木材界面液化自膠合性能的試驗(yàn)研究

木材界面液化自膠合性能的試驗(yàn)研究

“獨(dú)立結(jié)合”是指在不添加粘合劑的情況下，通過(guò)單元的強(qiáng)化或激活，然后通過(guò)加熱作用將材料結(jié)合的工藝方法，也稱為“無(wú)橡膠組合”。在木材工業(yè)領(lǐng)域,木質(zhì)材料的自結(jié)合一直是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。沈雋、何翠芳等采用蒸爆法產(chǎn)生高活性纖維單元,制造了無(wú)膠纖維板。類似的,金春德以活化的木材纖維和稻草碎料為原料,張建輝等采用活化的竹材碎料,任博文等混合堿木素與稻草碎料,研究了制板工藝,獲得了良好的膠合性能。上述研究的單元均為纖維或碎料,與單板、鋸材等板狀單元相比,比表面積大、活性基團(tuán)濃度高、形態(tài)細(xì)長(zhǎng)利于交織,實(shí)現(xiàn)自膠合的技術(shù)難度相對(duì)小,而單板和鋸材則難度相對(duì)較大。例如,程良松等嘗試以磷酸活化單板,再自膠合成膠合板,產(chǎn)品膠合強(qiáng)度尚不到0.30MPa。有鑒于此,筆者基于木材液化技術(shù),將溶劑催化液化法工藝移植到木材膠合領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)膠合板材(adherend)表層的液化,構(gòu)造黏稠狀、流體性界面過(guò)渡層,將兩片木材融合成一體,從而實(shí)現(xiàn)木材的無(wú)膠自結(jié)合。目的在于:評(píng)判木材界面液化膠合工藝的技術(shù)可行性,重點(diǎn)分析液化劑種類和涂布量、液化(熱壓)溫度和時(shí)間等工藝因子對(duì)不同樹(shù)種單板膠合強(qiáng)度的影響。1膠合試件的制備單板:意楊(產(chǎn)地:江蘇)和桉木(產(chǎn)地:廣西)單板,厚度2.1mm,含水率為8%,取自邳州江山木業(yè)有限公司,裁成60mm(順紋)×25mm(橫紋)試件備用。催化劑:鹽酸,分析純,質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%,外購(gòu)。液化劑:苯酚和丙三醇,分析純,外購(gòu)。試驗(yàn)方法與步驟:如圖1所示,將液化劑與催化劑按質(zhì)量比為100∶6均混后,按照150～450g/m2(單面)施加量均勻涂布于單板試件一端25mm×25mm面上(圖1a),陳放60s后(圖1b),覆蓋另一單板試件組成膠合試件對(duì)(圖1c,膠合面積25mm×25mm)。再置于溫度125～175℃的試驗(yàn)壓機(jī)壓板上,采用壓力0.8～1.2MPa,熱壓10～20min,液化劑+催化劑混合流體在25mm×25mm膠合面內(nèi)流展、反應(yīng),導(dǎo)致兩片單板試件完成膠合。需要指出的是,本研究以厚度較小的單板為試材,加熱和加壓采用熱壓機(jī)同步進(jìn)行;如果試材為厚度相對(duì)大的鋸材,可在干燥時(shí)完成預(yù)熱后再進(jìn)入熱壓機(jī),以控制熱壓周期。性能測(cè)試:膠合試件在20℃、相對(duì)濕度65%條件下陳放24h,參照膠合板國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9846.1～8—2004測(cè)試干狀膠合(剪切)強(qiáng)度。試驗(yàn)工藝參數(shù)匯總于表1,采用全因素組合試驗(yàn)方案,共計(jì)162種工藝條件,各條件重復(fù)5次取平均值。2木材表面液化自膠合法木材結(jié)合本質(zhì)上就是去除兩片被膠合木材之間的界面,使兩片木材單元融合成一體。有膠黏劑時(shí),界面被膠層替代,膠黏劑流體通過(guò)潤(rùn)濕、滲透和擴(kuò)散,進(jìn)入木材孔隙、固化形成“錨釘”,同時(shí)與羥基等活性基團(tuán)形成化學(xué)鍵和氫鍵,從而將兩片木材結(jié)合。無(wú)膠黏劑時(shí),可設(shè)法在單元表面激活或植入活性基團(tuán)產(chǎn)生結(jié)合。筆者提出的木材表面液化自膠合,其技術(shù)思想是:通過(guò)木材單元(單板)表層的液化,產(chǎn)生黏稠狀流體層;流體層是源于兩片木材母體的過(guò)渡層,消除了兩片木材之間的界面;在加熱、加壓作用下,流體過(guò)渡層會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化,逐漸固化,兩片木材自然結(jié)合在一起。這種方法,與上述的有膠膠合和無(wú)膠活化方法既有區(qū)別,又有聯(lián)系。試驗(yàn)表明,在試驗(yàn)的工藝條件內(nèi),楊木和桉木單板試件均達(dá)到了較高的膠合強(qiáng)度,最大值達(dá)到1.96MPa(桉木組合,450g/m2丙三醇,150℃,20min),平均值0.83MPa。液化劑種類和施加量、液化溫度和熱壓時(shí)間及木材樹(shù)種等工藝因素對(duì)液化膠合強(qiáng)度有不同程度的影響。2.1在液化劑中的應(yīng)用表2對(duì)比了苯酚和丙三醇兩種液化劑條件下,3種木材組合試件的膠合強(qiáng)度。數(shù)據(jù)顯示,采用苯酚為液化劑時(shí),3種樹(shù)種組合的單板的平均膠合強(qiáng)度相差不大,約0.6MPa;而丙三醇條件下,平均測(cè)試值達(dá)到0.93～1.17MPa,因材種而異,分別比苯酚液化時(shí)高82.8%、45.3%和74.6%。兩種液化劑條件下膠合性能的差異,與液化產(chǎn)物的構(gòu)成密切相關(guān)。馬天旗等分析認(rèn)為,在酸性條件下,苯酚作為親核試劑和反應(yīng)試劑,導(dǎo)致木材中木質(zhì)素、纖維素和半纖維素大分子鏈發(fā)生醚鍵斷裂和糖環(huán)開(kāi)環(huán),并參加反應(yīng)形成以酚類物質(zhì)為代表的小分子化合物。張金萍等采用聚乙二醇PEG400和丙三醇(質(zhì)量比80∶20),在硫酸的催化作用下液化毛竹粉,獲取了醇醚類、酯類、環(huán)氧類等化合物。與上述深度液化不同,本項(xiàng)試驗(yàn)中液化局限于木材表層,僅需要形成黏稠狀流體以實(shí)現(xiàn)兩片木材之間的融合即可,屬于淺度液化,木材受到的降解程度遠(yuǎn)比上述試驗(yàn)低?？梢钥闯?在試驗(yàn)溫度和時(shí)間條件下,丙三醇顯然比苯酚更能實(shí)現(xiàn)黏稠過(guò)渡層的構(gòu)建,從而賦予更高的膠合強(qiáng)度。但上述的黏稠過(guò)渡層究竟由何化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成,是否已經(jīng)產(chǎn)生,產(chǎn)生了多少酚類(苯酚液化)或醇醚類(丙三醇液化)小分子,尚需要大量的后續(xù)研究來(lái)證明。2.2不同摻合劑對(duì)苯酚膠合強(qiáng)度的影響無(wú)論是采用苯酚還是丙三醇作為表面液化劑,膠合強(qiáng)度均隨涂布量的增加而遞增(表3)。相對(duì)而言,苯酚液化劑涂布量的遞增對(duì)膠合強(qiáng)度的影響比丙三醇明顯。采用楊木—楊木組合,150～450g/m2涂布量,苯酚和丙三醇液化下的平均膠合強(qiáng)度分別提高152%和10%,楊木—桉木組合下膠合強(qiáng)度提高205%和21%,桉木—桉木組合下膠合強(qiáng)度提高213%和17%。由此可見(jiàn),涂布量因子對(duì)苯酚液化的影響更大。與2.1部分的分析吻合,即使在450g/m2涂布量時(shí),苯酚條件下的平均膠合強(qiáng)度(0.86～0.95MPa)也僅僅與150g/m2丙三醇涂布量時(shí)的測(cè)試值(0.87～1.05MPa)相當(dāng)。由此,綜合考慮液化劑成本和膠合性能,靠提高苯酚的涂布量來(lái)強(qiáng)化膠合顯然是不現(xiàn)實(shí)的。結(jié)合2.1和2.2兩部分的分析,作為木材的表面液化膠合,選擇丙三醇更具有綜合優(yōu)勢(shì)。既然在試驗(yàn)范圍內(nèi)(150～450g/m2),丙三醇液化后膠合強(qiáng)度遞增不明顯(10%～21%),涂布量可以150g/m2為宜,此時(shí)膠合強(qiáng)度達(dá)到0.87～1.05MPa,膠合性能優(yōu)良。2.3木材在不斷不斷蒸發(fā)過(guò)程中的膠合強(qiáng)度液化溫度對(duì)液化膠合性能的影響,苯酚與丙三醇同樣呈現(xiàn)截然不同的趨勢(shì)(表4)。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),溫度從125℃上升50℃,苯酚液化試件的膠合強(qiáng)度變化不明顯,除楊木—楊木組合有小幅提高(0.60MPa提升到0.69MPa,提高15%)外,楊木—桉木和桉木—桉木試件甚至呈現(xiàn)略微降低,分別降低13.7%和19.7%。形成鮮明對(duì)比的是,采用丙三醇進(jìn)行表面液化時(shí),隨著溫度升高(125℃升到175℃),3種木材組合下,平均膠合強(qiáng)度分別提高了278%、140%和100%,受溫度的影響十分明顯。文獻(xiàn)表明,鹽酸催化下的木材苯酚液化溫度通?？刂圃?0～150℃,以達(dá)到液化產(chǎn)物得率、殘?jiān)屎望}酸揮發(fā)率的平衡。從液化劑本身考慮,苯酚有毒,熔點(diǎn)43℃,在溫度高于65℃時(shí)即可與水混溶,而常壓下高于182℃時(shí)即沸騰,因此不宜采用更高溫度;而丙三醇無(wú)毒,熔點(diǎn)20℃,沸點(diǎn)高達(dá)290℃,溫度提升空間大。因此,針對(duì)木材干燥、熱壓和膠合生產(chǎn)實(shí)踐,綜合考慮液化劑功效及安全,對(duì)木材的苯酚表面液化,宜采取低溫工藝(例如:125℃左右);而采用丙三醇時(shí),可考慮高溫模式(例如:175℃左右)。2.4苯基苯磺酸鹽系測(cè)定結(jié)果熱壓時(shí)間對(duì)木材的表面液化和膠合普遍呈現(xiàn)正影響趨勢(shì)(表5)。一般意義上,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),木材單板表面黏稠物質(zhì)層厚度增大,有利于單板之間界面的融合。但從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看,在10～20min的工藝參數(shù)范圍內(nèi),平均膠合強(qiáng)度變化幅度并不大。增幅最大的是采用苯酚液化的楊木組合試件,其平均膠合強(qiáng)度從10min的0.56MPa提高到20min的0.69MPa,增幅24%;最小的是楊木—桉木/苯酚試件,增幅僅4%;而桉木組合的苯酚液化膠合強(qiáng)度降低13%,可視為測(cè)試誤差?？傮w而言,在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),熱壓時(shí)間對(duì)木材表面液化膠合性能的影響并不明顯。結(jié)合2.3的分析,熱壓時(shí)間對(duì)表面液化膠合的影響不明顯,對(duì)于苯酚液化,出于成本和效果綜合考慮,可以采用低溫—短周期工藝,產(chǎn)品的膠合強(qiáng)度可達(dá)到約0.6MPa水平(更長(zhǎng)的時(shí)間下,即使膠合強(qiáng)度可略提高,熱壓成本也高);而對(duì)于丙三醇液化膠合,可根據(jù)用途需要,靈活選用高溫—長(zhǎng)周期或高溫—短周期多種路線,以調(diào)控膠合性能。2.5膠合性和整理劑對(duì)桉木/楊木生長(zhǎng)的影響根據(jù)表2,還可對(duì)比分析不同樹(shù)種組合下試件的膠合強(qiáng)度?？梢?jiàn),即使在同樣的液化劑種類和涂布量、液化溫度和熱壓時(shí)間工藝條件下,木材不同膠合強(qiáng)度也略有差異。樹(shù)種對(duì)苯酚液化膠合的影響不明顯,強(qiáng)度平均值基本穩(wěn)定在0.60MPa左右,但丙三醇條件下,桉木(E)比楊木(P)表現(xiàn)出更強(qiáng)的可膠合性:P-P組合<P-E組合<E-E組合。這種現(xiàn)象,主要是由木材化學(xué)成分的差異性產(chǎn)生的。從表6可以看出,桉木熱水抽出物、木質(zhì)素和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于楊木,表明桉木更易于被液化降解,便于界面消除,實(shí)現(xiàn)黏稠過(guò)渡層的構(gòu)建和自結(jié)合強(qiáng)度的建立。但需要指出的是,盡管表2表明材種對(duì)液化膠合有影響,但影響遠(yuǎn)不如其它工藝因子明顯,換言之,界面液化膠合方法對(duì)樹(shù)種仍然具有較高的普適性。3結(jié)論和建議3.1不同樹(shù)種膠合強(qiáng)度木材液化可在木材表面構(gòu)造黏稠過(guò)渡層,取代木材界面,為木材的自結(jié)合創(chuàng)造條件。在試驗(yàn)的工藝條件內(nèi),楊木和桉木單板試件均達(dá)到了較高的膠合強(qiáng)度,最大值1.96MPa,平均值0.83MPa。單板樹(shù)種對(duì)液化膠合性能有明顯影響,在試驗(yàn)的工藝條件下,桉木的膠合性能優(yōu)于楊木。針對(duì)楊木和桉木兩種樹(shù)種,丙三醇液化膠合性能高于苯酚,涂布量為150g/m2時(shí),其膠合強(qiáng)度與