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研究报告及专论 2008年4月 聚氨酯胶粘剂对木材胶接机理研究I冰 机械互锁作用对粘接强度的影响 赵殊 ,宋经纬 ,王胜龙 ,顾继友 (1.黑龙江省阻燃材料分子设计与制备重点实验室,东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040; 2.东北林业大学材料科学与工程技术学院,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:用光滑及砂纸打磨的高密度聚乙烯(HDPE)板模拟木材,用聚氨酯胶粘剂粘接PE板,测出PE胶合板的 粘接强度,用表面粗糙的PE胶合板的胶接强度减去表面光滑的PE胶合板的粘接强度,得到机械互锁作用的粘接 强度及机械互锁作用对胶接强度的贡献。结果表明,粘接强度随PE板表面粗糙度的增大而增加,揭示了胶接的机 械互锁作用机理。 关键词:粘接强度;机械互锁作用;聚氨酯胶粘剂 中图分类号:TG491 文献标识码:A 文章编号:1001—5922(2008)04—0013一o4 1 前言 eLwis碱性,PE板与聚氨酯胶粘剂也没有界面酸碱 在固化后的胶粘剂内聚强度足够高的情况下, 作用。所以PE板与聚氨酯胶粘剂没有化学作用,其 木材与胶粘剂的粘接强度与粘接界面的作用力直接 间的物理作用可用光滑的PE板的粘接强度扣除,研 相关。对于任何一种粘接体系,都要用多种粘接机 究机械互锁作用对粘接强度的影响。用光滑及砂纸 理来解释,只用某一种机理来解释都是片面的。现 打磨的高密度聚乙烯(HDPE)板模拟木材,用聚氨酯 今普遍认同的粘接机理有5、6种,有人对润湿与吸 胶粘剂粘接PE板,测出PE胶合板的粘接强度,用表 附作用 、界面共价键结合(基于此机理开发和应用 面粗糙的PE胶合板的胶接强度减去表面光滑的PE 了偶联剂 )、静电作用 ;界面酸.碱作用 。J、界 胶合板的粘接强度,分别计算出机械互锁作用的粘 面机械互锁作用 和界面扩散作用 等机理作过详 接强度及机械互锁作用对粘接强度的贡献,研究表 细的实验研究。这些粘接机理有严重的相互交叉, 面粗糙度对胶接强度的影响,考查机械互锁作用的 如静电作用、氢键作用以及范德华力中的偶极作用 粘接机理。 都应该归属于的广义酸碱作用。润湿与吸附作用是 粘接的基础,也是界面色散、界面酸碱、界面共价结 2实验部分 合和界面扩散的综合作用。因此,可以把粘接机理 样品:异氰酸根质量分数分别为5.3%、7.0%、 分成3大类:界面物理作用(包括界面色散作用和界 13.0%和19.6%的聚氨酯胶粘剂(用PEG一1000和 面扩散作用);界面化学作用(包括界面酸碱作用和 TDI在实验室制备);高密度PE板。 界面共价键结合作用);界面机械互锁作用。 仪器:RGT-20A万能力学试验机(深圳Reger仪 将木材与胶粘剂之间粘接的界面化学作用、界 器公司),偏光显微镜。 面物理作用和界面机械互锁作用等分开来研究各种 试验方法:将PE板切成100 mm×25 mm的标 作用对胶接强度的影响,对研究木材的胶接机理及 准件,分别用80、120、150、240目数的砂纸单向均匀 木材胶粘剂的分子设计有着重要的意义。 打磨2 rain,与光滑PE板备用。为使PE板热压时聚 本实验选取PE板材模拟木材,用聚氨酯胶粘剂 氨酯胶粘剂的反应固化条件与粘接木材单板时一 粘接得到PE胶合板,因为PE板与聚氨酯胶粘剂不 致,施胶前向聚氨酯胶粘剂中加入5%的水。将一块 发生化学反应、不能形成氢键,PE板表面酸常数 PE板单面涂以160 g/m 的聚氨酯胶粘剂,涂胶面积 和碱常数 均为0,说明PE既无Lewis酸性也无 为25 mm×25 mm,涂胶处用另一块PE板压合后,在 收稿日期:2007一l2—04 作者简介:赵殊(1956一),女,教授、博士,从事胶粘剂、液晶高分子的研究,发表学术论文30余篇。 国家”十一五”科技支撑计划课题资助(2006BAE03B06)。 粘接Adhesion in China 13 维普资讯 http://www.cqvip.com
赵殊.等:聚氨酯胶粘荆对木材胶接机理研究l——机械互锁作用对粘接强度的影晌 第29卷镍4掘 1 MPa、100℃下热压3.5 min,室温下放置24 h。然 后用万能力学试验机测试试件的剪切强度,每个样 作用对粘接强度的影响。本实验设计可以将已设定 的不同粗糙程度的板材与胶粘剂之间的机械互锁作 品测试4个试件,得出数据取平均值。 3 结果与讨论 用求出来。表1给出的是表面光滑PE胶合板的剪 切强度,而PE板经打磨后粘接表面积必然增大,要 计算出打磨后的真实粘接面积,根据表1所得数值 3.1 不同质量分数的异氰酸根聚氨酯胶粘剂与表 面光滑的PE胶合板剪切强度 表1给出了不同质量分数的异氰酸根聚氨酯胶 粘剂与表面光滑的PE胶合板剪切强度。 Tab.1 Shearing strength of surface—smooth PE plywood 表1表面光滑PE胶合板的剪切强度 异氰酸根质量分数/% 5.3 7.0 13.0 19.6 剪切强度/MPa 0.14 0.17 0.46 0.53 因为PE板的表面呈中性,与聚氨酯胶粘剂无界 面酸碱作用,也不发生共价结合作用,而且光滑PE 板胶接后无机械互锁作用,所以PE胶合板的剪切强 度主要由物理作用决定。表面光滑PE胶合板剪切 强度随聚氨酯胶粘剂中异氰酸根含量的增加而增 大,这是因为聚氨酯胶粘剂中异氰酸根含量越高,聚 氨酯胶粘剂固化后的交联密度就越大,在界面聚氨 酯胶粘剂与PE板能够发生相互作用的原子对数就 越多,界面的色散作用增大,使界面物理作用增加, 导致剪切强度增大。 3.2不同质量分数的异氰酸根聚氨酯胶粘剂与不 同表面粗糙度的PE胶合板剪切强度 不同表面粗糙度的PE胶合板的剪切强度见表2。 Tab.2 Shearing strength of surface—rough PE plwyood 表2表面粗糙的PE胶合板的剪切强度/MPa 从表2可见,PE胶合板的剪切强度随PE板材 粗糙程度的增加而增大,也随聚氨酯胶粘剂中异氰 酸根含量的增加而增大。 3.3 机械互锁作用对粘接强度的贡献 人们对于影响胶合板粘接强度的主要原因是有 共识的,关键是过去人们无法从总的粘接强度中单 独将机械互锁作用分离出来,定量地研究机械互锁 14粘接Adhesi0n in China 为基础,通过计算得出真实粘接面积下的剪切强度, 将其扣除后即得到完全机械互锁作用的粘接强度。 打磨的PE板经偏光显微镜观察其剖面如图1 所示。 孙 、,/ Fig.1 Surface groove structure of bumished PE board and actual surface area 图1 打磨PE板表面沟槽结构及实际表面积 假设打磨的PE板沟槽宽度、深度及沟槽间距离 定,用偏光显微镜放大100倍观察到的沟槽宽度 w、深度D及沟槽间距离L的数值,计算出沟槽斜边 s值,即可计算出每个单元相对于真实边长的增加 值,计算出打磨PE板表面积相对于光滑PE板的增 加比例,求出由于打磨使表面积增加引起胶接强度 的增值。 不同砂纸打磨的PE板的w、D、L数值如表3所 示: Tab.3 Size of groove and space for burnished PE board surface 表3打磨PE板表面沟槽、间距值 经计算,不同砂纸打磨PE板的表面积增大倍数 及相对应的剪切强度增值如表4所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究报告及专论 Tab.4 Sheanng strength resulted by surface—area increasing for burnished PE plywood 表4打磨PE胶合板按粘接表面积增加的剪切强度/MPa PE打磨用粘接表面积 异氰酸根质量分数/% 砂纸/目扩大倍数5.3 7.0 13.0 19.6 扣除表4按粘接表面积增加的剪切强度,求出 PE胶合板只有机械互锁作用的剪切强度,数据见表 5。 Tab.5 Sheanng strength resumed by anchodng effe ̄ for PE plwyood 表5 PE胶合板机械互锁作用的剪切强度/MPa 从表5数据可见,机械互锁作用的剪切强度随 PE板表面粗糙度的增加而增大,证明了机械互锁作 用对胶接强度的影响。对于不同目数砂纸打磨的 PE板材,随着胶粘剂中异氰酸根含量的增大,胶粘 剂本身固化后的强度也增大,所以在与PE板材的毛 茬形成了铆接作用后机械互锁强度也增大。不同目 数砂纸打磨的PE板材在胶粘剂中异氰酸根质量分 数低于13%时,异氰酸根含量增加对机械互锁作用 的影响不显著。机械互锁作用对胶接强度的贡献即 机械互锁作用的胶接强度占总胶接强度的质量分数 列于表6。 Tab.6 Contribution of anchoring effect towards adhesion strength 表6机械互锁作用对粘接强度的贡献/% 2008年4月 从表6可见,由砂纸打磨的PE胶合板其机械互 锁作用对胶接强度的贡献随PE板表面粗糙度的提 高而增加。而且,PE板的表面越粗糙(80和120目 打磨),异氰酸根含量越低,机械互锁作用对胶接强 度的贡献越大。这是因为胶粘剂中的异氰酸根含量 越低,软段越长,胶粘剂的分子链段越柔顺,当胶接 件被破坏时,在与粗糙表面粘接的界面处的分子链 段运动会吸收更多的能量。用240目砂纸打磨的 PE板,其表面接近光滑的PE胶合板,在异氰酸根质 量分数低于13%时,机械互锁作用的胶接强度极小。 4 结论 以表面酸碱常数为零的不同打磨处理的PE板 用聚氨酯胶粘剂热压制备胶合板,测得光滑PE板及 砂纸打磨PE板的胶合板剪切强度,计算出PE胶合 板完全机械互锁作用的剪切强度和机械互锁作用对 剪切强度的贡献。评价了PE板表面粗糙度和胶粘 剂中异氰酸根含量对胶合板粘接强度的影响。结果 表明,对于异氰酸根含量相同的胶粘剂粘接的PE胶 合板,PE胶合板的粘接强度随PE板的粗糙度增加 而增大,表明机械互锁作用对粘接强度的影响,在测 试的胶接件中,机械互锁作用的贡献都在总的胶接 强度的30%以下。对于表面粗糙度相同的PE板, 其胶合板的粘接强度随胶粘剂中异氰酸根含量的增 加而增大。 参考文献 [1]Fowkes F M,McCarthy D C,Mostafa M A.Contact angles and the equilibrium spreading pressures of liquids on hydro— phobic solids[J].Journal of Colloid and Interface Science, 1980,78(1):200—206 [2]Plueddemann E P.Silane coupling agents[M].New York: Plenum Press,1982. [3]Horn R G,Smith D T,Grabbe A.Contact electirifcation in— duced by monolayer modiifcation of a surface and relation to acid—base interactions fJ].Nature,1993,366:442—443 [4]Santos Jmrea,Fagelman K,Guthrie J T,Characterisation of the surface Lewis acid—base prope ̄ies of y(butylenes terephthalate)by inverse gas chromatography[J].Journal fo Chromatorgaphy A,2002,969(1—2):111—118. [5]Santso Jmrea,Fagelman K,Guthrie J T Characterisation of the surface Lewis acid—base properties of the components of pigmented,impact—modified,bisphenol A polycarbonate—PO— ly(butylene terephthalate)blends by inverse gas chromatog— raphy—phase separation and phase preferences[J].Journal fo Chromatography A,2002,969(1—2):119—132. [6]Sands Jmrca,Guthrie J T.Study on a core—shell type impact 粘接Adhesion in China 15 维普资讯 http://www.cqvip.com 赵殊。等:聚氨酯皎粘剂对木材皎接机理研究l——机械互锁作用对粘接强度的影响 第29卷第4期 modiifer by inverse gas chromatography[J].Journal of 44l9—4423. Chromatography A,2005,1070(1—2):147—154. [8]Rudolf Wiechmann.Experiences with peel strength[J]. [7]Liang H,Xu R J,Favis B D,et a1.Surface modiifcation Circuit World,2006,32(3):30—39. strategies for muhieomponent polymer systems,VI:acid— [9]Iyengar Y,Erickson D E.Role of adhesive—substrate compat— base interactions as a strategy for interracial modiifcation in ibility in adhesion[J].J.App1.Polymer Sci.,1967,11 immiscible polymer blends.[J].Polymer,1999,40(15): (11):2311—2324. Study on adhesion mechanism between wood and polyurethane adhesive I Effect of anchoring effect on adhesion strength ZHAO Shu ,SONG Jing—wei ,WANG Sheng—long ,GU Ji-you (1.Flame Retardant Materials Molecule Design and Preparation Key Laboratory of Heilongjiang Province, Northeast Forestyr University,Harbin,Heilongjiang 150040,China; 2.Material Science and Engineering College,Northeast Forestyr University,Harbin,Heilongjiang 150040,China) Abstract:The research iS related to detect the anchonng effect which contributed in the whole adhesion strength of plywood of polyethylene board.Using polythylene(HDPE)board to simulate wood and polyurethane adhesive to bond the PE plywood the adhesion strength of the plywood was determined.The adhesion strength resulted by the anchoring effect was gained from the difference between the adhesion strength values of surface..smooth and sand paper bur.. nished PE plwyoods.The resuhs showed that the adhesion strength of PE plwyood increased with increasing of rough— ness of PE board.it revealed the adhesion mechanism of anchoring effect. Key words:adhesion strength;anchoring effect;polyurethane adhesive 夸参专夸夸夸夸牵夸专夸夸 夸夸 专夸专专夺专专专专夸夺专 专专专专夸夺专夺专夸夸专夸夸啼 氟硅橡胶与聚酯织物的粘接 氟硅橡胶和聚酯(PET)织物都属比较难粘的材料,聚酯织物须经水解处理(2O%NaOH水溶液,23℃,1h),水解、洗涤、晾干 后的聚酯织物表面引入了羟基,能与硅烷水解生成的羟基反应。以乙烯基三乙氧基硅烷作为胶粘剂,可以显著地提高氟硅橡胶 与聚酯织物粘接的粘接强度,T型剥离强度可达4.2 kN/m,而聚酯织物未经处理仪为0.35 kN/m。 纳米技术实用化进程加速 纳米技术已被许多国家列为世界性、先导性高技术,利用它提升塑料、橡胶、涂料、胶粘剂、新材料等产业,可带来巨大的经 济效益和社会价值。今天看似是神话的产品,不久都将可能变为现实。塑料、涂料、胶粘剂的传统改性方法是添加弹性体来提高 韧性,但却使刚性、耐热性、流变性等降低,成本也有所增加。而采用纳米碳酸钙实现无机/有机纳米杂化,不仅能增韧、增强,且 不降低刚性、耐热性,还能增加阻燃性、降低成本。纳米技术在胶粘剂中的应用也在不断深化,前景诱人,加入纳米碳酸钙/二氧 化 氧化铝,可制得强韧兼备的高性能环氧树脂结构胶粘剂;加入纳米二氧化硅和纳米碳酸钙已制得纳米复合硅酮结构胶;环 氧胶粘剂中加入碳纳米管,可提高韧性、硬度、强度和抗静电性等。 首套富勒烯装置投运 2008年1月17日,国内首套燃烧法制备畜勒烯实验装置,在中橡集团炭黑工业设计研究院自贡基地投运,打破了国外对富 勒烯燃烧法制备技术的垄断,将为我国富勒烯科学研究和工业化应用提供新材料。碳纳米材料是纳米科技的主要研发方向,富 勒烯则是碳纳米材料主要开发品种。富勒烯又称碳纳米球,是碳元素的第3种晶体结构(球烯),由于其特殊的结构和性质,富 勒烯及内嵌富勒烯在电学、光学、磁学、生物学等方面具有特殊功能,广泛应用于太阳能电池、高能电池、超导器件、新材料和石 油化工等领域。 阿科玛EVA新牌号面市 法国阿科玛公司已向市场推出高VA含量的EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物)新牌号Evatane XO601,兼具VA含量高和熔体 指数小的显著特点。与标准40%VA含量的EVA相比,新牌号具有更好的力学性能,加工流动性好,熔体流动速率(MFR)小于 3.0 g/10 min,并且非常耐油。EVA主要用作EVA型热熔胶的主要原料,也用作黏度调节剂,能降低聚酯热熔胶的黏度。 (李子东摘编) l6粘接Adhesion in China