集成材胶合工艺的研究

    集成材,又称胶合木,是将板材或方材按平行纤维方向组坯,采用胶黏剂在长度、宽度或厚度方向胶合而成的材料,不仅具有天然木材的特性,而且克服了天然木材易翘曲、变形、开裂的缺陷,与木质工字梁、单板层积材同为3种主要的工程成材产品,在欧洲、北美和日本、俄罗斯等国被广泛用于建筑、家具和装修行业。我国生产胶合木的历史也较早,但应用极少。近十几年来,集成材产品日益受到重视,产量亦不断上升。此外,集成材生产可以短材小料和小径木为原料,不仅能缓解市场对优质板方材的供需矛盾,也是提高木材综合利用率与产品附加值的有效途径[1]。本研究参照日本JAS非结构集成材性能要求,以刨切薄木用集成木方相关性能要求为依据,对3种树种木材的集成胶合工艺和性能展开试验。
    1 试验材料和方法
    1.1 试验材料与设备试材　水曲柳(Fraxinusmandshurica)、核桃楸(Juglansmandshurica)和长白鱼鳞云杉(Piceajezoensisvar.komarovii)3种树种的板材。将板材加工成尺寸为192mm×100mm×20mm(长×宽×厚)的板块,含水率12%。胶黏剂　选用双组分水性高分子异氰酸酯,其组分配比为主剂∶交联剂=100∶15～20(质量比)[2,3]。设备　QD-100压机和自制集成木方用夹具,RCT-2TR木材万能力学试验机。
    1.2 试验方法集成材制造工艺流程如下:
    原木锯制→板材→干燥→纵解→(木条)平、压刨→横截→木块分选→调胶→木块涂胶→配坯→冷压胶合→集成材锯边→检验
    1.2.1 胶合试验　水性高分子异氰酸酯系常温固化型胶黏剂,故本试验仅选单位压力A、加压时间B和涂胶量C为变化因子。长白鱼鳞云杉木材的密度相对低于水曲柳和核桃楸,材质较软[4],故其单位压力取值应略低。3种木材的加压时间和涂胶量水平相同,详见表1。按照L9(34)正交表安排试验,每种工艺条件下制造试样4个。
    1.2.2　集成材胶合强度检测　参照日本集成材标准(2001年7月日本农林省水产省告示第991号)进行。(1)浸渍剥离试验　取不同工艺条件下每个树种的试样1块,截取长75mm的试件2个,即每个树种组共18个试件。将试件浸没在室温水中6h,之后放入(40±3)℃恒温干燥箱干燥18h,冷却后观察胶层有无剥离并测量剥离长度。图1　胶层剪切试验试件示意图F ig.1　Samplesizeforshearstrengthtesting(2)胶层剪切强度试验　每个树种取正交试验中各种不同工艺条件下的试样3块,按日本集成材标准的规定制作试件(见图1),每块试样制作试件6个 ,即每种试验条件下的试件共18个。其中9个用于干状胶层剪切强度的检测,9个浸没在(63±3)℃的热水中6h后,取出待冷却后,检测其湿状剪切破坏时的最大载荷,并计算出胶层剪切强度。
    2 试验结果与讨论
    2.1 浸渍剥离试验 3种木材的胶合试件在经过浸泡、干燥处理后未发现剥离现象,表明试件的浸渍剥离试验达到了JAS非结构集成材的合格要求。
    2.2　胶层干状和湿状剪切强度3种
    2.3　3种木材集成胶合试件湿状剪切强度的方差分析表2和表3可以看出:(1)干状剪切强度　在本试验范围内,3种木材胶合试件的干状剪切强度的平均值全部达到了JAS非结构集成材标准中相对应木材的要求。在相同工艺条件下,水曲柳和核桃楸第4、5和6次胶合试验以及长白鱼鳞云杉第7、8和9次胶合试验所得试件的干状剪切强度平均值分别为15.17、10.64和7.53MPa,同样达到了JAS的要求。在相同的工艺条件下,3种木材的干状胶层剪切强度随木材密度的增大而增大。(2)适宜的胶合工艺参数:压力2.0MPa(水曲柳,核桃楸)、1.5MPa(长白鱼鳞云杉);加压时间60min;涂胶量250g/m2。经F检验,单位压力的影响为显著或高度显著,加压时间和涂胶量的影响不显著。木材胶合时,压力的大小需根据胶黏剂的性质、涂胶量以及木材树种、表面特性进行选择。在一定范围内,压力越大,渗入木材中的胶液越多,胶合面积增加,胶合强度越高;压力过大,胶黏剂将过量渗入木材组织中去,造成胶合面缺胶,胶合强度反而下降。在本试验范围内,3种木材胶合强度均随单位压力增大而显著提高。由于水曲柳木材密度和硬度较大,压力对其强度的影响也最显著,长白鱼鳞云杉木材因其密度较小,所以压力的影响程度也相对较小。在本试验中,胶层湿状剪切强度随加压时间的延长而有所提高。涂胶量的3个水平对湿状剪切强度影响不大,只有水曲柳试件的湿状剪切强度随涂胶量的增加而有所提高,这是由于水曲柳木块在加工时厚度变异大于另2种木材,且系环孔材,胶黏剂容易渗透,因而需要较大涂胶量。但从整体而言,3个水平的涂胶量均可满足工艺要求。当涂胶量为300g/m2时,加压过程中尚有部分胶液被挤出。
    2.3　胶合试件 干、湿状剪切强度对比及强度保存率强度保存率/%=湿状剪切强度干状剪切强度×100根据表2所列试件的干、湿剪切强度平均值,按上式计算强度保存率,结果见表4。
    从表4可以看出,3个树种木材胶合试件的湿状剪切强度平均值依次排列为:核桃楸>水曲柳>长白鱼鳞云杉;强度保存率排序为:核桃楸>长白鱼鳞云杉>水曲柳。有关木材湿胀的研究表明:无论吸湿膨胀或吸水膨胀,均随树种而异。一般来说,密度大者膨胀高[4],木材湿胀与干缩一样具有各向异性[5]。本试验3个树种木材中,水曲柳密度最大,且木材胶合时存在径向和弦向随意组合的情况。另外从3个树种木块的加工精度来看,水曲柳的厚度变异范围最大,表明水曲柳的加工精度较差;在3个树种木块集成胶合试验中,水曲柳胶合木块经热水处理后,木块吸水膨胀量最大,变异也最大,导致水曲柳的木材-胶黏剂界面上内应力较大,影响到胶合木块的湿状剪切强度,在本试验中反映为水曲柳胶合木块的湿状剪切强度下降大,且保存率较低。表4的数据还表明,3个树种胶合木块具有较高的干、湿剪切强度。据文献介绍:采用同类胶黏剂的桦木胶合木块的常态剪切强度可高达23.8～24.6MPa,反复煮沸处理后的湿状剪切强度亦保留11.8～12.6MPa,与间苯二酚树脂胶黏剂的胶合性能相当[2]。从另一个侧面反映了该种胶黏剂良好的胶合强度和耐水性能。
    3 结论
    1) 水曲柳、核桃楸和长白鱼鳞云杉3树种采用水性高分子异氰酸酯胶黏剂集成胶合,其试件的浸渍剥离试验符合JAS非结构集成材的合格要求。
    2) 在相同的工艺条件下,水曲柳、核桃楸和长白鱼鳞云杉集成材的干状剪切强度的平均值分别为15.17、10.64和7.53MPa,均达到JAS非结构集成材相应树种胶合的干状剪切强度要求;干状剪切强度与树种的密度成正相关。
    3) 3树种集成材的湿状剪切强度平均值从大到小排序为:核桃楸(7.45MPa)、水曲柳(6.05MPa)、长白鱼鳞云杉(4.59MPa);强度保存率从大到小依次为:核桃楸(66%)、长白鱼鳞云杉(59%)、水曲柳(47%)。
    4)3树种集成材的胶合试验表明:单位压力对水曲柳和长白鱼鳞云杉的湿状剪切强度影响显著,对核桃楸的影响高度显著;加压时间和涂胶量对三种木材的影响均不显著;胶合木块的湿状剪切强度随单位压力增大而增大,随加压时间的延长而有所提高。
    5)本试验条件下,3种木材集成胶合的较佳工艺条件为:单位压力2.0MPa(水曲柳,核桃楸)、1.5MPa(长白鱼鳞云杉);加压时间60min,涂胶量250g/m2。