在很长的发展历程中,粘接技术在打造一系列旨在消除木材结构缺陷的材料(例如聚结材料和结构材等),以及在使用胶接接头(例如木工、家具部件等)替代机械接头等应用领域都发挥了重要的作用。
通常,胶接接头能够为特定的材料提供更好的机械性能,例如获得比实际粘接材料的强度极限更高的胶接强度,使最终创建的复合材料的重量减轻,提高胶接接头抵抗生物剂和非生物剂产生的影响的能力,简化异种材料的粘接工艺,并且可能降低生产成本。
然而,胶接接头也具有一些受限的属性。例如,这类接头不能被拆卸,从而很难对其强度和使用寿命进行检测,或对其进行修补。
另一个要求是必需根据粘接材料的处理工艺和流程精心制备其接触面。此外,当受到湿气、高温或一些化学物质的影响时,某些粘合剂的使用期限也或多或少会受到限制。
甲醛粘合剂的应用
使用甲醛粘合剂的初衷是希望该粘合剂能够具备更好的抗水性,但同时也会伴随产生不理想的后果:这类粘合剂会向周边环境释放出恼人的甲醛。
出于这个原因,通常会使用其它耐湿性得到改善的粘合剂产品来代替甲醛基粘合剂。这类替代型粘合剂最常见的是聚乙酸乙烯酯(PVAc)粘合剂和聚氨酯(PUR )粘合剂,并且可以在许多木基产品中找到这类粘接接头。
这样做的目的是为了寻找新的解决方案,从而将这类无甲醛粘合剂与窗制品、门制品、板材和其它工件接头进行粘合。在相关的条件下,每款产品需要根据接头不同的强度和抗性要求,分别对其进行测试。
粘接接头的属性和质量要求必须单独定义,为了实现这些目标,必须在生产过程中定义特定的要求。这一点也适用于各种粘合剂的生产过程(其化学组分和生产流程),以及适用于生产接头的技术工艺领域(热压过程中的工作压力和温度的大小,或者粘接接头在热压时的开放时间等。)
在长时间内,水分和潮湿的空气会对粘合剂直接产生作用和影响力,并且可能降低接头的粘接强度,而这可能导致接头的完全瓦解。造成这种现象可能有几个原因,并且存在几种假设情况。
最简单的解释是由一个根据粘合作用的机械理论所提供的依据:粘合剂在液体状态时会进入接合材料(所谓的粘附物)的细孔和不均匀的区域,在粘合剂硬化后,它会创建大量的微型套接接头。
根据这一理论,我们可以假定由于木材的高水分含量(游离水和结合水的比例更高)而引发的木材微观和亚显微成份的充填。在这种情况下,粘合剂无法获得更多的空间来创建所谓的“微型套接接头”,鉴于此,粘接接头的抗性也会下降。
然而随着时间的推移,有一个易而易见的事实便是机械理论无法完美地解释诸多问题:例如,非多孔材料的粘接,或是更好地粘接纵向截面而非横向截面的木材等一系列问题,尽管粘合剂能够更好地渗透和深入木材内部。
影响粘接的因素
因此,粘合也必须依赖于其他因素,而不仅仅只是粘合剂对附着物的渗透力。这些因素应当致力于深入探索粘合剂和附着物之间的物理化学相互作用。
所有上述的理论均认同一个观点:为了实现高品质的粘接接头,基材和粘合剂分子必须尽可能互相靠近,从而在它们之间能够形成足够的粘附力。出于这个原因,在粘接的瞬间,必须确保粘合剂处于液体,或至少塑性状态。
另一个条件是,该粘合剂必须润湿固体基材的表面。因此,粘合剂的表面张力必须低于基材的表面张力。为了定位胶接接头的分子,涂覆在接头上的粘合剂还必须保持一段时间的液体状态。
范德华力(Van der Waals force)或极化力也可以同时起作用,而布朗运动(Brownian motion)可能引发分子扩散。此外,基材也可能间歇性的发生化学反应。鉴于此,可以通过对基材表面进行涂装、研磨或刨削等手段来改善粘合力。
其它提高粘合力的方法是增加压力、温度和热压时间,因为它们产生的作用会通过粘合剂的分子定向得到增强。然而,当被粘接的木材中的游离水分和结合水分的含量较高时,便会使粘接基材的分子与粘合剂之间无法充分地接近,这是因为亚微区域和微观区域存在水分子的原因所导致,从而最终降低粘合接头的坚固性。
针对木材的含水量对接头强度所产生的影响,已经开展了一些研究。研究得到的部分结论是:当木材中的相对湿度略有增加时,它会对使用了聚氨酯粘合剂的胶接接头的硬化速度产生相对较小的影响。
此外得到确定的结论是硬化时间的差异,以及在不同的水分影响作用下,胶接接头的质量也同样受到了不同的春材和夏材的年轮的影响。
粘合剂的硬化
在相对湿度条件下,一项针对使用聚氨酯粘合剂粘接的接头寿命的调查发现,在粘合剂的硬化阶段,粘合剂的异氰酸酯基(NCO)与主要包含在吸湿水中的羟基(OH)发生反应。
羟基反应物的选择取决于动能潜力,特别是引力的大小。异氰酸酯基(NCO)会即刻与游离水分子发生反应。如果没有发生这种情况,那么NCO会立即加入木质基材的羟基中。如果同时加入了热能,粘合剂的硬化反应还将持续得到提升。
水分的作用是影响胶接接头质量的一个关键指标。该领域的核心目标是找到水分含量变化与粘结强度水平之间所存在的依赖关系,以及研究出使用了PVAc和PUR粘合剂粘接的接头在周边环境中所受到的水分影响,继而对粘接接头的抗性产生了哪些作用。
此外,还需确定所用的粘合剂基于该标准的规定,是否能够满足适用条件。因此,根据相关的标准,分别对制备的试验样品进行了测量,并且得到了具体的评估结果。试验样品是使用具有标称密度的直纹的榉木制成的。木材年轮与粘接表面之间形成30至90度的角(径向或半径向表面)。
用于生产试样的木材被分为三组,分别在特定的条件下对其进行空气调节,目的是使每一组木材的含水量分别被稳定在约8%,12%和20%的水平。为了将木材气调至适当的湿度水平,空气调节室的温度和相对湿度分别保持在0-40℃以及5-100%的水平,而试样表面的气流速度被调整为0.15米/秒。
一旦这三组木材试样的含水值都达到相应水平,试验样品便被制造出来。用于粘接的表面需采用平铣手段进行处理,该工艺在粘接开始前的24小时内完成。用于粘接试样的两款粘合剂分别为聚醋酸乙烯酯分散体粘合剂和聚氨酯粘合剂。
粘接条件(沉积,开放时间,热压压力)必须与粘合剂制造商所指定的数据保持一致。粘接工艺是在约18℃的温度条件下完成的,试样的湿度采用权重法进行测定。
分别使用了含水量为8%,12%和20%的木材打造出批次数量为120件的试样。每组试样都使用了上述两种粘合剂进行粘接。
由于所使用的粘合剂被划分为D4抗性等级(室内频繁和长期遭受水分影响或户外暴露在大气环境中),根据相应的标准,分别对每款粘合剂开展了三组测试,并以序列号1,3和5进行标记。
第一组测试是在粘合的七天后进行的(测试序列号为1)。对于每一组测试,用于样品在20℃以及约65%的相对空气湿度条件下进行室温处理的环境参数必须确保不改变木材的湿度。
第二组测试是在七天后,当样品被浸泡在约20℃的水中四天后开始的(测试序列号为3)。第三组测试是在七天后,样品先被浸泡在沸水中6小时然后再被放置于20℃的水中2小时后立即开始的(测试序列号为5)。三组测试分别使用了这两款粘合剂,以及采用了每种湿度水平,每20件样品共进行19次测试。
选择的试验样品数量是为了确保每组测试中,至少要获得10个有效值。无效的结果往往被认定为木材中出现损坏因素,而不是粘合层中的问题,或者更显而易见的是: 粘合剂没有采用合适的涂覆手段。
7天后的粘接强度
七天后,正常环境中展现出最大粘合强度的试样是含水率为8%,以及使用了聚醋酸乙烯酯粘合剂的样品。随着粘接木材的湿度增加,粘合剂的强度会逐渐下降20%,但它仍然满足对于此类粘合接头设定的最小的强度标准。
使用聚氨酯粘合剂粘接的接头表现出类似的强度性能,但它们对湿材的反应没有像涂覆了聚醋酸乙烯酯粘合剂的试样那么敏感。然而,所有的测量均满足该标准的最低要求。
对于测试3而言,使用的两种类型的粘合剂的试验结果呈现出显著的差异。尽管聚氨酯粘合剂的粘接强度比标准所要求的强度值高,使用了聚醋酸乙烯酯粘合剂的接头的强度明显低于该标准,甚至没有达到最低要求。
测试5显示的结果类似于测试3。使用聚氨酯粘合剂的接头的粘接强度再次达到最低标准所要求的强度值,但是针对含水率为8%的试样而言,一些强度值却低于阈值。
根据所获得的结果,为了使涂覆聚醋酸乙烯酯粘合剂的粘合接头获得更好的强度质量,应当确保木材在粘接过程中的含水率保持在8-12%左右。试验结果表明,与较低的含水值相比,较高的含水率并没有显著降低粘合接头的质量。
在木材粘接的三种初始含水率水平,三种环境条件下使用了聚氨酯粘合剂粘接的接头强度均满足了标准阈值。