木制建筑用膠粘劑對溫度的變化測試研究

張曉萌 樊繼永

摘 要：目的：為了分析木制建筑用膠粘劑性能對溫度的變化影響，設(shè)計性能變化測試實驗。方法：分析木制建筑用膠粘劑的膠結(jié)機(jī)制，并根據(jù)膠結(jié)機(jī)制和原理，分別從木制建筑用膠黏劑制備、性能測試以及環(huán)境溫度測控3個方面準(zhǔn)備實驗原料與儀器。設(shè)置60℃、70℃和85℃作為制備反應(yīng)環(huán)境溫度變量，實現(xiàn)木制建筑用膠粘劑的合成制備。以不同溫度下得出的制備結(jié)果為樣本，分別從膠粘劑表征、黏度和粘接強(qiáng)度3個方面進(jìn)行性能測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。結(jié)果：經(jīng)過對膠黏劑性能測試結(jié)果的量化分析，發(fā)現(xiàn)60℃下制備膠黏劑的紅外光譜信號更強(qiáng)，且70℃下的測試實驗樣本的黏度和粘接強(qiáng)度更強(qiáng)。結(jié)論：經(jīng)過縱向?qū)Ρ龋局平ㄖ媚z粘劑在60℃～70℃環(huán)境下的性能更優(yōu)，70℃為最佳制備反應(yīng)溫度。

關(guān)鍵詞：木制建筑;膠粘劑;溫度變化;溫度測試

中圖分類號：TQ436 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0021-05

Test and Research on the Change of Temperature of Adhesives for Wooden Buildings

Zhang Xiaomeng， Fan Jiyong

（92690 PLA troops， Sanya 572099， China）

Abstract：Objective： In order to analyze the effect of the properties of adhesives used in wooden building on the temperature change， the performance change test was designed. Methods： The bonding mechanism of adhesives used in wooden construction was analyzed. According to the bonding mechanism and principle， the raw materials and instruments were prepared from three aspects： preparation of adhesives used in wooden construction， performance test and environmental temperature measurement and control. 60℃， 70℃ and 85℃ were set as the reaction temperature variables to realize the synthesis and preparation of adhesives for wooden building. The results obtained at different temperatures were taken as samples， and the properties of the adhesives were tested from three aspects： adhesive characterization， viscosity and bonding strength， and the test data were processed and analyzed. Results： Through the quantitative analysis of the test results of the adhesives， it was found that the infrared spectral signal of the adhesives prepared at 60℃ was stronger， and the viscosity and bonding strength of the test samples were stronger at 70℃. Conclusion： Through longitudinal coMParison， the performance of the adhesives for wooden construction is better at 60℃～70℃， and 70℃ is the best preparation reaction temperature.

Key words：wooden construction; adhesive; temperature change; temperature test

0 引言

膠粘劑是一種天然的或合成的物質(zhì)，可以通將兩種或更多的木制建筑構(gòu)建或材料粘在一起，稱為膠粘劑。簡單地說，膠粘劑是一種通過粘合使被粘物結(jié)合在一起的物質(zhì)。膠粘劑具有優(yōu)良的粘接性能，與螺栓、鉚接、焊接等機(jī)械連接方式相比，其成本低，受力連續(xù)，質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，表面平整光滑，密封性好[1]。該膠粘劑可用于工藝生產(chǎn)中各種材料、厚度、薄度及復(fù)雜部件的連接。根據(jù)使用方法，膠粘劑可分為熱固型、熱熔型、室溫固化型、壓敏型等;根據(jù)使用對象可分為結(jié)構(gòu)型、非構(gòu)型或?qū)Ｓ媚z等。這些建筑膠粘劑主要應(yīng)用于各類建筑工程裝修施工，各種建筑復(fù)合材料的生產(chǎn)，以及建筑物的加固、保護(hù)、密封等。但是，在不同的溫度條件下，木制膠性能各不相同，為確保木制膠的最佳使用性能，設(shè)計了木制膠溫度變化測試實驗，得到了溫度對木制膠性能的影響規(guī)律。

1 木制建筑用膠粘劑對溫度的變化測試實驗設(shè)計

1.1 分析木制建筑用膠粘劑的膠結(jié)機(jī)制

木材建筑膠粘劑具有優(yōu)異的耐候性和耐高低溫性能，但更重要的是其優(yōu)異的粘接性、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能。為了設(shè)計和生產(chǎn)出性能優(yōu)良的復(fù)合膠粘劑，編制最佳工藝方案，分析機(jī)械性能試驗數(shù)據(jù)離散性大的原因等，必須對復(fù)合膠粘劑的粘接機(jī)理有一定的認(rèn)識。粘合過程實際上是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程[2]。粘接部位由兩個被粘制件和木材建筑用粘接劑3部分組成，粘接部位的強(qiáng)度取決于兩個方面：①粘接部位的粘接力;②粘接部位與被粘制件的粘接力。對于玻璃幕墻來說，理想的破壞形式是粘接點的粘附力大于粘接點的粘合力，即粘接點與金屬粘接點的破壞是粘接點與粘接點內(nèi)聚破壞同時存在的混合破壞，而粘接點與玻璃粘接點的破壞則是粘接點與玻璃粘接點同時存在的混合破壞，也就是說，粘接點與玻璃粘接點無損傷。粘合時，膠粘劑與被粘合木制建筑構(gòu)件接觸面產(chǎn)生的粘合力是由機(jī)械嵌合力組成的，粘合力的產(chǎn)生取決于粘合材料的材質(zhì)、被粘合材料的表面結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，以及粘合的工藝過程、固化條件等。粘合過程中，當(dāng)粘合產(chǎn)物分子從溶液中遷移到被粘附的金屬或玻璃表面時，高聚物分子的極性基團(tuán)逐漸靠近被粘附物體表面的極性基團(tuán)，并形成兩者之間的分子、原子和原子團(tuán)之間的相互作用。其中化學(xué)鍵力最大，氫鍵力次之，而范德華力則最小。膠粘劑與金屬被粘材料和木材建筑材料接觸時，由于金屬對電子的親和力較低，而高分子對電子的親和力較高，電子從金屬傳遞到膠粘劑，使界面產(chǎn)生接觸電勢產(chǎn)生靜電引力。金屬、玻璃被粘制構(gòu)件與建筑結(jié)構(gòu)中的粘接件要具有良好的粘接性能，必須在粘接件與被粘制構(gòu)件之間形成濕潤狀態(tài)，粘接件與被粘制構(gòu)件密切接觸[3]。實際上，只有當(dāng)液體的表面張力在合適的值時，粘接強(qiáng)度才是最高的。木材建筑膠粘劑的潤濕性還與工藝條件及環(huán)境因素有關(guān)。因此，在使用木結(jié)構(gòu)用膠粘劑時，應(yīng)對木結(jié)構(gòu)的金屬、玻璃被粘合件的表面進(jìn)行適當(dāng)處理，以提高其表面自由能?？傊?，木材建筑材料粘接劑與金屬、玻璃被粘接件的粘接是一個極其復(fù)雜的過程，粘接強(qiáng)度受材料、表面處理方法、固化條件、施工工藝、環(huán)境條件、操作人員等因素的影響，其中粘接溫度對粘接強(qiáng)度起決定性作用。

1.2 準(zhǔn)備實驗原料與儀器

實驗所需準(zhǔn)備的實驗原料和儀器主要分為3部分，一是木制結(jié)構(gòu)物膠粘劑樣品制備所需準(zhǔn)備的相關(guān)材料，二是膠粘劑樣品性能測試所需的儀器和設(shè)備，另外由于此次研究的目的是在不同的溫度條件下膠粘劑性能的變化情況，因此需要控制樣品制備過程中的環(huán)境變量，即溫度變量，以形成對比樣品[4]。通過以上3個部分的綜合，可以得到一些實驗原料的準(zhǔn)備，如表1所示。

同理可以得出木制建筑用膠粘劑制備以及性能測試步驟中需要使用的儀器，如表2所示。

除了上述基本制備與測試儀器外，還需要安裝溫控裝置和測試數(shù)據(jù)采集裝置。其中溫控裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)電阻隨溫度變化的特點，通過測量熱電阻來反映被測環(huán)境的溫度。采用熱電阻溫度傳感器測量[-50℃～2000℃]范圍內(nèi)的溫度，熱響應(yīng)時間≤5s，公差≤1.5℃，保護(hù)管材料采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，滿足系統(tǒng)溫度測量要求[5]。SBWR/2-63型集成溫度變送器采用單片機(jī)，測量精度為0.1%f.s，具有漂移自校正電路功能。在溫控裝置上增加了加熱器和冰箱。在實驗中，當(dāng)環(huán)境溫度低于目標(biāo)溫度時，需要啟動加熱器。溫度傳感器等溫表面上的導(dǎo)熱系數(shù)與傳熱面積成正比，即：

式中參數(shù) q是熱源的熱傳導(dǎo)率， s和 b分別是等溫表面的面積，厚度是垂直于傳熱面，參數(shù) q是熱傳導(dǎo)率。試驗中的制冷元件考慮選擇半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷，當(dāng)電流通過兩種不同的導(dǎo)體界面時，電流會從外部吸收熱量，或者把熱量直接送到外部，并且熱量的大小與電流成比例。準(zhǔn)備的相關(guān)實驗儀器將最終安裝在恒溫實驗環(huán)境中。

1.3 設(shè)置膠粘劑制備反應(yīng)環(huán)境溫度

引發(fā)劑的熱分解溫度是膠粘劑制備反應(yīng)溫度設(shè)置的限制條件之一，間接的影響膠粘劑的聚合穩(wěn)定性和反應(yīng)速度。設(shè)置的反應(yīng)環(huán)境溫度應(yīng)高于引發(fā)劑的有道分解溫度，保證能夠為膠粘劑的制備工藝提供充足的游離基，同時也需要考慮反應(yīng)過程中出現(xiàn)凝結(jié)和副反應(yīng)的情況[6]。結(jié)果表明，反應(yīng)環(huán)境溫度會直接影響膠粘劑的質(zhì)量和性能。根據(jù)以上溫度對木材建筑材料膠粘劑性能影響的理論，利用所安裝的溫控裝置，設(shè)定和控制木材建筑材料粘合反應(yīng)時間，實驗設(shè)定了60℃、70℃和85℃的實驗環(huán)境溫度變量。

1.4 制備木制建筑用膠粘劑

木制建筑材料中的膠粘劑主要有增粘樹脂、溶劑、增稠劑、增稠劑、防老劑等，可通過溶合、熔融結(jié)合、接枝共聚、極化處理而得到。在制備過程中加入增粘樹脂的目的是提高制備樣品的濕潤性、初粘性、剝削性和拉伸剪切強(qiáng)度。適當(dāng)?shù)娜軇┦贵w系達(dá)到最佳的結(jié)合效果，所以如何選擇膠粘劑是關(guān)鍵。熱塑性彈性體膠粘劑為嵌段共聚物，分子鏈上有聚丁二烯鏈和聚苯乙烯鏈。該膠粘劑在純?nèi)軇┖突旌先軇┲腥菀兹芙狻２煌軇δz粘劑中 PS和 PB相的溶解性、膠粘劑的形態(tài)結(jié)構(gòu)及在揮發(fā)后形成膜的性質(zhì)都有一定影響[7]。原料溶解性好，揮發(fā)速度適宜，毒性低，成本低。單溶劑往往難以取得滿意的效果，通常選擇由好溶劑和壞溶劑或無溶劑組成的混合溶劑體系。開發(fā)膠粘劑壓敏膠、熱熔壓敏膠、熱熔膠粘劑等一般應(yīng)加入適量增塑劑，可增加初粘性，降低熔體硬度及內(nèi)聚強(qiáng)度。在自由基引發(fā)劑的作用下，將準(zhǔn)備的增粘樹脂、溶劑等原料以及初步聚合的膠粘劑單體按照一定的比例配制在一起，通過各個原料在溶劑中的溶解實現(xiàn)溶液聚合反應(yīng)[8]。圖2中顯示了具體的準(zhǔn)備過程。

具體操作中，將溶劑和增粘劑按一定比例投入四口瓶，攪拌均勻，加適量增強(qiáng)劑，拉勻均勻后，升溫至目標(biāo)溫度開始反應(yīng)，并保溫30min，升溫至指定溫度反應(yīng)相應(yīng)的時間，反應(yīng)結(jié)束后，將混合體系抽真空脫去未反應(yīng)原料[9]。在四口瓶中翻拌均勻，然后加入已計量的增稠劑和防老劑，常溫攪拌30min，目標(biāo)溫度反應(yīng)1.5h，待其溫度低于55℃時加入剩余丙酮降粘。最終在室溫下放置，得到合成的木制結(jié)構(gòu)膠的制備結(jié)果。

1.5 木制建筑用膠粘劑性能測試與表征

木制建筑材料膠粘劑的指標(biāo)有外觀、垂度、擠出度、硬度、拉伸強(qiáng)度等，以不同溫度下的膠粘劑樣品為研究對象，對其表征、粘度、粘結(jié)強(qiáng)度等性能進(jìn)行測試。

1.5.1 膠粘劑表征測試

采用傅里葉變換紅外光譜儀測試木制建筑用膠粘劑制備樣本的表征，為了保證測試方面對樣本進(jìn)行壓片處理，共壓片32次，研究其微觀形態(tài)的變化[10]。在6℃/10min，70℃/10min，85℃/10min，條件下進(jìn)行了處理。試樣被磨成粉末，粒徑≤75?m。用Cu-Kα輻射輻射源測試管管部電壓為40kV，用步進(jìn)式掃描法測試管角掃描范圍為10?～90?。

1.5.2 黏度測定

將均勻無氣泡的制備樣品放置到恒溫水浴中，水浴設(shè)置的溫度為25℃，恒溫1h，保持樣品溫度均勻。開啟BROOKFIELD粘度計，進(jìn)入測試界面，木制建筑材料選擇50RPM的速度，在20℃條件下測試;木制建筑材料選用25℃條件下的速度，在12RPM條件下測試;SBS不同牌號的粘度選擇速度12RPM，在25℃條件下測試。讀入3min之后的讀數(shù)，用mPa·s表示。反復(fù)測定3次，取3次資料的平均值作為資料的黏度[11]。

1.5.3 粘接強(qiáng)度測試

用拉伸剪切強(qiáng)度反映粘接強(qiáng)度的試驗結(jié)果表明，被粘體采用3層結(jié)構(gòu)的膠合板，含水率低于15%，其膠接面應(yīng)加工光滑，長度方向為順紋理方向。將兩個膠合板接合面用砂皮打磨至光滑，分別在接合面上涂膠，涂膠面積20mm×50mm。當(dāng)晾曬溫度在20±2℃，相對濕度在50%～70%時，可采用15～20min晾曬，如果沒有達(dá)到，可適當(dāng)延長干燥時間[12]。在試件上迭接一塊膠合板，在膠接面上施加0.5MPa的壓力裝置，壓力時間為30s。減壓后，在48h內(nèi)完全固化，然后用上拉機(jī)進(jìn)行性能測試。在測試中，控制牽引器的加載速度為100mm/min。將樣品放置于夾具內(nèi)，使施加的力彼此平行，啟動拉伸機(jī)構(gòu)。在不同的拉伸剪切力作用下，記錄樣品的最大荷載。3個試件同時測定，3次測量數(shù)據(jù)的平均值即為拉伸剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其精度為0.01MPa。拉伸剪切強(qiáng)度公式為：

其中 P、 L、 B 3個參數(shù)分別是試件斷裂時的最大載荷、膠接段長度和膠接段寬度。

1.6 測試數(shù)據(jù)處理

采用SPSS14.0軟件對木制建筑用膠粘劑性能測試結(jié)果進(jìn)行量化分析，并通過對不同溫度下制備的膠粘劑樣本的量化測試結(jié)果進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋瑥亩贸鰧嶒灲Y(jié)論。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 膠粘劑表征分析結(jié)果

膠粘劑紅外光譜的測試結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示。921cm-1為環(huán)氧化合物的特征峰，1038和1178cm-1為醚鍵的伸縮振動峰，2872和2960cm-1為-CH3的吸振峰，2926cm-1為-CH2的吸振峰，3400cm-1為-OH吸收峰。在紅外光譜測試反應(yīng)后，918cm-1處的環(huán)氧結(jié)構(gòu)特征峰出現(xiàn)減弱消失的發(fā)展趨勢。在3400cm-1處，-OH帶的吸收峰值減弱。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧基在開環(huán)反應(yīng)中成功地形成了交-連網(wǎng)結(jié)構(gòu)。通過各個樣本的縱向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，不同溫度下制備生成的膠粘劑樣本的紅外光譜走勢基本相同，但60℃下制備膠粘劑的紅外光譜信號更強(qiáng)。

2.2 膠粘劑黏度測試結(jié)果分析

整合量化從測試數(shù)據(jù)得出木制建筑用膠粘劑黏度的測試對比結(jié)果，如表3所示。

由表3中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況可以看出，編號為002和005的兩個木制建筑用膠粘劑固含量最高，黏度最強(qiáng)，001樣本和004樣本的黏度高于003樣本和006樣本。由此可知，70℃為膠粘劑的最佳制備反應(yīng)時間，溫度約接近該溫度，膠粘劑的黏度性能越高。

2.3 膠粘劑粘接強(qiáng)度測試結(jié)果分析

同理分別從初黏和終黏兩個方面統(tǒng)計膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)，如表4所示。

綜合初粘和終粘的測試結(jié)果數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)溫度為70℃下制備的膠粘劑樣品的初粘和終粘強(qiáng)度均高于60℃和85℃的樣品。

3 結(jié)語

由于木制建筑承重結(jié)構(gòu)材的使用量不斷攀升，對膠粘劑的質(zhì)量也提出了更高的要求。因此，在承重構(gòu)件中選用最合適的膠粘劑，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量，顯得尤為重要。研制出環(huán)境友好、常溫快速固化、耐氣候性能較好的膠粘劑，是木制建筑及其構(gòu)件發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。膠粘劑作為木結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件生產(chǎn)過程中的一種粘合介質(zhì)，隨著木制建筑的日益普及，粘合技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要，前景廣闊。

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