提高杨木线性振动摩擦焊接胶合性能的研究

作者:孙启禹;易庠华;卢晓宁;鞠泽辉;张海洋; 刊名:林业工程学报 上传者:黄建实

【摘要】研究了杨木线性振动摩擦焊接的干剪切强度、湿剪切强度和木破率。为提高杨木摩擦焊接的湿剪切强度与木破率,采用表面氧化、表面磺化以及表面涂覆的方式处理杨木板材,再经线性振动摩擦焊接进行黏合,使用万能力学试验机测得其剪切强度,对比表面处理前后剪切强度的变化,并利用傅里叶红外光谱分析了其表面处理前后基材和摩擦焊接层的化学基团变化情况,对胶合性能的变化做出解释。研究结果表明:杨木经过表面氧化磺化涂覆醋酸锌处理后,摩擦焊接层的干剪切强度为5.41 MPa,木破率为63%,与未处理的杨木相比,分别提高了48.22%和96.88%;湿剪切强度从0提高到1.34 MPa;摩擦焊接时厚度损失减少了46.4%。杨木分别经过表面氧化和表面磺化处理后,摩擦焊接层的干剪切强度仅为3.45和4.10 MPa,木破率为28%和42%,湿剪切强度为0.76和0.96 MPa。摩擦焊接层的红外光谱分析表明,经表面氧化磺化涂覆醋酸锌处理后,杨木中的纤维素和半纤维素分解,使木质素的相对含量有所增加,且活化了杨木中的—OH,与醋酸锌生成多醚,消耗了亲水性的—OH。

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木材线性振动摩擦焊接技术是在一定的压力、振幅和频率等条件下使木材实现高速相对摩擦运动,摩擦产生的热量使木质素和半纤维素等聚合物发生熔融,并在接触面形成一层胶合界面层,当摩擦运动停止后,熔融的木质素冷却并缠绕形成网络结构,从而实现木材间的无胶胶合[1]。Pizzi团队[2-5]的大量试验研究显示,欧洲山毛榉(Fagussylvatica)和橡木(Quercus sp.)等木材的线性振动摩擦焊接胶合的干强度可达10 MPa以上,但其湿强度不佳,极大限制了木材摩擦焊接技术的应用范围。Ganne-Chédeville等[6]的研究结果表明,在25℃水浴中浸泡1~3 h后,橡木摩擦焊接胶合强度降低62%,山毛榉摩擦焊接胶合几乎失效。木质素是木材摩擦焊接的主要黏合剂。氧化反应可使木质素芳香环开裂或脱甲氧基,磺化反应可引入磺酸基,使木质素功能化,并更加活泼[7-8]。笔者尝试通过氧化和磺化等表面处理,引入高活性基团与酚羟基反应,对木质素结构进行优化,提高杨木摩擦焊接的干剪切强度、湿剪切强度和木破率。1材料与方法1.1试验材料杨木为无性系美洲黑杨(clones of Populus del-toids),气干含水率约为13%,气干密度约为0. 41g/cm3,试件尺寸为50 mm×50 mm×20 mm(长×宽×厚)。过硫酸铵、亚硫酸钠、硫酸亚铁、硫酸锌、氢氧化钠、无水乙醇,均为分析纯,南京化学试剂有限公司。1.2试验设备自行设计与制造的专用木材线性振动摩擦焊接设备,焊接时的振动频率为150 Hz,振幅为2mm,由电脑程序控制摩擦焊接过程。MWE-40A-40KN型万能力学试验机,济南试验机厂; JII50L-10T型精密恒温水槽,杭州九环环境试验设备有限公司; AS852B+-50~750℃型红外线测量仪,希玛仪表有限公司; VERTEX 80V型傅里叶红外光谱仪,德国布鲁克公司。1.3试验设计试验流程如图1所示。先进行预备试验,确定摩擦焊接优化工艺参数后,将未处理杨木试件及3种表面改性处理后的杨木试件分别进行摩擦焊接试验,然后测定干剪切强度、湿剪切强度及木破率。图1试验流程Fig. 1 Experimental flow1.4杨木摩擦焊接优化工艺参数的确定试验分4组,每组30个试件。试件含水率为3%~4%,在18~22℃、相对湿度50%~60%下进行摩擦焊接试验。摩擦焊接过程分3个阶段:第一阶段为初始阶段,设定压强为0.25 MPa,时间为5 s;第二阶段为主要摩擦焊接阶段,设定压强为2.50MPa,时间分别为6,12,18和24 s;第三阶段为保压自然冷却阶段,设定压强为3.80 MPa,保压时间10 s[9-12]。1.5杨木的表面改性处理分别取30个杨木试件,在干燥箱内烘至含水率3%~4%;然后采用3种方式进行表面改性处理,使药液在杨木试件表面的渗透深度达到2~3mm即可。1.5.1表面氧化处理将试件在4%质量分数的过硫酸铵溶液中浸泡48 h后取出,置于温度20~25℃,相对湿度50%~60%环境内4~5 d,使其充分反应。1.5.2表面磺化处理将试件在p H为10.5的硫酸亚铁和亚硫酸钠混合溶液(质量分数比为1∶5,下同)中浸泡72 h后取出,置于63℃的干燥箱中干燥4 h,最后在温度20~25℃,相对湿度50%~60%环境内放置4~5d,使其充分反应。1.5.3表面氧化磺化涂覆醋酸锌处理将试件在4%质量分数的过硫酸铵溶液中浸泡48 h后取出,置于63℃的干燥箱中干燥至试件原始质量;然后在pH为10.5的硫酸亚铁和亚硫酸钠混合溶液中浸泡72 h后取出

参考文献

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