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胶接木材1_林学_农林牧渔_专业资料

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第一篇粘接基础1粘接基础随着世界木材资源的日益匮乏,合理有效地利用木材和竹材资源显得越来越重要,粘接木材和竹 材是增加其使用范围提高其价值的重要方法。为此研究木材和竹材的粘接性能和粘接技术,对于开发 木质和竹质粘接材料貝-有重要的理论价值和现实意义。两种相同或不同的材料A、B用介于两者Z间的第三种材料C來结合成一体的现象和操作称为粘 接。材料A、B称为被粘接材,材料C就称为胶黏剂。1.1胶合强度的产生国内外学者把木材粘接时胶合强度的形成过程分为以下5个步骤:流动、传递、渗透、润湿和固 化。(1) 流动流动指的是液体胶黏剂在基材外部表血的铺展,胶黏剂只有流动才能填满被粘接面的空隙,胶黏 剂的流动性与涂胶时间、操作温度、胶黏剂的组分以及树脂分了量等因素冇关。(2) 传递传递是指木材组件涂胶装配时导致的液体胶黏剂向和邻层木材表血的转移。(3) 渗透渗透指的是由于在圧力的作用下,胶黏剂依靠毛细管作用而渗入木材细胞腔小的现象。木材属于胶层进入导管中胶黏剂图1-1白桦弦切面粘接时水性高分子异鼠酸酯(API)胶黏剂的渗透情况(端面切片)多孔性材料,增加胶层和被粘接材间的接 触面积冇助于捉高胶合强度,而增加粘接 血积可山提高胶黏剂的渗透程度來完成。胶黏剂固化过程中施加的压力冇利于胶黏 剂对木材充分浸润,特别是对粘度较大的 胶黏剂,固化过程中应该施加较大的压力, 这样有利于胶黏剂分子对木材的渗透和浸 润。当胶黏剂渗入木材表面的凹陷处时, 会象钉或锚那样产生投锚效果(投锚力), 形成“机械的粘接”。水性高分了异貳酸酯 木射线中的胶图1-2柞木弦切面粘接时水性高分子异軌酸酯(API)胶黏剂的渗透情况(端面切片)胶黏剂(API)粘接白桦弦切而和柞木弦 切面时形成的“胶钉”情况分别见图1?1 和 1-2?机械粘接是由于胶液渗入木材表而 敞开的管孔中形成的,胶液渗透到木材小 的程度与胶合强度有关。粘接时,胶液应 能浸润木材细胞的孔壁并排除微孔内的空 气。胶黏剂渗入木材细胞小的孔隙,固化 后形成“镶嵌”、“啮合”,才可获得较高的 胶合强度,胶液能够渗入木材细胞的孔隙 内是木材机械粘接的关键Z —。锯、创、砂等机械加工影响木材表面形态。Liptakova E在研究砂懒对 木材表面化学组分变化和表面白由能变化的影响时发现,砂磨处理后的木材表面木材纤维与组织被撕 裂,木材表血'受到机械损伤,砂磨的粉末易堵塞木材屮的孔隙,影响木材机械的粘接。Chung-Yun Hse 认为粘接前对木材表面进行创光加工比砂光加T对粘接强度的提高英至更有效。对木材表面轻微的创 光不但nJ移走表面污染物,同时也可以暴霧出具冇很强极性的细胞壁次生壁S2层,这对粘接是非常冇 利的。(4) 润湿润湿町以使胶黏剂与被粘面充分接触,这样才能产生更大的粘接作用力。润湿不仅仅发生在木材 外部表面,它同时对液体胶黏剂沿细胞壁的运动也有帮助。胶黏剂在固化过程中施加的压力有利于胶 黏剂对被粘物的充分浸润,特别对粘度较大的胶黏剂固化过程中应该施加较大的压力,冇利于胶黏剂 分子与被粘物表面紧密接触。胶黏剂在流动浸润的同时,产生“扩散”和“吸附”作用。(5) 固化最后发住的过程即为固化。在固化过程中形成各种吸附作用,以此产生最主要的粘接作用。在固 化过程屮的最大问题是易产生内应力。胶黏剂在溶剂蒸发、聚合、缩合等过程屮,体积收缩产生收缩 应力,同时胶层与被粘物二者之间因膨胀系数不同,受热或冷却会产生热应力。体系屮的内应力可随 着胶黏剂分了的蠕动而减小。在胶层分子蠕动不足的情况下,体系内始终存在内应力。由于内应力的 存在容易引起粘接面剥离,并使胶合强度显著降低。为使这种残留应力趋于缓和,可釆収在胶黏剂屮 适当加入增塑剂和填料等方法。总之,胶合强度的形成是一个复杂的过程,简单地说,胶合强度的形成主要是由胶黏剂在被粘材 料表血上的浸润和粘附而连接起來的。所谓粘附是山胶黏剂和被粘材料在界血上的机械嵌接力,分子 之间的作川力和个别化学键力所形成的。因此,如果从分子的角度来考虑木材粘接时胶合强度的形成 过程,一般可简单地分为以下两个阶段:第一阶段:液态胶黏剂分子借助布朗运动向木材表面扩散并逐渐靠近木材表面,对木材表面浸润。压力作用或胶黏剂本身由丁?加热使粘度降低都有利于胶黏剂分子及其链节与木材表面的接触。尤 其在木材粘接制品的热压过程中由于热压压力和热压温度的同时作用使这种效果更加明显。第二阶段:当胶黏剂分了非常接近木材细胞分了时产生吸附作用。当胶黏剂分子与木材表面的分子间的距离接近至1 nm左右时,由分子I'可作用力引起二次结合便开 始起作用,并随着胶黏剂分子与被粘物表血分子间距离的进一步减小而增至最人,当木材和胶黏剂间 存在化学结合(一次结合)时又产生所谓的“比粘接”。① 范德华力 Van der Waals bonds提供键能2?42 kj/mol,与真正化学反应能相比很低,但对于获得好的粘合已经足够。木材是一个极性表而,所以应该使用极性胶黏剂与其粘接,如使用服醛树脂胶黏剂,界氤酸酯胶 黏剂,环氧树脂类胶黏剂,乙烯类胶黏剂等。② 氮键力 Hydrogen links木材纤维素屮分子含有拜基-OH,当胶黏剂中也包含拜基组分(如苯酚类,腺醛树脂UF),粘接时形 成氢键力(图l-3)o氢键力将形成在纤维素与腺醛树脂、酚醛树脂分了Z间。木材纤维索分 子图1-3木材纤维素分子含有疑基-0H与酚醛树脂中的-0H形成的氢键结合③ 化学键 True chemical links在木材组分和胶黏剂之间发生化学反应将得到很强的粘接。如界鼠酸酯胶黏剂(图1-4)。木材中 含有约50%?55%的纤维素,15%?25%的半纤维素及20%?30%的木质素。无论是纤维素、半纤维素还 是木质素含有大量的梵基,可以与异氟酸酯反应。 杲氛酸酯胶轴剂OHO ? H O-C-NNCO纤维素分子这个?NCO可能还与 其他的基团发牛?交联(-OH, -COOH.?N -?-)图1-4异鼠酸酯胶黏剂中异氤酸酯基与纤维素分子的轻基反应形成的化学键结合由于化学键对胶合强度有相当大的影响,所以,早就为人们所重视。Donaldson和Lomax研究了 胶黏剂的分布以及胶黏剂和纤维之间的相互作用;Zaporoshskaya等利用IR分析测试技术研究胶黏剂 和基材间反应所生成的衍生物:Ball G.W.等研究证实了纤维素与4,4’ 一二苯基甲烷二界鼠酸酯(MDI) 胶黏剂之间发生化学反应生成氨基甲酸酯键;Paul R.Steiner等也研究了 MDI与木材间的反应,证明了 MDI可与木素、纤维素发牛?反应。胶黏剂与被粘物分子之间产;Х从Χ竦酶咔慷鹊墓布奂岷, 有利于捉高胶合强度,防止裂缝扩展,也能有效地抵抗应力集屮和气候坏境老化等因索的影响。用界亂酸酯类胶黏剂粘接木材时,胶黏剂 中的异貳酸酯基就可与木材上的拜基发生反 应,形成化学键结合,图卜5是水性高分了异 亂酸酯(APT)胶黏剂、A
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