全 文 ：第 ws卷 第 y期
u s s w年 tt 月
林 业 科 学
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„°Œ胶粘剂在落叶松 !白桦和柞木木材
弦径面渗透的显微研究
程瑞香 顾继友 崔永志
k东北林业大学材料科学与工程学院 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 利用显微照片对水性高分子异氰酸酯k„°Œl胶粘剂在落叶松 !白桦和柞木木材中的渗透性进行研究 ∀结
果表明 } „°Œ胶粘剂在 v种木材弦径面的渗透未看出有很大差别 o即使木射线发达的柞木 o在弦切面的木射线中也
几乎看不到有 „°Œ胶粘剂的渗入 o说明木材弦面上的木射线没有起到引导 „°Œ胶粘剂渗入木材内部的作用 o文中分
析了原因 ∀
关键词 } 水性高分子异氰酸酯k„°Œl胶粘剂 o径切面 o弦切面 o渗透 o显微照片
中图分类号 }≥z{t1yx 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsy p stww p sv
收稿日期 }ussu p ts p s{ ∀
基金项目 }黑龙江省/十五0重点项目/森林培育间伐材和速生小径木的高效利用技术研究kŠ…sttvysy p sul0和东北林业大学优秀青年教
师创新项目资助 ∀
Στυδψ ον Πενετρατιον οφ Αθυεουσ Πολψµερ Ισοχψανατε Αδηεσιϖειντο Λαρχη oΒιρχη ανδ Οακ
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k ΜατεριαλΣχιενχε ανδ Ενγινεερινγ Χολλεγε o Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβινtxsswsl
Αβστραχτ } °¨ ±¨ ·µ¤·¬²± ²©¤´ ∏¨²∏¶³²¯¼°¨ µ¬¶²¦¼¤±¤·¨ k„°Œl ¤§«¨¶¬√¨ ¬±·²¤µ¦«! …¬µ¦«¤±§’¤® º¬·« °¬¦µ²ªµ¤³« °¨ ·«²§º¤¶
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机械胶合是由于胶液渗入木材表面敞开的管孔中形成的 o胶液渗透的程度与胶合强度有关k科尔曼 o
t|{wl ∀胶合时 o胶液应能浸润木材细胞的孔壁并排除微孔内的空气 o胶粘剂渗入木材细胞中的孔隙 o固化后
形成/镶嵌0 !/啮合0 o才可获得较高的胶合强度 o胶液能够渗入木材细胞的孔隙内是机械胶合的关键之一k陈
根座 ot||wl ∀锯 !刨 !砂等机械加工影响木材表面形态 o不同树种的木材结构对表面形态也有重要的影响 ∀
国外学者把木材胶合时胶合强度的形成过程分为 x个步骤 }流动 !传递 !渗透 !润湿和固化 ∀流动是指液
体胶粘剂在基材外部表面的铺展 o传递是指木材组件涂装时导致的液体胶粘剂对相邻木材表面的转移 o渗透
指的是在压力的作用下 o胶粘剂依靠毛细管作用渗入细胞腔中的现象 o润湿不仅仅发生在木材外部表面 o它
同时对液体胶粘剂沿细胞壁的运动也有帮助 o最后发生的过程即为固化 ∀ /渗透0经常被定义为从界面到胶
合基材之间的空间距离 o也有人将/渗透0看作是液体运动的过程 ∀机械胶合理论 !化学键胶合理论等一直被
认为是重要的胶合理论 o但无论是上面哪一种情况 o胶粘剂对多孔木材的渗透在胶合过程中都扮演着重要角
色 o一直被认为对胶合强度的高低有重要的影响k…µ¤§¼ ετ αλqot|{{ ~≤²¯¯¨·ot|zu ~≥¨ µ±¨ ® ετ αλqot|||l ~但由于
木材表面的不规则性使得胶粘剂在木材每一表面上的渗透都不一样 o这就使得测量渗透很困难 ∀
t 材料与方法
111 材料
试材兴安落叶松k Λαριξ γ µελινιιl和白桦k Βετυλα πλατψπηψλλαl采自内蒙古满归林业局 o柞木k Θυερχυσ
µονγολιχαl采自黑龙江省东方红林业局 ∀落叶松 !白桦和柞木 v 种树种的密度分别 s1yvt !s1xwu !s1y|v
ª#¦°pv o年轮宽度分别为 u1u !t1| !u1v °°∀v种木材经制材 !干燥后 o分别加工成长为 vs °°k顺纤维方向l !
宽为 ux °° !厚为 ts °°的径弦切面试件 ∀为了使 „°Œ胶粘剂在每种树种径弦面胶合试件上的渗透具有可
比性 o每种树种径弦面试件均是从同一株木材上同一部位锯取的 ∀锯制好的试件用塑料薄膜包装 o在室温下
贮存平衡水分 o以消除由于含水率的差异对 „°Œ胶粘剂在木材弦径面渗透的影响 o木材含水率平均为 tt h ∀
水性高分子异氰酸酯胶粘剂k陈丽娟等 ousstl o主剂包括 }聚乙酸乙烯酯乳液k°∂ „≤l }{x o丁苯胶乳
k≥…• l }tx o超细碳酸钙k≤¤≤’vl }us o≠ p t }tk质量比l ~交联剂为自配的 °„°Œk多亚甲基多苯基多异氰酸酯l
溶液 ∀主剂和交联剂使用时按质量比为 tssΒtx的比例使用 ∀主剂外观为乳白色粘稠液 o无粗颗粒和异物 ~
³‹值为 y1{ ~蒸发剩余物为 w|1z h ~粘度kvs ε l为 wus °°#¶∀
112 方法和设备
t1u1t v种木材木材表面的形态 用单面刀片切取经压刨加工的落叶松 !白桦和柞木木材样品 v °° ≅ x °°
k长 ≅宽l o厚度在 t °°左右 o取样后再粘样 ∀具体方法是 }将切取的试样用双面胶带粘到扫描电镜样品台
上 o用 ∞¬®²公司生产的 Œ…p x型离子溅射镀膜仪k¬²± ¦²¤·¨µl在样品表面喷镀厚度约为 tx ±°的金属铂 o以便
形成一个导电的表面 o然后把喷镀好铂的样品放入扫描电镜中观察 ∀
t1u1u 胶合试件的准备 从锯制好的试件中挑选试件 o纤维方向平行于试件最长边 o试件表面应无锯痕 o胶
合面为刨光材面 ∀制作胶合试件时 o首先将 „°Œ胶粘剂的主剂与交联剂按质量比为 tssΒtx的比例混合均
匀 o将混合均匀的 „°Œ胶粘剂以 tws ª#°pu的施胶量均匀涂施在拟胶合的材面上 ∀用单位压力为 t1u °¤的
压力压紧 o在 us ∗ ux ε 的下冷压 uw «后卸压 o然后在相同的温度下放置 zu «∀
t1u1v 显微切片的制作 把放置 zu «后的胶合试件放在热水瓶中用沸水浸泡 z §o保证每天要换一次沸水 ∀
用沸水浸泡的目的主要是软化木材 o浸泡到用刀易切状 ∀z §后 o把试件放入酒精和甘油的混合液k质量比为
tΒtl中浸泡 u周 o进一步对木材进行软化 ∀然后采用德国产的 ¨¬½twss型滑走式木材切片机进行切片 o切片
的厚度为 tx Λ°左右 ∀切好的切片用蕃红染色 uw «o用酒精溶液梯度脱水k酒精溶液的质量分数分别为
vs h !xs h !{s h !|x h !tss h l o再用二甲苯固定颜色k透明处理l o最后把切片用切片胶封片 ∀
t1u1w 主要试验设备 德国产的 ¨¬½twss型滑走式木材切片机 ~’≠ °˜≥型研究显微镜 ~感量为 s1t °ª的
电子天平 ~实验室自制的压钳 ~日本岛津 „Š p tsׄ万能力学试验机 ~中国科学院仪器厂生产的 Ž≠Ž≠tsss…
型扫描电镜 ∀
u 结果与分析
211 3种木材经刨削加工后木材表面的形态
落叶松 !白桦和柞木经刨削加工后木材表面的形态分别见图版 ´pt !´pu !´pv和 ´pw ∀可以看出 }经刨
削加工的木材表面有些细胞被破坏 o且部分细胞腔中有木粉存在 ∀
212 ΑΠΙ胶粘剂对落叶松 !白桦和柞木木材弦径面渗透性的研究
„°Œ胶粘剂在落叶松径弦面胶合试件的渗透情况见图版 ´px !´py ∀可以看出 o无论是径切面还是弦切
面 o落叶松的木射线组织中看不到有 „°Œ胶粘剂的渗入 o况且由于落叶松木材木射线不发达 o因此对于落叶
松来讲 o几乎可以忽略由木射线形成的胶钉作用 ∀胶粘剂主要渗入落叶松早晚材的管胞 o由于落叶松早材管
胞腔比晚材管胞腔大 o所以落叶松早材中 „°Œ胶粘剂渗入的深度比晚材深 ∀但是 o由于落叶松早材的强度比
较低 o所以早材形成深层胶钉也未必能提高胶合试件早材部分的胶合强度 ∀
„°Œ胶粘剂在白桦径弦面胶合试件的渗透情况见图版 ´pz !´p{ ∀尽管白桦木材的木射线比较发达 o但
无论是径切面还是弦切面 o木射线中几乎没有看到 „°Œ胶粘剂的渗入 ∀比较径弦面可以看到 o由于白桦具有
短径列复管孔ku ∗ wl o„°Œ胶粘剂在弦切面渗入的深度比径切面的要深 ∀
„°Œ胶粘剂在柞木径弦面胶合时的渗透情况见图版 ´p| !´pts ∀尽管柞木的木射线很发达 o但在柞木弦
切面上看不出有木射线组织引导 „°Œ胶粘剂渗入到木材中的迹象 o弦径面渗透未看到有什么差别 ∀
• «¬·¨等kt|zzl在研究间苯二酚胶对南方松k≥²∏·«¨µ± °¬±¨ l的渗透时指出 o在木材弦切面上可以看到某
些射线细胞中有间苯二酚胶的渗入 o而径切面却未看到 o说明弦切面上的木射线起到了引导胶粘剂渗入木材
的作用 ~但本研究发现 o在落叶松 !白桦和柞木的弦切面上却未看到射线细胞中有 „°Œ胶粘剂的渗入 ∀其原
xwt 第 y期 程瑞香等 }„°Œ胶粘剂在落叶松 !白桦和柞木木材弦径面渗透的显微研究
因可能一是由于 „°Œ胶粘剂的分子结构与间苯二酚胶粘剂的不同 o即 „°Œ胶粘剂中醋酸乙烯酯乳液和聚乙
烯醇等物质的相对分子质量都比较大 o影响胶粘剂在木材中的渗透 ~二是由于 „°Œ胶粘剂中添加填料
k≤¤≤’vl o填料有阻止胶液过度渗透的作用 ~三是由于渗透的速率与固化温度 !固化压力等因素有关 o而 „°Œ
胶粘剂的活性非常强 o装配时间要求很短 o这就使得 „°Œ胶粘剂还未来得及渗入到木射线组织中就失去流动
性 o甚至还没来得及加压就失去流动性 o使得弦面上的木射线没有起到引导 „°Œ胶粘剂渗入木材内部的作
用 ∀尽管没有把胶粘剂往木材深层引导 o但由于木射线在弦面上是横断的 o木射线横断后留下的孔隙多少还
能起到胶钉的作用 ∀
不同直径的导管 !管胞在木材表面形成沟槽的大小不同 o亦即不同树种的木材结构对表面形态也有很重
要的影响 o对渗透性影响很大 ∀在被检测的范围内 o选取 x个最大的 „°Œ胶粘剂渗透深度的平均值作为衡量
„°Œ胶粘剂对木材的最大渗透深度 o即
ΜΠ € Ε
x
ι € t
ψιΠx ktl
式中 }ΜΠ为最大渗透深度 o°° ~ψι 为 x个代表最大渗透当中的每个渗透深度值 o°°∀
表 1 落叶松 !白桦和柞木的最大渗透深度
Ταβ .1 Μαξιµ υµ πενετρατιον οφ ΑΠΙ αδηεσιϖειντο
Λαρχη !Βιρχη ανδ Οακ
树种
≥³¨¦¬¨¶
„°Œ胶粘剂最大渗透深度k弦切面l
¤¬¬°∏° ³¨ ±¨ ·µ¤·¬²± k·¤±ª¨ ±·¬¤¯l
平均值  ¤¨±Π°° 变异系数 ≤∂Πh
落叶松 Λαριξ
k早材 ∞¤µ¯¼º²²§l s1su uz1yy
白桦 Βετυλα s1s|z uw1|
柞木 Θυερχυσ
k早材 ∞¤µ¯¼º²²§l s1uzy u{1{
落叶松 !白桦和柞木的最大渗透深度见表 t ∀
液体胶粘剂向开口的孔隙中浸透的深度可用式
kul表示k郑瑞琪等 ot||vl }
η € uρ¦²¶ΗΡΘª kul
式中 } η为胶粘剂渗入微孔的深度 ~ Ρ 为毛细管
的半径 ~ Χ为液体的表面张力 o#°pu ~ Θ为液体
的密度 ~ Η为接触角 ~ª为重力加速度 ∀
胶接时 o由于毛细管张力的作用 o有助于液态
胶粘剂进入木材管孔 ∀但是 o由于 „°Œ胶粘剂的
活性期特别短 o所以在使用 „°Œ胶粘剂时 o应特别注意涂装时间k从涂胶到涂胶组坯加压的这一段时间l o保
证胶粘剂在固化前渗入导管和木材的其它细胞腔中 o形成/胶钉0 o以提高胶合强度 ∀胶接操作时 o应根据胶
粘剂的特性 o粘度 !固化时间 !固化温度等因素 o创造条件使胶粘剂渗入木材中的深度尽可能大些 o以获得较
高的胶合强度 ∀但是 o要注意防止胶粘剂的过分渗透 o以免造成胶接接头缺胶 o影响胶合强度 ∀
v 结论
通过 „°Œ胶粘剂对 v种木材渗透性的研究可以看出 }对于 v种木材 o其弦径面上 „°Œ胶粘剂的渗透差别
不大 o即使木射线发达的柞木 o其木射线中也几乎看不到有 „°Œ胶粘剂的渗入 o说明 v种木材弦切面上的木
射线没有起到引导 „°Œ胶粘剂渗入木材内部的作用 ∀
参 考 文 献
陈根座编著 q胶粘剂应用手册 q北京 }电子工业出版社 ot||w }ty p tz
陈丽娟 o顾继友 q水性高分子 ) ) ) 异氰酸酯胶粘剂的改性研究 q粘接 ousst ouukvl }| p ts
科尔曼 ƒ ƒ ° q木材学与木材工艺学原理 ) ) ) 人造板 q北京 }中国林业出版社 ot|{w
郑瑞琪 o余云照 q结构胶粘剂及胶接技术 q北京 }科学出版社 ot||v }ut p uu
…µ¤§¼ ⁄ ∞oŽ¤°®¨ ƒ „ q∞©©¨¦·¶²©«²·p³µ¨¶¶¬±ª³¤µ¤° ·¨¨µ¶²± µ¨¶¬± ³¨ ±¨ ·µ¤·¬²±qƒ²µ¨¶·°µ²§ot|{{ ov{kttΠtul }yv p y{
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ywt 林 业 科 学 ws卷
程瑞香等 }„°Œ胶粘剂在落叶松 !白桦和柞木木材弦径面渗透的显微研究 图版 ´
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t1经刨削加工后的落叶松弦切面 ~u1经刨削加工后的桦木弦切面 ~v !w1 经刨削加工后的柞木弦切面 ~x1 落叶松径切面胶合时 „°Œ胶粘剂的
渗透情况 ~y1 落叶松弦切面胶合时 „°Œ胶粘剂的渗透情况 ~z1 白桦径切面胶合时 „°Œ胶粘剂的渗透情况 ~{1 白桦弦切面胶合时 „°Œ胶粘剂
的渗透情况 ~|1柞木径切面胶合时 „°Œ胶粘剂的渗透情况 ~ts1 柞木弦切面胶接时 „°Œ胶粘剂的渗透情况 ∀x ∗ ts为端面切片 o底片倍数 vv
≅ o照片放大倍数 v1x ≅ ∀t1≥¦¤±±¬±ª¨¯ ¦¨·µ²± °¬¦µ²ªµ¤³«²©¤µ¦«²±·«¨ ·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ¶∏µ©¤¦¨ ¤©·¨µ³¯¤±±¬±ª~u1≥¦¤±±¬±ª¨¯ ¦¨·µ²± °¬¦µ²ªµ¤³«²© …¬µ¦« º²²§
²±·«¨ ·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ¶∏µ©¤¦¨ ¤©·¨µ³¯¤±±¬±ª~v !w1≥¦¤±±¬±ª¨¯ ¦¨·µ²± °¬¦µ²ªµ¤³«²©’¤®²±·«¨ ·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ¶∏µ©¤¦¨ ¤©·¨µ³¯¤±±¬±ª~x1°¨ ±¨ ·µ¤·¬²±²©„°Œ¤§«¨¶¬√¨ ²±·«¨
·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²± ²©µ¤§¬¤¯ ¼¯ ª¯∏¨§¤µ¦« º²²§~y1°¨ ±¨ ·µ¤·¬²± ²© „°Œ¤§«¨¶¬√¨²±·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²± ²©·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ª¯∏¨§¤µ¦« º²²§~z1°¨ ±¨ ·µ¤·¬²± ²© „°Œ
¤§«¨¶¬√¨²±·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²± ²©µ¤§¬¤¯ ¼¯ ª¯∏¨§ …¬µ¦« º²²§~{1°¨ ±¨ ·µ¤·¬²± ²© „°Œ ¤§«¨¶¬√¨ ²± ·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²± ²©·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ª¯∏¨§ …¬µ¦« º²²§~
|1°¨ ±¨ ·µ¤·¬²± ²© „°Œ¤§«¨¶¬√¨ ²±·«¨ ·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²±²©µ¤§¬¤¯ ¼¯ ª¯∏¨§’¤® º²²§~ts1°¨ ±¨ ·µ¤·¬²±²©„°Œ¤§«¨¶¬√¨ ²±·«¨ ·µ¤±¶√ µ¨¶¨ ¶¨¦·¬²±²©·¤±ª¨ ±·¬¤¯ ª¯∏¨§
’¤® º²²§qx ∗ ts ¬¶·µ¤±¶√¨ µ¶¨ ¶¨¦·¬²±q°¤ª±¬©¬¦¤·¬²± ²©±¨ ª¤·¬√¨vv ≅ o°¤ª±¬©¬¦¤·¬²± ²©³«²·²v1x ≅ q