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木材自身因素对粘结强度的影响

信息来源:wood-china.com  时间:2014-07-17  浏览次数:330

    木材粘接技术在木材工业中起着重要的作用,木材粘接制品粘接性能的好坏,在很大程度上受木材自身性能的影响。木材方面影响其粘接性能的因素,既有木材固有的,也有木材在加工过程中所产生的。前者包括木材的密度、树种、抽提物、pH等,后者包括木材的含水率、表面粗糙度等。 1 木材密度 木材的强度通常与其密度成正比,因为单位体积内所含的木材细胞壁物质的数量是决定木材强度的物质基础,木材的强度随着木材密度的增大而增大。理想的粘接系统,粘接破坏应该发生在木质部。许多阔叶材的粘接试验证明,当用脲醛树脂胶粘剂粘接木材时,在木材密度小于0.8 g/cm3的情况下,由于脲醛树脂胶粘剂自身的内聚强度以及脲醛树脂胶粘剂和木材的界面强度大于木材自身强度,粘接破坏往往发生在粘接系统中最薄弱的环节一木材,因此,胶合强度与木材的强度密切相关,一般地讲,胶合强度随木材密度的增加而提高。在木材密度大于0.8 g/cm3的情况下,由于脲醛树脂胶粘剂自身的内聚强度以及脲醛树脂胶粘剂和木材的界面强度小于木材自身强度,粘接破坏不是发生在木材部分,而是发生在胶层或界面,因此,这种情况下,胶合强度与木材密度几乎无关。当用间苯二酚甲醛树脂胶粘剂粘接所有针、阔叶材时,由于间苯二酚甲醛树脂胶粘剂自身内聚力很大,因此用间苯二酚甲醛树脂胶粘剂粘接的木材胶合制品的胶合强度随着被粘接木材密度的增加而提高。虽然密度大的木材胶合制品的胶合强度高,但是由于其含水率变化而产生的应力也大。在胶粘剂确定的情况下,密度高的木材的粘接耐久性往往反而比密度低的木材的粘接耐久性差。例如,用水性高分子异氰酸酯胶粘剂制造的柞木集成材,虽然其压缩剪切强度比较大,但是当使用环境的湿度变化较大时,更容易出现胶层开裂。另外,密度大的木材粘接时,要想达到理想的粘接效果,要求所用胶粘剂的自身内聚力也应该很高,这样才能充分发挥木材自身的强度。对于密度特别大的木材,如乌木、铁木豆等,胶粘剂不易被吸收,以至于胶粘剂干燥速度很慢,粘接强度较低。因此,对于密度特别大的木材,为了使胶粘剂渗透进细胞,要求对其进行双面砂光、双面涂胶,并且在施加压力前要等待足够时间以便胶粘剂渗透。有的时候,需要使用聚氨酯胶粘剂,因为这类胶粘剂的粘接不取决于其渗透,主要为化学粘合。 2.木材纤维方向和剖切面方向 木材是各向异性的材料,在粘接系统内的木材纤维方向可以互相垂直、互相平行或者互相成某种角度。当两块木材为同一纤维方向粘接时,其胶合强度最大,此种产品如集成材和单板层积材(LVL)等;纤维方向互相垂直粘接的常用木材产品,有胶合板、三层实木复合地板等。随着两块被粘接的木材间纤维角度的增加,粘接材的胶合强度逐渐降低。当纤维方向互相垂直粘接时,其胶合强度最低,与木材纤维互相平行粘接时相比,其胶合强度仅为纤维互相平行时的1/4~1/3。粘接面的剖切方向对胶合强度也有影响。Martin等研究木材纤维方向对液体胶粘剂向木材表面渗透的影响表明:在木材端面施加胶粘剂时,由于端切面上木材导管、管胞都是敞开的,胶粘剂会向这些细胞的胞腔中大量渗入,易使端面缺胶,造成木材胶合强度下降。因此,在同样粘接条件下,端面和端面粘接的胶合强度,要比径面和径面、弦面和弦面粘接的胶合强度低。在实际工作中,如果必须采用端切面粘接,为防止其缺胶,必须提高胶粘剂黏度和固含量;采用涂两次胶,或在基材两面涂胶,或增加胶层厚度;使用适度压力并防止胶水挤出。例如采用对接方式使木材纵向接长时,可采用以上措施避免其端部缺胶。在纤维互相平行粘接的条件下,粘接面还有径切面和弦切面之分。在某些情况下,径切面和弦切面粘接制品的胶合强度也存在着差异。当胶粘剂的内聚力以及胶粘剂与木材的界面强度大于木材自身强度时,易发生木材破坏。如果木材自身弦切面和径切面的强度存在差异,则弦切面和弦切面粘接制品与径切面和径切面粘接制品的胶合强度也存在差异。例如,落叶松木材的径向顺纹抗剪强度大于其弦向的顺纹抗剪强度。用水性高分子异氰酸胶粘剂粘接落叶松板材时,落叶松径切板的常态压缩剪切强度高于其弦切板。而落叶松弦切板和弦切板胶合的制品的木破率相对较高,基本上是木材破坏,且木材破坏大多数发生在其早晚材急变的交界处或轮界处(因此,在用API胶粘剂生产落叶松集成材时,应尽可能采用径切板粘接。 3 木材含水率木材含水率对粘接性能的影响很大。当木材含水率高时,涂布在粘接面上的胶粘剂被稀释,其黏度下降,过度向木材组织中浸透,引起缺胶,导致胶合强度降低。木材在高温下长时间干燥,其含水率过低,也会使胶粘剂的润湿作用减弱,降低胶合强度。通常木材含水率为5% ~16% 时的粘接强度较高。另外,木材具有干缩和湿涨的性质,如果木材含水率过低,其制品会受潮而膨胀;含水率过高,又会解吸干缩。一般来说,胶粘剂自身不能抵抗木材膨胀和干燥产生的非常高的应力,这是木制品产生裂缝和变形的一个主要原因。这种情况在家具生产和使用中时有发生。家具的生产地与其使用地的木材平衡含水率常常不一致,这就要求生产家具用木材的含水率尽可能接近使用环境的湿度。例如在广州采购的家具,运到新疆使用易发生干裂,这就要求家具制造商使用的木材含水率应接近购买家具的顾客所在地的木材平衡含水率。考虑到木材干燥吸湿滞后,一般来说木材干燥终含水率和使用地区的木材平衡含水率相差2%左右。 4 木材的收缩膨胀率 由于胶粘剂固化时的自然收缩和胶粘剂与木材性质上的差异,致使粘接接头存在内应力,内应力集中将降低胶合强度。为了减少因热交替变换或高温固化冷却后产生的应力,应尽可能使胶粘剂与木材的热膨胀系数相接近。降低内应力的办法主要有两种:一是添加填料,二是选用弹性良好的胶粘剂。当木材与其他材料粘接时,若材料之间的收缩率差别太大,则应当事先采取措施使木材的尺寸变化减少,或采用弹性优良的胶粘剂进行粘接。如金属—木材粘接时,木材中的羟基组分通过吸湿或解吸引起木材干缩湿胀,是木材尺寸稳定性差的主要原因。通过封闭木材羟基以至羟基间形成化学交联,可改善木材的尺寸稳定性,并能提高改性木材的强度。所以预先用酚醛树脂对木材进行处理,固定其尺寸之后再与金属进行粘接,可减少因二者收缩率的差别造成的应力。又如,利用单板或胶合板与泡沫板复合制成隔墙板时,先将单板或胶合板固定尺寸,然后再与泡沫板复合效果会好一些。 5.表面加工方法木材的粘接平面必须光滑平直,如果不平(弯曲或翘角)则两平面不能紧密接触,将影响粘接的强度和质量。因此木材在粘接操作之前要进行机械加工,这就可能引起木材细胞的机械损伤,并且损伤的程度随着机械加工的类型和加工程度的不同而不同。刨削加工时,表面木材组织受破坏较少,木材细胞的内腔呈开口状态,胶粘剂浸入后易形成有效的胶钉。为减少对木材组织的破坏,刨刀必须保持锋利,否则,木材组织的破损就会比较严重。 A.P.Singh研究发现,用锋利的刨刀刨光的辐射松(P.radiate)木材表面,除了与胶层邻近的管胞有轻微的破坏外,其轴向管胞、射线都有着正常的外形。木材表面间的胶层薄,且有正常的宽度(见图3)。相比之下,用较钝的刨刀刨光的辐射松木材表面,其轴向管胞和射线受到严重的破坏。由于刨刀较钝引起细胞严重压溃,特别是紧挨着胶层的细胞的压溃很可能使细胞腔闭塞,阻止胶粘剂向细胞中的渗透,导致胶层较厚,并且厚度不均匀。 木材表面精细的刨削加工,有助于确保粘接材表面胶层的均一性。 材表面的刨光可以暴露出具有很强极性的细胞壁S2 层,对粘接非常有利。而砂光加工虽然会使木材表面很光滑,但是木材组织的内腔损伤多,同时有些胞 大面很光滑,腔还容易被砂光粉堵塞, 因此,其胶合强度较刨光加工时要低。 6术材表面特性 由于木材是多孔性材料, 当两块木材表面粘接时,实际只有表观面积的一小部分接触,并且这个面积随着木材结构、表面粗糙度和所施加压力等因素的不同而不同。也就是说,粘接时即使施加的压力不是很大,在某一小部分相接触的面积上,粘接材也可能承受相当高的压力,甚至被压溃。 一般来讲,一定粗糙度的表面,其凹凸、细孔和沟槽有利于胶粘剂的渗入,可产生机械结合的作用。但是粗糙度过大,表面的凹孔、沟槽过深时,由于残留的空气或吸附的水分会阻碍胶粘剂渗透而不利于粘接。7木材的表面钝化保持木材表面清洁、防止污染是其良好粘接的基本条件。木材表面除了受到空气污染(如空气中的灰尘粒子污染)外,随着时间的延长,还容易经历一种“自污染”,使木材表面性能发生变化,进而影响木材的粘接性能。木材在切削加工后的几小时内,亲油的、低分子量物质便移至其表面形成低表面能的“弱界面层”木材表面经历的这种变化常被称作“表面钝化”,钝化的速率和程度依木材树种和贮存温度不同而异。木材中的亲油物质主要由树脂、脂肪酸及其酯类、石蜡以及萜烯化合物等组成。酸性和中性胶粘剂不能很容易地透过这层亲油层,但是碱性胶粘剂在某种程度上可皂化脂肪酸,使亲油层消失,从而使胶粘剂很好地渗透到木材中去。R.M.Russbaum发现,欧洲云杉(Picea abies)木材在切削加工3天后,其表面润湿性明显下降。因此他指出,用于涂饰和粘接的欧洲云杉木材避免表面钝化的最长贮存时间为3天,应该在其加工后的2~3天内使用,以免表面自然钝化,影响其胶合强度。在木材胶合制品的生产中,应该强调木材要在刨光或砂光后的24h内完成粘接操作。例如,在集成材生产中,木材刨光或铣削指榫后应尽快粘接加压,从刨光或铣削指榫到粘接加压不得超过24h。为消除木材表面的“自污染” 和周围环境污染对木材表面润湿的影响,在粘接前要对木材表面进行有效预处理。木材表面处理可采用机械和化学方法:用溶剂清洗,清洁木材的粘接表面,使粘接表面尽可能增大;用机械方法(刨光或砂光)除去表面污染物,同时改善表面粗糙度以增加粘接的表面面积。 8 木材的抽提物木材的抽提物对胶粘剂的湿润、渗透和固化过程等有一定影响。一般来说,抽提成分多的木材,难以充分被胶粘剂所湿润,并且胶合强度差。把难胶合的木材,如龙脑香科木材,在100℃的热水中煮沸24h,就会提出占木材重量5%~8%的水溶性树胶成分;而对胶合性能良好的柳安等木材,在相同条件下煮沸,抽提成分只占0.1%一0.2%。也可以在热水或碱水里加入表面活性剂进行蒸煮但这需要很多费用,因此在实际应用中存在一定难度。对于落叶松、马尾松等含树脂类的木材,首先要在高温下干燥,以使树脂从木材渗出,接着用溶剂清洗表面,除去树脂,然后再对其表面进行刨光。木材表面处理完成后立即粘接,防止树脂再溢出。粘接时推荐使用酚类胶粘剂。9 木材的pH值 木材的pH值影响胶粘剂的固化时间。例如杨木,特别是大青杨pH值呈碱性,能延长脲醛树脂胶粘剂的固化时间。因为脲醛树脂是在酸性条件下固化的,而杨木呈碱性会降低胶粘剂的酸性。在调胶时多加些固化剂,把pH值调至4.0~ 5.0,是解决杨木碱性影响脲醛树脂固化时间的最简单的办法。在实际生产中,可根据实际情况采用NH4C1或混合固化剂,如在铵盐中加人某种酸。
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