木塑窗角部連接方式的對比研究

趙 輝，張圣源，楊秀軒，邱 飛，王清文

(東北林業(yè)大學(xué) 生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，哈爾濱 150040)

近年來，木塑復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。木塑門窗是其中典型代表，擁有著華麗的木質(zhì)外觀和優(yōu)良的使用性能，木塑門窗漸漸的得到了人們的喜愛[1]。為解決當(dāng)前木塑窗角采用傳統(tǒng)機械連接方式容易出現(xiàn)強度低，密封性差等問題[2]，本文應(yīng)用熱熔焊接和膠接的方法對木塑窗角進行了連接對比試驗。由于兩種連接方式均是快速的，非破壞性的連接，所以連接效率高。焊接和膠接均可形成穩(wěn)固的接頭，連接安全可靠，都具有較好的應(yīng)用前景[3]。

1 試驗方法

1.1 試驗原料

采用60%木粉(WF)、36%聚乙烯(PE)、偶聯(lián)劑和4%抗氧化劑等共同混粉擠出[4]的截面形狀如圖1所示的窗扇型材。參照GB/T 8814-2004門，窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材標(biāo)準(zhǔn)，將窗扇型材制備成試樣[5]，如圖2所示。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

SHZ4-100×4500塑料門窗四位焊接機(濟南精工新亞機器有限公司)；SJS-20數(shù)顯式角強度試驗機(符合GB/T 8814的相關(guān)要求)(濟南大唐偉業(yè)科技發(fā)展有限公司)。

1.3 試驗原理

在本試驗中，木塑窗角的熱熔焊接和膠接原理借鑒于塑料窗角的連接原理。

熱熔焊接原理：焊件待焊處母材在焊機焊板高溫作用下至熔化狀態(tài)，然后焊件在焊機壓鉗壓力與進給壓力作用下進行對接，熔化部分發(fā)生混合，待溫度降低后，熔化混合部分凝結(jié)形成焊縫，完成熔焊過程。

圖1 型材截面圖

圖2 試樣制備圖

膠接原理：利用膠黏劑在一定條件下經(jīng)物理或化學(xué)變化等過程以獲得具有足夠強度的膠接接頭，從而完成膠接過程。也被成為粘接，膠粘，粘合等。

2 膠接試驗

由于木塑復(fù)合材料擠出后，熱動力學(xué)驅(qū)動力會引起熱塑性塑料聚集到擠出材料的表面，導(dǎo)致熱塑性層表面很難潤濕，涂飾性能和膠接性能都很差，因此應(yīng)首先進行表面處理[6]。

膠接試驗流程如圖3所示。先用砂紙對膠接截面進行打磨，并涂上一層硅烷偶聯(lián)劑，然后對膠接面進行3 min的等離子體處理，涂環(huán)氧樹脂膠黏劑，并用夾具(如圖4所示)將連接件對接夾緊，放入烘箱固化2 h，烘箱溫度80℃，取出膠接件(如圖5所示)在室溫環(huán)境下放置1 d，最后進行角強度測試。

用角強度試驗機對連接好的膠接件進行角強度測試，得到使用環(huán)氧樹脂膠黏劑的角部連接強度，見表1。

圖3 膠接試驗流程圖

圖4 對接固定夾具圖

圖5 膠接連接件圖

表1 使用膠黏劑的膠接強度

由表1知，使用環(huán)氧樹脂膠黏劑對木塑窗進行角部連接，具有一定的連接強度，在當(dāng)前試驗條件下，最小破壞力可以達到1 588N，最小破壞應(yīng)力可達到17.3MPa。

3 熱熔焊接試驗

由塑料窗熱熔焊接的經(jīng)驗可知，焊接溫度對焊角強度起決定性作用[7]，故本實驗中只對焊接溫度的參數(shù)進行了變化，而加熱時間，焊接時間，進給壓力和壓鉗壓力的參數(shù)固定選擇了以往經(jīng)驗的數(shù)據(jù)：焊接溫度由240℃至280℃，每隔5℃做一次焊接試驗，共9組，加熱時間30s，焊接時間30 s，進給壓力0.2 MPa，壓鉗壓力0.4 MPa。

將焊接好的焊件放在角強度試驗機上壓裂，得到不同焊接溫度下焊角的最小破壞力，該焊件的最大焊角最小破壞力為2 664 N，焊角最小破壞應(yīng)力為29.1 MPa。角強度測試后，試件分離前后如圖6所示。三組焊接效果較好的焊接強度見表2。

表2 不同焊接溫度下焊件的焊接強度

圖6 角強度測試前后試件分離圖

由表2可知：熱熔焊接技術(shù)可應(yīng)用于木塑窗角連接問題，溫度在245～275℃均可實現(xiàn)焊件焊接面的熔化，混合冷卻后形成焊縫，從而完成焊接，并具有足夠的強度。

在本試驗的試驗環(huán)境下，焊接溫度在260℃左右，加熱時間30 s，焊接時間30 s，進給壓力0.2MPa，壓鉗壓力0.4MPa時焊接效果最佳。

4 試驗對比分析

從連接面形貌上觀察，對比圖5與圖6可知，膠接試驗中，雖然試件可以連接的很好，并且具有一定的強度，但是仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，膠接面還是存在縫隙，密封性能不高，這是由于型材制備和涂膠黏劑對接夾緊時產(chǎn)生誤差造成的。而熱熔焊接實驗中，焊接面得到了充分的熔化，焊接后基本無縫隙，焊接效果較好。

在連接角強度方面，對比表1與表2的數(shù)據(jù)，膠接試驗中，膠接角最小破壞力最大值為1 588N，最小破壞應(yīng)力達到17.3MPa；而熱熔焊接實驗中，焊角最小破壞應(yīng)力最大可達2 664 N，最小破壞應(yīng)力達到29.1MPa。可以得出結(jié)論，木塑窗角熱熔焊接得到的試件角部連接強度較高。

5 結(jié) 論

膠接與熱熔焊接工藝在木塑窗角的連接應(yīng)用中，均可將兩個連接件連接起來，并且具有一定的強度。兩者相比較，熱熔焊接具有較高的強度和優(yōu)良的使用性能，更適合應(yīng)用在木塑窗角部連接問題上，焊接溫度260℃，加熱時間30 s，焊接時間30 s，進給壓力0.2 MPa，壓鉗壓力0.4 MPa，其焊接效果最佳，焊角最小破壞力達到2 664 N，最小破壞應(yīng)力達到29.1 MPa。本實驗確定的熱熔焊接工藝參數(shù)，具有一定的連接強度，其理論與實踐經(jīng)驗對其他木塑制品的角部連接問題具有借鑒意義。

【參 考 文 獻】

[1] 王清文，王偉宏.木塑復(fù)合材料與制品[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 郭 勇，李大綱，陳玉霞，等.木塑構(gòu)件強度特性的研究[J].林業(yè)機械與木工設(shè)備，2007，35(9)：12-15.

[3] 李 影，程瑞香，王清文，等.木塑復(fù)合材料的連接方式[J].林產(chǎn)工業(yè)，2010，37(1)：43-45.

[4] 李中秋，王清文，李 影.擠出木塑復(fù)合異型材模具的設(shè)計要點[J].林產(chǎn)工業(yè)，2010，37(2)：36-39.

[5] GB/T 8814-2004，門、窗用未增塑聚氯乙烯(PVC-U)型材[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[6] 李 智，游 敏，豐 平.膠接接頭界面理論及其表面處理技術(shù)研究進展[J].材料導(dǎo)報，2006，20(10)：48-51.

[7] 李才峰，韓 風(fēng)，姜鐵竹，等.塑化度與焊接條件對PVC-U型材焊角強度的影響[J].聚氯乙烯，2004，5(3)：20-22.