用于木材粘合剂内聚强度发展的标准测试方法 ASTM D 7998-19

摘要

我们提出了一种程序，ASTM D7998-19，用于快速，更一致地评估木材上粘合剂的干强度和湿强度。该方法还可用于提供强度发展信息，作为温度和时间的函数或高达250°C的强度保持。

摘要

固化木材胶粘剂的性能由于水分和其他组分对木材的损失，木材对胶粘剂固化的影响以及粘合剂渗透对木材界面的影响而难以研究;因此，对纯胶膜进行正常测试通常没有用。大多数木材粘合剂粘合强度的测试都是缓慢的，费力的，可能受到木材的强烈影响，并且不能提供有关固化动力学的信息。然而，测试方法ASTM D 7998-19可用于快速评估木材粘结强度。使用光滑、均匀和坚固的木材表面（如枫木面饰面）和足够的粘合压力可降低粘附力和木材强度对粘合强度的影响。此方法有三个主要应用。首先是提供一致的粘结强度发展数据。第二种是测量粘结搭接剪切样品的干湿强度。第三是通过快速评估热灵敏度并区分热软化和热降解来更好地了解粘合剂的耐热性。

引言

木材粘接是最大的单一粘合剂市场，并导致森林资源的有效利用。几个世纪以来，除家具结构外，实木被用于大多数应用，除了产品使用耐久性外，没有测试标准。然而，粘合木制品变得更加普遍，从胶合板和胶合木梁开始，使用生物基粘合剂^1，2。虽然这些产品在当时令人满意，但用含有甲醛的合成粘合剂代替大豆、酪蛋白和血胶，改善了性能。这些新型粘合剂的更高性能导致了明确的测试标准，与大多数生物基粘合剂相比，具有更高的性能期望。合成粘合剂还可以粘合颗粒，包括形成刨花板的锯末、形成不同密度纤维板的纤维、提供定向刨花板和平行刨花材的木片、生产胶合板和层压单板木材的单板，以及指接木材、胶合木、交叉层压木材和木工字托梁³。这些产品中的每一个都有自己的测试标准⁴.因此，开发新型粘合剂可能需要大量的配方工作和广泛的测试，以确定是否有潜力开发足够的强度。这种耗时的测试以及木材性能和木材粘合^的复杂性5限制了新型粘合剂的开发。此外，木材粘合剂在木材表面之间固化时的机械性能可能与整齐⁶不同。与木材接触固化允许粘合剂中的水和低分子量组分逸出，此外粘合剂^与木材的复杂界面和化学相互作用3^，7。

自动粘接评估系统（ABES）的开发对于了解木材粘合剂的强度发展非常有帮助，因为它快速且易于使用8，^9，10。该系统是一个整体单元，用于粘合搭接剪切样品，然后测量断裂粘合所需的张力。它的实用性导致了使用该系统的ASTM方法D7998-19的开发¹¹。虽然该系统最初设计用于测量粘合剂强度随温度和时间的变化，但它也可以测量固化粘合剂的耐热性，以及常规的粘合强度评估。尽管ABES测试是一种非常有用的初步筛选工具，但与任何测试一样，它有其局限性，并不能取代所有特定的产品强度和耐久性测试。

虽然有许多方法可以测量粘合剂的固化特性，从凝胶时间流变仪到差示扫描量热法、动态力学分析和多种类型的光谱法，但只有ABES方法测量机械强度的发展。这需要一台严格控制的仪器，用于加热、冷却和原位拉伸测试¹¹。

研究方案

1. 基材的制备

1. 使用适合应用的基材表面。对于木材，请使用可靠生产商提供的约 0.6 至 0.8 毫米厚的切片单板，因为这些单板用于胶合板和层压单板木材 （LVL） 制造。这些是从单板供应商处获得的，厚度为 0.6 至 0.8 毫米，侧面切成 305 毫米。一致的基材是硬枫（Acer saccharum）面单板，因为它的表面光滑度和一致的厚度，它是一种弥漫多孔和高模量硬木。枫木面贴面通常用于橱柜结构，通常没有缺陷。
2. 使用前，将木材在21°C和50%相对湿度（RH）下调理至少一天。避免使用过度波浪形、表面不平整且包含变色等缺陷的贴面。
   注意:其他木材种类可用于了解粘合剂与这些树种的粘合性能。然而，建议使用弥漫多孔硬木和具有渐变早木到晚木过渡的软木，因为它们的均匀性。要小心，因为木材可以是酸性的或碱性的，或者表面上有提取物，可以改变粘合剂固化过程。此外，树木从切割到单板生产的加工可以改变粘合强度^12，13。由于ABES使用少量木材，因此受其他测试（例如木材水分含量和单板检查深度）发生的木材变化的影响较小。
3. 确保单板的侧面沿边缘没有任何松散的纤维，并且粘合产品没有任何明显的粘合剂挤出，因为这些会高估粘合强度，因为样品没有粘合后改性。

2. 标本的制备

1. 将木材试样在21°C和50%RH下调节至少一天。切割试样时，检查单板是否有任何裂缝、变色或颗粒不规则。
2. 确保气动驱动的试样切割装置可操作。
3. 使用特殊的模切机，将所需的试样尺寸从 0.6 至 0.8 毫米厚的枫木单板切割 20 mm x 117 mm（图 1， 材料表）。
   1. 在切割刀片下方放置一块至少 150 mm x 300 mm 的单板，使单板纹理与长方向平行，然后按下气压按钮以切割每块 20 mm x 117 mm 的木材。
   2. 将切割刀片下方的单板移动到未切割的区域，然后再次按下按钮以切割另一块木头。继续直到单板完全切成碎片。
      注意:如果试样的长方向与纹理方向不平行，则在测试期间，远离粘合部分的木材可能会发生早期断裂。
4. 对于木材以外的材料，请使用适当的技术切割试样。如果无法用试样切割器切割材料，请使用任何可以切割的材料将其切割成所需的尺寸。由于粘合面积小，切割必须准确，试样边缘和粘合表面没有碎屑，这一点很重要。

3. 设备的可操作性

1. 对于粘合过程，请确保ABES设备按照标准操作程序¹¹正常运行。ABES装置正面用于粘接和破碎样品的设置为:LP压力机0.2 MPa，HP压力机0.2 MPa，拉力0.65 MPa和冷空气0.2 MPa。
2. 使用至少 0.62 MPa （90 psig） 的供气压力，因为压力过低会导致夹具和压盘在样品上关闭得太慢或不均匀，从而导致粘合强度不正确（图 2，顶部）。
3. 清洁从先前样品中挤出的任何粘合剂的压盘。将压盘的温度调节到所需温度，并在粘合样品之前进行平衡。
4. 要粘合木材，请在21°C和50%RH的房间内操作设备。如果无法做到这一点，请将经过处理的试样放在塑料袋中，直到粘合，因为试样的尺寸很小，木材水分会迅速变化。
5. 为了获得动力学固化数据，请按照ASTM D7998-19¹¹中所述，设计使机械和电子速度足以准确收集数据的方法。

4. 试样与粘合剂的粘合

注意:粘合剂的应用对于木材粘合剂来说是一个关键问题，因为从胶合板中的层压粘合剂到粘合剂应用的可喷涂粘合剂，粘度和固体百分比的变化很大。木材粘合剂通常是水性的，因此蒸发只是一个小问题。然而，水浸入多孔木材中很重要。

1. 将5mg正在研究的粘合剂涂抹在0.5cm的末端，足以覆盖粘合区域并转移到另一个样品上，但不要过度挤出。为了获得相对恒定的粘合剂铺展速率，请在天平上对木材试样进行去皮，并在粘合剂应用后重新称重。
2. 在分配粘合剂、重叠试样并确保两个试样对齐时要格外小心，因为使用小的粘合区域，强度确定为粘合区域的拉力（图 2 底部）。可以使用不同的粘合区域，但由于搭接剪切试验力学的变化，强度不一定具有可比性。
   注意:文献推荐了几种将粘合剂涂在木材上的方法，具体取决于粘合剂的稠度。最初推荐的粘合剂应用方法使用专门设计的微喷涂装置¹⁰，但发现这很杂乱，速度慢，并且非常依赖于粘合剂的流变性。尽管这种方法将粘合剂作为离散点应用于刨花板和定向刨花板的粘合剂应用，但印刷方法似乎更可靠¹⁴。该微量移液器施用方法可以提供可重复体积的粘合剂¹⁰，但是要均匀分布有些困难。刮刀法对于使粘合剂在粘合区域均匀分布效果最好，建议使用微量天平来获得测量量¹¹。
3. 最终强度数据
   1. 将试样在120°C下粘合2分钟，并在21°C和50%RH下调节过夜，因为粘合过程中的热压会使木材变干。要粘合木材，请关闭ABES测试仪上的夹具，确保样品与测试仪对齐，将样品锁定到位。然后按下机器上的启动按钮，让120°C压盘压在重叠部分2分钟，然后缩回压盘并松开夹具，以便取出样品。
      注意:固化的时间和温度由应用和粘合剂化学决定。应优化粘接温度和时间，通过使用不同的粘合温度和时间来确定最大强度的条件，使强度达到最高平台。对于木粘结，测试干剪切强度很有价值，但湿测试通常对于确定粘合剂耐久性更为关键，并且需要将样品浸泡在水中4小时室温。
   2. 对于测试，通过关闭ABES测试仪上的夹具来锁定样品，确保样品与测试仪对齐。然后，通过按下启动按钮，仪器通过伺服驱动器拉动一端，而样品的另一端拉动连接到夹具的称重传感器。这种拉动一直持续到键断裂。计算机记录样品可以承受的最大力，记录为粘合强度。
      1. 对干燥和水浸泡的样品使用相同的程序。在测量断裂力时，请注意确保握把紧握住木材，因为如果粘合剂非常牢固，木材可能会打滑。如果样品在粘合区域之外破裂，请丢弃该值，因为这是在测量木材强度，而不是粘合剂。
4. 动能强度开发
   1. 确定粘合剂的强度发展速度，以估计大规模产品所需的压制时间。遵循与步骤 4.3 中相同的步骤，但改变温度和时间。在100°C压板温度下开始强度测试，使用10，30，60，90，120，150，180和210秒的粘合时间。随后，将温度升高10°C，并重复粘合时间，直到在低粘合时间下不再有任何强度与时间的线性部分。
   2. 粘合后，缩回压盘并使用ABES的风冷功能将样品冷却到接近室温，然后测量样品强度。通过从低压榨时间开始，首先增加后续样品的时间，收集强度与时间的数据，直到增加时间导致强度增加很少或没有增加。然后在较高温度下执行相同的序列将产生强度随时间的关系图和固化速率作为斜率的结果（图 3）。
      注意: 图3a¹⁰ 中的酚醛粘合剂数据显示了不同时间温度对强度发展的影响。 图3b 显示了回归的等温强度发展速率与温度的关系。为了获得等温强度的发展，在测试前冷却样品。一些粘合剂，如脲醛¹⁵，在开始降解之前具有最佳的粘合时间和温度。此方法可以检测此问题并确定最佳条件。
5. 耐热性
   1. 如果产品需要满足一定的耐温性，请将粘合的样品夹入ABES单元中。将压盘加热到该温度后，例如220°C，高于该温度，木材开始降解，将它们关闭在预粘合样品上2分钟，然后打开以测量粘合强度，如4.3.2所示，以确定粘合剂与120°C的粘合温度相比的任何热软化。
   2. 重复此测试，除了将压板关闭在样品上30分钟，然后测试强度以确定粘合剂是否热降解的强度。压盘的释放和测试强度将决定样品的耐热性与加热前的值相比。这种类型的程序用于测试木材粘合剂¹⁶。由于ABES使用快速加热，并且可以在热时测量强度，而无需将样品移动到另一台机器，因此可用于区分两种故障模式（即热软化或降解）。热软化在加热后立即产生强度损失，并且通常是可以恢复的。在高温下，化学降解会随着时间的推移逐渐发生，并且在冷却时不会恢复机械强度。
      注意:粘合剂制造商需要区分强度损失是由热软化还是化学降解引起的，因为这些问题需要不同的解决方案。有许多方法可以测量软化转变，包括其他热分析，但它们不能区分机械性能和化学结构的变化。

5. 失效粘接面的图像分析

1. 由于主要目的是确定粘合强度或内聚强度发展速率，因此请确保故障发生在粘合剂内部，而不是粘附在基材上（图4）或基材失效。如果发生基材故障，则粘合剂具有足够的强度。或者，本体粘合剂中的内聚失效表明粘合剂薄弱。然而，在粘附和粘合剂相间失效之间做出选择可能很困难¹⁷.已经开发了多种木材分析方法¹⁸.

结果

该程序已广泛用于林产品实验室的蛋白质粘合剂研究。已经发现，低于2 MPa的湿粘合强度不足以保证进一步的木材粘合剂测试，而大于3 MPa是进一步测试的有希望的结果¹⁹。它已被证明可用于证明木材加工条件的敏感性^12，13。更多的例子可以在弗里哈特的出版物^{中找到 7}.该方法的精密度和偏差已经确定（研究报告RR:D14-...

讨论

程序中的关键步骤如下:基材的选择、样品的制备、设备的可操作性和样品的粘合。

基材必须坚固，缺陷最小（光滑，平整，无裂纹和变色）。未打磨，旋转切割的橱柜面单板为漫反射多孔硬木，首选糖枫（Acer saccharum）。打磨会产生不那么平坦和更破碎的表面⁷.在21°C和50%RH下调节单板至少一天后，切割20毫米乘117毫米的条带。通常将 5 毫克粘合剂均匀...

材料

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