Ahşap Yapıştırıcıların Yapışkan Mukavemet Gelişimi için Standart Test Yöntemi ASTM D 7998-19

Özet

Ahşap üzerindeki yapışkan bağların hem kuru hem de ıslak dayanımının hızlı ve daha tutarlı bir şekilde değerlendirilmesi için ASTM D7998-19 adlı bir prosedür sunuyoruz. Yöntem ayrıca, sıcaklık ve zamanın bir fonksiyonu olarak mukavemet gelişimi veya 250 ° C'ye kadar mukavemet tutma hakkında bilgi sağlamak için de kullanılabilir.

Özet

Kürlenmiş ahşap yapıştırıcıların özelliklerinin, ahşaba su ve diğer bileşenlerin kaybı, ahşabın yapışkan kür üzerindeki etkisi ve yapışkan penetrasyonunun ahşap interfazı üzerindeki etkisi nedeniyle incelenmesi zordur; Bu nedenle, düzgün bir yapışkan filmin normal testi genellikle yararlı değildir. Ahşap yapışkan bağ mukavemetinin çoğu testi yavaş, zahmetlidir, ahşaptan güçlü bir şekilde etkilenebilir ve tedavinin kinetiği hakkında bilgi vermez. Bununla birlikte, ASTM D 7998-19 test yöntemi, ahşap bağların mukavemetinin hızlı bir şekilde değerlendirilmesi için kullanılabilir. Akçaağaç yüz kaplaması gibi pürüzsüz, düzgün ve güçlü bir ahşap yüzeyin ve yeterli yapışma basıncının kullanılması, yapışma ve ahşap mukavemetinin bağ mukavemeti üzerindeki etkilerini azaltır. Bu yöntemin üç ana uygulaması vardır. Birincisi, bağ gücü gelişimi hakkında tutarlı veriler sağlamaktır. İkincisi, bağlı tur kesme numunelerinin kuru ve ıslak mukavemetlerini ölçmektir. Üçüncüsü, termal hassasiyeti hızlı bir şekilde değerlendirerek ve termal yumuşama ile termal bozulma arasında ayrım yaparak yapışkan ısı direncini daha iyi anlamaktır.

Giriş

Ahşap yapıştırma, en büyük tek yapışkan pazarıdır ve orman kaynaklarının verimli kullanılmasına yol açmıştır. Yüzyıllar boyunca, masif ahşap, mobilya konstrüksiyonu hariç, çoğu uygulama için, ürünün kullanım dayanıklılığı dışında hiçbir test kriteri olmadan kullanılmıştır. Bununla birlikte, bağlı ahşap ürünler, kontrplak ve glulam kirişlerden başlayarak, biyolojik bazlı yapıştırıcılar kullanılarak daha yaygın hale geldi ^1,2. Bu ürünler o zamanlar tatmin edici olmasına rağmen, soya, kazein ve kan yapıştırıcılarının formaldehit içeren sentetik yapıştırıcılarla değiştirilmesi, özelliklerin iyileştirilmesine yol açtı. Bu yeni yapıştırıcıların daha yüksek performansı, çoğu biyo-bazlı yapıştırıcı ile elde edilebilenden daha yüksek performans beklentilerine sahip tanımlanmış test standartlarına yol açmıştır. Sentetik yapıştırıcılar ayrıca, yonga levhalar oluşturmak için talaş, değişen yoğunluklarda suntalar oluşturmak için lifler, yönlendirilmiş iplik levhası ve paralel iplik kerestesi sağlamak için talaşlar, kontrplak ve lamine kaplama kereste üretmek için kaplamalar ve ayrıca parmak eklemli kereste, glulam, çapraz lamine kereste ve ahşap I-kirişler³ dahil olmak üzere parçacıkların bağlanmasını mümkün kılmıştır. Bu ürünlerin her birinin kendi test kriterleri vardır⁴. Bu nedenle, yeni bir yapıştırıcının geliştirilmesi, yeterli mukavemet geliştirme potansiyeli olup olmadığını belirlemek için çok sayıda formülasyon çalışması ve kapsamlı testler gerektirebilir. Bu zaman alıcı test ve ahşap özelliklerinin karmaşıklığı ve ahşap yapıştırma⁵, yeni yapıştırıcıların geliştirilmesini sınırlamıştır. Ek olarak, ahşap yapıştırıcıların mekanik özellikleri, düzgün^6'nın aksine ahşap yüzeyler arasında kürlendiğinde farklı olabilir. Ahşapla temas halinde kürleme, yapıştırıcının ahşap ile karmaşık faz arası ve kimyasal etkileşimlerine ek olarak, yapıştırıcıdan su ve düşük moleküler ağırlıklı bileşenlerin kaçmasına izin verir ^3,7.

Otomatik Yapıştırma Değerlendirme Sistemi'nin (ABES) geliştirilmesi, ahşap yapıştırıcıların mukavemet gelişimini anlamak için çok yardımcı olmuştur, çünkü hızlı ve kullanımı kolaydır ^8,9,10. Sistem, kucak kesme numunelerini bağlayan ve daha sonra bağı kırmak için gereken gerilim altındaki kuvveti ölçen entegre bir ünitedir. Faydası, bu sistemi kullanan ASTM yöntemi D7998-19'un geliştirilmesine yol açmıştır¹¹. Bu sistem başlangıçta sıcaklık ve zamanın bir fonksiyonu olarak yapışkan mukavemet gelişimini ölçmek için tasarlanmış olmasına rağmen, rutin bağ mukavemeti değerlendirmesinin yanı sıra kürlenmiş yapıştırıcıların ısı direncini de ölçebilir. ABES testi çok kullanışlı bir ön tarama aracı olmasına rağmen, herhangi bir test gibi, sınırlamaları vardır ve tüm spesifik ürün mukavemeti ve dayanıklılık testlerinin yerini almaz.

Jel zamanlı reometriden diferansiyel taramalı kalorimetriye, dinamik mekanik analize ve birçok tipte spektroskopiye kadar yapıştırıcıların kürlenme özelliklerini ölçmenin birçok yolu olsa da, sadece ABES yöntemi mekanik mukavemetin gelişimini ölçer. Bu, ısıtma, soğutma ve yerinde çekme testi¹¹ için sıkı bir şekilde kontrol edilen bir cihaz gerektirir.

Protokol

1. Substratların hazırlanması

1. Uygulama için uygun bir substrat yüzeyi kullanın. Ahşap için, güvenilir bir üreticiden yaklaşık 0,6 ila 0,8 mm kalınlığında dilimlenmiş bir kaplama kullanın, çünkü bu kaplamalar kontrplak ve lamine kaplama kereste (LVL) üretimi için kullanılır. Bunlar, bir kaplama tedarikçisinden, 0,6 ila 0,8 mm kalınlığında levhalar halinde elde edilir ve bir tarafta 305 mm'ye kesilir. Tutarlı bir substrat, yüzey pürüzsüzlüğü ve tutarlı kalınlığı nedeniyle sert bir akçaağaç (Acer saccharum) yüz kaplamasıdır ve dağınık gözenekli ve yüksek modüllü bir sertağaçtır. Akçaağaç yüz kaplamaları dolap yapımında yaygın olarak kullanılır ve genellikle kusursuzdur.
2. Ahşabı istiflenmemiş, kullanımdan en az bir gün önce 21 °C ve %50 bağıl nemde (RH) koşullandırın. Aşırı dalgalı, düz olmayan bir yüzeye sahip ve renk değişikliği de dahil olmak üzere kusurlar içeren kaplamalardan kaçının.
   NOT: Diğer ahşap türleri, yapıştırıcının bu türlerle olan bağ performansını anlamak için kullanılabilir. Bununla birlikte, dağınık gözenekli sertağaçlar ve kademeli bir erken ahşaptan geç oduna geçişe sahip yumuşak ağaçlar, tekdüzelikleri için tavsiye edilir. Dikkat edin, çünkü ahşap asidik veya bazik olabilir veya yüzeyde yapışkan kürleme işlemini değiştirebilecek ekstraktiflere sahip olabilir. Ek olarak, ağacın kesim zamanından kaplama üretimine kadar işlenmesi, bağ mukavemetini^12,13 olarak değiştirebilir. ABES az miktarda ahşap kullandığından, ahşabın nem içeriği ve kaplama kontrol derinliği gibi diğer testlerle ortaya çıkan ahşap varyasyonlarından daha az etkilenir.
3. Kaplamanın kenarlarının kenar boyunca herhangi bir gevşek elyaftan arındırılmış olduğundan ve yapıştırılan ürünün önemli bir yapışkan sıkışmasına sahip olmadığından emin olun, çünkü bunlar numunelerin yapıştırma sonrası modifikasyonu olmadığından bağ mukavemetini abartma eğiliminde olacaktır.

2. Numunelerin hazırlanması

1. Ahşap numuneleri en az bir gün boyunca 21 ° C ve% 50 RH'de şartlandırın. Numuneleri keserken kaçınılması gereken çatlaklar, renk değişiklikleri veya tane düzensizlikleri için kaplamayı kontrol edin.
2. Pnömatik tahrikli numune kesme cihazının çalışır durumda olduğundan emin olun.
3. Gerekli 20 mm numune boyutunu 117 mm ile 0,6 ila 0,8 mm kalınlığındaki akçaağaç kaplamadan kesen özel bir kalıp kesici kullanın (Şekil 1, Malzeme Tablosu).
   1. Kaplama tanesinin uzun yöne paralel olması için kesme bıçaklarının altına en az 150 mm x 300 mm boyutlarında bir kaplama parçası yerleştirin ve 20 mm'lik her bir ahşap parçasını 117 mm kesmek için hava basıncı düğmesine basın.
   2. Kesme bıçaklarının altındaki kaplama parçasını kesilmemiş bir alana taşıyın ve başka bir tahta parçasını kesmek için düğmeye tekrar basın. Kaplama parçası tamamen parçalara ayrılana kadar devam edin.
      NOT: Numunenin uzun yönü tane yönüne paralel değilse, bir test sırasında ahşapta bağlı kısımdan uzakta erken kırılma meydana gelebilir.
4. Ahşap dışındaki malzemeler için, uygun teknikleri kullanarak örnekleri kesin. Malzeme numune kesici ile kesilemiyorsa, gerekli boyuta kesmek için malzemeyi kesecek her şeyi kullanın. Küçük yapıştırma alanı nedeniyle, kesmenin doğru olması ve numunelerin kenarlar boyunca ve yapıştırma yüzeylerinde döküntü içermemesi önemlidir.

3. Ekipmanın çalışabilirliği

1. Yapıştırma işlemi için, ABES ekipmanının standart bir çalışma prosedürü^11'e göre düzgün çalıştığından emin olun. ABES ünitesinin ön yüzündeki numunelerin yapıştırılması ve kırılması için kullanılan ayarlar şunlardır: LP Press 0,2 MPa, HP Press 0,2 MPa, Pull 0,65 MPa ve Cool Air 0,2 MPa.
2. En az 0,62 MPa (90 psig) hava besleme basıncı kullanın, çünkü çok düşük basınç, kavrama kelepçelerinin ve plakaların numune üzerinde çok yavaş veya düzensiz bir şekilde kapanmasına neden olur ve yanlış yapışma mukavemetlerine neden olur (Şekil 2, üst).
3. Önceki numuneden sıkılmasından kaynaklanan herhangi bir yapıştırıcının plakalarını temizleyin. Numuneleri yapıştırmadan önce plakaların sıcaklığını istenen sıcaklığa ve dengeye ayarlayın.
4. Ahşabı bağlamak için, ekipmanı 21 ° C ve% 50 RH'de bir odada çalıştırın. Bu mümkün değilse, numunelerin küçük boyutu nedeniyle ahşap nemindeki hızlı değişim nedeniyle şartlandırılmış numuneleri yapıştırılana kadar plastik bir torbada saklayın.
5. Kinetik kür verilerini elde etmek için, yöntemi ASTM D7998-19^11'de belirtildiği gibi verileri doğru bir şekilde toplamak için mekanik ve elektronik hızların yeterli olacağı şekilde tasarlayın.

4. Numunelerin yapıştırıcı ile yapıştırılması

NOT: Yapıştırıcının uygulanması, viskozitedeki geniş varyasyon ve kontrplakta olduğu gibi bir laminasyon yapıştırıcısından bağlayıcı uygulamalar için püskürtülebilir bir yapıştırıcıya giden yüzde katı maddeler nedeniyle ahşap yapıştırıcılar için kritik bir konudur. Ahşap yapıştırıcılar genellikle su kaynaklıdır, bu nedenle buharlaşma sadece küçük bir sorundur. Bununla birlikte, gözenekli ahşabın içine batırılan su önemlidir.

1. İncelenen yapıştırıcının 5 mg'ını, bağlanma alanını kaplayacak kadar terminal 0,5 cm üzerine yayın ve diğer numuneye aşırı sıkmadan aktarın. Nispeten sabit bir yapışkan yayılma hızı elde etmek için, ahşap numuneyi bir teraziye alın ve yapıştırıcı uygulamasından sonra yeniden tartın.
2. Yapıştırıcının dağıtılmasında, numunelerin üst üste binmesinde ve iki numunenin hizalandığından emin olun, çünkü küçük bir yapıştırma alanı kullanılır ve mukavemetler bağlı alan üzerindeki çekme kuvveti olarak belirlenir (Şekil 2 alt). Farklı yapıştırma alanları kullanılabilir, ancak tur kesme testlerinin mekaniğindeki değişiklik nedeniyle mukavemet mutlaka karşılaştırılabilir değildir.
   NOT: Literatür, yapıştırıcı kıvamına bağlı olarak yapıştırıcıyı ahşaba uygulamak için çeşitli yollar önermektedir. Başlangıçta önerilen yapışkan uygulama yöntemi, amaca yönelik tasarlanmış bir mikropüskürtme cihazı¹⁰ kullandı, ancak bunun dağınık, yavaş ve yapışkan reolojiye çok bağlı olduğu bulundu. Bu yöntem, yapıştırıcıyı sunta ve yönlendirilmiş iplik levha için bağlayıcı uygulamalarında kullanıldığı gibi ayrı noktalar olarak uygulasa da, bir baskı yöntemi daha güvenilir görünmektedir¹⁴. Mikro pipet uygulama yöntemi, tekrarlanabilir bir yapışkan¹⁰ hacmi sağlayabilir, ancak eşit olarak dağıtılması biraz zordur. Spatula yöntemi, yapıştırıcının yapıştırma alanında eşit bir dağılımını elde etmek için en iyi şekilde çalışmıştır ve ölçülen bir miktarı elde etmek için bir mikro terazi önerilmektedir¹¹.
3. Son mukavemet verileri
   1. Numuneleri 120 ° C'de 2 dakika boyunca bağlayın ve yapıştırma sırasında sıcak presleme ahşabı kuruttuğundan gece boyunca 21 ° C ve% 50 RH'de koşullandırın. Ahşabı yapıştırmak için, ABES test cihazındaki çeneleri kapatarak bir numuneyi yerine kilitleyin ve numunenin test cihazıyla aynı hizada olduğundan emin olun. Ardından, plakaları geri çekmeden ve numunelerin çıkarılabilmesi için çeneleri gevşetmeden önce, 120 °C plakaların üst üste binen bölüme 2 dakika boyunca basmasını sağlamak için makinedeki başlat düğmesine basın.
      NOT: Kürleme zamanı ve sıcaklığı, uygulama ve yapışkan kimyası tarafından belirlenir. Yapıştırma sıcaklığı ve süresi, maksimum mukavemet koşullarını belirlemek için farklı yapıştırma sıcaklıkları ve süreleri kullanılarak mukavemetin en yüksek platoya ulaşması için optimize edilmelidir. Ahşap bağlar için, kuru kesme mukavemetinin test edilmesi değerlidir, ancak ıslak test genellikle yapışkan dayanıklılığını belirlemek için daha kritiktir ve numunenin suya batırılması için 4 saatlik oda sıcaklığında ıslatılması gerekir.
   2. Test için, numunenin test cihazıyla aynı hizada olduğundan emin olmak için ABES test cihazındaki çeneleri kapatarak bir numuneyi yerine kilitleyin. Daha sonra başlat düğmesine basıldığında, cihaz bir servodrive'dan bir ucundan çekerken, numunenin diğer ucu çenelere bağlı bir yük hücresini çeker. Bu çekme bağ kopana kadar devam eder. Bilgisayar, numunenin dayanabileceği maksimum kuvveti kaydeder ve bu da bağ mukavemeti olarak kaydedilir.
      1. Kuru ve suya batırılmış numuneler için aynı prosedürü kullanın. Kırılma kuvvetini ölçerken, tutamakların ahşabı sıkıca tuttuğundan emin olun, çünkü yapıştırıcı çok güçlüyse, ahşap kayabilir. Numune yapıştırılmış alanın dışına çıkarsa, değeri atın, çünkü bu yapıştırıcıyı değil, ahşabın mukavemetini ölçer.
4. Kinetik güç gelişimi
   1. Büyük ölçekli ürünler için gereken pres süresini tahmin etmek için bir yapıştırıcının mukavemet gelişim hızını belirleyin. Sıcaklık ve zamanı değiştirmek dışında, adım 4.3'teki ile aynı prosedürü izleyin. 10, 30, 60, 90, 120, 150, 180 ve 210 saniyelik yapıştırma sürelerini kullanarak 100 °C plaka sıcaklığında mukavemet testine başlayın. Daha sonra, sıcaklığı 10 ° C yükseltin ve düşük bağlanma zamanlarında zamana karşı artık doğrusal bir kuvvet bölümü kalmayana kadar bağlanma sürelerini tekrarlayın.
   2. Yapıştırdıktan sonra, plakaları geri çekin ve numuneyi oda sıcaklığına yakın bir seviyeye soğutmak için ABES'in hava soğutma özelliğini kullanın ve ardından numune mukavemetini ölçün. Düşük bir presleme süresinden başlayarak ve sonraki numuneler için ilk kez artırarak, artan sürenin çok az artmasına neden olana veya hiç artmamasına neden olana kadar zaman verilerine karşı mukavemet verilerini toplayın. Daha sonra aynı sırayı daha yüksek sıcaklıklarda yapmak, ortaya çıkan mukavemet grafiğini zamana karşı ve eğim olarak kürlenme oranını verecektir (Şekil 3).
      NOT: Şekil 3a^10'daki fenolik yapışkan veriler, sıcaklığın farklı zamanlarda mukavemet gelişimi üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekil 3b , sıcaklığa karşı gerilemiş izotermal mukavemet gelişme oranını göstermektedir. İzotermal mukavemet gelişimini elde etmek için, numune testten önce soğutuldu. Üre formaldehit¹⁵ gibi birkaç yapıştırıcı, bozulma gerçekleşmeye başlamadan önce optimum yapışma süresine ve sıcaklığına sahiptir. Bu yöntem, bu sorunu algılayabilir ve optimum koşulları belirleyebilir.
5. Isı direnci
   1. Ürünün belirli bir sıcaklık direncini karşılaması gerekiyorsa, bağlı numuneyi ABES ünitesine sıkıştırın. Plakalar bu sıcaklığa, örneğin ahşabın bozulmaya başladığı 220 ° C'ye ısıtıldıktan sonra, bunları 2 dakika boyunca önceden bağlanmış numuneye kapatın ve daha sonra 120 ° C'lik yapıştırma sıcaklığına kıyasla yapıştırıcının herhangi bir termal yumuşamasını belirlemek için 4.3.2'de olduğu gibi yapışma mukavemetini ölçmek için açın.
   2. Plakaların numune üzerinde 30 dakika boyunca kapatılması ve daha sonra yapıştırıcının termal olarak parçalanması durumunda mukavemeti belirlemek için mukavemet açısından test edilmesi dışında bu testi tekrarlayın. Plakaların serbest bırakılması ve test gücü, numunenin ısıtma öncesi değere kıyasla ısı direncini belirleyecektir. Bu tip bir prosedür ahşap yapıştırıcıları test etmek için kullanılmıştır¹⁶. ABES hızlı ısıtma kullandığından ve numuneyi başka bir makineye taşımadan sıcakken mukavemeti ölçebildiğinden, iki arıza modu (yani, termal yumuşama veya bozulma) arasında ayrım yapmak için kullanılabilir. Termal yumuşatma, ısıtmanın hemen ardından güç kaybına neden olur ve tipik olarak geri kazanılabilir. Kimyasal bozulma, yüksek sıcaklıkta zamanla kademeli olarak meydana gelir ve soğutma sırasında mekanik mukavemeti geri kazanmaz.
      NOT: Yapıştırıcı üreticilerinin, güç kaybının termal yumuşamadan mı yoksa kimyasal bozulmadan mı kaynaklandığını ayırt etmeleri gerekir, çünkü bu sorunlar farklı çözümler gerektirir. Diğer termal analizler de dahil olmak üzere yumuşama geçişlerini ölçebilen birçok yöntem vardır, ancak mekanik özelliklerdeki bir değişiklik ile kimyasal yapı arasında ayrım yapmazlar.

5. Başarısız yapıştırma yüzeyinin görüntü analizi

1. Temel amaç, yapışkan mukavemeti veya yapışma mukavemeti gelişim hızını belirlemek olduğundan, başarısızlığın substrata yapışma ile değil yapıştırıcı içinde olduğundan emin olun (Şekil 4) veya substrat arızası. Substrat arızası meydana gelirse, yapıştırıcı yeterli mukavemete sahiptir. Alternatif olarak, dökme yapıştırıcıdaki yapışkan arıza, yapışkan zayıflığını gösterir. Bununla birlikte, yapışma ve yapışkan faz arası başarısızlık arasında karar vermek zor olabilir¹⁷. Ahşap analizi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir¹⁸.

Sonuçlar

Prosedür, Orman Ürünleri Laboratuvarı'nda protein yapıştırıcılarının incelenmesi için yaygın olarak kullanılmıştır. 2 MPa'dan daha az ıslak bağ mukavemetinin daha fazla ahşap yapışkan testini garanti etmek için yetersiz olduğu, 3 MPa'dan daha büyük ise daha fazla test için umut verici bir sonuç olduğu bulunmuştur¹⁹. Ahşap işleme koşullarının hassasiyetini göstermede yararlı olduğu gösterilmiştir^12,13...

Tartışmalar

Prosedürdeki kritik adımlar şunlardır: substratların seçimi, numunelerin hazırlanması, ekipmanın çalışabilirliği ve numunelerin yapıştırılması.

Substrat güçlü olmalı, minimum kusurlara sahip olmalıdır (pürüzsüz, düz, çatlak ve renk değişikliği olmamalıdır. Zımparalanmamış, döner kesimli dolap yüz kaplaması şeker akçaağaç (Acer saccharum) ile dağınık gözenekli parke tercih edilir. Zımparalama, daha az eşit ve daha parçalanmış bir yü...

Malzemeler

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