兴安落叶松胶合木胶黏剂的选择∗

朱建伟 金银慧 谭 民 闫培英 刘晓娜

按照推进结构性改革和新型城镇化发展的要求，国家决定大力发展装配式建筑，推动产业结构调整升级，这一政策为木结构建筑产业的发展带来了难得的机遇。在木结构建筑中，结构用胶合木的地位至关重要，它直接关系到建筑物的安全。因此，大力研究结构用胶合木将极大地促进木结构建筑的产业升级。近年来，我国部分科研院所和生产企业对胶合木进行了大量研究，发现在我国现有的树种中，落叶松强度高、致密性好、耐腐蚀，是理想的结构材料，制造的结构用胶合木在各项重要指标中优于其他材种，且落叶松在我国蓄积量大，又是人工造林的主要树种，因此，选择落叶松胶合木作为试验对象。在木结构建筑中，结构用胶合木需要承载荷载，不但要求强度高，且必须适应周围环境。影响胶合木强度有很多要素，其中胶黏剂是重要因素之一[1-2]。相关研究人员[3-5]已对不同树种和不同胶黏剂的使用做过研究，表明其胶合性能存在较大差异，但关于胶黏剂的选择缺乏相关数据。目前胶黏剂品种很多，质量方面良莠不齐，即使是同一种类胶黏剂，因成分不同，性能也存在较大差异，因此，很难选择合适的胶黏剂，进而导致胶合木的性能不稳定。

该试验选择胶合木生产企业常用的4种结构胶黏剂，即单组份聚氨酯（PURd）、双组份间苯二酚（苯酚-间苯二酚-甲醛胶黏剂，简称PRF）以及来自两家企业的双组份异氰酸酯（MDI-A和MDI-B），依据GB/T 26899—2011《结构用集成材》[6]从耐久性和力学性能方面验证不同胶黏剂对落叶松胶合木胶合强度的影响，为后期胶黏剂的选择提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

层板选用兴安落叶松（larix gmelinii），含水率为8%～12%。按照胶合木表层材选材，尺寸：1 000 mm（L）×100 mm（W）×25 mm（T）。试验设备：圆锯（MJ105A,河南黄河旋风股份有限公司）、压机（山东临沂中恒机械厂）、万能力学试验机（INSTRON-3582）等。

四种结构胶黏剂的相关参数见表1，其中MDI-A与MDI-B是由不同企业生产的同种类型的胶黏剂。

1.2 试验方法

1.2.1 落叶松胶合木制备

锯材经锯解、干燥加工成标准规格的四面光锯材，尺寸是1 000 mm(L)×100 mm(W)×25 mm(T)。根据表2胶合木制备工艺参数进行加压胶合，其中表2胶合工艺参数均是由企业提供的胶黏剂使用说明得到。卸压之后需陈放养生24 h。因木材特征、胶黏剂和胶合工艺是影响胶合性能的主要因素之一[7]，故胶合木制备过程中，为了防止其他因素的干扰，胶合工艺一定要根据实际要求进行，尽可能达到最大胶合强度。

1.2.2 胶合性能的测试

胶合性能试验根据国家标准GB/T 26899—2011《结构用集成材》[6]测试，包括胶层剪切试验和浸渍剥离试验。根据标准要求加工剪切试样和剥离试样。剪切试验包括层板层积方向测试和层板宽度方向测试，计算剪切强度和木破率。浸渍剥离试验包括常温浸渍剥离、煮沸剥离和减压加压剥离测试，计算总剥离率和单一胶层最大剥离率。每组测试取5个重复样，最终结果取平均值。浸渍剥离试验方法[6]如下：

表1 胶黏剂相关参数Tab.1 Adhesive related parameters

表2 胶合木制备工艺参数Tab.2 Technical parameters of glulam

1）常温剥离：试件在常温10～25 ℃水中浸渍24 h，然后放入（70±3）℃的恒温干燥箱中，干燥至试验前质量的100%～110%。在干燥过程中，试样之间应保持至少50 mm的距离，并且木材横切面的纹理平行于气流方向。

2）煮沸剥离：试件在沸水中浸渍4 h，然后在室温0～25 ℃下的水中浸泡1 h，然后放入（70±3）℃的恒温干燥器中，将试样干燥至试前质量的100%～110%范围内。干燥过程同常温剥离试验。

3）减压加压剥离：试样在室温10～25 ℃下的水中浸渍，抽真空到70～85 kPa保持5 min，释放真空压力，加压到500～600 kPa，保压1 h。上述处理反复进行2次后，把试样从水中取出，放入（70±3）℃的恒温干燥器中，在相对湿度不超过15%，空气流动速度为2～3 m/s的条件下，将试样干燥至试前质量的100%～110%范围内。干燥过程同常温剥离试验。

2 试验结果与分析

2.1 胶合面剥离性能

表3 常温剥离试验数据Tab.3 Immersion delamination test data

表4 煮沸剥离试验数据Tab.4 Boil delamination test data

表5 减压加压剥离试验数据Tab.5 Vacuum-pressure delamination test data

图1 不同剥离试验结果Fig.1 Different peeling test results

胶层剥离试验结果如表3～5及图1所示，通过对比分析，常温下胶层剥离率最小，仅2号MDI-A剥离率数值较大，总剥离率高达41.67%，未达标准要求[6]。随着测试环境的变化，使用不同胶黏剂的胶层剥离率发生显著差异。煮沸条件下，2号MDI-A和4号MDI-B胶层总剥离率和单一胶层最大剥离率数值较大，3号PRF剥离率最小，总剥离率仅为1%，单一胶层剥离率为2%，表明3号PRF胶层抵抗外界条件能力更强；减压加压条件下，1号PURd、2号MDI-A和4号MDI-B剥离率较大，均大于50%，最大可达100%。综上，三种测试条件下，PRF胶黏剂剥离率最小，胶合性能最好，MDI胶黏剂剥离率最大，胶合性能最差，说明PRF胶黏剂可以与兴安落叶松木材之间形成很好的胶合，优于其他胶黏剂。原因是由于PRF渗入到木材孔隙中，与木材形成很好的胶合，而MDI胶黏剂未渗入到木材内部，仅与木材表面发生胶合，因此胶合强度低；同时PRF的加压时间较长，MDI的加压时间较短，胶层可能未完全固化进而导致强度低，剥离率增大。由不同企业生产的MDI胶黏剂胶合性能存在区别， A企业生产的MDI胶黏剂在一次常温剥离时发生41.67%的剥离率，在经历煮沸和加压减压条件下，完全剥离，与A企业相比，B企业生产的MDI胶黏剂表现较好。由此可见，由不同企业生产的同种胶黏剂因生产配方不同导致胶合强度存在很大差异。

2.2 胶合面剪切性能

表6 不同方向剪切强度Tab.6 The shear strengths in different directions

表7 不同方向胶层木破率Tab.7 The wood failure rates in different directions

试样剪切强度和木破率结果如表6～7和图2所示，根据结果分析得出：四种胶黏剂制造的胶合木在层板层积方向的剪切强度及木破率均达到GB/T 26899—2011规定的当剪切强度大于11.0 MPa, 木破率最小为45%的要求。在胶合木层积方向，剪切强度最小值为12.24 MPa, 木破率在80%～95%之间，其中2号MDI-A胶合强度最低;在层板宽度方向，剪切强度最小值为3.42 MPa，木破率在60%～80%之间，四种胶黏剂的剪切强度差距不大。对比不同剪切方向，发现层积方向剪切强度明显大于宽度方向，原因是由木材纤维方向各项异性导致。MDI-A和MDI-B是不同企业生产的同一胶种，但剪切强度不同，主要原因是不同企业的生产配方不同导致，进而影响胶合性能。

3 结论

浸渍剥离试验中，PRF胶黏剂剥离率最低，MDI胶黏剂剥离率最高；剪切测试中，PRF胶黏剂剪切强度略高于其他三种胶黏剂，且两种不同来源的MDI胶黏剂表现出不同的胶合性能。综上分析，在耐久性方面，间苯二酚类胶黏剂明显强于聚氨酯类胶黏剂；在抗剪方面，间苯二酚类胶黏剂略优于聚氨酯类胶黏剂。两种异氰酸酯虽属同一种胶黏剂，但由于配方不同，胶合性能表现出明显差异，因此，建议在使用不同企业的同种胶黏剂时，应进行相关测试，以保证产品性能稳定。

[1]任晓峰. 落叶松结构用集成材胶合工艺技术的研究[D]. 北京:北京林业大学, 2008.

[2]刘佳权. 落叶松工程胶合木制造工艺研究[D]. 株洲:中南林业科技大学, 2015.

[3]彭立民, 王金林. 集成材胶合工艺的研究[J]. 木材工业, 2004,18(3):29-31.

[4]赵立, 申士杰, 李杰. 不同胶黏剂不同树种结构用集成材胶合性能的研究[J]. 林产工业, 2015 (11):39-42, 45.

[5]周先雁, 曹磊. 胶合木设计制作与质量控制[J]. 中南林业科技大学学报, 2014, 34(12):136-140.

[6]GB/T 26899—2011 结构用集成材[S]. 北京:中国标准出版社, 2011.

[7]张玉萍, 傅峰. 不同水性高分子异氰酸酯胶对人工林木材胶合性能的影响[J]. 林产工业, 2006, 10(3):10-13.