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

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。

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