木材/异氰酸酯界面物理作用及机械互锁作用

论文摘要

异氰酸酯胶粘剂对木材胶接机理是近十年多来木材胶粘剂研究的焦点。本文用反相气相色谱法（Inverse gas chromatography,IGC）、X射线光电子能谱（X-ray photoelectronspectroscopy,XPS）、力学性能试验等技术手段详细研究了木材及木材组分、一系列不同异氰酸酯含量的胶粘剂的表面酸碱性质对木材粘接性能的影响和木材/异氰酸酯胶粘剂的界面物理作用。通过反相气相色谱法测定了水曲柳、桦木和杨木的表面自由能、表面酸碱性质以及一系列不同异氰酸酯含量的胶粘剂的表面酸碱性质。得知水曲柳、桦木和杨木的表面色散自由能分别为47.13、36.90和36.20 mJ·m-2（328.15K）,均属高能表面;表面接受电子能力均大于给电子能力,表现出很强的酸性特性。水曲柳、桦木和杨木的Lewis酸常数ka分别为0.53、0.29和0.67,Lewis碱常数kb分别为0.21、0.12和0.24,属于呈表面酸性的两性材料。对不同异氰酸酯官能团含量（5.3%,7.0%,13.0%,19.6%）的胶粘剂的IGC研究发现,异氰酸酯胶粘剂的表面色散自由能分别为11.42、43.89、48.23和29.48 mJ·m-2（328.15K）,Lewis酸常数ka分别为0.29、0.38、0.12和0.18,Lewis碱常数kb分别为0.34、0.76、0.33和0.65。与木材表面特性相反,胶粘剂的表面均显示Lewis碱性特性,而且随着异氰酸根官能团含量的增加胶粘剂的表面碱性逐渐增大,从理论上证明了木材与胶粘剂能够产生表面酸碱作用。在微观界面分析中,XPS分析研究了胶合板中异氰酸酯胶粘剂在木材中的扩散渗透现象,对桦木板材与异氰酸酯胶粘剂在粘接固化过程中不同渗透深度的胶粘剂含量给予了定量计算。通过扫描电镜观察胶合板切片得出的结果印证了胶粘剂在木材中的渗透现象。采用杨木与实验室制备的异氰酸酯胶粘剂压板进行力学性能测试得出:随着胶粘剂的表面碱性逐渐增大,胶合板剪切强度也增大。基于酸碱作用理论,采用表面酸碱性均为零的聚乙烯（PE）及多孔聚乙烯板材模拟木材与实验室制备的异氰酸酯胶粘剂压板进行力学性能测试。测试结果表明:不同打磨程度的PE与胶粘剂压板后,剪切强度随PE板材表面粗糙程度的增大而增加。证明了机械互锁作用对胶接强度的影响。计算出不同粗糙程度下的PE板与胶粘剂表面色散作用的定量值以及完全机械互锁作用的强度值。采用多孔聚乙烯板材进一步模拟木材多孔及孔连通性和已制备的异氰酸酯胶粘剂压板进行力学性能测试。通过杨木/异氰酸酯胶粘剂胶接试件、模拟木材（PE）/异氰酸酯胶粘剂胶接试件的力学性能测试将界面作用和宏观力学性能联系在一起。在胶接强度的测试过程中得到了真实木材与异氰酸酯胶粘剂之间的界面胶接强度和胶粘剂的异氰酸根含量及胶粘剂表面酸碱性质之间的关系,胶接强度随胶粘剂碱性的增强和异氰酸根含量的增大而增加;对于模拟木材结构,剥离出了完全色散力和机械互锁作用下的胶接强度的贡献、模拟了木材内部多气室结构和孔连通结构以及二者叠加对胶接强度的影响,得出了各种因素单独和叠加作用下的PE板/胶粘剂界面粘接强度。得出了板内部气孔量增加粘接强度增加;连通孔数量增加粘接强度增加;二者叠加作用下的界面粘接强度增加更明显的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 异氰酸酯胶粘剂
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 粘接理论概述
• 1.2.2 异氰酸酯胶粘剂对木材的胶接
• 1.2.3 国内外异氰酸酯胶接木材研究进展
• 1.3 研究思路与研究内容
• 2 木材与胶粘剂热力学表面自由能和酸碱性的研究
• 2.1 表面自由能与胶接强度的关系
• 2.1.1 胶粘剂对材料表面的润湿
• 2.1.2 胶粘剂与材料表面的粘附功
• 2.2 反相气相色谱研究木材与胶粘剂表面自由能
• 2.2.1 反相气相色谱原理
• 2.2.2 实验部分
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 三种木材的表面自由能测试
• 2.3.2 PU胶粘剂表面自由能测试
• 2.3.3 胶粘剂对木材的润湿与界面粘附功
• 2.4 本章小结
• 3 XPS技术研究异氰酸酯胶粘剂在木材中的扩散渗透现象
• 3.1 XPS的基本原理以及在粘接机理中的应用
• 3.1.1 XPS基本原理
• 3.1.2 XPS技术在粘接机理中的应用
• 3.2 XPS测定胶粘剂在木材中的扩散深度
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 扫描电镜技术观察胶粘剂在胶合板中的扩散
• 3.3.1 扫描电镜技术（SEM）简介
• 3.3.2 利用扫描电镜对木材进行研究的情况
• 3.3.3 SEM观察胶合板内胶粘剂的扩散情况
• 3.4 本章小结
• 4 木材以及PE模拟木材与异氰酸酯胶粘剂的胶接强度
• 4.1 杨木/异氰酸酯胶粘剂胶接强度实验
• 4.1.1 试剂与仪器
• 4.1.2 实验过程
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.2 PE板/异氰酸酯胶粘剂胶接强度试验
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.3 模拟木材内部孔隙度变化对粘接强度的影响
• 4.3.1 试剂与仪器
• 4.3.2 实验过程
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢