Standardprüfverfahren ASTM D 7998-19 zur kohäsiven Festigkeitsentwicklung von Holzklebstoffen

Zusammenfassung

Wir präsentieren ein Verfahren, ASTM D7998-19, für eine schnelle und konsistentere Bewertung der Trocken- und Nassfestigkeit von Klebeverbindungen auf Holz. Das Verfahren kann auch verwendet werden, um Informationen über die Festigkeitsentwicklung in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit oder Festigkeitserhalt bis 250 °C zu liefern.

Zusammenfassung

Die Eigenschaften von ausgehärteten Holzklebstoffen sind aufgrund des Verlusts von Wasser und anderen Komponenten des Holzes, des Einflusses von Holz auf die Klebstoffhärtung und der Wirkung des Eindringens von Klebstoff auf die Holzzwischenphase schwer zu untersuchen; Daher ist eine normale Prüfung einer sauberen Klebefolie in der Regel nicht sinnvoll. Die meisten Tests der Holzhaftfestigkeit sind langsam, mühsam, können stark vom Holz beeinflusst werden und geben keine Auskunft über die Kinetik der Aushärtung. Das Prüfverfahren ASTM D 7998-19 kann jedoch zur schnellen Beurteilung der Festigkeit von Holzverbindungen verwendet werden. Die Verwendung einer glatten, gleichmäßigen und starken Holzoberfläche, wie Ahornfurnier, und ausreichender Klebedruck reduziert die Haftung und Holzfestigkeit auf die Klebefestigkeit. Diese Methode hat drei Hauptanwendungen. Die erste besteht darin, konsistente Daten zur Entwicklung der Bindungsfestigkeit bereitzustellen. Die zweite besteht darin, die Trocken- und Nassfestigkeit von gebundenen Lap-Scherproben zu messen. Die dritte besteht darin, die Hitzebeständigkeit des Klebstoffs besser zu verstehen, indem die thermische Empfindlichkeit schnell bewertet und zwischen thermischer Erweichung und thermischem Abbau unterschieden wird.

Einleitung

Holzverklebungen sind der größte Einzelklebstoffmarkt und haben zu einer effizienten Nutzung der Waldressourcen geführt. Viele Jahrhunderte lang wurde Massivholz für die meisten Anwendungen verwendet, mit Ausnahme des Möbelbaus, ohne Testkriterien außer der Haltbarkeit des Produkts. Gebundene Holzprodukte wurden jedoch immer häufiger, beginnend mit Sperrholz und Brettschichtholzbalken, wobei biobasierte Klebstoffe verwendet^{wurden 1,2}. Obwohl diese Produkte zu dieser Zeit zufriedenstellend waren, führte der Ersatz von Soja-, Kasein- und Blutklebstoffen durch formaldehydhaltige synthetische Klebstoffe zu verbesserten Eigenschaften. Die höhere Leistung dieser neuen Klebstoffe führte zu definierten Prüfstandards mit höheren Leistungserwartungen als mit den meisten biobasierten Klebstoffen. Die synthetischen Klebstoffe ermöglichten auch die Verbindung von Partikeln einschließlich Sägemehl zu Spanplatten, Fasern zu Faserplatten mit unterschiedlichen Dichten, Spänen zur Bereitstellung von orientiertem Litzbrett und parallelem Litzenholz, Furnieren zu Sperrholz und Furnierschichtholz sowie keilgezinktem Holz, Brettschichtholz, Brettschichtholz und Holzbalken³. Jedes dieser Produkte hat seine eigenen Prüfkriterien⁴. Daher kann die Entwicklung eines neuen Klebstoffs viel Formulierungsarbeit und umfangreiche Tests erfordern, um festzustellen, ob ein Potenzial für die Entwicklung einer ausreichenden Festigkeit besteht. Diese zeitaufwändigen Tests und die Komplexität der Holzeigenschaften und Holzverklebungen⁵ haben die Entwicklung neuer Klebstoffe eingeschränkt. Darüber hinaus können die mechanischen Eigenschaften von Holzklebstoffen unterschiedlich sein, wenn sie zwischen Holzoberflächen ausgehärtet werden, im Gegensatz zu ordentlich⁶. Durch die Aushärtung in Kontakt mit Holz können Wasser und niedermolekulare Komponenten aus dem Klebstoff entweichen, zusätzlich zu komplexen Interphasen- und chemischen Wechselwirkungen des Klebstoffs mit dem Holz ^3,7.

Die Entwicklung des Automated Bonding Evaluation System (ABES) war sehr hilfreich für das Verständnis der Festigkeitsentwicklung von Holzklebstoffen, da es schnell und einfach anzuwenden ist ^8,9,10. Das System ist eine integrale Einheit, die Lap-Shear-Proben verbindet und dann die Kraft unter Spannung misst, die erforderlich ist, um die Verbindung zu brechen. Sein Nutzen hat zur Entwicklung der ASTM-Methode D7998-19 geführt, die dieses System¹¹ verwendet. Obwohl dieses System ursprünglich entwickelt wurde, um die Entwicklung der Klebkraft als Funktion von Temperatur und Zeit zu messen, kann es auch die Wärmebeständigkeit von ausgehärteten Klebstoffen sowie die routinemäßige Bewertung der Haftfestigkeit messen. Obwohl der ABES-Test wie jeder Test ein sehr nützliches vorläufiges Screening-Tool ist, hat er seine Grenzen und ersetzt nicht alle spezifischen Produktfestigkeits- und Haltbarkeitstests.

Während es viele Möglichkeiten gibt, die Härtungseigenschaften von Klebstoffen zu messen, von der Gelzeitrheometrie über die dynamische Differenzkalorimetrie bis hin zur dynamisch-mechanischen Analyse und Spektroskopie vieler Arten, misst nur die ABES-Methode die Entwicklung der mechanischen Festigkeit. Dies erfordert ein Gerät, das für Heizung, Kühlung und Zugversuche an Ort und Stelle streng kontrolliert wird¹¹.

Protokoll

1. Vorbereitung von Substraten

1. Verwenden Sie eine Substratoberfläche, die für die Anwendung geeignet ist. Verwenden Sie für Holz ein geschnittenes Furnier von etwa 0,6 bis 0,8 mm Dicke von einem zuverlässigen Hersteller, da diese Furniere für die Herstellung von Sperrholz und Furnierschichtholz (LVL) verwendet werden. Diese werden von einem Furnierlieferanten als Platten von 0,6 bis 0,8 mm Dicke bezogen und seitlich in 305 mm geschnitten. Ein konsistentes Substrat ist ein hartes Ahornfurnier (Acer saccharum) aufgrund seiner Oberflächenglätte und konsistenten Dicke, und es ist ein diffuses poröses Hartholz mit hohem Modul. Ahornfurniere werden häufig im Schrankbau verwendet und sind in der Regel frei von Mängeln.
2. Konditionieren Sie das ungestapelte Holz mindestens einen Tag vor der Verwendung bei 21 °C und 50% relativer Luftfeuchtigkeit (rF). Vermeiden Sie Veneers, die übermäßig wellig sind, eine unebene Oberfläche haben und Defekte einschließlich Verfärbungen enthalten.
   HINWEIS: Andere Holzarten können verwendet werden, um die Haftleistung des Klebstoffs mit diesen Arten zu verstehen. Diffusporöse Harthölzer und Nadelhölzer mit einem allmählichen Übergang von Frühholz zu Spätholz werden jedoch wegen ihrer Gleichmäßigkeit empfohlen. Seien Sie vorsichtig, denn Holz kann sauer oder basisch sein oder Extrakte auf der Oberfläche enthalten, die den Klebstoffhärtungsprozess verändern können. Darüber hinaus kann die Verarbeitung des Baumes vom Zeitpunkt des Schneidens bis zur Furnierherstellung die Klebefestigkeit^12,13 verändern. Da der ABES eine geringe Menge Holz verwendet, wird er weniger von Holzschwankungen beeinflusst, die bei anderen Tests auftreten, wie z. B. Holzfeuchtegehalt und Furnierprüftiefe.
3. Stellen Sie sicher, dass die Seiten des Furniers frei von losen Fasern entlang der Kante sind und das geklebte Produkt keinen signifikanten Klebstoffdruck aufweist, da diese dazu neigen, die Klebefestigkeit zu überschätzen, da die Proben nach dem Kleben nicht modifiziert werden.

2. Vorbereitung der Proben

1. Konditionieren Sie die Holzproben mindestens einen Tag lang bei 21 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit. Überprüfen Sie das Furnier auf Risse, Verfärbungen oder Narbenunregelmäßigkeiten, die beim Schneiden der Proben vermieden werden sollen.
2. Stellen Sie sicher, dass die pneumatisch angetriebene Probenschneidvorrichtung betriebsbereit ist.
3. Verwenden Sie eine spezielle Stanze, die die erforderliche Probengröße von 20 mm x 117 mm von 0,6 auf 0,8 mm dickes Ahornfurnier schneidet (Abbildung 1, Materialtabelle).
   1. Legen Sie ein Stück Furnier, mindestens 150 mm x 300 mm, unter die Schneidmesser, so dass die Furniermaserung parallel zur langen Richtung verläuft, und drücken Sie den Luftdruckknopf, um jedes Stück Holz von 20 mm x 117 mm zu schneiden.
   2. Bewegen Sie das Furnierstück unter den Schneidklingen an einen ungeschnittenen Bereich und drücken Sie den Knopf erneut, um ein weiteres Stück Holz zu schneiden. Fahren Sie fort, bis das Furnierstück vollständig in Stücke geschnitten ist.
      HINWEIS: Wenn die lange Richtung der Probe nicht parallel zur Kornrichtung verläuft, kann während eines Versuchs ein früher Bruch im Holz außerhalb des gebundenen Teils auftreten.
4. Bei anderen Materialien als Holz schneiden Sie die Proben mit den entsprechenden Techniken. Wenn das Material nicht mit dem Probenschneider geschnitten werden kann, verwenden Sie das Material, um es auf die erforderliche Größe zu schneiden. Aufgrund der kleinen Klebefläche ist es wichtig, dass das Schneiden präzise und die Proben frei von Ablagerungen entlang der Kanten und auf den Klebeflächen sind.

3. Funktionsfähigkeit der Geräte

1. Stellen Sie für den Klebevorgang sicher, dass die ABES-Ausrüstung gemäß einer Standardarbeitsanweisung¹¹ ordnungsgemäß funktioniert. Die Einstellungen auf der Vorderseite der ABES-Einheit zum Kleben und Brechen von Proben sind: LP Press 0,2 MPa, HP Press 0,2 MPa, Pull 0,65 MPa und Cool Air 0,2 MPa.
2. Verwenden Sie einen Luftversorgungsdruck von mindestens 0,62 MPa (90 psig), da ein zu niedriger Druck dazu führt, dass sich die Greifklemmen und -platten zu langsam oder ungleichmäßig auf der Probe schließen, was zu falschen Verbundfestigkeiten führt (Abbildung 2, oben).
3. Reinigen Sie die Platten von allen Klebstoffen, die durch Auspressen aus der vorherigen Probe entstehen. Stellen Sie die Temperatur der Aufspannplatten auf die gewünschte Temperatur ein und gleichen Sie sie aus, bevor Sie die Proben verkleben.
4. Um Holz zu verkleben, betreiben Sie die Geräte in einem Raum mit 21 °C und 50% relative Luftfeuchtigkeit. Wenn dies nicht möglich ist, bewahren Sie die konditionierten Proben bis zur Verklebung in einem Plastikbeutel auf, da sich die Holzfeuchtigkeit aufgrund der geringen Größe der Proben schnell ändert.
5. Um kinetische Aushärtungsdaten zu erhalten, ist das Verfahren so zu konstruieren, dass die mechanischen und elektronischen Geschwindigkeiten ausreichen, um Daten genau zu erfassen, wie in ASTM D7998-19¹¹ beschrieben.

4. Verklebung der Proben mit dem Klebstoff

HINWEIS: Die Anwendung des Klebstoffs ist ein kritisches Problem für Holzklebstoffe aufgrund der großen Variation der Viskosität und des prozentualen Feststoffanteils, die von einem Laminierklebstoff wie in Sperrholz zu einem sprühfähigen Klebstoff für Bindemittelanwendungen gehen. Holzklebstoffe sind in der Regel wässrig, so dass die Verdunstung nur ein geringes Problem darstellt. Es ist jedoch wichtig, dass Wasser in das poröse Holz eindringt.

1. 5 mg des zu untersuchenden Klebstoffs über die Klemme 0,5 cm ausreichend verteilen, um den Klebebereich abzudecken und auf die andere Probe zu übertragen, jedoch ohne übermäßiges Auspressen. Um eine relativ konstante Klebstoffstreurate zu erhalten, ist die Holzprobe auf einer Waage zu halten und nach dem Klebstoffauftrag erneut zu wiegen.
2. Verteilen Sie den Klebstoff mit großer Sorgfalt, überlappen Sie die Proben und stellen Sie sicher, dass die beiden Proben ausgerichtet sind, da ein kleiner Klebebereich verwendet wird und die Festigkeiten als Zugkraft über den Klebebereich bestimmt werden (Abbildung 2 unten). Es können unterschiedliche Klebebereiche verwendet werden, aber die Festigkeit ist aufgrund der unterschiedlichen Mechanik von Überrundungsscherversuchen nicht unbedingt vergleichbar.
   HINWEIS: Die Literatur empfiehlt mehrere Möglichkeiten, den Klebstoff je nach Klebstoffkonsistenz auf das Holz aufzutragen. Die ursprünglich empfohlene Klebstoffauftragsmethode verwendete eine speziell entwickelte Mikrospritzvorrichtung¹⁰, die sich jedoch als unordentlich, langsam und sehr abhängig von der Klebstoffrheologie erwies. Obwohl bei diesem Verfahren der Klebstoff als diskrete Punkte aufgebracht wird, wie sie in Bindemittelanwendungen für Spanplatten und orientierte Streifenplatten verwendet werden, scheint ein Druckverfahren zuverlässiger^{zu sein 14}. Das Mikropipettenauftragsverfahren kann ein reproduzierbares Klebstoffvolumen¹⁰ liefern, aber es ist etwas schwierig, es gleichmäßig zu verteilen. Die Spachtelmethode hat sich am besten bewährt, um eine gleichmäßige Verteilung des Klebstoffs auf der Klebefläche zu erhalten, und eine Mikrowaage zur Erzielung einer gemessenen Menge wird empfohlen¹¹.
3. Endfestigkeitsdaten
   1. Die Proben bei 120 °C für 2 min verkleben und über Nacht bei 21 °C und 50% rF konditionieren, da das Holz durch das Heißpressen während des Verklebens austrocknet. Um das Holz zu verkleben, verriegeln Sie eine Probe, indem Sie die Griffe am ABES-Tester schließen und sicherstellen, dass die Probe mit dem Tester ausgerichtet ist. Drücken Sie dann den Startknopf an der Maschine, damit die 120 °C-Aufspannplatten 2 Minuten lang auf den überlappenden Abschnitt drücken, bevor Sie die Aufspannplatten zurückziehen und die Griffe lösen, damit die Proben entnommen werden können.
      HINWEIS: Die Zeit und Temperatur für die Aushärtung werden von der Anwendung und der Klebstoffchemie bestimmt. Die Klebetemperatur und -zeit sollte so optimiert werden, dass die Festigkeit das höchste Plateau erreicht, indem verschiedene Bindungstemperaturen und -zeiten verwendet werden, um Bedingungen für maximale Festigkeit zu bestimmen. Für Holzverbindungen ist die Prüfung der Trockenscherfestigkeit wertvoll, aber Nasstests sind im Allgemeinen kritischer, um die Haltbarkeit des Klebstoffs zu bestimmen, und erfordern ein 4-stündiges Einweichen der Probe bei Raumtemperatur in Wasser.
   2. Verriegeln Sie zum Testen eine Probe, indem Sie die Griffe am ABES-Tester schließen und sicherstellen, dass die Probe mit dem Tester ausgerichtet ist. Durch Drücken des Startknopfes zieht das Instrument an einem Ende durch einen Servoantrieb, während das andere Ende der Probe an einer an den Griffen befestigten Wägezelle zieht. Dieses Ziehen setzt sich fort, bis die Verbindung bricht. Der Computer zeichnet die maximale Kraft auf, der die Probe standhalten kann, die als Haftfestigkeit aufgezeichnet wird.
      1. Verwenden Sie das gleiche Verfahren für die trockenen und wassergetränkten Proben. Achten Sie bei der Messung der Bruchkraft darauf, dass die Griffe das Holz fest halten, denn wenn der Klebstoff sehr stark ist, kann das Holz verrutschen. Wenn die Probe außerhalb des gebundenen Bereichs bricht, verwerfen Sie den Wert, da dies die Holzfestigkeit und nicht den Klebstoff misst.
4. Kinetische Kraftentwicklung
   1. Bestimmen Sie die Festigkeitsentwicklung eines Klebstoffs, um die für große Produkte erforderliche Presszeit abzuschätzen. Befolgen Sie das gleiche Verfahren wie in Schritt 4.3, außer dass Temperatur und Zeit geändert werden. Beginnen Sie mit der Prüfung der Festigkeit bei 100 °C Plattentemperatur mit Klebezeiten von 10, 30, 60, 90, 120, 150, 180 und 210 Sekunden. Anschließend die Temperatur um 10 °C erhöhen und die Klebezeiten wiederholen, bis bei den niedrigen Bindungszeiten kein linearer Festigkeitsquerschnitt mehr vorhanden ist.
   2. Nach dem Verkleben ziehen Sie die Platten zurück und verwenden die Luftkühlungsfunktion des ABES, um die Probe auf nahezu Raumtemperatur abzukühlen und dann die Probenstärke zu messen. Indem Sie mit einer niedrigen Presszeit beginnen und zuerst die Zeit für nachfolgende Proben erhöhen, sammeln Sie die Festigkeits-Zeit-Daten, bis eine zunehmende Zeit zu wenig oder keiner zunehmenden Festigkeit führt. Wenn Sie dann die gleiche Sequenz bei höheren Temperaturen durchführen, erhalten Sie das resultierende Diagramm der Festigkeit über die Zeit und die Aushärtungsrate als die Steigung (Abbildung 3).
      HINWEIS: Die phenolischen Klebstoffdaten in Abbildung 3a¹⁰ zeigen den Einfluss der Temperatur auf die Festigkeitsentwicklung zu verschiedenen Zeitpunkten. Abbildung 3b zeigt die regressierte isotherme Festigkeitsentwicklungsrate in Abhängigkeit von der Temperatur. Um die isotherme Festigkeitsentwicklung zu erhalten, wurde die Probe vor dem Test abgekühlt. Einige Klebstoffe, wie Harnstoffformaldehyd¹⁵, haben eine optimale Klebezeit und -temperatur, bevor der Abbau beginnt. Diese Methode kann dieses Problem erkennen und optimale Bedingungen bestimmen.
5. Wärmebeständigkeit
   1. Wenn das Produkt eine bestimmte Temperaturbeständigkeit erfüllen muss, klemmen Sie die gebundene Probe in die ABES-Einheit. Nachdem die Platten auf diese Temperatur, z. B. 220 °C, erhitzt worden sind, oberhalb derer das Holz zu zersetzen beginnt, schließen Sie sie für 2 min auf die vorgebundene Probe und öffnen Sie sie dann, um die Klebkraft gemäß 4.3.2 zu messen, um eine etwaige thermische Erweichung des Klebstoffs im Vergleich zur Klebetemperatur von 120 °C zu bestimmen.
   2. Wiederholen Sie diesen Test, mit der Ausnahme, dass die Aufspannplatten auf der Probe für 30 Minuten geschlossen und dann auf Festigkeit getestet werden, um die Festigkeit zu bestimmen, wenn der Klebstoff thermisch abgebaut ist. Die Freigabe der Platten und die Prüffestigkeit bestimmen die Wärmebeständigkeit der Probe im Vergleich zum Wert vor dem Erhitzen. Diese Art von Verfahren wurde verwendet, um Holzklebstoffe^{zu testen 16}. Da das ABES eine schnelle Erwärmung verwendet und die Festigkeit messen kann, während es heiß ist, ohne die Probe zu einer anderen Maschine zu bewegen, kann es verwendet werden, um zwischen den beiden Fehlerarten (d. H. Thermische Erweichung oder Degradation) zu unterscheiden. Die thermische Enthärtung führt unmittelbar nach dem Erhitzen zu einem Festigkeitsverlust und ist in der Regel wiederherstellbar. Der chemische Abbau erfolgt allmählich im Laufe der Zeit bei hohen Temperaturen und gewinnt die mechanische Festigkeit beim Abkühlen nicht zurück.
      HINWEIS: Klebstoffhersteller müssen unterscheiden, ob der Festigkeitsverlust auf thermische Erweichung oder chemischen Abbau zurückzuführen ist, da diese Probleme unterschiedliche Lösungen erfordern. Es gibt viele Methoden, die Erweichungsübergänge messen können, einschließlich anderer thermischer Analysen, aber sie unterscheiden nicht zwischen einer Änderung der mechanischen Eigenschaften und der chemischen Struktur.

5. Bildanalyse der fehlgeschlagenen Klebefläche

1. Da das Hauptziel darin besteht, die Haftfestigkeit oder die Geschwindigkeit der kohäsiven Festigkeitsentwicklung zu bestimmen, stellen Sie sicher, dass das Versagen innerhalb des Klebstoffs und nicht durch Haftung am Substrat (Abbildung 4) oder Substratversagen erfolgt. Wenn ein Substratversagen auftritt, hat der Klebstoff eine ausreichende Festigkeit. Alternativ weist ein kohäsives Versagen des Schüttklebstoffs auf eine Klebstoffschwäche hin. Die Entscheidung zwischen Adhäsion und adhäsivem Interphasenversagen kann jedoch schwierig sein¹⁷. Für die Holzanalyse wurden verschiedene Methoden entwickelt¹⁸.

Ergebnisse

Das Verfahren wurde ausgiebig für die Untersuchung von Proteinklebstoffen im Forest Products Laboratory eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass eine Nassklebefestigkeit von weniger als 2 MPa nicht ausreichte, um weitere Holzklebstofftests zu rechtfertigen, während mehr als 3 MPa ein vielversprechendes Ergebnis für weitere Tests war¹⁹. Es hat sich als nützlich erwiesen, um die Empfindlichkeit der Holzverarbeitungsbedingungen^12,13 nachzu...

Diskussion

Kritische Schritte im Verfahren sind wie folgt: Auswahl der Substrate, Vorbereitung der Proben, Funktionsfähigkeit der Ausrüstung und Verklebung der Proben.

Das Substrat muss stark sein, minimale Defekte aufweisen (glatt, flach, keine Risse und keine Verfärbungen). Ungeschliffenes, rotierend geschnittenes Schrankfurnier aus diffusem porösem Hartholz mit Zuckerahorn (Acer saccharum) bevorzugt. Durch das Schleifen entsteht eine weniger ebene und fragmentiertere Oberfläche

Materialien

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