木材影响其胶合强度的诸因素分析

研究与探讨　

王炼　，程瑞香　（１．黑龙江省森林工业总局林产．ｚ－．＿ｌｋ局，哈尔滨１５０００８；　２．东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨　１５００４０）　

摘要：论述了木材与其胶合强度有关的因素，诸如木材的密度、纤维方向、含水率、收缩膨胀率、粘接　面特性、抽提物和ｐＨ值等对木材胶合强度的影响。　关键词：木材；胶粘剂；胶合强度　中图分类号：￥７８１．６５　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—５０６４（２００６）０８—００１０—０４　

Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｎ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　Ｗｏｏｄ　

ＷＡＮＧ　Ｄａｎ　．ＣＨＥＮＧ　Ｒｕｉ—ｘｉａｎｇ　

（１．Ｆｏｒｅｓｔ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆＨｅｉｌｏｎｇｉｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂ８乜ａｃｔ：Ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｂｏｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｗｏｏｄ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｗｏｏｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ，ｗｏｏｄ　ｇｒａｉｎ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，　ｗｏｏｄ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｅｎｔ，ｅｘｐａｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒａｃｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｏｆｗｏｏｄ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｗｏｏｄ　ａｄｈｅｓｉｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｗｏｏｄ　ｅｘｔｒａｃｔｉｖｅｓ，　ｗｏｏｄ　ｐＨ　ｖａｌｕｅ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，　Ｋｃｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｏｏｄ；ａｄｈｅｓｉｖｅ；ｂｏｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　

木材粘接技术在木材工业中起着重要的作用，木　材粘接制品粘接性能的好坏，在很大程度上受木材自身　

性能的影响。木材方面影响其粘接性能的因素，既有　木材固有的，也有木材在加工过程中所产生的。前者　包括木材的密度、树种、抽提物、ｐＨ等，后者包括　

木材的含水率、表面粗糙度等。　１　木材密度　木材的强度通常与其密度成正比，因为单位体积　内所含的木材细胞壁物质的数量是决定木材强度的物质　

１０中豳人量扳２０ｏ６旧　１一木材　２一胶层　３一木材　

图１木材破坏示意图　

基础，木材的强度随着木材密度的增大而增大。

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理想的粘接系统，粘接破坏应该发生在木质部（见　图１）。　许多阔叶材的粘接试验证明，当用脲醛树脂（ｕＦ）胶　粘剂粘接木材时，在木材密度小于０．８　ｇ／ｃｍ３的情况下，　

由于脲醛树脂胶粘剂自身的内聚强度以及脲醛树脂胶粘　剂和木材的界面强度大于木材自身强度，粘接破坏往往　

发生在粘接系统中最薄弱的环节一木材，因此，胶合　

强度与木材的强度密切相关，一般地讲，胶合强度随　木材密度的增加而提高。在木材密度大于０．８　ｇ／ｃｍ３的情　

况下，由于脲醛树脂胶粘剂自身的内聚强度以及脲醛树　脂胶粘剂和木材的界面强度小于木材自身强度，粘接破　

坏不是发生在木材部分，而是发生在胶层或界面，因此，　

这种情况下，胶合强度与木材密度几乎无关。　当用间苯二酚甲醛树脂胶粘剂粘接所有针、阔叶材　

时，由于间苯二酚甲醛树脂胶粘剂自身内聚力很大，因　此用间苯二酚甲醛树脂胶粘剂粘接的木材胶合制品的胶　

合强度随着被粘接木材密度的增加而提高。　

虽然密度大的木材胶合制品的胶合强度高，但是　由于其含水率变化而产生的应力也大。在胶粘剂确定的　

情况下，密度高的木材的粘接耐久性往往反而比密度低　的木材的粘接耐久性差。例如，用水性高分子异氰酸　

ｉ￣（ＡＰＩ）胶粘剂制造的柞木集成材，虽然其压缩剪切强　度比较大，但是当使用环境的湿度变化较大时，更容　

易出现胶层开裂。　

另外，密度大的木材粘接时，要想达到理想的粘　接效果，要求所用胶粘剂的自身内聚力也应该很高，　

这样才能充分发挥木材自身的强度。　对于密度特别大的木材，如乌木（Ｓｗａｒｔｚｉａ　ｓｐ．）、铁　

木豆（Ｄｉｏｓｐｙｒｏｓ　ｓｐ．）等，胶粘剂不易被吸收，以至于胶　

粘剂干燥速度很慢，粘接强度较低。因此，对于密度　特别大的木材，为了使胶粘剂渗透进细胞，要求对其　

进行双面砂光、双面涂胶，并且在施加压力前要等待　足够时间以便胶粘剂渗透。有的时候，需要使用聚氨　

酯胶粘剂，因为这类胶粘剂的粘接不取决于其渗透，　主要为化学粘合。　２　木材纤维方向和剖切面方向　木材是各向异性的材料，在粘接系统内的木材纤　

维方向可以互相垂直、互相平行或者互相成某种角度。　当两块木材为同一纤维方向粘接时，其胶合强度最大，　

此种产品如集成材和单板层积材（ＬＶＬ）等；纤维方向互　

相垂直粘接的常用木材产品，有胶合板、三层实木复　合地板等。随着两块被粘接的木材间纤维角度的增加，　粘接材的胶合强度逐渐降低。当纤维方向互相垂直粘接　

时，其胶合强度最低，与木材纤维互相平行粘接时相　比，其胶合强度仅为纤维互相平行时的１／４～１／３。　

粘接面的剖切方向对胶合强度也有影响。Ｍａｒｔｉｎ等　

研究木材纤维方向对液体胶粘剂向木材表面渗透的影响　表明：在木材端面施加胶粘剂时，由于端切面上木材导　管、管胞都是敞开的，胶粘剂会向这些细胞的胞腔中大　

量渗入，易使端面缺胶，造成木材胶合强度下降。因此，　在同样粘接条件下，端面和端面粘接的胶合强度，要比　

径面和径面、弦面和弦面粘接的胶合强度低。　

在实际工作中，如果必须采用端切面粘接，为防止　其缺胶，必须提高胶粘剂黏度和固含量；采用涂两次胶，　

或在基材两面涂胶，或增加胶层厚度；使用适度压力并　

防止胶水挤出。例如采用对接方式使木材纵向接长时，　可采用以上措施避免其端部缺胶。　

在纤维互相平行粘接的条件下，粘接面还有径切　面和弦切面之分。在某些情况下，径切面和弦切面粘　

接制品的胶合强度也存在着差异。　

当胶粘剂的内聚力以及胶粘剂与木材的界面强度　大于木材自身强度时，易发生木材破坏。如果木材自　

身弦切面和径切面的强度存在差异，则弦切面和弦切　面粘接制品与径切面和径切面粘接制品的胶合强度也　

存在差异。　例如，落叶松木材的径向顺纹抗剪强度大于其弦　

向的顺纹抗剪强度。用水性高分子异氰酸ｉ￣（ＡＰＩ）胶粘　

剂粘接落叶松板材时，落叶松径切板的常态压缩剪切强　度高于其弦切板。而落叶松弦切板和弦切板胶合的制品　

的木破率相对较高，基本上是木材破坏，且木材破坏　大多数发生在其早晚材急变的交界处或轮界处（见图２）。　

■　落叶松早晚材急变的交界处或轮界　处破坏　

图２　落叶松弦切面胶合强度试件的破坏情况　

因此，在用ＡＰＩ胶粘剂生产落叶松集成材时，应尽可　能采用径切板粘接。　

３　木材含水率　木材含水率对粘接性能的影响很大。当木材含水　率高时，涂布在粘接面上的胶粘剂被稀释，其黏度下　

降，过度向木材组织中浸透，引起缺胶，导致胶合强　维普资讯 http://www.cqvip.com 研究与探讨　

度降低。木材在高温下长时间干燥，其含水率过低，　也会使胶粘剂的润湿作用减弱，降低胶合强度。通常　

木材含水率为５％～１６％时的粘接强度较高。　另外，木材具有干缩和湿涨的性质，如果木材含　

水率过低，其制品会受潮而膨胀；含水率过高，又会　

解吸干缩。一般来说，胶粘剂自身不能抵抗木材膨胀　和干燥产生的非常高的应力，这是木制品产生裂缝和变　

形的一个主要原因。这种情况在家具生产和使用中时有　发生。家具的生产地与其使用地的木材平衡含水率常常　

不一致，这就要求生产家具用木材的含水率尽可能接近　

使用环境的湿度。例如在广州采购的家具，运到新疆使　用易发生干裂，这就要求家具制造商使用的木材含水率　应接近购买家具的顾客所在地的木材平衡含水率。考虑　

到木材干燥吸湿滞后，一般来说木材干燥终含水率和使　

用地区的木材平衡含水率相差２％左右。　４　木材的收缩膨胀率　由于胶粘剂固化时的自然收缩和胶粘剂与木材性　

质上的差异，致使粘接接头存在内应力，内应力集中　将降低胶合强度。为了减少因热交替变换或高温固化　

冷却后产生的应力，应尽可能使胶粘剂与木材的热膨　胀系数相接近。　

降低内应力的办法主要有两种：一是添加填料，　二是选用弹性良好的胶粘剂。　

当木材与其他材料粘接时，若材料之间的收缩率差　

别太大，则应当事先采取措施使木材的尺寸变化减少，　或采用弹性优良的胶粘剂进行粘接。如金属—木材粘接　

时，木材中的羟基组分通过吸湿或解吸引起木材干缩湿　胀，是木材尺寸稳定性差的主要原因。通过封闭木材　

羟基以至羟基间形成化学交联，可改善木材的尺寸稳定　

性，并能提高改性木材的强度。所以预先用酚醛树脂　对木材进行处理，固定其尺寸之后再与金属进行粘接，　

可减少因二者收缩率的差别造成的应力。又如，利用　单板或胶合板与泡沫板复合制成隔墙板时，先将单板或　

胶合板固定尺寸，然后再与泡沫板复合效果会好一些。　５　粘接面　

５．１表面加＿ｌｒ方法　木材的粘接平面必须光滑平直，如果不平（弯曲或　翘角）则两平面不能紧密接触，将影响粘接的强度和质　

量。因此木材在粘接操作之前要进行机械加工，这就　可能引起木材细胞的机械损伤，并且损伤的程度随着机　

械加工的类型和加工程度的不同而不同。刨削加工时，　表面木材组织受破坏较少，木材细胞的内腔呈开口状　

１２中＿人ｔ板２ＯＯ６／８　态，胶粘剂浸入后易形成有效的胶钉。为减少对木材　

组织的破坏，刨刀必须保持锋利，否则，木材组织的　破损就会比较严重。　

Ａ．Ｐ．Ｓｉｎｇｈ研究发现，用锋利的刨刀刨光的辐射松　（Ｐ．ｒａｄｉａｔｅ）木材表面，除了与胶层邻近的管胞有轻微的　破坏外，其轴向管胞、射线都有着正常的外形。木材　

表面间的胶层薄，且有正常的宽度（见图３）。相比之　

下，用较钝的刨刀刨光的辐射松木材表面，其轴向管　胞和射线受到严重的破坏（见图４）。由于刨刀较钝引起　

细胞严重压溃，特别是紧挨着胶层的细胞的压溃很可能　

使细胞腔闭塞，阻止胶粘剂向细胞中的渗透，导致胶　层较厚，并且厚度不均匀（见图４）ｍ。　

实心箭头表明胶粘剂渗透到细胞中的情况　空心箭头表明胶粘剂渗透到木射线中的情况　Ｂａｒ＝１００　ｕ　ｍ　图３用锋利的刨刀刨光的辐射松木材表面的ＳＥＭ图　

实心箭头表明胶粘剂渗透到与胶层邻近的细胞中的情况　空心箭头表明胶粘剂渗透到木射线中的情况　

、　Ｂａｒ＝１００　ｒｎ　图４用较钝的刨刀刨光的辐射松木材表面的ＳＥＭ图　

由此可见，木材表面精细的刨削加工，有助于确　

保粘接材表面胶层的均一性。　木材表面的刨光可以暴露出具有很强极性的细胞壁　Ｓ　层，对粘接非常有利ｆ２］

。而砂光加工虽然会使木材表　维普资讯 http://www.cqvip.com