两种树脂胶合重组竹结构材的性能比较

来源:用户上传      作者:

　　摘要：探讨双组分水性高分子异氰酸酯胶黏剂（API）用于胶合高密度重组竹结构材的可行性，采用力学实验机、DMA和SEM等方法，比较自制API与冷固型苯酚—间苯二酚—甲醛树脂（PRF）分别胶合的重组竹结构材试件的压缩剪切强度、木破率、热力学数据以及胶合界面情况。结果显示：API和PRF胶合的重组竹均有较高的干强度值和木破率值;高温处理可显著提高两种树脂的强度;DMA储能模量显示API与PRF胶合的重组竹热力学性能相似;SEM显示PRF胶合的重组竹韧性较API略强。 API胶合的重组竹剪切强度值超过标准规定值，说明合适的API可用于重组竹结构材的胶合。
　　关键词：API;PRF;重组竹;压缩剪切强度;热力学性能
　　中图分类号：S785文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）02-0045-05
　　Adhesion Performance Comparison of Structural Bamboo Scrimber with Two Kinds of Resin
　　REN Yiping 1， LIU Hongzheng 2， GUO Wenjing 1， DAI Yueping 2
　　（1. Research Institute of Wood Industry， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091; 2. Hangzhou Dasso Technology Co. LTD， Hangzhou 311251）
　　Abstract：In order to evaluate the feasibility of using Aqueous polymer isocyanate （API ）to bonding high density structural bamboo scrimber， compressive shear strength， wood failure ratio， thermal properties and interface morphology of two kinds of structural bamboo scrimber adhesion with API and PRF resins were investigated by mechanical testing machine， dynamic mechanical analysis （DMA） and scanning electronic microscope（SEM） respectively. Results showed that both of dry compressive shear strength and wood failure ratio of bamboo scrimber bonding with API and PRF were high， and they were raised obviously by high temperature treatment. DMA date showed that both of their thermodynamic properties were similar. It can be seen that tenacity of API was weaker than PRF from SEM. The shear strength of bamboo scrimber bonding with API was higher than the value of standard ofStructural glued laminated timber.The results showed that proper API could be used to glue structural bamboo scrimber.
　　Keywords：API; PRF; bamboo scrimber; compressive shear strength; thermodynamic property
　　0引言
　　双组分异氰酸酯树脂（API）系水性高分子聚合物胶粘剂，因不含甲醛成分又被称为环保型粘合剂，因其固化速度快、耐湿热及老化性能好、尺寸稳定性及胶合强度高等优点，正越来越多地应用在家具粘接及木质集成材的生产中 [1-3]。随着我国实木资源减少，而有丰富资源的竹子受到重视，大量具有自主知识产权的竹制产品产生，其中高密度重组竹的研究和生产快速发展，因其原材料利用率高、机械化生产程度高，加之产品性能好、强度高被广泛运用在室内外装饰及建筑梁柱中 [4-10]。这种具有密度高、硬度大的重组竹大量用于结构材，其材料之间的胶合决定了产品的质量，因其表面质密使其胶合较困难，对胶黏剂的选用及胶合工艺提出了较高要求，冷固型苯酚——间苯二酚—甲醛树脂（PRF）[11-13]是以往结构材普遍使用的胶种，这种胶黏剂是以聚甲醛作为固化剂的双组分结构胶，其缺点是会释放游离甲醛从而污染空气，多用于室外，另外长达近20 h的施压时间大大降低了生产效率，因此具有环保、固化快、强度高等特点的API受到重视 [14，16]。為此本课题研制了一款耐高温、耐湿热性能好的API树脂用于胶合重组竹结构材，并与PRF胶合的重组竹结构材进行综合性能对比，旨在为重组竹结构材的胶合及API树脂在这一材料中的应用提供数据支撑。
　　1实验部分
　　1.1实验材料
　　杨木粉：粒径<100目，实验室自制;基材：毛竹重组竹 ，棕褐色，密度1.190 g/cm 3，由杭州大索科技有限公司提供 [17];API树脂，主剂实验室自制 [3]，固体含量50%，固化剂，多官能度异氰酸酯，型号PM-200，万华化学集团股份有限公司;PRF树脂，实验室自制 [11]，固体含量47.5%，固化剂，多聚甲醛，临沂瑞银化工有限公司。 　　1.2实验仪器与设备
　　实验仪器与设备见表1。
　　1.3实验方法
　　1.3.1 API胶合重组竹
　　重组竹基材规格为200 mm×90 mm×10 mm，厚度偏差±0.1 mm，含水率7%～12%。API树脂配比为主剂 ∶固化剂=100 ∶15。胶合面双面涂胶量为300 g/m 2。按质量比称好所需组分的量，搅拌均匀，每一批树脂在两组分混合后应在30 min内完成在重组竹胶合面的涂胶，基材涂胶面两两相对压合，并上压机常温施压，压力为1.2 MPa，施压时间2 h，相同试验条件重复3块。压好后在温度20 ℃、湿度60%的环境下放置10 d，根据测试要求锯制成试件。
　　1.3.2PRF胶合重组竹
　　PRF树脂配比为PRF树脂 ∶聚甲醛粉 ∶木粉=100 ∶10 ∶5。PRF双面涂胶量为500 g/m 2，冷压工艺中除施压时间为20 h外，其他操作与API胶合重组竹相同。
　　1.4材料性能的测试
　　1.4.1压缩剪切强度测试
　　压缩剪切强度（后文中简称为剪切强度或强度），依据标准GB/T17517-1998 [18]测试，用于评价胶合性能的强度测试分3种，分别是：常态强度即干强度;28 h处理强度，即將试件置于沸水中煮4 h，然后在温度为（60±3） ℃的干燥箱中空气对流干燥20 h，再在沸水中煮4 h后测试的剪切强度（后简称为28 h强度）;2h120℃强度，即将试件放置在120±3 ℃的空气对流干燥箱中干燥2 h，然后测试其剪切强度（后简称为2h120℃强度），这一强度是应相关企业要求增加的，目的是考察试件经高温处理后其强度变化情况。在测试压缩剪切强度时观察并记录试件的木破率值。压缩剪切强度测试试件规格为35 mm×25 mm×20 mm。
　　1.4.2动态热机械分析（DMA）
　　利用动态热力学分析考察由两种不同树脂胶合的重组竹在不同温度下的力学性质，测试了试件储能模量（ E ’）随温度变化的数据，采用三点弯曲模式测试，温度范围为30～180℃，试件规格为60 mm×12 mm×3 mm。试件制备时，顺着胶合面方向，在胶线上下各1.5mm处平行于胶接面锯切取样，获得含胶层的试件，同时制备了规格相同不含胶API和PRF胶层的重组竹空白样，测试设备主要参数设定为升温速率：3 ℃/min;频率：1 Hz;振幅：0.03 mm。
　　1.4.3胶合界面分析
　　利用切片机分别截取两种树脂胶合重组竹试件的含胶层的纵切面及端面，对切片表面进行喷金处理。然后利用扫描电子显微镜（SEM）分别对喷金后的试件胶缝结构进行观察、拍照和分析。
　　2结果与讨论
　　2.1两种胶粘剂胶合重组竹的压缩剪切胶合强度比较
　　由表2数据显示：重组竹经API和PRF胶合后干强度值和木破率值都较高，均超过了集成材标准GB/T 26899-2011 [19]中规定的结构用集成材剪切干强度值，两种胶黏剂胶合试件的2h120℃强度值均较对应未经120℃干燥2h试样的干强度值有较大提高，API树脂胶合试件的平均剪切强度值提高16.7%， PRF树脂胶合试件对应强度值提高了21.7%，且经高温处理后的两种胶黏剂胶合的试件木破率均提高至100%。说明虽经过长时间的常温固化过程这两种树脂还没达到100%的交联固化，经过2h120℃高温处理后，树脂交联更充分，内聚力更大，从而使试件强度值和木破率值显著提高，进而说明这两种树脂均有较强的耐热性能。对比表2中28h强度值及木破率值，可以看出经过强湿热处理后，API和PRF胶合重组竹的强度值及木破率值均有下降，与干强度相比，API胶合重组竹的28h强度值和木破率值分别下降60.64%和56.66%，PRF对应值下降52.75%和12.58%，PRF仍有较高的木破率值，说明PRF比API有更好的耐侯性能，API胶合重组竹的3种剪切强度值及木破率值小于等于PRF树脂的对应值，这是由两种树脂的自身结构特点造成的，二者都是化学反应型树脂，但在PRF的结构中存在苯环结构，因而也具有更强的内聚力。对比API胶合试件的干强度值、木破率值与标准规定值。说明本试验所用API树脂胶合的结构用重组竹可以应用于标准规定的使用环境。
　　2.2动态热力学
　　图1是空白样与两种树脂粘合的重组竹材料在30～180℃范围内的储能模量（ E ’）图。
　　从图1中可以看到空白样与两种树脂粘合的重组竹材料的储能模量具有相似的变化趋势，即随着温度的升高材料的储能模量逐渐降低，储能模量是度量材料在形变过程中的储存在内部的能量，在温度较低的情况下，重组竹本身的模量高、脆性大 [20]，空白样和PRF胶合的试件储能模量（ E ’）低于API胶合试件的应对值，随着温度的升高，在30 ℃到70 ℃范围内API胶合试件的 E ’下降较快，而在90 ℃到150 ℃范围内的 E ’缓慢降低，在温度为150 ℃至180 ℃范围内的 E ’ 急速降低; 图1中曲线显示PRF胶合试件与空白样的储能模量变化趋势及范围相似。
　　2.3胶合界面
　　图2和图3分别是API与PRF胶合重组竹试件的扫描电镜（SEM）图片。从图2（a）和图3（a）看到两种树脂胶合重组竹的界面处均有胶接缝隙，这是因为高密度重组竹材料表面质密造成树脂渗透不太好，因API胶黏剂中的异氰酸酯基及PRF中苯环的上的活性点与竹材中的羟基反应发生化学键合作用，因此两种树脂剪切强度较高.从图2（b）可以看到接缝面较光滑，说明胶接缝隙处的开裂是脆性开裂，从图3（b）可以看到接缝面有少量撕开的毛片，说明胶接缝隙处开裂是韧性开裂，这是因为PRF中存在的苯环结构具有更高的能量，因此PRF胶合试件具有比API更高的剪切强度。 　　3结论
　　（1）API和PRF树脂所胶合的重组竹试件具有较高的常态强度值和木破率值，均超过标准规定值。说明所用API树脂可用于重组竹结构材的胶合。120 ℃处理后试件具有更高的强度值和木破率值，说明API和PRF胶黏剂都具有较强的耐高温性能。
　　（2）API与PRF树脂胶合的重组竹试件具有相似的动态热力学性能，API胶合的重组竹试件具有更高的储能模量。
　　（3）API胶合重组竹的强度值低于PRF，是因为其韧性略差于PRF的对应值，这也是API树脂研究需要努力的方向。
　　【参考文献】
　　[1]HA H J， LIU H， ZHAO J J. Investigation of adhesion performance of aqueous polymer latex modified by polymeric methylene diisocyanate[J]. Journal of Adhesion， 2006， 82（1）：93-114.
　　[2]时君友，韦双颖.水性改性淀粉-多异氰酸酯胶粘剂的研究[J].林业科学，2003，39（5）：105-110.
　　SHI J Y， WEI S Y. Study on a water-based adhesive system of corn starch/synthetic rubber latex/isocyanate[J]. Scientia Silvae Sinicae， 2003， 39（5）：105-110.
　　[3]任一萍，王正，王志玲.影响API粘接柞木的强度因子研究[J].木材工业，2007，21（2）：1-3.
　　REN Y P， WANG Z， WANG Z L. Factors influencing bonding strength of API adhesive bonded Mongolian oak[J]. China Wood Industry， 2007， 21（2）：1-3.
　　[4]于文吉，余养伦.我国木、竹重组材发展的现状与前景[J].木材工业，2013，27（1）：5-8.
　　YU W J， YU Y L. Development and prospect of wood and bamboo scrimber industry in china[J]. China Wood Industry， 2013， 27（1）：5-8.
　　[5]龚正，袁少飞，张建等.重组竹材生产设备现状及发展趋势[J].林业机械与木工设备，2018，46（9）：4-9.
　　GONG Z，YUAN S F，ZHANG J， et al. Research status and development trend of reconstituted bamboo lumber production equipment[J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2018，46（9）：4-9.
　　[6]李延军，许斌，张齐生，等.我国竹材加工产业现状与对策分析[J].林业工程学报，2016，1（1）：2-7.
　　LI Y J， XU B， ZHANG Q S， et al. Present situation and the countermeasure analysis of bamboo timber processing industry in China[J]. Journal of Forestry Engineering， 2016， 1（1）：2-7.
　　[7]單炜，李玉顺.竹材在建筑结构中的应用前景分析[J].森林工程，2008，24（2）：62-65.
　　SHAN W， LI Y S. Application prospect of bamboo utilization in building structures[J]. Forest Engineering， 2008， 24（2）：62-65.
　　[8]张亚慧，齐越，黄宇翔，等.我国高性能重组木材料制备技术开发与应用及未来发展[J].木材工业，2018，32（2）：14-17.
　　ZHANG Y H， QI Y， HUANG Y X， et al. Manufacturing technology application and future development of high-performance wood scrimber in China[J]. China Wood Industry， 2018， 32（2）：14-17.
　　[9]侯瑞光，刘元，李贤军，等.高温热处理对重组竹物理力学性能的影响[J].中南林业科技大学学报，2013，33（2）：101-104.
　　HOU Y G， LIU Y， LI X J， et al. Effects of heat treatment on physical-mechanical properties of reconstituted bamboo lumber （RBL） [J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology， 2013， 33（2）：101-104.
　　[10]曾春雷，曹胜利，王春明，等.采用高频加热方式制造不同结构竹木复合板稳定性的测试[J].林业科技，2017，42（1）：47-48.
　　ZENG C L，CAO S L，WANG C M， et al. Testing of stability of bamboo and wood composite panels of different structures by high frequency heating[J].Forestry Science & Technology， 2017，42（1）：47-48. 　　[11]任一萍，王正，常亮.低间苯二酚含量PRF树脂的研制[J].木材加工机械，2012，23（3）：22-25.
　　REN Y P， WANG Z， CHANG L. Research of low-resorcinol-content PRF[J]. Wood Processing Machinery， 2012， 23（3）：22-25.
　　[12]柳婷，吴姝云，吴志平，等.木结构工程材用间苯二酚树脂胶粘剂的研究[J].热固性树脂，2015，30（6）：33-37.
　　LIU T， WU S Y， WU Z P， et al. Study of resorcinol-phenol-formaldehyde resin adhesive for wood structure engineering materials[J]. Thermosetting Resin， 2015， 30（6）：33-37.
　　[13]王春霞，崔立东，刘浩阳，等.间苯二酚改性酚醛树脂胶粘剂的研究[J].木材机械与木工装备，2014，42（1）：31-32.
　　WANG C X， CUI L D， LIU H Y， et al. Study on resorcinol modified Phenolic resin adhesive[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2014， 42（1）：31-32.
　　[14]顾继友.我国木材胶黏剂的开发与研究进展[J].林产工业，2017，44（1）：6-9.
　　GU J Y. The development and research progress of domestic wood adhesives[J]. China Forest Products Industry， 2017， 44（1）：6-9.
　　[15]唐晓红，毛雅君.人造板胶黏剂的研究进展和发展趋势[J].河南教育学院学报（自然科学版），2017，26（1）：30-33.
　　TANG X H， MAO Y J. Research progress and development trend of adhesives for wood-based panels[J]. Journal of Henan Institute of Education （Natural Science Edition）， 2017， 26（1）：30-33.
　　[16]方彦，齐英杰，孙志刚，等.酚醛泡沫防火保温人造板生产线的设备组成与发展[J].林业机械与木工设备，2018，46（4）：4-7.
　　FANG Y， QI Y J， SUN Z G， et al. Composition and development of equipment for fireproof and thermal insulation henolic foam board production lines[J].Forestry Machinery & Woodworking Equipment，2018，46（4）：4-7.
　　[17]任一萍，劉红征，郭文静，等.热处理温度对重组竹性能的影响[J].木材工业，2018，32（6）：1-4.
　　REN Y P， LIU H Z， GUO W J， et al. Effect of thermal treatment temperatures on the properties of bamboo scrimber[J]. China Wood Industry， 2018， 32（6）：1-4.
　　[18]国家质量技术监督局.胶粘剂压缩剪切强度试验方法木材与木材[S].北京：中国标准出版社，1999.
　　CSBTS （State Bureau of Quality Technical Supervision）. Adhesives-wood to wood adhesive bonds - determination of shear strength by compression loading[S]. Beijing： China Standards Press， 1999.
　　[19]国家质量技术监督检验检疫总局及中国国家标准化管理委员会.结构用集成材[S].北京：中国标准出版社，2011.
　　General Administration of Quality， Technical Supervision Inspection and Quarantine. Structural glued laminated timber[S]. Beijing： China Standards Press， 2011.
　　[20]吕建雄，蒋佳荔.木材动态黏弹性基础研究[M].北京：科学出版社，2015.
　　LU J X， JIANG J L. Basic research on dynamic viscoelasticity of wood[M]. Beijing： Science Press， 2015.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14797363.htm