木材界面液化自膠合性能的試驗研究

木材界面液化自膠合性能的試驗研究

“獨立結(jié)合”是指在不添加粘合劑的情況下，通過單元的強化或激活，然后通過加熱作用將材料結(jié)合的工藝方法，也稱為“無橡膠組合”。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)長利于交織,實現(xiàn)自膠合的技術(shù)難度相對小,而單板和鋸材則難度相對較大。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,通過對膠合板材(adherend)表層的液化,構(gòu)造黏稠狀、流體性界面過渡層,將兩片木材融合成一體,從而實現(xiàn)木材的無膠自結(jié)合。目的在于:評判木材界面液化膠合工藝的技術(shù)可行性,重點分析液化劑種類和涂布量、液化(熱壓)溫度和時間等工藝因子對不同樹種單板膠合強度的影響。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。液化劑:苯酚和丙三醇,分析純,外購。試驗方法與步驟: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(圖1c,膠合面積25mm×25mm)。再置于溫度125～175℃的試驗壓機壓板上,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同步進(jìn)行;如果試材為厚度相對大的鋸材,可在干燥時完成預(yù)熱后再進(jìn)入熱壓機,以控制熱壓周期。性能測試:膠合試件在20℃、相對濕度65%條件下陳放24h,參照膠合板國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9846.1～8—2004測試干狀膠合(剪切)強度。試驗工藝參數(shù)匯總于表1,采用全因素組合試驗方案,共計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,界面被膠層替代,膠黏劑流體通過潤濕、滲透和擴散,進(jìn)入木材孔隙、固化形成“錨釘”,同時與羥基等活性基團(tuán)形成化學(xué)鍵和氫鍵,從而將兩片木材結(jié)合。無膠黏劑時,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,流體過渡層會發(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膠活化方法既有區(qū)別,又有聯(lián)系。試驗表明,在試驗的工藝條件內(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、液化溫度和熱壓時間及木材樹種等工藝因素對液化膠合強度有不同程度的影響。2.1在液化劑中的應(yīng)用表2對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度。數(shù)據(jù)顯示,采用苯酚為液化劑時,3種樹種組合的單板的平均膠合強度相差不大,約0.6MPa;而丙三醇條件下,平均測試值達(dá)到0.93～1.17MPa,因材種而異,分別比苯酚液化時高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,本項試驗中液化局限于木材表層,僅需要形成黏稠狀流體以實現(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)比上述試驗低?？梢钥闯?在試驗溫度和時間條件下,丙三醇顯然比苯酚更能實現(xiàn)黏稠過渡層的構(gòu)建,從而賦予更高的膠合強度。但上述的黏稠過渡層究竟由何化學(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)研究來證明。2.2不同摻合劑對苯酚膠合強度的影響無論是采用苯酚還是丙三醇作為表面液化劑,膠合強度均隨涂布量的增加而遞增(表3)。相對而言,苯酚液化劑涂布量的遞增對膠合強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度分別提高152%和10%,楊木—桉木組合下膠合強度提高205%和21%,桉木—桉木組合下膠合強度提高213%和17%。由此可見,涂布量因子對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,苯酚條件下的平均膠合強度(0.86～0.95MPa)也僅僅與150g/m2丙三醇涂布量時的測試值(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強化膠合顯然是不現(xiàn)實的。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。既然在試驗范圍內(nèi)(150～450g/m2),丙三醇液化后膠合強度遞增不明顯(10%～21%),涂布量可以150g/m2為宜,此時膠合強度達(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)過程中的膠合強度液化溫度對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(表4)。在試驗參數(shù)范圍內(nèi),溫度從125℃上升50℃,苯酚液化試件的膠合強度變化不明顯,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%。形成鮮明對比的是,采用丙三醇進(jìn)行表面液化時,隨著溫度升高(125℃升到175℃),3種木材組合下,平均膠合強度分別提高了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、殘渣率和鹽酸揮發(fā)率的平衡。從液化劑本身考慮,苯酚有毒,熔點43℃,在溫度高于65℃時即可與水混溶,而常壓下高于182℃時即沸騰,因此不宜采用更高溫度;而丙三醇無毒,熔點20℃,沸點高達(dá)290℃,溫度提升空間大。因此,針對木材干燥、熱壓和膠合生產(chǎn)實踐,綜合考慮液化劑功效及安全,對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,可考慮高溫模式(例如:175℃左右)。2.4苯基苯磺酸鹽系測定結(jié)果熱壓時間對木材的表面液化和膠合普遍呈現(xiàn)正影響趨勢(表5)。一般意義上,隨著時間的延長,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。但從試驗數(shù)據(jù)看,在10～20min的工藝參數(shù)范圍內(nèi),平均膠合強度變化幅度并不大。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度降低13%,可視為測試誤差?？傮w而言,在試驗條件范圍內(nèi),熱壓時間對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,熱壓時間對表面液化膠合的影響不明顯,對于苯酚液化,出于成本和效果綜合考慮,可以采用低溫—短周期工藝,產(chǎn)品的膠合強度可達(dá)到約0.6MPa水平(更長的時間下,即使膠合強度可略提高,熱壓成本也高);而對于丙三醇液化膠合,可根據(jù)用途需要,靈活選用高溫—長周期或高溫—短周期多種路線,以調(diào)控膠合性能。2.5膠合性和整理劑對桉木/楊木生長的影響根據(jù)表2,還可對比分析不同樹種組合下試件的膠合強度?？梢?即使在同樣的液化劑種類和涂布量、液化溫度和熱壓時間工藝條件下,木材不同膠合強度也略有差異。樹種對苯酚液化膠合的影響不明顯,強度平均值基本穩(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,實現(xiàn)黏稠過渡層的構(gòu)建和自結(jié)合強度的建立。但需要指出的是,盡管表2表明材種對液化膠合有影響,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樹種仍然具有較高的普適性。3結(jié)論和建議3.1不同樹種膠合強度木材液化可在木材表面構(gòu)造黏稠過渡層,取代木材界面,為木材的自結(jié)合創(chuàng)造條件。在試驗的工藝條件內(nèi),楊木和桉木單板試件均達(dá)到了較高的膠合強度,最大值1.96MPa,平均值0.83MPa。單板樹種對液化膠合性能有明顯影響,在試驗的工藝條件下,桉木的膠合性能優(yōu)于楊木。針對楊木和桉木兩種樹種,丙三醇液化膠合性能高于苯酚,涂布量為150g/m2時,其膠合強度與