠處理后其剪切強(qiáng)度比山楊的分別高104.3%、22.8%；黑樺堿抽提處理材經(jīng)過聚氨酯膠和脲膠處理后其剪切強(qiáng)度比山楊的分別高68.7%、81.5%。

圖3 四種木材不同處理方式不同膠黏劑剪切強(qiáng)度(MPa)的測試結(jié)果

原因分析：木材固有的和在加工過程中產(chǎn)生的一些因素會影響其膠合粘接性能。前者包括木材的密度、樹種、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，黑樺的密度最大，山楊的密度最小，四種木材處理前后密度變化不大。木材的剪切強(qiáng)度首先取決于不同樹種木材本身的固有強(qiáng)度，因此在相同處理方式相同膠粘劑的條件下，黑樺的剪切強(qiáng)度明顯高于山楊的剪切強(qiáng)度，兩種樺木的剪切強(qiáng)度相差不大。

2.2 處理方式對膠合性能的影響

由表2和圖3可知，四種木材在相同的樹種相同膠粘劑條件下，白樺經(jīng)白膠膠合與脲膠膠合的試件堿抽提處理材剪切強(qiáng)度最優(yōu)，分別為8.54 MPa、9.94 MPa；經(jīng)聚氨酯膠膠合的試件未處理材剪切強(qiáng)度最高為10.67 MPa；整體來看堿抽提處理后白樺的剪切強(qiáng)度較好，熱空氣處理材的剪切強(qiáng)度較差。黑樺經(jīng)白膠膠合與脲膠膠合的試件堿抽提處理材剪切強(qiáng)度最優(yōu)分別為9.19 MPa、11.94 MPa；經(jīng)聚氨酯膠膠合的試件未處理材剪切強(qiáng)度最高為13.33 MPa；整體來看堿抽提處理后黑樺的剪切強(qiáng)度較好，熱空氣處理材的剪切強(qiáng)度較差。山楊經(jīng)脲膠膠合的試件堿抽提處理材剪切強(qiáng)度最優(yōu)為7.63 MPa；經(jīng)聚氨酯膠膠合的試件未處理材剪切強(qiáng)度最高為5.82 MPa；整體來看不同處理方式下，山楊的剪切強(qiáng)度相差不多，堿抽提處理后的剪切強(qiáng)度較好，未處理材的剪切強(qiáng)度較差。油松經(jīng)聚氨酯膠和脲膠膠合的試件熱空氣處理材剪切強(qiáng)度最優(yōu)分別為7.29 MPa、8.66 MPa；經(jīng)白膠膠合的試件未處理材剪切強(qiáng)度最高為10.13 MPa；整體來看未處理材和堿抽提處理材后油松的剪切強(qiáng)度較好，熱處理材剪切強(qiáng)度較差。

原因分析：從整體來看，在其他條件相同的情況下，熱空氣處理材的剪切強(qiáng)度較差，堿抽提處理的試件剪切強(qiáng)度較好。因為經(jīng)熱空氣處理后的木材表面凹凸、粗糙程度改變，會出現(xiàn)影響膠合強(qiáng)度的結(jié)果。一定粗糙度的表面，其凹凸、細(xì)孔和溝槽有利于膠粘劑的滲入，會有機(jī)械結(jié)合的效果。但是粗糙度過大，表面的凹孔、溝槽過深時，由于殘留的氣體或吸附的水分會阻礙膠粘劑滲透而不利于粘接[5]。抽提物含量增大雖然可以增強(qiáng)木材本身的強(qiáng)度，但是會有礙木材膠合。憎水性抽提物會降低木材表面潤濕性，影響膠液的正常流動及其在木材表面的鋪展，阻礙界面膠層的固化[6]。抽提物對木材PH值有影響，有增加木材表面酸性的趨勢，促進(jìn)木材表面降解，降低其表面強(qiáng)度。因此，試材抽提物含量的減少可對其膠合性能產(chǎn)生正面影響，使其剪切強(qiáng)度增加。

2.3 膠的種類對膠合性能的影響

由表2和圖3可知，四種木材在相同的樹種相同工藝條件下，白樺對于未處理材和熱空氣處理材而言，聚氨酯膠膠合剪切強(qiáng)度最高，分別為10.67 MPa、10.09 MPa；對于堿抽提處理材而言，脲膠膠合剪切強(qiáng)度最高為9.94 MPa。黑樺對于未處理材和熱空氣處理材而言，聚氨酯膠膠合剪切強(qiáng)度最高分別為13.33 MPa、11.85 MPa，對于堿抽提處理材而言，脲膠膠合剪切強(qiáng)度最高為11.94 MPa。山楊剪切強(qiáng)度方面，未處理材、堿抽提處理材、熱空氣處理材經(jīng)脲膠膠合后的剪切強(qiáng)度大于聚氨酯膠合的剪切強(qiáng)度，分別高出7.4%、26.3%、31.6%。油松對于未處理材而言，白膠膠合剪切強(qiáng)度最高為10.13 MPa，對于熱空氣處理材和堿抽提處理材而言，聚氨酯膠膠合剪切強(qiáng)度最高分別為7.29 MPa、8.66 MPa。木破率方面，經(jīng)三種膠膠接檢測木破率相差不大，聚氨酯膠木破率稍高；三種材經(jīng)聚氨酯膠膠合后的木破率最高，分別為93%、97%、97%。

原因分析：木材經(jīng)處理后剪切強(qiáng)度都有不同程度改變，膠黏劑種類的不同直接影響木材膠合剪切強(qiáng)度[1]。木材膠合剪切強(qiáng)度與所用的處理方式和膠黏劑種類有關(guān)系，白膠剪切強(qiáng)度均是偏低，木破率明顯降低，破壞也大都在膠層破壞，說明白膠的耐久性不如脲膠和聚氨酯膠。其他條件相同的情況下，聚氨酯膠合的木材剪切強(qiáng)度較好，白膠膠合的木材剪切強(qiáng)度較差；白樺和山楊在三種膠粘劑膠合作用下的剪切強(qiáng)度相差不大，但黑樺和油松在三種膠粘劑膠合作用下的剪切強(qiáng)度相差較大。

3 結(jié)論

(1)白樺和黑樺的未處理材聚氨酯膠合后膠合性能最好，山楊熱空氣處理材脲膠膠合后膠合性能最好，油松未處理材白膠膠合后膠合性能最好。

(2)木材的剪切強(qiáng)度受木材本身強(qiáng)度的影響，四種木材在其他條件相同情況下，黑樺的膠合性能最好，山楊的膠合性能最差；

(3)木材膠合剪切強(qiáng)度和處理方式有關(guān)系，四種木材在其他條件相同情況下，熱空氣處理材的膠合性能較差，堿抽提的膠合性能較好。

(4)木材膠合剪切強(qiáng)度和膠黏劑種類有關(guān)系，四種木材在其他條件相同情況下，聚氨酯膠合的木材膠合強(qiáng)度較好，白膠的膠合性能較差。