木制建筑用膠粘劑對溫度的變化測試研究

張曉萌 樊繼永

摘 要：目的：為了分析木制建筑用膠粘劑性能對溫度的變化影響，設計性能變化測試實驗。方法：分析木制建筑用膠粘劑的膠結機制，并根據膠結機制和原理，分別從木制建筑用膠黏劑制備、性能測試以及環境溫度測控3個方面準備實驗原料與儀器。設置60℃、70℃和85℃作為制備反應環境溫度變量，實現木制建筑用膠粘劑的合成制備。以不同溫度下得出的制備結果為樣本，分別從膠粘劑表征、黏度和粘接強度3個方面進行性能測試，并對測試數據進行處理與分析。結果：經過對膠黏劑性能測試結果的量化分析，發現60℃下制備膠黏劑的紅外光譜信號更強，且70℃下的測試實驗樣本的黏度和粘接強度更強。結論：經過縱向對比，木制建筑用膠粘劑在60℃～70℃環境下的性能更優，70℃為最佳制備反應溫度。

關鍵詞：木制建筑;膠粘劑;溫度變化;溫度測試

中圖分類號：TQ436 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0021-05

Test and Research on the Change of Temperature of Adhesives for Wooden Buildings

Zhang Xiaomeng， Fan Jiyong

（92690 PLA troops， Sanya 572099， China）

Abstract：Objective： In order to analyze the effect of the properties of adhesives used in wooden building on the temperature change， the performance change test was designed. Methods： The bonding mechanism of adhesives used in wooden construction was analyzed. According to the bonding mechanism and principle， the raw materials and instruments were prepared from three aspects： preparation of adhesives used in wooden construction， performance test and environmental temperature measurement and control. 60℃， 70℃ and 85℃ were set as the reaction temperature variables to realize the synthesis and preparation of adhesives for wooden building. The results obtained at different temperatures were taken as samples， and the properties of the adhesives were tested from three aspects： adhesive characterization， viscosity and bonding strength， and the test data were processed and analyzed. Results： Through the quantitative analysis of the test results of the adhesives， it was found that the infrared spectral signal of the adhesives prepared at 60℃ was stronger， and the viscosity and bonding strength of the test samples were stronger at 70℃. Conclusion： Through longitudinal coMParison， the performance of the adhesives for wooden construction is better at 60℃～70℃， and 70℃ is the best preparation reaction temperature.

Key words：wooden construction; adhesive; temperature change; temperature test

0 引言

膠粘劑是一種天然的或合成的物質，可以通將兩種或更多的木制建筑構建或材料粘在一起，稱為膠粘劑。簡單地說，膠粘劑是一種通過粘合使被粘物結合在一起的物質。膠粘劑具有優良的粘接性能，與螺栓、鉚接、焊接等機械連接方式相比，其成本低，受力連續，質量輕，比強度高，表面平整光滑，密封性好[1]。該膠粘劑可用于工藝生產中各種材料、厚度、薄度及復雜部件的連接。根據使用方法，膠粘劑可分為熱固型、熱熔型、室溫固化型、壓敏型等;根據使用對象可分為結構型、非構型或專用膠等。這些建筑膠粘劑主要應用于各類建筑工程裝修施工，各種建筑復合材料的生產，以及建筑物的加固、保護、密封等。但是，在不同的溫度條件下，木制膠性能各不相同，為確保木制膠的最佳使用性能，設計了木制膠溫度變化測試實驗，得到了溫度對木制膠性能的影響規律。

1 木制建筑用膠粘劑對溫度的變化測試實驗設計

1.1 分析木制建筑用膠粘劑的膠結機制

木材建筑膠粘劑具有優異的耐候性和耐高低溫性能，但更重要的是其優異的粘接性、拉伸強度等機械性能。為了設計和生產出性能優良的復合膠粘劑，編制最佳工藝方案，分析機械性能試驗數據離散性大的原因等，必須對復合膠粘劑的粘接機理有一定的認識。粘合過程實際上是一個非常復雜的物理化學過程[2]。粘接部位由兩個被粘制件和木材建筑用粘接劑3部分組成，粘接部位的強度取決于兩個方面：①粘接部位的粘接力;②粘接部位與被粘制件的粘接力。對于玻璃幕墻來說，理想的破壞形式是粘接點的粘附力大于粘接點的粘合力，即粘接點與金屬粘接點的破壞是粘接點與粘接點內聚破壞同時存在的混合破壞，而粘接點與玻璃粘接點的破壞則是粘接點與玻璃粘接點同時存在的混合破壞，也就是說，粘接點與玻璃粘接點無損傷。粘合時，膠粘劑與被粘合木制建筑構件接觸面產生的粘合力是由機械嵌合力組成的，粘合力的產生取決于粘合材料的材質、被粘合材料的表面結構和狀態，以及粘合的工藝過程、固化條件等。粘合過程中，當粘合產物分子從溶液中遷移到被粘附的金屬或玻璃表面時，高聚物分子的極性基團逐漸靠近被粘附物體表面的極性基團，并形成兩者之間的分子、原子和原子團之間的相互作用。其中化學鍵力最大，氫鍵力次之，而范德華力則最小。膠粘劑與金屬被粘材料和木材建筑材料接觸時，由于金屬對電子的親和力較低，而高分子對電子的親和力較高，電子從金屬傳遞到膠粘劑，使界面產生接觸電勢產生靜電引力。金屬、玻璃被粘制構件與建筑結構中的粘接件要具有良好的粘接性能，必須在粘接件與被粘制構件之間形成濕潤狀態，粘接件與被粘制構件密切接觸[3]。實際上，只有當液體的表面張力在合適的值時，粘接強度才是最高的。木材建筑膠粘劑的潤濕性還與工藝條件及環境因素有關。因此，在使用木結構用膠粘劑時，應對木結構的金屬、玻璃被粘合件的表面進行適當處理，以提高其表面自由能。總之，木材建筑材料粘接劑與金屬、玻璃被粘接件的粘接是一個極其復雜的過程，粘接強度受材料、表面處理方法、固化條件、施工工藝、環境條件、操作人員等因素的影響，其中粘接溫度對粘接強度起決定性作用。

1.2 準備實驗原料與儀器

實驗所需準備的實驗原料和儀器主要分為3部分，一是木制結構物膠粘劑樣品制備所需準備的相關材料，二是膠粘劑樣品性能測試所需的儀器和設備，另外由于此次研究的目的是在不同的溫度條件下膠粘劑性能的變化情況，因此需要控制樣品制備過程中的環境變量，即溫度變量，以形成對比樣品[4]。通過以上3個部分的綜合，可以得到一些實驗原料的準備，如表1所示。

同理可以得出木制建筑用膠粘劑制備以及性能測試步驟中需要使用的儀器，如表2所示。

除了上述基本制備與測試儀器外，還需要安裝溫控裝置和測試數據采集裝置。其中溫控裝置的基本結構如圖1所示。

根據電阻隨溫度變化的特點，通過測量熱電阻來反映被測環境的溫度。采用熱電阻溫度傳感器測量[-50℃～2000℃]范圍內的溫度，熱響應時間≤5s，公差≤1.5℃，保護管材料采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，滿足系統溫度測量要求[5]。SBWR/2-63型集成溫度變送器采用單片機，測量精度為0.1%f.s，具有漂移自校正電路功能。在溫控裝置上增加了加熱器和冰箱。在實驗中，當環境溫度低于目標溫度時，需要啟動加熱器。溫度傳感器等溫表面上的導熱系數與傳熱面積成正比，即：

式中參數 q是熱源的熱傳導率， s和 b分別是等溫表面的面積，厚度是垂直于傳熱面，參數 q是熱傳導率。試驗中的制冷元件考慮選擇半導體制冷片進行制冷，當電流通過兩種不同的導體界面時，電流會從外部吸收熱量，或者把熱量直接送到外部，并且熱量的大小與電流成比例。準備的相關實驗儀器將最終安裝在恒溫實驗環境中。

1.3 設置膠粘劑制備反應環境溫度

引發劑的熱分解溫度是膠粘劑制備反應溫度設置的限制條件之一，間接的影響膠粘劑的聚合穩定性和反應速度。設置的反應環境溫度應高于引發劑的有道分解溫度，保證能夠為膠粘劑的制備工藝提供充足的游離基，同時也需要考慮反應過程中出現凝結和副反應的情況[6]。結果表明，反應環境溫度會直接影響膠粘劑的質量和性能。根據以上溫度對木材建筑材料膠粘劑性能影響的理論，利用所安裝的溫控裝置，設定和控制木材建筑材料粘合反應時間，實驗設定了60℃、70℃和85℃的實驗環境溫度變量。

1.4 制備木制建筑用膠粘劑

木制建筑材料中的膠粘劑主要有增粘樹脂、溶劑、增稠劑、增稠劑、防老劑等，可通過溶合、熔融結合、接枝共聚、極化處理而得到。在制備過程中加入增粘樹脂的目的是提高制備樣品的濕潤性、初粘性、剝削性和拉伸剪切強度。適當的溶劑使體系達到最佳的結合效果，所以如何選擇膠粘劑是關鍵。熱塑性彈性體膠粘劑為嵌段共聚物，分子鏈上有聚丁二烯鏈和聚苯乙烯鏈。該膠粘劑在純溶劑和混合溶劑中容易溶解。不同溶劑對膠粘劑中 PS和 PB相的溶解性、膠粘劑的形態結構及在揮發后形成膜的性質都有一定影響[7]。原料溶解性好，揮發速度適宜，毒性低，成本低。單溶劑往往難以取得滿意的效果，通常選擇由好溶劑和壞溶劑或無溶劑組成的混合溶劑體系。開發膠粘劑壓敏膠、熱熔壓敏膠、熱熔膠粘劑等一般應加入適量增塑劑，可增加初粘性，降低熔體硬度及內聚強度。在自由基引發劑的作用下，將準備的增粘樹脂、溶劑等原料以及初步聚合的膠粘劑單體按照一定的比例配制在一起，通過各個原料在溶劑中的溶解實現溶液聚合反應[8]。圖2中顯示了具體的準備過程。

具體操作中，將溶劑和增粘劑按一定比例投入四口瓶，攪拌均勻，加適量增強劑，拉勻均勻后，升溫至目標溫度開始反應，并保溫30min，升溫至指定溫度反應相應的時間，反應結束后，將混合體系抽真空脫去未反應原料[9]。在四口瓶中翻拌均勻，然后加入已計量的增稠劑和防老劑，常溫攪拌30min，目標溫度反應1.5h，待其溫度低于55℃時加入剩余丙酮降粘。最終在室溫下放置，得到合成的木制結構膠的制備結果。

1.5 木制建筑用膠粘劑性能測試與表征

木制建筑材料膠粘劑的指標有外觀、垂度、擠出度、硬度、拉伸強度等，以不同溫度下的膠粘劑樣品為研究對象，對其表征、粘度、粘結強度等性能進行測試。

1.5.1 膠粘劑表征測試

采用傅里葉變換紅外光譜儀測試木制建筑用膠粘劑制備樣本的表征，為了保證測試方面對樣本進行壓片處理，共壓片32次，研究其微觀形態的變化[10]。在6℃/10min，70℃/10min，85℃/10min，條件下進行了處理。試樣被磨成粉末，粒徑≤75?m。用Cu-Kα輻射輻射源測試管管部電壓為40kV，用步進式掃描法測試管角掃描范圍為10?～90?。

1.5.2 黏度測定

將均勻無氣泡的制備樣品放置到恒溫水浴中，水浴設置的溫度為25℃，恒溫1h，保持樣品溫度均勻。開啟BROOKFIELD粘度計，進入測試界面，木制建筑材料選擇50RPM的速度，在20℃條件下測試;木制建筑材料選用25℃條件下的速度，在12RPM條件下測試;SBS不同牌號的粘度選擇速度12RPM，在25℃條件下測試。讀入3min之后的讀數，用mPa·s表示。反復測定3次，取3次資料的平均值作為資料的黏度[11]。

1.5.3 粘接強度測試

用拉伸剪切強度反映粘接強度的試驗結果表明，被粘體采用3層結構的膠合板，含水率低于15%，其膠接面應加工光滑，長度方向為順紋理方向。將兩個膠合板接合面用砂皮打磨至光滑，分別在接合面上涂膠，涂膠面積20mm×50mm。當晾曬溫度在20±2℃，相對濕度在50%～70%時，可采用15～20min晾曬，如果沒有達到，可適當延長干燥時間[12]。在試件上迭接一塊膠合板，在膠接面上施加0.5MPa的壓力裝置，壓力時間為30s。減壓后，在48h內完全固化，然后用上拉機進行性能測試。在測試中，控制牽引器的加載速度為100mm/min。將樣品放置于夾具內，使施加的力彼此平行，啟動拉伸機構。在不同的拉伸剪切力作用下，記錄樣品的最大荷載。3個試件同時測定，3次測量數據的平均值即為拉伸剪切強度數據，其精度為0.01MPa。拉伸剪切強度公式為：

其中 P、 L、 B 3個參數分別是試件斷裂時的最大載荷、膠接段長度和膠接段寬度。

1.6 測試數據處理

采用SPSS14.0軟件對木制建筑用膠粘劑性能測試結果進行量化分析，并通過對不同溫度下制備的膠粘劑樣本的量化測試結果進行縱向對比，從而得出實驗結論。

2 測試結果與分析

2.1 膠粘劑表征分析結果

膠粘劑紅外光譜的測試結果如圖3所示。

如圖3所示。921cm-1為環氧化合物的特征峰，1038和1178cm-1為醚鍵的伸縮振動峰，2872和2960cm-1為-CH3的吸振峰，2926cm-1為-CH2的吸振峰，3400cm-1為-OH吸收峰。在紅外光譜測試反應后，918cm-1處的環氧結構特征峰出現減弱消失的發展趨勢。在3400cm-1處，-OH帶的吸收峰值減弱。研究發現，環氧基在開環反應中成功地形成了交-連網結構。通過各個樣本的縱向對比可以看出，不同溫度下制備生成的膠粘劑樣本的紅外光譜走勢基本相同，但60℃下制備膠粘劑的紅外光譜信號更強。

2.2 膠粘劑黏度測試結果分析

整合量化從測試數據得出木制建筑用膠粘劑黏度的測試對比結果，如表3所示。

由表3中的數據統計情況可以看出，編號為002和005的兩個木制建筑用膠粘劑固含量最高，黏度最強，001樣本和004樣本的黏度高于003樣本和006樣本。由此可知，70℃為膠粘劑的最佳制備反應時間，溫度約接近該溫度，膠粘劑的黏度性能越高。

2.3 膠粘劑粘接強度測試結果分析

同理分別從初黏和終黏兩個方面統計膠粘劑的粘結強度測試數據，如表4所示。

綜合初粘和終粘的測試結果數據，發現溫度為70℃下制備的膠粘劑樣品的初粘和終粘強度均高于60℃和85℃的樣品。

3 結語

由于木制建筑承重結構材的使用量不斷攀升，對膠粘劑的質量也提出了更高的要求。因此，在承重構件中選用最合適的膠粘劑，以確保產品的質量，顯得尤為重要。研制出環境友好、常溫快速固化、耐氣候性能較好的膠粘劑，是木制建筑及其構件發展的關鍵環節。膠粘劑作為木結構及其構件生產過程中的一種粘合介質，隨著木制建筑的日益普及，粘合技術的發展顯得尤為重要，前景廣闊。

參考文獻

[1]劉江華.鋼架構建筑工程中膠粘劑的應用研究[J].粘接，2020，44（10）：10-13+65.

[2]張學敏，鄧勇，楊樹梅，等.環境因素對膠粘劑粘接性能的影響[J].山東化工，2019，48（03）：26-27+29.

[3]蘇紅偉，陳秀.氣相色譜-質譜法測試膠粘劑中甲苯二異氰酸酯[J].分析測試技術與儀器，2019，025（01）：28-32.

[4]趙鵬，方宏遠，王磊，等.內交聯型水性聚氨酯膠粘劑的制備與性能研究[J].化學工程師，2019，33（09）：21-23+43.

[5]吳艾林，鄧化清，李銘.膠粘劑粘接性能受環境因素的相關影響研究[J].粘接，2020，41（01）：33-36+44.

[6]張學敏，鄧勇，楊樹梅，等.環境因素對膠粘劑粘接性能的影響[J].山東化工，2019，48（03）：26-27+29.

[7]韓勇，郭剛.高玻璃化轉變溫度高韌性撓性覆銅板用環氧樹脂膠粘劑的研究[J].云南化工，2020，47（04）：103-104.

[8]戴公連，岳喆.混凝土箱梁早期溫度測試與分析[J].武漢大學學報（工學版），2019，52（02）：48-53.

[9]董艷妮，朱云，謝程程.具有溫度補償的燃氣表環境溫度影響測試裝置設計[J].中國計量大學學報，2019，030（01）：110-117.

[10]謝勇.195m超高墩的溫度場測試及數值分析[J].交通世界（運輸車輛），2020（05）：84-86.

[11]陸冰松，趙競，鄒方竹，等.環境溫度變化對5G毫米波電磁輻射測試影響的研究[J].電信網技術，2019（09）：85-89.

[12]席軍強，陳宏宇.基于分布式光纖測溫的離合器摩擦表面溫度場測量[J].中國公路學報，2020，33（08）：102-109.