结构用竹质工程材料胶粘剂及其性能评价研究

论文摘要

发展竹质人造板是充分利用国内丰富的竹类资源、缓解木材缺口、促进农村经济发展的有效途径,结构用竹质工程材料对产品的胶合强度要求较高,针对当前竹质结构材普遍存在的胶合质量不高、浸渍剥离率高、产品使用周期短的问题,本研究结合竹材的特性,展开对结构用竹质工程材料粘合体系及其性能评价的研究。研究中以竹篾和竹片为研究对象,通过考察竹篾层积材的浸渍剥离率和竹片的剪切强度来研究竹材的胶合强度性能。利用接触角自动测试仪,考察了竹篾和竹片用四种偶联剂处理前后其表面自由能的变化情况,考察并分析了偶联剂CA5的浓度、热压时间和热压温度这三个变量因子对竹篾层积材的物理力学性能,尤其是胶合强度的影响;测试了用不同浓度的四种偶联剂分别处理竹片表面后,酚醛树脂胶合竹片的剪切强度值。利用傅立叶红外光谱对三种硅烷偶联剂对提高竹材胶合强度的作用机理做了初步研究。利用间苯二酚对酚醛树脂进行改性,旨在提高热固性苯酚-间苯二酚-甲醛（PRF）树脂对竹材的胶合性能,考察了热固性PRF胶粘剂合成条件改变对树脂性能及竹篾层积材板材性能影响,以及不同的PRF树脂对胶合竹片剪切强度的影响,对竹篾厚度及竹帘方向对竹篾层积材的物理力学性能的影响也作了研究;为研制出低成本的冷固型苯酚-间苯二酚-甲醛树脂胶粘剂,考察了各因子对树脂性能的影响,最终优化出性能优良、成本较低的冷固型PRF树脂。通过研究得到了以下结论:竹篾与竹片表面经偶联剂CA5、KH560和KH602处理后,表面自由能有较大增加,表面润湿性改善,经偶联剂KH550处理后表面自由能则明显下降,表面润湿性变差,但是处理竹片后胶合试件的剪切强度均提高,其中KH550在浓度为0.5%时即具有明显的效果,其浓度继续增加出现先增加后减少的现象。KH560和KH602处理竹片表面后,剪切强度均是随着偶联剂浓度的增加而增加,尤其是KH560在浓度为2%时,剪切强度增加率高达400%。对硅烷偶联剂对竹材胶合性能影响机理的初步研究表明:试验中所用三种硅烷偶联剂不仅能与酚醛树脂中的羟基发生化学反应,也能与竹粉中纤维素、半纤维素和木质素大分子中的羟基发生化学反应。偶联剂CA5处理竹篾压制竹篾层积材所得最佳物理力学性能的工艺条件为:板材密度0.8g/cm3,偶联剂CA5含量为2%,热压温度160℃,热压时间14min。这一工艺条件下竹篾层积材的性能指标分别为:静曲强度181.2MPa,弹性模量11000.41 MPa,浸渍剥离率0.66%,24h吸水厚度膨胀率4.36%,优于相关标准规定值。间苯二酚含量对于热固型改性酚醛树脂提高其胶合竹材的强度具有显著的影响,随着树脂中间苯二酚含量的增大,竹篾层积材的浸渍剥离率和24h吸水厚度膨胀率先是显著减小,然后略有增加;竹片剪切强度值比不改性酚醛树脂强度增加50%以上,但是间苯二酚含量在1%到3%范围内的变化对树脂胶合竹片剪切强度影响不明显。优化的热固性PRF变量因子分别为:间苯二酚含量为1.5%,醛酚摩尔比为2.0,竹篾浸胶时胶粘剂浓度为30%。所得竹篾层积材的各项物理力学性能分别为:静曲强度185.2MPa,弹性模量10800.35 MPa,浸渍剥离率0.58%,24h吸水厚度膨胀率4.20%,优于相关标准规定值。合成冷固型间苯二酚改性酚醛树脂时,间苯二酚含量所占比例越高则测试常态强度时的木破率越高,也即胶粘剂的强度越好,但是对28小时循环煮沸试验结果影响不显著;间苯二酚含量为9%是控制PRF树脂质量的一个临界含量,此时料比的变化对树脂的强度性能和凝树脂时间影响较大;苯酚、甲醛摩尔比对树脂贮存稳定性有显著的影响,苯酚、甲醛摩尔比为1.5:1时,树脂的稳定性最好;随着调胶时固化剂多聚甲醛含量的增加,PRF树脂胶合试件的剪切强度值和木破率迅速下降,树脂的凝胶时间缩短,多聚甲醛加入的百分比为6%时,树脂的强度性能最好;优化的两种冷固型PRF树脂其间苯二酚含量分别为10.5%和9%,其剪切强度指标达到JAS SE-9标准规定值。竹篾厚度对竹篾层积材的物理力学性能有较大的影响。随着竹篾厚度的减小,竹篾层积材的24小时吸水厚度膨胀率明显减小,静曲强度值、弹性模量值和密度增加,浸渍剥离率也显著地降低,生产中篾片厚度为0.8-1.4mm较合适。竹帘方向对竹篾层积材的物理力学性能也有较大影响。竹帘方向层与层之间互为垂直时,其压制的板材的各项物理力学性能均大幅下降,其他条件相同时,竹帘垂直胶合时板材的24小时吸水厚度膨胀率和浸渍剥离率的值远远大于竹帘均平行排列时板材的对应值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.1.3 项目来源与经费支持
• 1.2 国内外竹材应用概述
• 1.3 竹材的结构特性、力学性能、表面性能及其浸润性研究
• 1.3.1 竹材结构特性的研究
• 1.3.2 竹材力学性能的研究
• 1.3.3 竹材的表面特性及其浸润性的研究
• 1.4 木质结构材胶粘剂的研究现状
• 1.4.1 室外型结构胶粘剂
• 1.4.2 半室外型结构胶粘剂
• 1.4.3 室内型结构胶粘剂
• 1.4.4 酚醛树脂胶粘剂的改性研究现状
• 1.4.5 木材用酚醛树脂的改性研究
• 1.5 竹材胶合的研究现状
• 1.5.1 改善竹材表面特性的研究
• 1.5.2 竹材用胶粘剂的改性研究
• 1.5.3 存在的问题
• 1.5.4 发展趋势
• 1.6 研究目标和主要研究内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 主要研究内容
• 1.7 研究技术路线
• 1.7.1 胶粘剂制备技术路线
• 1.7.2 表面处理技术路线
• 第二章 偶联剂对竹材表面润湿性影响的研究
• 2.1 引言
• 2.2 表面自由能的测试原理与方法的选取
• 2.2.1 润湿性与固体表面自由能的关系
• 2.2.2 固体表面自由能的常用估算方法测试原理
• 2.3 试验原料及设备
• 2.3.1 原料的选择与制备
• 2.3.2 主要试验设备和仪器
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 竹材表面的处理
• 2.4.2 接触角的测定
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 表面自由能的估算
• 2.5.2 偶联剂处理竹片表面自由能估算
• 2.5.3 偶联剂处理竹篾表面自由能的估算
• 2.5.4 探测液在偶联剂处理竹篾和竹片前后表面接触角的动态变化
• 2.6 小结
• 第三章 偶联剂对胶合竹材物理及力学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 试验原料及设备
• 3.2.1 试验原料
• 3.2.2 试验仪器及设备
• 3.3 试验设计与性能测试方法
• 3.3.1 试验内容
• 3.3.2 竹篾层积材的制备
• 3.3.3 试验设计
• 3.3.4 性能测试方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 竹篾层积材试验测试结果与讨论
• 3.4.2 偶联剂处理竹片表面胶合剪切强度结果与讨论
• 3.5 小结
• 第四章 硅烷偶联剂对竹材胶合性能影响机理的初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 硅烷偶联剂作用机理的几种理论
• 4.2.1 化学键理论
• 4.2.2 表面浸润理论
• 4.2.3 变形层理论
• 4.2.4 拘束层理论
• 4.2.5 可逆水解键理论
• 4.3 试验
• 4.3.1 试验材料
• 4.3.2 试验设备和仪器
• 4.3.3 样品的准备
• 4.3.4 分析与表征
• 4.4 结果分析与讨论
• 4.4.1 偶联剂对竹材表面自由能的影响
• 4.4.2 三种硅烷偶联剂的结构特点及可能发生的化学反应
• 4.4.3 酚醛树脂与苯酚－间苯二酚-甲醛树脂的结构表征
• 4.4.4 三种硅烷偶联剂与竹材反应的红外光谱与分析
• 4.4.5 三种硅烷偶联剂与竹材反应的机理分析
• 4.5 小结
• 第五章 热固型间苯二酚改性酚醛树脂的合成及性能
• 5.1 引言
• 5.2 试验原料及设备
• 5.2.1 试验原料
• 5.2.2 试验仪器及设备
• 5.3 试验设计与性能测试
• 5.3.1 试验内容
• 5.3.2 热固性 PRF 胶粘剂的合成
• 5.3.3 PRF 树脂的组成对胶合竹片强度影响的试验设计
• 5.3.4 竹篾厚度及竹帘的排列方向对竹篾层积材性能影响的试验设计
• 5.3.5 PRF 树脂理化性能的测试方法
• 5.3.6 竹篾层积材制备
• 5.3.7 竹篾层积材性能的测试方法
• 5.3.8 PRF 树脂的结构表征
• 5.4 结果和讨论
• 5.4.1 红外光谱
• 5.4.2 差示扫描量热分析
• 5.4.3 PRF 树脂组成及其性能对竹篾层积材物理力学性能的影响
• 5.4.4 PRF 树脂的组成对竹篾层积材板物理及力学性能的影响
• 5.4.5 PRF 树脂的原料配比对竹材剪切强度的影响
• 5.4.6 竹篾厚度及排列方向对竹篾层积材性能影响的试验结果与分析
• 5.4.7 PRF 树脂最优变量因子的选择与检验
• 5.5 小结
• 5.5.1 变量因子对树脂性能的影响
• 5.5.2 变量因子对竹篾层积材板材性能影响
• 5.5.3 不同的 PRF 树脂对胶合竹片剪切强度的影响
• 5.5.4 竹篾厚度及竹帘方向对竹篾层积材的物理力学性能的影响
• 第六章 低成本冷固型间苯二酚改性酚醛树脂的合成及性能评价
• 6.1 引言
• 6.2 试验
• 6.2.1 试验原料及设备
• 6.2.2 试验设计
• 6.2.3 树脂的合成工艺
• 6.2.4 性能测试
• 6.2.5 红外光谱的表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 树脂的红外光谱
• 6.3.2 原料配比对 PRF 树脂性能的影响
• 6.3.3 原料配比对强度性能的影响
• 6.3.4 间苯二酚的加入量对树脂性能的影响
• 6.3.5 间苯二酚含量对树脂性能影响
• 6.3.6 原料配比对贮存稳定性的影响
• 6.3.7 优化冷固型 PRF 树脂配方筛选及性能
• 6.4 小结
• 6.4.1 因子对树脂物理化学性能的影响
• 6.4.2 试验因子对树脂强度性能的影响
• 6.4.3 优化低成本冷固型 PRF 树脂胶合竹片性能评价
• 第七章 结论
• 7.1 偶联剂对竹材表面润湿性及接触角动态变化影响的研究
• 7.1.1 偶联剂对竹篾和竹片表面润湿性的影响
• 7.1.2 偶联剂对探测液在竹材表面的动态变化影响
• 7.2 偶联剂在竹材胶合中的应用
• 7.2.1 偶联剂 CA5 对竹篾层积材的应用及压板工艺因子的筛选.
• 7.2.2 四种偶联剂对竹片剪切强度的影响
• 7.3 硅烷偶联剂对竹材胶合性能影响机理的初步研究
• 7.4 PRF 胶粘剂合成条件对树脂性能及竹篾层积材板材性能影响
• 7.4.1 间苯二酚含量对树脂性能的影响
• 7.4.2 醛、酚摩尔比对树脂性能的影响
• 7.4.3 间苯二酚含量对竹篾层积材板材性能影响
• 7.4.4 醛、酚摩尔比对竹篾层积材板材性能影响
• 7.4.5 胶的浓度对竹篾层积材板材性能的影响
• 7.4.6 优化的热固性 PRF 变量因子及验证结果
• 7.4.7 不同的 PRF 树脂对胶合竹片剪切强度的影响
• 7.5 低成本冷固型 PRF 的研制
• 7.5.1 因子对树脂物理化学性能的影响
• 7.5.2 试验因子对树脂强度性能的影响
• 7.5.3 优化低成本冷固型 PRF 树脂胶合竹片性能评价
• 7.6 竹篾厚度及竹帘方向对竹篾层积材性能的影响
• 7.7 研究创新点
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢