什么是木材胶合?

作者&投稿:象贪 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
什么是木材胶合性质?~

木材之间或木材与其他材料之间,借助于胶粘剂或专门处理技术使之胶接成为一体的难易和耐久程度。胶合性质,是木材能否得到充分利用的关键因素。木材胶合性质通常以胶合强度表示。
就木材本身来说,影响胶合性质最重要因素有树种、密度、含水率和表面质量等。按胶接的难易,不同树种可分为4类:易胶接树种木材如白杨等;在适当条件下较易胶接树种木材如花旗松等;在精心控制的条件下可胶接树种木材如山毛榉等;难胶接树种木材如柚木等。一般讲,胶接强度随着木材的密度增加而提高,但是当其密度超过0.7~0.8千克/立方米,胶接强度降低。含水率在5~12%之间,胶接质量高。含水率超过此范围越大,胶接强度越低;如木材经过度干燥,使含水率太低,造成木材表面疏水,亦不利于胶接。木材的胶接通过表面附着进行,直接影响胶接的表面质量由物理状态和化学状态决定,如表面是否平整,有无空气中飘浮的杂质,表面暴露于空气中是否已钝化,抽提物(见木材提取物)是否升迁到表面等等。如果抽提物是油性物质,则不利于胶接。抽提物的酸碱度或化学活性物质也会促进或抑制胶接过程。对于胶合而言,胶接面的表面质量好坏常体现在浸润性上,浸润性好,易于胶接,表面质量好,强度也高。反之,浸润性不佳,胶接强度就低。浸润性常用测定水滴在表面的接触角来度量。
上列诸因素的基础是木材的构造和化学组成。木材之所以较有利于胶接,与其多孔性及化学成分有关。木材具有细胞腔、胞间隙和纹孔等孔隙,孔隙度占其体积可高达80%以上。构造上的多孔性,便于液态胶粘剂浸润,进入内层形成“胶钉”,胶接成一体。木材是天然弹性—塑性材料,受力时发生弹性变形和塑性变形,其塑性变形在木材干燥、温度低和压缩状态下可以固定,这有利于加压使胶接面紧密接触。木材的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素。纤维素是D-吡喃式葡萄糖基相互以1,4-β苷键联接而成的多糖,纤维素分子中的每个基环均有3个醇羟基。木质素是苯基丙烷单元主要通过C—C键或醚键结合起来的高聚物。在高温下,木质素可被水软化并部分塑化,木质素分子中有羟基、羰基和甲氧基等官能团。羟基等官能团使木材可浸润,羟基还能与异氰酸酯胶粘剂反应生成化学键。

半纤维素是存在于细胞壁中一群非纤维素不均聚糖的总称。其中的戊聚糖在100℃以上的热水中容易水解,在170~200℃时部分水解并转化成糠醛。糠醛可与木质素缩合,从而改变未溶解木材的特性,也可借此进行不加胶粘剂的木材自身胶接。

研究和解释胶合作用的产生和胶合力形成的学说。木材胶合在一起时,除了木材必须充分润湿和胶粘剂有较高的内聚强度外,还必须有一种特殊的力将被胶接物和胶粘剂结合起来。为了研究这种力以解释关于胶合过程的现象,经过长期探索,提出了以下几种理论或假设:
机械结合理论
在1925年麦克—贝恩(J.W.Mc-Bain)和霍普金斯(D.G.Hopkins)最早提出的胶合理论。即液体胶粘剂渗入并填满被胶接物的微细孔隙,当胶粘剂在孔隙中固化后,胶粘剂与被胶接物便通过表面互相联结而完成胶合过程(图1)。这种理论对解释木材和多数其他多孔材料的胶合是合理的。布朗(F.L.Brown)和特劳克斯(J.R.Traux)认为,胶粘剂浸入到木材组织中的深度和胶合力之间,没有一定的关系。这种胶合理论要求液体胶粘剂有低的粘度和低的表面张力,这样胶粘剂可以顺利浸入并填满孔隙。

图1扩散理论
认为当胶粘剂涂布在被胶接物表面时,若被胶接物是可以被它溶解或溶胀的高分子材料,则相互之间会越过界面而扩散交织起来(图2)。为了明显增加胶接强度,相互扩散形成的界面层必须在10~20埃之间。扩散理论是以粘度、聚合物类型、温度和固化时间都对决定胶接强度起作用这一事实作根据的。被胶接物和胶粘剂聚合物必须有大致相同的溶解参数,同时分子的链必须是相当活动的。如果不满足这些要求,扩散理论就不成立。

图2吸附理论
认为胶合作用是胶粘剂与被胶接物分子在界面层上相互吸附而产生的。这种吸附力是分子之间的相互作用力——次价力所引起。它包括伦敦力及偶极—偶极吸引力如氢键和偶极—诱导偶极吸引力。伦敦力是由于原子的极化作用,而产生的瞬间引力。而偶极—偶极吸引力和偶极—诱导偶极吸引力发生在含永久性偶极的分子与相邻分子之间。这些次价力强度在0.1~40千焦每摩(kJ/mol)之间。吸附理论至少在某种程度上可以说明各种胶合现象。次价力能单独说明多数胶接中产生胶接强度的原因。
化学结合理论
认为胶合作用是由于胶粘剂与被胶接物之间在界面上的化学力——主价力相结合而产生的,通过胶粘剂与被胶接物分子之间产生的化学反应,形成化学键,而得到牢固的化学结合力。如聚氨酯系胶粘剂的异氰酸酯基(—NCO)和木材的羟基(—OH)进行化学结合。化学结合可能形成离子键、共价键或金属键,胶接强度在50~1100千焦每摩之间,化学结合理论与扩散理论有密切关系。
静电理论
由杰里亚金(Б.В.Дерягин)提出,在胶粘剂与被胶接物质的电子占有不同能量的情况下,可能在两个表面之间有电子传递,由于这种电子传递界面的两边带相反电荷,形成双电层,相互吸引而胶合。这种电子吸引作用被认为是一种附加的补偿因素,而不是胶接作用的主因。对多数胶粘剂来说,这种静电吸引力是微小的。
极性理论
当被胶接物与胶粘剂都是极性物质时,胶合很容易进行。对于极性物质必须使用极性胶粘剂胶合;对于非极性物质必须使用非极性胶粘剂胶合。也有例外的情况,有时也发生极性物质和非极性物质胶合的现象。
弱界面层理论
认为从胶合部位被破坏的情况来分析,胶粘剂层与被胶接物表面间形成的弱界面层会影响胶合,必须尽可能消除弱界面层,才能增加胶接强度。
九环理论
这个概念把胶合作用看作类似链的联结环,其中任何一个环的破坏就导致整个链的破坏。最初把胶合作用设想成三环,即胶粘剂层和两边的被胶接木材(图3中1、8、9环),对改进胶合操作和使用的胶接性能提供了重要依据。但它已被证明对深入了解胶合理论只是一个敲门砖,以后研究开始集中在产生基本胶合作用的木材与胶粘剂之间的界面上(图3上的4与5环)。4与5环表示链中新增加的环节,其中任一环可能是造成胶合不良的原因,五环理论给研究胶合现象提供了良好的基础。在以后的实践中尽管提高了试验的精确性,研究者往往发现干扰他们研究结果的变异现象。在良好的胶合条件下胶接强度低而木材破坏率高,于是就怀疑到有些重要因子仍然没有受到约束,最后发现问题是在木材表面下的区域。当木材表面进行切削加工时在这个区域往往造成早期破坏,影响胶接强度的发挥。这个表面下的区域视为链节中另一个关键环(图3将这个新因子表示为6与7环)。在深入研究胶层中胶粘剂组分的作用以后构成了链节中最后的两个环(在图3上表示为2与3环)。例如,当胶粘剂与木材接触时靠表面最近的溶剂被吸入木材,造成在胶膜中溶剂的递减率。同样,胶粘剂的较小分子比较容易移动并能较快地向胶膜表面扩散,因而更便于渗入到木材较细的孔隙中。这些作用对形成长期性能的胶接可能既有好的作用又有坏的作用。即一方面较小的分子渗入细胞壁的微细结构促进增强粘附力,并修补了在木材表面下破坏了的区域;另一方面胶粘剂分子过多向木材渗透,会引起残留的胶膜变成仅是一层填料,不能发挥胶粘剂本身的内聚强度,结果造成1环的破坏。九环理论是长期研究的结果,将来还会发现新的环节是完全可能的。

图3胶合与胶合破坏是一种复杂现象,包含的因素甚多,至今尚无一种完整的理论。对各种胶接系统来说,各种胶合理论的影响不能孤立地分开。每种胶合理论的相对重要性取决于被胶接物和胶粘剂的物理和化学性质。

借助胶粘剂,使两块或两块以上木材或木质人造板材牢固地接合在一起的加工过程。

胶合种类

按被胶合材料的种类和规格,可分为方材胶合、薄板胶合、覆面胶合和封边胶合。

方材胶合

包括方材的宽度胶合(拼宽)、厚度胶合(加厚)和长度胶合(接长)。用小方材胶合而成的板方材,其形状和尺寸稳定。凡对形状与尺寸稳定性要求高的板方材,往往先将原木锯解、加工成小尺寸方材后再按一定的规律与要求胶合而成。为提高木材利用率,应尽量利用制造其他木制品时剩余的小规格材料拼接成大尺寸零部件。用方材或窄板在宽度上胶拼所得到的板材称为拼板。宽度胶合常采用动物胶,也可以采用聚醋酸乙烯酯乳液、冷固化脲醛树脂胶等合成胶粘剂。在大批量生产时,可以采用各种胶拼机械设备。还可以采用高频电加热设备以加速胶液的固化。方材的长度胶合有斜面接合、指形(齿形)接合等形式。

薄板胶合

包括单板与单板、胶合板与胶合板、纤维板与纤维板之间的胶合等。

覆面胶合

其特点是芯层材料(或基材)较厚而表层材料(覆面材料)则较薄,所得覆面板有空心板与实心板两大类。空心板用木框作周边,再在木框中分别加入木条、胶合板条、纤维板条、蜂窝纸等作为填料。木框可以用实木制作,也可以用刨花板条、中密度纤维板条等制作。表层材料通常为薄胶合板、纤维板或薄型刨花板。如果填料较为密集,表层材料也可是两层单板。实心板的芯层材料通常为刨花板、中密度纤维板、厚胶合板或密集的小木条。覆面材料为单板、薄木或其他覆面材料,如合成树脂浸渍纸、装饰纸、塑料薄膜等。厚度在1毫米左右,以装饰作用为主的表层材料又称为“饰面材料”。它可以直接胶合到刨花板等芯材表面,制成实心饰面板,也可以胶合在空心覆面板表面,制成空心饰面板。这种在厚材料(基材)表面胶合一层饰面材料的覆面过程又称为贴面。覆面胶合时,可以采用冷压或热压胶合两种方式。冷压覆面时常采用聚醋酸乙烯酯乳胶、冷固化脲醛树脂胶等胶粘剂。为使胶合面紧密接触,运用冷压机施以适当的压力,一般为0.6兆帕左右,并保持压力至胶液固化,一般需6~12小时。冷压胶合的劳动生产率低,但不消耗热能。热压覆面时通常采用脲醛树脂胶,涂胶量为100~180克/平方米(单面)。热压温度为100~130℃。热压时间决定于热压温度、覆面材料厚度和胶粘剂性质等。采用一般热压机时约为1~5分钟,如采用高频电加热压机,热压时间可更短。用单板贴面,尤其用微薄木贴面时,为了防止胶液渗透到覆面材料表面,常在胶液中加入面粉等填料,以提高胶的粘度。用塑料薄膜贴面时,必须采用EVA乳液等与塑料及木材均有良好粘着力的胶粘剂。

封边胶合

贴面的一种特殊形式。贴面材料所覆盖的是宽覆面板的侧面(仅有几毫米至几十毫米宽),常规的压机不适用,只有采用专门设计的各种型号的封边机。广泛采用的是热熔胶封边机,可一次完成涂胶、封边以及切除已封边板材上多余的封边材料(齐端、齐边)和对封边材料进行表面磨光等多道工序。

胶合质量的影响因素

起主导作用的因素是木材的性质、胶粘剂的种类与性能、木材胶合工艺等。①不同树种的木材,由于内聚力的差异,所制得胶合木的胶合强度有很大差异。一般硬阔叶树材的胶合强度大于软阔叶树材和针叶树材。胶合面的木材纤维方向对胶合强度的影响极大。径切面或弦切面在正常胶合条件下都能获得较好的胶合强度,但端面胶合的强度极低。因此在木材接长时要采用斜面接合或指形接合,以保证必要的胶接合力。胶合时的木材含水率以100%左右较为合适,过高或过低都不利于胶合。胶合面的加工精度也是影响胶合质量的因素之一。但在适当的粗糙度范围内,只要胶合工艺合适,就可以获得符合工艺要求的强度。②胶粘剂的种类及其粘度、固体含量、活性期、硬化剂的加入量、pH值大小等都对胶合质量有很大影响。③胶合时所要控制的工艺条件主要有涂胶量、温度、压力和胶压时间。这些工艺参数的确定又与胶粘剂种类和压机种类(热压或冷压、单层压机或多层压机等),木材的表面性质、厚度,以及操作场所的空气温湿度条件等密切相关。为加速胶粘剂的固化,可以采用高频电加热、低压电加热等多种形式。

胶合质量检验

衡量胶合质量的主要参数是胶合强度及板材平整度。常检验的胶合强度是剪切胶合强度。在日常生活中,覆面板很容易受到剥离载荷的作用,这时将产生不均匀的应力分布(应力主要集中于正在被扯开的胶层处,所以剥离又称为不均匀扯离),胶接合比较容易破坏,因此还有必要检验覆面板的剥离胶合强度。



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