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木材與膠表界面潤(rùn)濕特性表征與影響因素研究
來(lái)源：秦志永 瀏覽 1416 次 發(fā)布時(shí)間:2022-12-08
【摘要】：木材膠接主要是木材與膠粘劑表界面之間發(fā)生的物理化學(xué)變化，表明在木材和膠粘劑的表界面上存在某種基本能量，決定膠接現(xiàn)象的本質(zhì)。木材及膠粘劑本身的表界面特性對(duì)木材的物理化學(xué)性能有很大影響，因此，研究木材和膠粘劑的表界面特性對(duì)于探索木材膠接理論具有十分重要的意義。本文以常用速生楊木和酚醛樹(shù)脂(PF樹(shù)脂)為主要原材料，以接觸角測(cè)量?jī)x為主要儀器，采用座滴法測(cè)定了液體在木材表面的相對(duì)平衡接觸角，計(jì)算了表面自由能，分析了四種計(jì)算方程在木質(zhì)材料表面自由能計(jì)算上產(chǎn)生的差異；研究了不同加工工藝對(duì)木材表面自由能及PF樹(shù)脂在木材表面的潤(rùn)濕性的影響；利用接觸角測(cè)量?jī)x、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉紅外光譜(FTIR)、核磁共振(13CCP/MAS NMR)等測(cè)試方法研究了PF樹(shù)脂在液體、固體狀態(tài)下的各項(xiàng)表面物理化學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)；探討了表面自由能、潤(rùn)濕性和膠合強(qiáng)度之間的關(guān)系，研究了不同熱壓溫度條件下，PF樹(shù)脂在木材中的固化性能。
得出主要結(jié)論如下：
(1)采用4種不同的方法測(cè)定并獲得相對(duì)平衡接觸角，計(jì)算出6種不同木質(zhì)材料的表面自由能。結(jié)果表明，速生楊滲透性最好，木材的表面自由能大于木質(zhì)復(fù)合材料(纖維板和木塑復(fù)合材料)；木材表面自由能的非極性分量大于極性分量，堿性分量大于酸性分量。
(2)4種不同方程計(jì)算得到的木塑復(fù)合材料表面自由能存在較大差異。木塑復(fù)合材料表面自由能不僅依賴于材料本身的化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)等，還受到不同計(jì)算方法和接觸角測(cè)量過(guò)程中使用液體的種類和數(shù)量的影響。
(3)不同加工工藝木材表面的潤(rùn)濕性不同。旋切木材試樣的接觸角大于刨切和鋸切試樣，旋切木材的表面自由能小于刨切和鋸切表面自由能；與表面結(jié)構(gòu)形態(tài)相比，木材表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕的影響不明顯，旋切松面的潤(rùn)濕性要好于緊面。
(4)新加工木材與陳放木材表面潤(rùn)濕性不同。水在新加工木材接觸角隨砂光目數(shù)的增加而減小，新加工木材表面比陳放木材表面更易被水潤(rùn)濕。陳放木材接觸角隨表面粗糙度的降低而增大。新加工木材非極性分量和極性分量隨砂光目數(shù)的增大而增加，陳放木材表面自由能隨砂光目數(shù)的增大而降低，但非極性分量卻增加。選用的四種潤(rùn)濕模型可用來(lái)準(zhǔn)確描述膠粘劑的潤(rùn)濕過(guò)程，相關(guān)系數(shù)的R2值均高于0.90，其中M-D模型為0.99。單板松緊面表面的潤(rùn)濕性和滲透性隨溫度的升高變化差異不大，可以在生產(chǎn)中忽略。在20℃時(shí)，芯材表面潤(rùn)濕性和滲透性要好于單板松緊面，但是隨著溫度的增加，差異減小。
(5)摩爾比對(duì)PF樹(shù)脂的表面特性影響較大。摩爾比為1.75以上時(shí)，PF樹(shù)脂液體表面張力變化很小，非極性分量占主導(dǎo)地位，當(dāng)摩爾比為2.5時(shí)，表面張力和非極性分量最大，而極性分量最小，PF樹(shù)脂表面張力越小，潤(rùn)濕性越好。PF樹(shù)脂表面總表面自由能和極性分量隨著摩爾比的降低，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，與樹(shù)脂表面的-OH關(guān)系密切。不同摩爾比固化后，峰值差距不大，只有苯環(huán)骨架-CH振動(dòng)吸收峰，隨著摩爾比的降低，峰值強(qiáng)度逐漸增加，這主要是苯酚含量逐漸增加的原因。
(6)表面粗糙度對(duì)新加工木材和陳放木材的膠合強(qiáng)度影響不同。木材的膠合強(qiáng)度隨著由Zisman方程計(jì)算得出的表面自由能與膠合強(qiáng)度之間的增加而不斷降低。對(duì)于新加工木材，膠合強(qiáng)度隨著表面自由能增大而減小，當(dāng)極性分量增加時(shí)膠合強(qiáng)度也降低，這種規(guī)律非線性相關(guān)。陳放木材的膠合強(qiáng)度隨著表面能增加而降低。對(duì)于S-D方程，新加工木材隨著滲透性的增加，膠合強(qiáng)度增加，但對(duì)于陳放木材而言，相關(guān)性不明顯，利用M-D模型得到的關(guān)系和S-D方程基本一致，利用Santoni模型計(jì)算出的滲透速率(K值)和膠合強(qiáng)度之間的關(guān)系也不明顯。
(7)熱壓過(guò)程中，芯層溫度隨著時(shí)間的增加而不斷增加，在熱壓溫度(上下壓板的溫度)增加時(shí)，膠合板芯層的升溫速率逐漸增加，平均膠合強(qiáng)度隨著時(shí)間的增加而不斷增加，最終到達(dá)一個(gè)相對(duì)平衡值。FTIR說(shuō)明樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中羥甲基發(fā)生了聚合反應(yīng)，相對(duì)數(shù)量減少。13CCP/MAS NMR分析表明亞甲基橋鍵碳原子與未反應(yīng)的羥甲基碳原子的比值隨著加熱固化時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，說(shuō)明固化程度的增加，膠合強(qiáng)度也增加。