木材与玻璃纤维-铅箔材的胶合强度试验

耿耀宏 王逢瑚

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



木材与玻璃纤维-铅箔材的胶合强度试验

耿耀宏 王逢瑚

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

以异氰酸酯与白乳胶混合液为胶合剂，试验研究木材与纯铅(Pb)箔、木材与玻璃纤维(GF)强化Pb基复合箔材的胶合强度，分析胶合剂配比、Pb箔中GF质量分数对木材与Pb基复合箔材胶合强度的影响规律。结果表明：异氰酸酯与白乳胶所配胶合剂对木材与Pb箔有良好胶合作用，二者体积比为1∶1时，胶合强度最高，达到1.142 2 MPa；添加GF后，胶合强度均得到提高，随着Pb箔中GF质量分数的增加，先增加后降低，GF质量分数为1.5%时，胶合强度最高，为1.436 7 MPa。

夹芯结构木材；木基复合材料；玻璃纤维-铅复合箔材；胶合强度

木材作为可降解生物资源，广泛应用于家具、建筑、造纸等领域。然而，我国森林资源十分紧缺，如何实现木材的高效科学利用，成为亟待解决的问题[1-2]。木材/金属复合材料具有木质材料的低密度、高比强度的特点，同时具有金属的高强度、导电、电磁屏蔽性能等特性，实现了木材高性能化和功能化，成为木材发展的重要方向[3-5]。将金属粉或箔材通过填充、混杂以及覆盖等方式可以实现金属与木材的复合[4，6]，其中，将金属箔填充于两木材之间，形成层状夹层结构制备的木基功能复合材料，不仅可保持木制品特有的回归自然的表面装饰效果及保温等性能，还能赋予复合材料导电功能，可开发电磁波屏蔽、抗静电等新型导电功能木基复合材料产品[7-9]。铅(Pb)具有质软、原子密度大、阻尼性能优异等特性，是一种优良的隔声材料。在相同作用力激发下，铅所产生的噪声比其他金属小得多[10]。将Pb或Pb基复合材料与木材胶合，形成夹层结构的木材-Pb基复合箔材复合材料，该中材料具有抗辐射及隔音降噪的功效，可应用于建筑、家具以及特殊抗辐射环境领域。该种材料能否实际应用的关键是木材与Pb箔之间的胶合强度能否达到最低要求，为此，本文选择3种不同配比的胶种对木材与Pb进行胶合，对其胶合强度进行了测试，并对失效机理进行了分析；此外，选择4种成分的玻璃纤维(GF)强化的Pb基复合箔材为夹层金属箔材，分析GF质量分数对胶合强度的影响。旨在为实现木材的特殊功能性及增加木材附加值以及促进木基复合材料的应用提供参考。

1 材料与方法

原材料及试剂：木板、纯Pb箔、GF强化的Pb基复合箔材(GF-Pb箔)、异氰酸酯、白乳胶。胶合剂异氰酸酯与白乳胶由东北林业大学提供，纯Pb箔及GF-Pb复合箔材由哈尔滨工业大学粉末冶金课题组提供。选择GF质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的GF-Pb复合箔材，采用粉末冶金工艺与精轧制相结合的工艺制备，平均厚度为0.5 μm。将异氰酸酯与白乳胶按3种体积比例进行配比，作为胶合剂(见表1)。

表1 胶合剂种类及配比

胶合试样制备及检测方法按照GB/T 17657—1999执行。试样尺寸：长50 mm、宽50 mm、厚度6 mm，胶合面积1 000 mm2(见图1)。在木材万能力学试验机上进行胶合强度拉伸测试，每组试样测试3个有效试样。

图1 表面胶合强度试样实物图

2 结果与分析

2.1 胶合剂成分对胶合强度的影响

由图2可见：3种试样在拉伸变形初期，胶合强度随位移的增加缓慢增长，当位移增加到一定值后，曲线斜率增加，表面胶合强度随位移呈线性增长(如图2中2#曲线所示)；当拉伸位移达到0.74 mm后，表面胶合强度随位移变化呈线性增长趋势。强度值达到最大值后，Pb箔与木材发生分离，随后强度值急速降低。此外，从图2中1#曲线和2#曲线还可看出，当胶合强度降低到一定值后，出现拉伸屈服平台(如图2中虚线框所示部分)；随位移的增加，胶合强度保持不变，表明采用异氰酸酯与白乳胶作为胶合剂对木材与Pb箔有很好的粘合作用。

图2 胶黏剂配比对胶合强度的影响

对每种成分胶合剂粘接的试样测试3个试样，统计胶合强度值及算术平均值(见表2)。胶合剂成分对胶合强度有重要影响，随着胶合剂中异氰酸酯质量分数从30%增加至70%，试样胶合强度出现先增加后降低趋势，其中2#胶合剂50%的乳白胶和50%的异氰酸酯混合液所粘合的Pb箔与木板的胶合强度值最高(1.142 2 MPa)，1#胶合剂次之，3#胶合剂最低；但胶合强度均超出了国家规定的最低应用标准值(0.4 MPa)，满足实际应用要求。

表2 木材与纯Pb胶合强度 MPa

图3为2#试样拉伸破坏后的宏观形貌。由图3可见：试样破坏后，Pb箔完整的从木材表面脱离，仔细观察木材表面可以发现，约60%的胶合剂附着在木材表面，40%的胶合剂附着于Pb箔上，附着于Pb箔上的胶合剂在拉伸破坏时将木材表面部分木纤维“拔出”。从破坏形式看，该种胶合剂将木材与Pb箔牢固的粘合在一起。

图3 表面胶合强度试验破坏后试样宏观形貌

结合图2中的3种试样的拉伸曲线和图3中的破坏试样表面形貌，可以推断Pb与木材二者在拉伸过程中发生破坏分离的过程，主要分为4个阶段：第一阶段是从拉伸开始到胶合强度随位移线性增长起始阶段，此阶段拉伸强度随位移变化增长缓慢，木材与胶层、胶层与Pb箔之间结合紧密，此阶段无宏观裂纹产生。第二阶段是胶合强度随位移线性增加阶段，前两阶段拉伸过程中，Pb箔与木材通过胶合层结合紧密，宏观上无明显变化，但在此阶段，复合材料内部局部结合相对较弱的区域开始发生松动，产生微裂纹或微孔。第三阶段是拉伸应力达到最大值到急速降低阶段，当拉伸位移达到一定值后，拉伸应力达到复合板材结合最大强度，在前两阶段形成微裂纹或松动的区域，Pb与木材发生脱离，导致胶合强度迅速降低，而结合相对紧密的区域仍然未发生破坏。第四阶段是与木材已经发生分离的金属Pb发生塑性变形，而未发生分离的区域，此阶段粘合面积变化不明显，故在拉断后仍出现拉伸屈服平台现象。随着位移的增加，Pb发生加工硬化，强度增加，试样中未发生分离的粘合区域逐渐分离，同时扩展至邻近区域，材料的拉伸曲线表现为随着位移的增加胶合强度逐渐降低，最后Pb与木材发生完全分离，形成如图3所示拉伸破坏表面。

2.2 GF质量分数对胶合强度的影响

选择异氰酸酯与白乳胶各占50%的2#配比胶合剂对木材与4种成分的GF-Pb复合箔材进行粘合，对其胶合强度进行了测试，GF质量分数为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%时，胶合强度分别为1.184 3、1.352 6、1.436 7、1.265 4 MPa。与纯Pb相比，向纯Pb中添加GF后，胶合强度均提高。此外，随着GF质量分数的增加，木材与Pb基复合箔材的胶合强度出现先增加后降低的趋势，当GF质量分数为1.5%时，达到最大值(1.436 7 MPa)；GF质量分数为2.0%，胶合强度有所降低，这与GF增加导致GF-Pb复合材料内组织缺陷，尤其是显微孔洞数量增加有关。

通过对纯Pb箔及GF强化的Pb基复合箔材与木材的胶合强度的测试，胶合强度均达到行业规定应用值；通过对拉伸试样表面形貌的观察也得出一致结论。本研究中胶合试样结构可简化为图4结构，主要由3层组成：木板、胶黏剂层、Pb箔。影响该结构胶合强度的主要因素有三方面：Pb箔的强度、Pb箔与胶合剂的结合强度、木材与胶合剂的结合强度。根据对拉伸断口分析可看出，拉伸变形过程中Pb箔未发生撕裂或破坏，整体与木材发生分离，表明Pb箔的强度对本试验的胶合强度影响不大。因此，胶合剂层与Pb箔结合界面的强度、胶层与木材之间结合界面的强度，是影响木材与Pb箔胶合强度的2个主要因素。

图4 层状木材-Pb复合板材结构示意图

3 结论

选用的3种胶合剂配比，以异氰酸酯与白乳胶混合液为胶合剂，木材与Pb箔的胶合强度均超出应用标准值，其中：异氰酸酯与白乳胶各占50%的配比时，木材与纯Pb的胶合强度最大，达到1.142 2 MPa。

GF质量分数对木材与Pb基复合箔材的胶合强度有明显影响，添加GF后，木材与Pb箔的胶合强度得到提高。随着GF质量分数的增加，胶合强度出现先增大后减小的趋势，GF质量分数为1.5%时，达到最大值1.436 7 MPa。

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Bonding Strength Test of Wood-GF/Pb Sandwich Plates//

Geng Yaohong, Wang Penghu

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(10)：88-90.

In order to increase the bonding strength of the wood-Pb foil composites, we studied the bonding properties of the wood-Pb and wood-Pb composites reinforced GF, and discussed the optimum ratio of isocyanates to emulsion adhesive and effect of GF content on the bonding strength between wood-GF/Pb sandwich plates. When the volume ratio between isocyanates and emulsion adhesive is 1∶1, the bond strength is highest, reaching 1.142 2 MPa. The bonding strength of the wood-Pb composite is increased with the addition of GF. The bonding strength is increased firstly, and then decreased with the increasing of content of GF. When GF content is 1.5% in weight, the bonding strength is up to a maximum of 1.436 7 MPa.

Wood-based composites； Bonding strength； GF； Isocyanates

耿耀宏，女，1963年9月生，东北林业大学材料科学与工程学院，博士研究生；现工作于哈尔滨工业大学(威海)船舶与海洋工程学院，副教授。E-mail：yaohongg@hit.edu.cn。

2016年5月26日。

S781.65

责任编辑：张 玉。