طريقة الاختبار القياسية ASTM D 7998-19 لتطوير قوة التماسك للمواد اللاصقة الخشبية

Summary

نقدم إجراء ، ASTM D7998-19 ، لإجراء تقييم سريع وأكثر اتساقا لكل من القوة الجافة والرطبة للروابط اللاصقة على الخشب. يمكن أيضا استخدام هذه الطريقة لتوفير معلومات حول تطوير القوة كدالة لدرجة الحرارة والوقت أو الاحتفاظ بالقوة حتى 250 درجة مئوية.

Abstract

يصعب دراسة خصائص المواد اللاصقة الخشبية المعالجة بسبب فقدان الماء والمكونات الأخرى للخشب ، وتأثير الخشب على المعالجة اللاصقة ، وتأثير اختراق المادة اللاصقة على الطور البيني للخشب ؛ وبالتالي ، فإن الاختبار العادي لفيلم لاصق أنيق ليس مفيدا بشكل عام. معظم اختبارات قوة الرابطة اللاصقة الخشبية بطيئة وشاقة ويمكن أن تتأثر بشدة بالخشب ولا توفر معلومات عن حركية العلاج. طريقة الاختبار ASTM D 7998-19 ، ومع ذلك ، يمكن استخدامها لتقييم سريع لقوة الروابط الخشبية. إن استخدام سطح خشبي أملس وموحد وقوي ، مثل قشرة وجه القيقب ، وضغط الترابط الكافي يقلل من تأثيرات الالتصاق وقوة الخشب على قوة الرابطة. هذه الطريقة لها ثلاثة تطبيقات رئيسية. الأول هو توفير بيانات متسقة عن تطور قوة السندات. والثاني هو قياس القوة الجافة والرطبة لعينات قص اللفة المستعبدة. والثالث هو فهم مقاومة الحرارة اللاصقة بشكل أفضل من خلال تقييم الحساسية الحرارية بسرعة والتمييز بين التليين الحراري والتدهور الحراري.

Introduction

الترابط الخشبي هو أكبر سوق للمواد اللاصقة الفردية وقد أدى إلى الاستخدام الفعال لموارد الغابات. لقرون عديدة ، تم استخدام الخشب الصلب لمعظم التطبيقات ، باستثناء بناء الأثاث ، مع عدم وجود معايير اختبار باستثناء متانة المنتج قيد الاستخدام. ومع ذلك ، أصبحت المنتجات الخشبية المستعبدة أكثر شيوعا ، بدءا من الخشب الرقائقي وعوارض الجلولام ، باستخدام المواد اللاصقة الحيوية^1،2. على الرغم من أن هذه المنتجات كانت مرضية في ذلك الوقت ، إلا أن استبدال فول الصويا والكازين والمواد اللاصقة في الدم بمواد لاصقة اصطناعية تحتوي على الفورمالديهايد أدى إلى تحسين الخصائص. أدى الأداء العالي لهذه المواد اللاصقة الجديدة إلى معايير اختبار محددة مع توقعات أداء أعلى مما يمكن تحقيقه مع معظم المواد اللاصقة الحيوية. كما أتاحت المواد اللاصقة الاصطناعية ربط الجسيمات بما في ذلك نشارة الخشب لتشكيل ألواح حبيبية ، وألياف لتشكيل ألواح ليفية بكثافات متفاوتة ، ورقائق لتوفير لوح حبلا موجه وخشب حبلا متوازي ، وقشرة لإنتاج الخشب الرقائقي وخشب القشرة الرقائقي ، وكذلك الخشب المفصلي للأصابع ، والغلولام ، والخشب الرقائقي المتقاطع ، وروافد الخشب³. كل من هذه المنتجات لها معايير الاختبار الخاصة بها⁴. وبالتالي ، يمكن أن يتطلب تطوير مادة لاصقة جديدة الكثير من أعمال الصياغة والاختبارات المكثفة لتحديد ما إذا كانت هناك أي إمكانية لتطوير قوة كافية. هذا الاختبار الذي يستغرق وقتا طويلا وتعقيد خصائص الخشب والترابط الخشبي⁵ قد حد من تطوير مواد لاصقة جديدة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تختلف الخواص الميكانيكية للمواد اللاصقة الخشبية عند معالجتها بين الأسطح الخشبية بدلا من⁶ أنيق. تسمح المعالجة عند ملامستها للخشب للماء ومكونات الوزن الجزيئي المنخفض من المادة اللاصقة بالهروب ، بالإضافة إلى التفاعلات البينية والكيميائية المعقدة للمادة اللاصقة مع الخشب ^3,7.

كان تطوير نظام تقييم الترابط الآلي (ABES) مفيدا جدا لفهم تطور قوة المواد اللاصقة الخشبية لأنه سريع وسهل الاستخدام⁸،^9،10. النظام عبارة عن وحدة متكاملة تربط عينات القص ثم تقيس القوة تحت الشد اللازمة لكسر الرابطة. أدت فائدته إلى تطوير طريقة ASTM D7998-19 التي تستخدم هذا النظام¹¹. على الرغم من أن هذا النظام قد تم تصميمه في الأصل لقياس تطور قوة اللصق كدالة لدرجة الحرارة والوقت ، إلا أنه يمكنه أيضا قياس مقاومة الحرارة للمواد اللاصقة المعالجة ، بالإضافة إلى تقييم قوة الرابطة الروتيني. على الرغم من أن اختبار ABES هو أداة فحص أولية مفيدة للغاية ، مثل أي اختبار ، إلا أنه له حدوده ولا يحل محل جميع اختبارات قوة المنتج والمتانة المحددة.

في حين أن هناك العديد من الوسائل لقياس خصائص المعالجة للمواد اللاصقة ، بدءا من قياس ريومتر وقت الهلام إلى كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي ، والتحليل الميكانيكي الديناميكي ، والتحليل الطيفي للعديد من الأنواع ، فإن طريقة ABES فقط هي التي تقيس تطور القوة الميكانيكية. يتطلب ذلك أداة يتم التحكم فيها بإحكام للتدفئة والتبريد واختبار الشد في المكان¹¹.

Protocol

1. إعداد ركائز

1. استخدم سطح ركيزة مناسب للتطبيق. بالنسبة للخشب ، استخدم قشرة مقطعة بسمك حوالي 0.6 إلى 0.8 مم من منتج موثوق به لأن هذه القشرة تستخدم في تصنيع الخشب الرقائقي والخشب الرقائقي (LVL). يتم الحصول عليها من مورد القشرة ، كصفائح بسمك 0.6 إلى 0.8 مم ومقطعة إلى 305 مم على جانب. الركيزة المتسقة هي قشرة وجه القيقب الصلب (Acer saccharum) بسبب نعومة سطحها وسمكها المتسق ، وهي عبارة عن خشب صلب مسامي منتشر وعالي المعامل. تستخدم قشور وجه القيقب بشكل شائع في بناء الخزائن وعادة ما تكون خالية من العيوب.
2. قم بتكييف الخشب ، غير مكدس ، عند 21 درجة مئوية ورطوبة نسبية 50٪ (RH) لمدة يوم على الأقل قبل الاستخدام. تجنب القشرة المتموجة بشكل مفرط ، ولها سطح غير مستو ، وتحتوي على عيوب بما في ذلك تغير اللون.
   ملاحظة: يمكن استخدام أنواع الخشب الأخرى لفهم أداء الرابطة للمادة اللاصقة مع هذه الأنواع. ومع ذلك ، يوصى باستخدام الأخشاب الصلبة المسامية المنتشرة والأخشاب اللينة مع الانتقال التدريجي المبكر من الخشب إلى الخشب المتأخر لتوحيدها. توخ الحذر لأن الخشب يمكن أن يكون حمضيا أو قاعديا أو يحتوي على مستخلصات على السطح يمكن أن تغير عملية المعالجة اللاصقة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي معالجة الشجرة من وقت القطع إلى إنتاج القشرة إلى تغيير قوة الرابطة^12,13. نظرا لأن ABES يستخدم كمية صغيرة من الخشب ، فإنه أقل تأثرا باختلافات الخشب التي تحدث مع الاختبارات الأخرى ، مثل محتوى رطوبة الخشب وعمق فحص القشرة.
3. تأكد من أن جوانب القشرة خالية من أي ألياف فضفاضة على طول الحافة وأن المنتج المستعبدين لا يحتوي على أي ضغط لاصق كبير لأن هذه تميل إلى المبالغة في تقدير قوة الرابطة نظرا لعدم وجود تعديل لاحق للترابط للعينات.

2. تحضير العينات

1. قم بتكييف عينات الخشب عند 21 درجة مئوية و 50٪ رطوبة نسبية لمدة يوم على الأقل. افحص القشرة بحثا عن أي تشققات أو تغير في اللون أو مخالفات في الحبوب يجب تجنبها عند قطع العينات.
2. تأكد من أن جهاز قطع العينات الذي يعمل بالهواء المضغوط يعمل.
3. استخدم قاطع قوالب خاص يقطع حجم العينة المطلوب من 20 مم × 117 مم من قشرة القيقب بسمك 0.6 إلى 0.8 مم (الشكل 1 ، جدول المواد).
   1. ضع قطعة من القشرة ، على الأقل 150 مم × 300 مم ، تحت شفرات القطع بحيث تكون حبيبات القشرة موازية للاتجاه الطويل واضغط على زر ضغط الهواء لقطع كل قطعة من الخشب 20 مم × 117 مم.
   2. حرك قطعة القشرة الموجودة أسفل شفرات القطع إلى منطقة غير مقطوعة واضغط على الزر مرة أخرى لقطع قطعة أخرى من الخشب. استمر حتى يتم قطع قطعة القشرة بالكامل إلى قطع.
      ملاحظة: إذا كان الاتجاه الطويل للعينة غير مواز لاتجاه الحبوب ، أثناء الاختبار يمكن أن يحدث كسر مبكر في الخشب بعيدا عن الجزء المستعبد.
4. بالنسبة للمواد الأخرى غير الخشب ، قم بقص العينات باستخدام التقنيات المناسبة. إذا تعذر قطع المادة باستخدام قاطع العينات ، فاستخدم كل ما سيقطع المادة لقطعها إلى الحجم المطلوب. نظرا لصغر مساحة الترابط ، من المهم أن يكون القطع دقيقا وأن تكون العينات خالية من الحطام على طول الحواف وعلى أسطح الترابط.

3. قابلية تشغيل المعدات

1. بالنسبة لعملية الربط ، تأكد من أن معدات ABES تعمل بشكل صحيح وفقا لإجراء التشغيل القياسي¹¹. الإعدادات الموجودة في مقدمة وحدة ABES لعينات الترابط والكسر هي: LP Press 0.2 MPa و HP Press 0.2 MPa و Pull 0.65 MPa و Cool Air 0.2 MPa.
2. استخدم ضغط إمداد الهواء بما لا يقل عن 0.62 ميجا باسكال (90 رطل لكل بوصة مربعة) لأن الضغط المنخفض جدا سيؤدي إلى إغلاق المشابك والألواح ببطء شديد أو بشكل غير متساو على العينة مما يؤدي إلى قوة رابطة غير صحيحة (الشكل 2 ، أعلى).
3. نظف الألواح من أي مادة لاصقة ناتجة عن الضغط من العينة السابقة. اضبط درجة حرارة الألواح على درجة الحرارة المطلوبة وقم بموازنتها قبل عينات الترابط.
4. لربط الخشب ، قم بتشغيل المعدات في غرفة عند 21 درجة مئوية و 50٪ رطوبة نسبية. إذا لم يكن ذلك ممكنا ، احتفظ بالعينات المكيفة في كيس بلاستيكي حتى تترابط بسبب التغير السريع في رطوبة الخشب بسبب صغر حجم العينات.
5. للحصول على بيانات المعالجة الحركية ، صمم الطريقة بحيث تكون السرعات الميكانيكية والإلكترونية كافية لجمع البيانات بدقة كما هو موضح في ASTM D7998-19¹¹.

4. ربط العينات مع المادة اللاصقة

ملاحظة: يعد تطبيق المادة اللاصقة مشكلة حرجة للمواد اللاصقة الخشبية بسبب التباين الواسع في اللزوجة والمواد الصلبة المئوية التي تنتقل من مادة لاصقة للتصفيح كما هو الحال في الخشب الرقائقي إلى مادة لاصقة قابلة للرش لتطبيقات الموثق. عادة ما تكون المواد اللاصقة الخشبية محمولة بالماء ، لذا فإن التبخر ليس سوى مشكلة بسيطة. ومع ذلك ، فإن نقع الماء في الخشب المسامي مهم.

1. انشر 5 ملغ من المادة اللاصقة التي تتم دراستها على الطرف 0.5 سم بما يكفي لتغطية منطقة الترابط ونقلها إلى العينة الأخرى ولكن دون ضغط مفرط. للحصول على معدل انتشار لاصق ثابت نسبيا ، قم بتفريغ عينة الخشب على ميزان وأعد وزنها بعد تطبيق المادة اللاصقة.
2. توخي الحذر الشديد في توزيع المادة اللاصقة وتداخل العينات والتأكد من محاذاة العينتين ، حيث يتم استخدام منطقة ربط صغيرة ويتم تحديد نقاط القوة كقوة سحب فوق المنطقة المستعبدة (الشكل 2 أسفل). يمكن استخدام مناطق ربط مختلفة ، لكن القوة ليست بالضرورة قابلة للمقارنة بسبب الاختلاف في ميكانيكا اختبارات القص في اللفة.
   ملاحظة: توصي الأدبيات بعدة طرق لتطبيق المادة اللاصقة على الخشب اعتمادا على اتساق المادة اللاصقة. استخدمت طريقة تطبيق المادة اللاصقة الموصى بها في الأصل جهاز الرش الدقيق^{المصمم لهذا الغرض 10} ، ولكن وجد أن هذا فوضوي وبطيء ويعتمد بشكل كبير على الريولوجيا اللاصقة. على الرغم من أن هذه الطريقة طبقت المادة اللاصقة كنقاط منفصلة كما هو مستخدم في تطبيقات الموثق للوح الخشب الحبيبي ولوح الشريط الموجه ، إلا أن طريقة الطباعة تبدو أكثر موثوقية¹⁴. يمكن أن توفر طريقة تطبيق الماصة الدقيقة حجما قابلا للتكرار من المادة اللاصقة¹⁰ ، ولكن من الصعب إلى حد ما توزيعها بالتساوي. عملت طريقة الملعقة بشكل أفضل للحصول على توزيع متساو للمادة اللاصقة على منطقة الترابط ، ويوصى باستخدام توازن دقيق للحصول على كمية مقاسة¹¹.
3. بيانات القوة النهائية
   1. اربط العينات عند 120 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة وقم بتكييفها طوال الليل عند 21 درجة مئوية و 50٪ رطوبة نسبية لأن الضغط الساخن أثناء الترابط يجفف الخشب. لربط الخشب ، قم بتثبيت عينة في مكانها عن طريق إغلاق المقابض على جهاز اختبار ABES ، مع التأكد من محاذاة العينة مع جهاز الاختبار. ثم اضغط على زر البدء في الجهاز لجعل الألواح 120 درجة مئوية تضغط على القسم المتداخل لمدة 2 دقيقة ، قبل سحب الألواح وفك المقابض بحيث يمكن إزالة العينات.
      ملاحظة: يتم تحديد وقت ودرجة حرارة المعالجة من خلال التطبيق والكيمياء اللاصقة. يجب تحسين درجة حرارة الترابط ووقته بحيث تصل القوة إلى أعلى هضبة باستخدام درجات حرارة وأوقات ربط مختلفة لتحديد ظروف أقصى قوة. بالنسبة للروابط الخشبية ، يعد اختبار قوة القص الجاف ذا قيمة ، ولكن الاختبار الرطب يكون بشكل عام أكثر أهمية لتحديد متانة المادة اللاصقة ويتطلب نقع العينة في الماء بدرجة حرارة الغرفة لمدة 4 ساعات.
   2. للاختبار ، قم بتثبيت عينة في مكانها عن طريق إغلاق المقابض على جهاز اختبار ABES مع التأكد من محاذاة العينة مع جهاز الاختبار. ثم بالضغط على زر البدء ، تسحب الأداة أحد طرفيها من خلال محرك مؤازر بينما يسحب الطرف الآخر من العينة خلية تحميل متصلة بالمقابض. يستمر هذا السحب حتى ينكسر الرابطة. يسجل الكمبيوتر القوة القصوى التي يمكن أن تتحملها العينة ، والتي يتم تسجيلها كقوة رابطة.
      1. استخدم نفس الإجراء للعينات الجافة والمبللة بالماء. عند قياس قوة الكسر ، احرص على التأكد من أن المقابض تمسك الخشب بإحكام لأنه إذا كانت المادة اللاصقة قوية جدا ، فقد ينزلق الخشب. إذا انكسرت العينة خارج المنطقة المرتبطة ، فتجاهل القيمة لأن هذا يقيس قوة الخشب ، وليس المادة اللاصقة.
4. تطوير القوة الحركية
   1. تحديد معدل تطوير قوة مادة لاصقة لتقدير وقت الضغط المطلوب للمنتجات واسعة النطاق. اتبع نفس الإجراء كما في الخطوة 4.3 ، باستثناء تغيير درجة الحرارة والوقت. ابدأ اختبار القوة عند درجة حرارة السطح الزجاجي 100 درجة مئوية ، باستخدام أوقات الترابط 10 و 30 و 60 و 90 و 120 و 150 و 180 و 210 ثانية. بعد ذلك ، ارفع درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية ، وكرر أوقات الترابط حتى لا يكون هناك أي قسم خطي من القوة مقابل الوقت في أوقات الترابط المنخفضة.
   2. بعد الترابط ، اسحب الألواح واستخدم ميزة تبريد الهواء في ABES لتبريد العينة إلى درجة حرارة الغرفة القريبة ثم قياس قوة العينة. من خلال البدء في وقت ضغط منخفض وزيادة الوقت أولا للعينات اللاحقة ، اجمع بيانات القوة مقابل الوقت حتى يؤدي الوقت المتزايد إلى زيادة القوة أو عدم زيادة القوة. ثم سيؤدي القيام بنفس التسلسل عند درجات حرارة أعلى إلى الحصول على مخطط القوة الناتج مقابل الوقت ومعدل الشفاء مثل المنحدر (الشكل 3).
      ملاحظة: توضح بيانات اللصق الفينولي في الشكل 3 أ¹⁰ تأثير درجة الحرارة على تطور القوة في أوقات مختلفة. يوضح الشكل 3 ب معدل تطور القوة الحرارية المتراجعة مقابل درجة الحرارة. للحصول على تطوير القوة متساوية الحرارة ، تم تبريد العينة قبل الاختبار. بعض المواد اللاصقة ، مثل اليوريا فورمالدهايد¹⁵ ، لها وقت ودرجة حرارة ربط مثالية قبل أن يبدأ التحلل في الحدوث. يمكن لهذه الطريقة اكتشاف هذه المشكلة وتحديد الظروف المثلى.
5. مقاومة الحرارة
   1. إذا احتاج المنتج إلى تلبية مقاومة معينة لدرجة الحرارة ، فقم بتثبيت العينة المستعبدة في وحدة ABES. بعد تسخين الألواح إلى درجة الحرارة هذه ، على سبيل المثال 220 درجة مئوية ، والتي يبدأ الخشب فوقها في التحلل ، أغلقها على العينة المستعبدة مسبقا لمدة دقيقتين ثم افتحها لقياس قوة الرابطة كما في 4.3.2 لتحديد أي تليين حراري للمادة اللاصقة مقارنة بدرجة حرارة الترابط البالغة 120 درجة مئوية.
   2. كرر هذا الاختبار باستثناء أن الألواح تغلق على العينة لمدة 30 دقيقة ثم يتم اختبارها للتأكد من قوتها لتحديد القوة إذا كانت المادة اللاصقة متدهورة حراريا. سيحدد تحرير الألواح وقوة الاختبار مقاومة العينة للحرارة مقارنة بالقيمة قبل التسخين. تم استخدام هذا النوع من الإجراءات لاختبار المواد اللاصقة الخشبية¹⁶. نظرا لأن ABES يستخدم التسخين السريع ويمكنه قياس القوة أثناء السخونة دون نقل العينة إلى جهاز آخر ، فيمكن استخدامه للتمييز بين وضعي الفشل (أي التليين الحراري أو التدهور). ينتج عن التليين الحراري فقدان القوة فور التسخين ، وعادة ما يكون قابلا للاسترداد. يحدث التحلل الكيميائي تدريجيا بمرور الوقت عند درجة حرارة عالية ولا يستعيد القوة الميكانيكية عند التبريد.
      ملاحظة: يحتاج مصنعو المواد اللاصقة إلى التمييز بين ما إذا كان فقدان القوة ناتجا عن التليين الحراري أو التدهور الكيميائي ، لأن هذه المشكلات تتطلب حلولا مختلفة. هناك العديد من الطرق التي يمكن أن تقيس انتقالات التليين بما في ذلك التحليلات الحرارية الأخرى ، لكنها لا تميز بين التغيير في الخواص الميكانيكية والتركيب الكيميائي.

5. تحليل صورة سطح الترابط الفاشل

1. نظرا لأن الهدف الرئيسي هو تحديد قوة اللصق أو معدل تطور قوة التماسك ، تأكد من أن الفشل يكون داخل المادة اللاصقة وليس مع الالتصاق بالركيزة (الشكل 4) أو فشل الركيزة. في حالة حدوث فشل في الركيزة ، فإن المادة اللاصقة لها قوة كافية. بدلا من ذلك ، يشير الفشل المتماسك في المادة اللاصقة السائبة إلى ضعف المادة اللاصقة. ومع ذلك ، قد يكون الاختيار بين الالتصاق وفشل الطور البيني اللاصق^{أمرا صعبا 17}. تم تطوير مجموعة متنوعة من الطرق لتحليل الخشب¹⁸.

النتائج

تم استخدام الإجراء على نطاق واسع لدراسة المواد اللاصقة البروتينية في مختبر منتجات الغابات. لقد وجد أن أقل من 2 ميجا باسكال من قوة الرابطة الرطبة لم تكن كافية لتبرير إجراء مزيد من الاختبارات اللاصقة للخشب ، في حين أن أكبر من 3 ميجا باسكال كانت نتيجة واعدة لمزيد من الاختبارات¹⁹. ل?...

Discussion

الخطوات الحاسمة في الإجراء هي كما يلي: اختيار الركائز ، وإعداد العينات ، وقابلية تشغيل المعدات ، وربط العينات.

يجب أن تكون الركيزة قوية ، ولها الحد الأدنى من العيوب (على نحو سلس ، مسطح ، لا تشققات ولا تغير اللون. قشرة وجه الخزائن غير المصقولة والدوارة من الخشب الصلب المسامي ا?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adhesive	Supplied by user
Balance	Normal supply house
Mark II Automated Bonding Evaluation System (ABES-II)	Adhesive Evaluation Systems Inc
Pneumatically driven sample cutting device	Adhesive Evaluation Systems Inc
Regular spatula	Normal supply house
Wood supply – Hard maple	Besse Forest Products Group