木塑窗型材角部膠接與焊接技術(shù)研究

邱 飛 王偉宏 王海剛 王清文

(東北林業(yè)大學生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

木塑窗型材角部膠接與焊接技術(shù)研究

邱 飛 王偉宏 王海剛 王清文

(東北林業(yè)大學生物質(zhì)材料科學與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

通過對木粉-高密度聚乙烯基木塑窗型材的膠接和焊接2種連接方式的角部連接技術(shù)研究，結(jié)果表明,使用環(huán)氧樹脂膠接時，隨著木粉含量的增加木塑窗角部受壓彎曲應(yīng)力呈增大趨勢；對木塑型材進行等離子體處理可使角部受壓彎曲應(yīng)力提高97.3%。采用焊接方式連接時，隨著木粉含量的增加，角部受壓彎曲應(yīng)力大幅度降低；向型材保溫腔中填充高密度聚乙烯，可增大焊接面積，使最大受壓彎曲應(yīng)力提高為22.40 MPa。

木塑復(fù)合材料；窗型材；角部連接；彎曲應(yīng)力

窗作為建筑物的重要組成部分，除了具有采光、通風的作用外，還在整個建筑結(jié)構(gòu)中起到一定的支撐作用。為了滿足窗在建筑中的使用要求，需要對窗體的抗風壓、氣密性、水密性和承受應(yīng)力的能力進行檢測，確保所用窗體長期受力而不發(fā)生變形[1]。另外，窗在生產(chǎn)、運輸、安裝過程中也需要保持尺寸的穩(wěn)定。較高的角部連接強度不僅穩(wěn)定了窗的框架結(jié)構(gòu)，也減少了窗由于縫隙變形導(dǎo)致的滲透熱損失。因此，窗的角部連接至關(guān)重要。

木塑復(fù)合材料(WPC)作為一種新型的節(jié)能環(huán)保材料，被廣泛地應(yīng)用在建筑、家具以及包裝運輸?shù)阮I(lǐng)域[2]。木塑復(fù)合材料通過擠出成型的加工方式所制得的產(chǎn)品截面靈活多變、加工連續(xù)性好，除戶外步道板、欄桿扶手等用途外，還可將其應(yīng)用于門窗行業(yè)中[3-4]。但由于材料自身特性的限制，角部連接比較困難，如聚烯烴表面能較低，膠接困難[5]；木質(zhì)纖維的加入降低了復(fù)合材料的流動性，使得焊接強度也降低[6]。解決角部連接問題是木塑窗組裝的關(guān)鍵步驟。目前，對木塑窗角部連接的研究報道文獻幾乎沒有，角部連接問題沒有解決也是以往木塑窗未能開發(fā)應(yīng)用的重要原因之一。

本試驗針對木塑復(fù)合材料的特點，設(shè)計多種連接方式，利用角強度檢測儀測試分析幾種連接方式的可行性，為解決木塑窗的角部連接問題提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

高密度聚乙烯(HDPE)，型號5000S，熔融指數(shù)為0.8～1.1 g/10 min，由中國石油大慶石化公司生產(chǎn)；楊木粉，30～80目，自制；馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，型號CMG9804，接枝率為0.9%，上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)；石蠟，上海華靈康復(fù)器械廠生產(chǎn)；環(huán)氧樹脂膠黏劑，雙組份型，黑龍江省科學院石油化學研究院制。

1.2 窗型材的制備

按表1將稱量物料，倒入SWHL型高速混料機(南京賽旺科技發(fā)展有限公司)中混合；再將混合物料送入SWMSZ型造粒機(南京賽旺科技發(fā)展有限公司)中造粒，最后將粒子加入到SWMSD型單螺桿擠出機(南京賽旺科技發(fā)展有限公司)進一步均化、熔融，擠出成窗用型材，截面如圖1所示。

表1 70型平開窗窗扇型材配方

1.3 主型材的可焊接性檢測

按照GB/T 8814—2004《門、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材》對窗型材角部連接強度進行檢測，如圖2所示。

以(50±5)mm/min的加載速率對試件角部施加載荷，記錄試件受壓彎曲斷裂的最大受力值Fc，重復(fù)次數(shù)為5個試樣。根據(jù)公式(1)，計算出受壓彎曲應(yīng)力σc。

(1)

式中：W為應(yīng)力方向的傾倒矩I/e，mm3；I為型材橫斷面的慣性矩，mm4。根據(jù)材料截面尺寸用Auto CAD軟件計算得出[7]，I=576 118 mm4。

1.4 接觸角檢測

為分析窗型材的膠接能力,采用OCA20視頻光學接觸角測試儀(德國Dataphysics公司)測試WF/HDPE復(fù)合材料接觸角，測試液體為蒸餾水，測試時間60 s，測試液體積2 μL。將試驗樣品放置在樣品臺上，選取不同的5點進行滴定，對結(jié)果取平均值。

1.5 膠接面的選取

膠接試樣進行主型材可焊接性能測試后得到2個破壞斷面，用鋸機將帶有膠黏劑端斷面切下，并在顯微鏡下觀察。

1.6 角部連接方式

1.6.1膠接 膠黏劑由環(huán)氧樹脂與聚酰胺樹脂按照質(zhì)量比1∶1混合配置；偶聯(lián)劑選用硅烷偶聯(lián)劑(KH-560)，質(zhì)量分數(shù)為5%的乙醇溶液。

首先將鋸切好的部件端部切口用100目砂紙進行機械打磨處理，再將配置好的偶聯(lián)劑涂覆在試件待膠接面上，在空氣氣氛中用RFD-200射頻大氣低溫等離子體儀(南京蘇曼電子有限公司)對界面進行等離子體處理，處理時間3 min[8]。再將配置好的環(huán)氧樹脂黏劑涂覆在處理后的試件膠接面上，然后用夾具固定，放置在烘箱中固化。固化溫度80 ℃，時間2 h。

對比試件由未經(jīng)過偶聯(lián)劑、等離子體處理的型材直接膠接而成。

1.6.2焊接 采用平面布置四頭焊機(濟南精工新亞機器有限公司)對木塑窗扇型材進行焊接。焊接條件為溫度260 ℃,前后壓鉗壓力為0.4 MPa,左右進給壓力為0.2 MPa,熔化時間75 s,焊接時間75 s。

為提高焊接強度，對型材的保溫腔進行填充，以增大焊接面積[9]。采用WF/HDPE復(fù)合材、HDPE和低密度聚乙烯(LDPE)作為填充材料，如圖3所示，在焊接前將填充材料固定，再進行焊接。

2 結(jié)果與分析

2.1 膠接時WF/HDPE復(fù)合窗型材的角部連接強度

環(huán)氧樹脂膠接不同木粉含量木塑窗型材受壓彎曲應(yīng)力測試結(jié)果見圖4。

如圖4所示，隨著木粉含量的增加，未經(jīng)等離子體處理的WF/HDPE型材角部連接受壓彎曲應(yīng)力(σc)呈先增加后穩(wěn)定的趨勢。當木粉含量從50份增加到60份時，σc提高幅度為40.8%；當木粉含量繼續(xù)增加到70份時，σc無變化。同時從圖4中還可以看出，60份和70份木粉含量復(fù)合材試件的接觸角均小于50份。木粉含量的增加使得復(fù)合材料中的羥基數(shù)量增加，提高了試件表面的潤濕性及其與膠黏劑的反應(yīng)性，因此膠接強度得到提高[10]。但與60份木粉含量的復(fù)合材相比，70份木粉的復(fù)合型材其接觸角僅略有減小，木粉含量的增加只在一定范圍內(nèi)提高了材料的潤濕性。

與未處理材相比，等離子體處理的型材部件其角連接強度都有大幅度提升，當木粉含量為70份時，σc提高了97.3%。前期試驗結(jié)果表明，等離子體處理聚乙烯基木塑復(fù)合材料表面后，不僅使木塑復(fù)合材料表面-OH、C=O和C-O等極性官能團增加，表面接觸角減小(θ<90°)，而且使材料表面的粗糙度增大。如60份木粉含量的復(fù)合材，經(jīng)等離子處理后接觸角從86°減小到22°[11]。這些因素使材料表面潤濕性顯著提高，增大了膠接強度。

膠接面經(jīng)過等離子體處理后，隨著木粉含量從50份增加到70份，WF/HDPE型材角部連接受壓彎曲應(yīng)力逐漸增加，從7.09 MPa提高到10.93 MPa，提高幅度為54.2%。其中，當木粉含量從60份增加到70份時，明顯提高，提高幅度為38.4%。

將破壞后的膠接面放在顯微鏡下觀察，見圖5。觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，當木粉含量為70份時，未處理的膠接接頭破壞界面光滑，說明被膠接材料的可粘性較差，兩部件無法緊密結(jié)合到一起，界面層未受到影響，此時σc僅為5.54 MPa。經(jīng)等離子體處理后，膠接接頭表現(xiàn)為基體材料的破壞，此時σc提高到10.93 MPa。等離子體處理后的試樣表面黏接性能得到了很好的改善，膠接處形成了很強的膠接力，提高了膠接強度，因此角部連接受力時木粉與塑料基質(zhì)脫離而被粘附在膠接界面上。

2.2 焊接時WF/HDPE復(fù)合窗型材的角部連接強度

2.2.1木粉含量對焊接性能的影響 焊接是通過焊板對型材斷面進行加熱，使聚乙烯基質(zhì)熔融，再通過擠壓使型材中的聚乙烯分子在冷卻的過程中融合。由表2可知，隨著木粉含量的增加，木塑窗角部連接所承受的彎曲應(yīng)力降低。當木粉含量從50份增加到70份時，σc從17.70 MPa下降到6.85 MPa，下降幅度為63%。這是由于配方體系中木粉含量的增加降低了聚乙烯的比例，有效焊接組分減小，導(dǎo)致焊接強度下降。

表2 不同木粉含量木塑窗型材的焊接強度

由圖4與表2對比可知，隨著木粉含量的增加，焊接與膠接所得到WF/HDPE復(fù)合窗型材角部連接強度呈相反的變化趨勢。當木粉含量為50份時，焊接強度遠大于膠結(jié)強度；當木粉含量為70份時，膠結(jié)強度大于焊接強度。原因是焊接利用復(fù)合材料中聚乙烯基體的熔融，膠接則是木質(zhì)纖維中極性基團與環(huán)氧樹脂形成化學鍵，因此,隨著2種成分含量的變化出現(xiàn)相反的變化。

2.2.2焊接面積對焊接性能的影響 提高部件之間的焊接面積理論上能夠提高組件的角部連接強度，因此，試驗中嘗試對型材的保溫腔進行填充。以50份木粉含量窗扇型材為例，測試結(jié)果見表3。由表3可以看出，利用填充方式增加窗扇的有效焊接面積可使窗角部所承受的彎曲應(yīng)力顯著提高，最高達26.6%。當填充WF/HDPE復(fù)合料時，σc提高了7.7%；填充低密度聚乙烯(LDPE)時，σc僅提高了2.2%；填充HDPE時，σc提高了26.6%。由于木塑復(fù)合材料的可焊接性要小于聚乙烯，而LDPE雖然柔軟性、伸長率高于HDPE，在腔體中起不到很好的承載作用，因此，填充HDPE的作用效果最好。

表3 50份木粉含量WF/HDPE復(fù)合窗型材的焊接強度

3 結(jié)論與討論

1) 隨著木粉含量的增加，WF/HDPE型材角部連接受壓彎曲應(yīng)力得到提高。等離子體處理后的受壓彎曲應(yīng)力顯著提高。70份木粉含量的木塑窗型材經(jīng)等離子體處理后角部受壓彎曲最大，為10.93 MPa。

2) 隨著木粉含量的增加，WF/HDPE型材的焊接強度大幅度降低；提高焊接有效面積可使σc提高，在窗型材保溫腔位置填充HDPE后型材的受壓彎曲應(yīng)力最大，σc達到22.4 MPa。

對比上述2種方法，采用焊接方式可以獲得較高的角部連接強度，貼近塑料窗的加工工藝模式，易于操作，但更高強度的木塑部件連接方式還有待于深入研究。

[1] 郭瑋，郭始光．關(guān)于建筑外門窗三項物理性能的思考[J]．海南大學學報(自然科學版)，2004，22(3)：231-234, 238．

[2] Ashori A. Wood-plastic composites as promising green-composites for automotive industries[J]. Bioresource Technology, 2008,99(11):4661-4667.

[3] 丁晚景，吳從喜．木塑復(fù)合異型材及擠出模具設(shè)計[J]．中小企業(yè)科技，2003，1(10)：22-23．

[4] 李中秋．木塑窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作工藝[D]．哈爾濱：東北林業(yè)大學，2010．

[5] 劉楊，陶巖，呂新穎，等．難粘高分子材料的等離子體表面處理研究進展[J]．粘接，2010，31(4)：70-74．

[6] 李影，程瑞香，王清文，等．木塑復(fù)合材料的連接方式[J]．林產(chǎn)工業(yè)，2010，37(1)：43-45．

[7] 隋譚．AutoCAD軟件在PVC-U型材焊接角破壞力計算中的應(yīng)用[J]．塑料科技，2008，36(9)：56-59．

[8] Liu Y, Tao Y, Lv X Y, et al. Study on the surface properties of wood/polyethylene composites treated under plasma[J]. Applied Surface Science, 2010, 257(3):1112-1118.

[9] 楊安昌．塑料門窗技術(shù)手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010：138-140．

[10] 顧繼友．膠粘劑與涂料[M]．北京：中國林業(yè)出版社，1999：16-17．

[11] 邸明偉，陶巖，王輝，等．等離子體處理木塑復(fù)合材的膠結(jié)耐水失效機制[J]．建筑材料學報，2012，15(6)：798-802．

(責任編輯 曹 龍)

Study on the Bonding and Welding of Wood Plastic Composite Window Corner

QIU Fei,WANG Wei-hong,WANG Hai-gang,WANG Qing-wen

(Key Laboratory of Bio-Based Material Science & Technology(Northeast Forestry University), Ministry of Education,Harbin Heilongjiang 150040, China)

In this article, two corner connection methods, cementing and weld of wood fiber-high density polyethylene (WF/HDPE) to composite window were investigated. The results showed that, when bonded by epoxy resin, the corner bending stress of WF/HDPE profile was improved with increasing wood component in profile. When the cross section of WF/HDPE profile was treated with plasma, corner bending stress was increased by 97.3%.When WF/HDPE profile was connected by hot welding method, corner bending stress decreased significantly as wood component increased. Enlarge the welding area could increase the corner bending stress. Filling the thermal insulation cavity of the window profile with HDPE could improve the corner bending stress of 22.40 MPa.

WF/HDPE composite;window profile;corner connection;bending stress.

2014-07-28

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目(201204802)資助。

王偉宏(1968—)，女，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：木塑復(fù)合材料。Email：weihongwang2001@yahoo.com.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2015.01.017

S784

A

2095-1914(2015)01-0086-05

第1作者：邱飛(1989—)，男，碩士生。研究方向：木塑復(fù)合材料。Email:fly96574@163.com。