木材胶粘剂内聚强度发展标准试验方法 ASTM D 7998-19

摘要

我们介绍一种用于快速且更一致地评估木材胶粘接头干态和湿态强度的方法，即 ASTM D7998-19。该方法还可用于提供强度随温度和时间发展的情况，或高达 250 °C 时的强度保持性能信息。

摘要

由于胶黏剂中的水分和其他组分在固化过程中会向木材中流失，木材本身会影响胶黏剂的固化过程，同时胶黏剂渗透还会改变木材界面相的性质，因此难以研究固化后木材胶黏剂的性能；故而对纯胶膜进行常规测试通常并无实际意义。大多数木材胶黏剂粘接强度的测试方法耗时较长、劳动强度大，且结果易受木材本身影响，无法提供有关固化动力学的信息。然而，ASTM D 7998-19 测试方法可用于快速评估木材粘接强度。采用光滑、均匀且强度高的木材表面（如枫木贴面）并施加足够的粘接压力，可降低粘附作用和木材强度对粘接强度的影响。该方法主要有三个应用：第一，提供粘接强度发展过程的一致性数据；第二，测定搭接剪切试样在干燥和湿润状态下的强度；第三，通过快速评估热敏感性，区分热软化与热降解，从而更好地理解胶黏剂的耐热性。

引言

木材胶接是最大的单一胶粘剂市场，促进了森林资源的高效利用。数百年来，除家具制造外，大多数应用均直接使用实木，除产品在使用中的耐久性外，没有其他测试标准。然而，随着胶合板和胶合木梁等胶接木材产品的出现，开始采用生物基胶粘剂^1,2。尽管这些产品在当时已令人满意，但随后以含甲醛的合成胶粘剂取代大豆、酪蛋白和血液胶粘剂，使性能得到提升。这些新型胶粘剂性能更高，促使制定了比大多数生物基胶粘剂所能达到的更高性能要求的测试标准。合成胶粘剂还实现了对各类木质颗粒的胶接，包括将锯末制成刨花板、将纤维制成不同密度的纤维板、将木片制成定向结构刨花板和平行木片层积材、将单板制成胶合板和单板层积材，以及指接材、胶合木、交叉层积材和工字木搁栅³。每种产品均有其特定的测试标准⁴。因此，开发一种新型胶粘剂可能需要大量的配方工作和广泛的测试，以确定其是否具备达到足够强度的潜力。这种耗时的测试过程，以及木材性能和木材胶接本身的复杂性⁵，限制了新型胶粘剂的发展。此外，胶粘剂在木材表面之间固化时的力学性能，可能与其纯态固化时不同⁶。与木材接触固化时，胶粘剂中的水分和低分子量组分可能发生逸失，同时胶粘剂与木材之间还存在复杂的界面及化学相互作用^3,7。

自动胶接评估系统（ABES）的开发对于理解木材胶粘剂的强度发展非常有帮助，因为它操作快速且简便^8,9,10。该系统是一个集成化装置，可制备搭接剪切试样，并测量在拉伸载荷下破坏胶接所需的作用力。由于其应用价值，已推动了采用该系统的ASTM方法D7998-19的制定¹¹。尽管该系统最初设计用于测量胶粘剂强度随温度和时间的发展变化，但它也可用于测量固化后胶粘剂的耐热性，以及进行常规的胶接强度评估。尽管ABES测试是一种非常有用的初步筛选工具，但与其他测试方法一样，它也存在一定的局限性，不能替代所有针对特定产品的强度和耐久性测试。

尽管有许多方法可用于评估胶粘剂的固化特性，从凝胶时间流变法到差示扫描量热法、动态力学分析以及多种类型的光谱学方法，但只有ABES方法能够测量机械强度的发展。这需要一种能够精确控制加热、冷却以及原位拉伸测试的仪器¹¹。

方案

1. 底物的制备

1. 选择适合应用的基材表面。对于木材，应使用可靠供应商提供的厚度约为 0.6 至 0.8 mm 的旋切单板，因为这些单板常用于胶合板和单板层积材（LVL）的生产。从单板供应商处获取厚度为 0.6 至 0.8 mm 的板材，并将其裁切成边长为 305 mm 的正方形。硬枫木（Acer saccharum）表层单板是一种稳定的基材选择，因其表面光滑、厚度均匀，且属于散孔材和高模量硬木。枫木表层单板常用于橱柜制造，通常无缺陷。
2. 使用前，将木材单板在未堆叠状态下于 21 °C 和 50% 相对湿度（RH）条件下调湿至少一天。应避免使用过度翘曲、表面不平整或存在变色等缺陷的单板。
   注意：也可使用其他木材种类以评估胶粘剂在这些木材上的粘接性能。但推荐使用导管孔分布均匀的散孔硬木以及早材向晚材过渡平缓的软木，因其结构更均匀。需注意木材可能呈酸性或碱性，或表面含有可影响胶粘剂固化过程的抽提物。此外，从伐木到单板加工的整个处理过程也可能影响粘接强度^12,13。由于 ABES 测试所用木材量较少，相较于其他测试方法（如木材含水率和单板裂纹深度），其受木材变异的影响较小。
3. 确保单板边缘无松散纤维，且粘接产物无明显胶粘剂挤出，因为在测试过程中样品不会进行粘接后的修整处理，上述情况可能导致粘接强度被高估。

2. 样品制备

1. 将木材试样在 21 °C 和 50% 相对湿度条件下调节至少一天。检查单板是否存在裂缝、变色或纹理不规则等缺陷，以便在切割试样时避开这些区域。
2. 确保气动驱动的试样切割装置处于正常工作状态。
3. 使用专用冲模从厚度为 0.6 至 0.8 mm 的枫木单板上切割出尺寸为 20 mm × 117 mm 的试样（图 1，材料表）。
   1. 将一块至少 150 mm × 300 mm 的单板放置于切割刀具下方，使单板纹理方向与长边方向平行，按下气压按钮，切割出每块 20 mm × 117 mm 的木材试样。
   2. 将单板移至切割刀具下方未切割的区域，再次按下按钮切割下一块试样。重复此操作，直至整块单板全部被切割完毕。
      注意：如果试样的长边方向与木材纹理方向不平行，在测试过程中，胶合区域以外的木材可能发生早期断裂。
4. 对于非木材材料，应采用适当的加工方法切割试样。若材料无法使用试样切割器进行切割，可采用其他适用工具将其加工至所需尺寸。由于胶合面积较小，切割必须精确，且试样边缘及胶合表面应无任何碎屑或残留物。

3. 仪器设备的可操作性

1. 进行粘接过程时，确保 ABES 设备按照标准操作规程¹¹正常运行。ABES 设备前方面板上用于样品粘接和断裂的设置参数为：LP Press 0.2 MPa，HP Press 0.2 MPa，Pull 0.65 MPa，Cool Air 0.2 MPa。
2. 气源压力应至少为 0.62 MPa (90 psig)，因为压力过低会导致夹持钳和压板关闭过慢或不均匀，从而导致粘接强度测量结果不准确（图 2，上图）。
3. 清除压板上因前一个样品溢出而残留的胶黏剂。将压板温度调节至所需温度，并在粘接样品前使其达到平衡状态。
4. 进行木材粘接时，应在温度为 21 °C、相对湿度为 50% RH 的环境中操作设备。若无法满足此条件，应将已调节好状态的试样置于塑料袋中，直至开始粘接，以避免因试样尺寸较小而导致木材含水率快速变化。
5. 为获取固化动力学数据，应设计实验方法，确保机械和电子系统的响应速度足够高，以准确采集数据，具体要求如 ASTM D7998-19¹¹ 所述。

4. 使用粘合剂粘接样本

注意：由于木材胶粘剂的黏度和固含量差异较大，从胶合板用层压胶粘剂到可用于粘结剂应用的可喷涂胶粘剂不等，因此施胶是木材胶粘剂应用中的一个关键问题。木材胶粘剂通常为水基体系，因此蒸发仅是一个次要问题。然而，水分渗入多孔木材则至关重要。

1. 在待研究的粘合剂中取5 mg，均匀涂布于末端0.5 cm处，确保覆盖整个粘接区域，并能顺利转移至另一试样，但避免过度挤出。为获得相对恒定的涂胶量，先将木材试样置于天平上归零，涂胶后重新称重。
2. 在涂布粘合剂、重叠试样以及确保两试样对齐时需格外小心，因为所用粘接面积较小，强度以粘接区域所承受的拉力计算（图2底部）。可使用不同粘接面积，但由于搭接剪切试验的力学特性存在差异，所得强度值不一定具有可比性。
   注：文献中根据粘合剂稠度推荐了多种涂胶方法。最初推荐使用专门设计的微喷装置¹⁰，但该方法操作 messy、速度慢，且高度依赖粘合剂的流变性能。尽管该方法以离散点状方式施胶，类似于刨花板和定向结构刨花板中使用的胶粘剂施加方式，但印刷法似乎更为可靠¹⁴。微量移液器法可提供可重复的粘合剂量¹⁰，但均匀分布较困难。刮刀法在实现粘接区域粘合剂均匀分布方面效果最佳，建议配合使用微量天平以精确控制施胶量¹¹。
3. 最终强度数据
   1. 在120 °C下热压2分钟完成粘接，随后在21 °C、50% RH条件下调节过夜，因为在热压过程中木材会失水干燥。粘接时，通过闭合ABES测试仪的夹具将试样固定，确保试样与测试仪对齐。然后按下仪器启动按钮，使120 °C的压板对重叠部分加压2分钟，之后压板回退，夹具松开，即可取出试样。
      注：固化时间和温度由具体应用及粘合剂化学性质决定。应通过不同温度和时间组合优化粘接工艺，使强度达到最高平台期，从而确定最佳强度条件。对于木材粘接，测定干态剪切强度具有价值，但湿态测试通常更能反映粘合剂的耐久性，需将试样在室温水中浸泡4小时后再进行测试。
   2. 测试时，闭合ABES测试仪夹具将试样固定，确保试样与仪器对齐。按下启动按钮后，仪器通过伺服驱动装置拉动试样一端，而另一端则通过连接在夹具上的载荷传感器受力，持续拉伸直至粘接处断裂。计算机记录试样所能承受的最大拉力，该值即为粘接强度。
      1. 干态和水浸泡试样均采用相同测试程序。测量断裂力时，需确保夹具牢固夹紧木材，以防粘合剂强度过高导致木材滑移。若试样在粘接区域外断裂，应舍弃该数据，因其反映的是木材自身强度而非粘合剂性能。
4. 粘接强度发展动力学
   1. 测定粘合剂的强度发展速率，以估算大规模产品所需的压机时间。操作步骤与4.3相同，但需改变温度和时间参数。起始压板温度设为100 °C，粘接时间依次为10、30、60、90、120、150、180和210秒。随后每次升高温度10 °C，重复上述时间序列，直至低粘接时间下强度-时间曲线不再呈现线性增长段。
   2. 粘接完成后，回退压板，并利用ABES的风冷功能将试样冷却至接近室温，然后测定其强度。通过从较短压合时间开始，逐步增加后续试样的压合时间，收集强度随时间变化的数据，直至延长压合时间不再显著提升强度。随后在更高温度下重复该序列，可获得强度-时间关系曲线，其斜率即为固化速率（图3）。
      注：图3a¹⁰中酚醛粘合剂数据展示了不同时间下温度对强度发展的影响。图3b显示了回归得到的等温强度发展速率与温度的关系。为获得等温条件下的强度发展数据，测试前需对试样进行冷却。少数粘合剂（如脲醛树脂¹⁵）在开始降解前存在最佳粘接时间和温度，本方法可检测此类问题并确定最优条件。
5. 耐热性
   1. 若产品需满足特定耐温要求，可将已粘接试样夹持于ABES装置中。当压板加热至目标温度（例如220 °C，高于木材开始降解的温度）后，闭合压板对预粘接试样加压2分钟，随后打开并按4.3.2步骤测定粘接强度，以评估粘合剂在高温下的软化情况（相对于120 °C粘接温度）。
   2. 重复该测试，但将压板闭合时间延长至30分钟，之后测定强度，以评估粘合剂是否发生热降解。释放压板并测试强度，可判断试样在加热前后的耐热性能变化。此类方法已被用于木材粘合剂测试¹⁶。由于ABES具备快速加热能力，且可在高温状态下直接测强而无需转移试样至其他设备，因此可用于区分两种失效模式（即热软化或化学降解）。热软化在加热后立即导致强度下降，通常可逆；而化学降解在高温下随时间逐渐发生，冷却后无法恢复力学性能。
      注：粘合剂制造商需区分强度损失源于热软化还是化学降解，因二者需采取不同的解决方案。尽管存在多种可测定软化转变的方法（包括其他热分析技术），但这些方法无法区分力学性能变化与化学结构变化。

5. 粘接失败表面的图像分析

1. 由于主要目的是测定胶粘剂的粘接强度或内聚强度的发展速率，因此需确保破坏发生在胶粘剂内部，而非发生在胶粘剂与基材的界面（图4）或基材本身发生破坏。如果发生基材破坏，则说明胶粘剂具有足够的强度。相反，胶粘剂本体内的内聚破坏则表明胶粘剂本身强度不足。然而，区分界面粘附破坏与胶粘剂中间相破坏可能较为困难¹⁷。目前已开发出多种用于木材分析的方法¹⁸。

结果

该方法已在林业产品实验室广泛用于研究蛋白质胶粘剂。研究发现，湿态胶合强度低于2 MPa时，不足以支持进一步的木材胶粘剂测试；而高于3 MPa则表明具有进一步测试的前景¹⁹。该方法已被证明可用于展示木材加工条件的敏感性^12,13。更多实例可参见Frihart的出版物⁷。该方法的精密度和偏差已通过研究确定（研究报告RR:D14-1018），并在ASTM D7998-19中进行了总结¹¹。

讨论

该实验流程中的关键步骤如下：底物的选择、样本的制备、设备的操作性以及样品的键合。

基材必须具有足够的强度，且缺陷最少（表面光滑、平整，无裂纹和变色）。推荐使用未砂磨的旋切硬木饰面板，木材为散孔材，首选糖槭（Acer saccharum）。砂磨会形成更不均匀且更破碎的表面⁷。将饰面板在21 °C和50%相对湿度条件下调节至少一天后，裁切出一条尺寸为20 mm × 117 mm的试条。通常将5 mg胶粘剂均匀涂布于一条木条端部5 mm的区域。将热压板加热至120 °C，将涂胶试条与另一条试条在ABES中热压2分钟，搭接长度为5 mm，热压板闭合以形成搭接剪切试样。从ABES装置中取出搭接剪切试样后，需先进行过夜调节，然后使用ABES装置测试其强度（一半试样在环境条件下测试，另一半试样在水中浸泡后测试）。测量胶接强度时，破坏必须发生在胶接区域内。有关设备规格的完整细节见ASTM标准¹¹。

该方法对于评估木材胶粘剂在不同温...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
胶粘剂	用户自备
天平	普通供应商
Mark II 自动化粘接性能评估系统（ABES-II）	Adhesive Evaluation Systems Inc
气动驱动样品切割装置	Adhesive Evaluation Systems Inc
普通刮刀	普通供应商
木材供应 – 硬枫木	Besse Forest Products Group