张晓峰 孙丽萍 许 民

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

陈 芳 鲁 飞

(东莞国际名家具设计研发院)

干燥温度对板材表面自由能及胶接强度的影响1)

张晓峰 孙丽萍 许 民

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

陈 芳 鲁 飞

(东莞国际名家具设计研发院)

采用3种不同的干燥基准(最高温度分别是：干球温度90 ℃，湿球温度70 ℃；干球温度95 ℃，湿球温度75 ℃；干球温度100 ℃，湿球温度80 ℃)，制定并执行相应的热湿处理条件；测定不同干燥基准条件下，板材表面润湿性(表面接触角)、表面自由能、板材的浸泡剥离率、常态顺纹压缩剪切强度。结果表明：对于25 mm厚的水曲柳板材，干燥基准的最高温度控制在95 ℃左右，可以获得较为理想的表面性质和较高的胶接强度；干燥温度高于100 ℃，表面自由能、胶接强度都显著下降。

木材干燥基准；表面接触角；表面自由能；浸泡剥离率；胶接强度

现代木材加工生产中离不开木材干燥和胶接技术[1]。在保证干燥质量的条件下，提高干燥速度、缩短干燥周期、加快资金周转、节约干燥成本是每个企业追求的目标。本文通过研究不同干燥基准下25 mm厚水曲柳板材的胶接强度，提出了该板材的适宜干燥基准，使之既能保证干燥质量，又能缩短干燥周期并且满足胶接质量要求，旨在为生产实际提供参考。

1 材料与方法

试材为25 mm厚水曲柳板材，由广东省一家具厂提供(购于俄罗斯)。干燥最高温度分别是90、95、100 ℃。干燥基准见表1，热湿处理条件见表2。

润湿性(接触角)及表面自由能的测定：润湿，是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶流体的过程[2]。为了进行胶接，首先使被胶接木材表面润湿，在被胶接表面贴合之后，润湿表面应胶接固化。胶接的第一步，是固体表面被液体胶黏剂润湿。因此，润湿性，是最重要的胶接基础问题。润湿的程度，通常以液体对固体表面的接触角表示，接触角越小，表明固体越容易被润湿。本试验测定了同批试材采用3种不同干燥基准干燥后的接触角的变化。测定时，将被测木材试件放入JC2000A接触角测量仪样品池内，分别将被测液体0.001 mL滴在木材表面，测定接触角。

表1 25 mm厚水曲柳板材干燥基准

表面自由能，是产生一单位面积无应力表面所需要的能量。W.A.Zisman认为，固体的表面自由能与液体的临界表面张力，在数值上非常接近。因此，可以通过测量临界表面张力数值，估算固体的表面自由能。

W.A.Zisman发现，许多低能量固体表面的接触角的余弦(cosθ)和液体的表面张力(rla)之间有如下关系式：cosθ=1+k(rc+rla)。式中：rc为临界表面张力；k为系数；rla为液/气表面张力。当θ=0°时，cosθ=1，此时rc=rla。由此提出了临界表面张力的概念。本研究即采用W.A.Zisman的方法，通过测定不同表面张力的液体在水曲柳木材表面上的接触角θ，然后以液体的表面张力rlv为横坐标，以cosθ为纵坐标，在坐标纸上绘出散点图，得到rlv对cosθ的一条直线，将其外推倒cosθ=1(θ=0°，完全浸润)处，对应于cosθ=1处得到的rlv即为临界表面张力rc，亦即固体的表面自由能[3]。

表2 25 mm厚水曲柳板材热湿处理条件

浸泡剥离率的测定：涂胶量300 g/m2；胶接时室内温度17 ℃；加压时间60 min。胶(RY1981)与固化剂(RY1991)比例(质量比)为100∶15；RY1981和RY1991混合后，要求在30～45 min内使用完毕。液压拼板机，压力1.5 MPa，卸压后，在相同的温度下放置72 h[4]。

胶接后的板材在宽度方向上各截去5 mm的边，再截取长75 mm的试件作浸泡剥离率实验。浸泡剥离率试件锯制见图1。

图1 浸泡剥离率试件锯制形状

将试件浸泡在室温水中6 h后取出试件，马上置于恒温干燥箱中(40±3)℃，在正常排出空气状态下，干燥18 h，取出后测量试件两横切面的剥离长度超过3 mm以上的剥离胶缝。剥离率=(两横切面剥离长度的总和/两横切面胶缝长度的总和)×100%。

胶接强度的测定：试件锯制形状见图2。常态压缩剪切强度实验试件取径切板，胶接面积为25 mm×25 mm，每组胶接试验计划锯制3组试件。在力学实验机上进行实验。加载速度2 mm·min-1。压缩剪切强度σ=Pmax/(b×l)。式中：σ为试件的常态压缩剪切强度；Pmax为最大破坏载荷；b为试件剪切断面的宽度；l为试件剪切断面的长度[5]。

图2 常态压缩剪切强度试件锯制形状

2 结果与分析

2.1 表面接触角与表面自由能

不同干燥温度木材表面接触角与表面自由能见表3。由表3可见，随着时间的延长，表面自由能呈现整体下降的趋势。主要原因是木材表面钝化、光降解。当干燥温度为90、95 ℃时，木材表面自由能相差不大；干燥温度达到100 ℃时，其表面自由能明显降低，是由于高温作用下，木材表面官能团发生变化所至[6]。

表3 不同干燥温度木材表面接触角及木材表面自由能

续(表3)

2.2 常态压缩剪切强

本试验中，对于每种干燥温度，每天测试3组试件，连续测量6 d的常态压缩剪切强度(见表4)。由表4可见，随着时间的延长，剪切强度呈下降的趋势，4 d后趋于平稳。95 ℃时，剪切强度最高；100 ℃时，剪切强度最低。可见，表面自由能最高，剪切强度不一定最高，这与木材残余应力有关。试验证明：100 ℃时，木材的残余应力明显高于其它2个干燥温度下木材的残余应力。

表4 不同温度下常态压缩剪切强度

2.3 浸泡剥离率

由表5可见，100 ℃时，木材的浸泡剥离率最高；95 ℃时最低。

表5 不同干燥温度下浸泡剥离率

3 结论

木材表面接触角随着干燥温度的升高而增大。

木材表面自由能随着干燥温度的升高而减少。90、95 ℃时，木材表面自由能相差不大；但是，干燥温度超过100 ℃时，木材表面自由能明显降低。

木材常态压缩剪切强度，受温度、表面自由能及应力的影响。在应力和表面自由能的双重影响下，应力大、表面自由能低，则剪切强度较低。

浸泡剥离率与剪切强度密切相关：剪切强度高，则浸泡剥离率低。

对于25 mm厚水曲柳板材，考虑到干燥周期及胶接强度，干燥温度最好控制在95 ℃左右，不超过100 ℃。当干燥最高温度超过100 ℃，板材的表面自由能、剪切强度明显下降；浸泡剥离率明显增大。

[1] 顾继友.胶接理论与胶接基础[M].北京：科学出版社，2003.

[2] 程瑞香，顾继友.落叶松、桦木和柞木集成材胶接性能的研究[J].木材加工机械，2003，14(2)：1-4.

[3] Lynn Jarvis H， Zisman W A. Surface activity of fluorinated-organic compounds at organic-liquid/air interfaces(I): surface tension parachor and spreadability[J]. Journal of Physical Chemistry，1959，63(5)：727-734.

[4] 郝金城，张明建.集成材制造技术[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2001.

[5] LY/T 1601-2001水基聚合物-异氰酸酯木材胶粘剂.

[6] 鲍辅成，王正，郭文静.杨木和杉木木材表面性质的研究[J].林业科学，2004，40(1)：131-136.

Effect of Drying Temperature on Free Energy on the Lumber Surface and Bonding Strength/

Zhang Xiaofeng, Sun Liping, Xu Min

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China);

Chen Fang, Lu Fei

(International Famous Furniture Design Research Institute)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-123～125

We used three different temperature wood drying schedule of 90 ℃ dry bulb temperature (DBT) with 70 ℃ wet bulb temperature (WBT), 95 ℃ DBT with 75 ℃ WBT, and 100 ℃ DBT with 80 ℃ WBT to conduct different heat-wet treatment, accordingly. We investigated the surface contact angle, surface free energy and delamination ratio after water-soaked and compress shear strength. We can get better surface quality and the higher bonding strength under the highest temperature 95 ℃ of the wood drying schedule. If the temperature is more than 100 ℃, the free energy and the bonding strength will be declined obviously.

Wood drying schedule; Contact angle; Surface free energy; Delamination ratio after water-soaked；Bonding strength

张晓峰，男，1969年12月生，东北林业大学机械工程博士后流动站，从事博士后科学研究。E-mail：casseyxf@163.com。

2013年12月26日。

S781.71

1) 广东省重大科技专项计划项目(2011A080404002)。

责任编辑：张 玉。