集成材粘合工艺因素解析

1 前言

       为了便于分析问题,不妨将集成材生产粘接工艺过程分解为:粘接方案论证→工件状态调节→工件表面处理→配胶与涂布→固化→检验。此工艺过程是根据集成材胶粘剂特定的配方和木材这一特定的粘接对象而制定的。集成材胶是由共聚乳液或复合配方为主料的含有30%—50%水的混合物,因此,研究粘接过程中水的去向并通过合理的工艺手段加以控制十分必要。木材与金属、硬塑料不同,它能随着含水量的变化而产生形状变化。根据应力应变的原理,这种变形造成的内应力基本符合应力应变成正比的规律。当应力大于集成材的粘接强度时,粘接面必然会产生裂缝甚至脱胶。

2   木材的状态 调节

2(1)木材含水率对木材内应力的影响

    木材的内应力与木材的变形是相辅相成的。这与金属、塑胶的应力应变同时存在基本相似,只不过木材内应力随含水率(以及木纹方向、树种等)的变化显得更为明显,而且更加复杂。含水率的高低,水分在木材内转移速度的快慢,都能导致不同的应力应变效果。因此,在粘接之前对木材进行状态调节,以便形成合适的含水率和最低的内应力。

2(2)状态调节的控制手段及范围

    状态调节可分为自然调节和人为强制两种类型。自然调节设备投资少,节省周转场地,自然调节要求条件为:温度20—30℃,相对湿度50%—60%,时间5—10d。木材要间隔堆放,便于水分蒸发,含水率的测定可采用针状电极式测定仪。所以,这种调节时间相对较长,影响生产效率。

    人工强制性状态调节可采用专用真空干燥设备系统或热风对流式烘房等,与自然调节相比,人工强制调节设备投资大,但生产效率较高。根据国内外集成材生产经验,经过调节后的木材含水率在8%—12%之间比较合适。

3、表面处理

    木材与一般金属和塑料的表面处理有所不同,其特点归纳如下:

     (1)表面清洁    

               经过刨平后的表面不得再度沾染油、水、灰尘及其它污染物。

     (2)木纹方向

                要求被粘木材的木纹方向一致,变形方向一致,产生的剥离内应力最小。如果木纹方向不一致(形象地比喻成“0”形腿或“X”腿)变形后应力分布不均。

       (3)平直度

                 当木材加工面的不平直度超过 0.1mm时,胶层调节应力变形的能力非常有限,容易形成开裂。曲线表面的被粘件则要求有较高的平行度,也要保证厚度均匀的胶膜的形成。

      (4)保持表面新鲜

                前道工序(如刨平)加工后,应及时进入粘接工序。因为新鲜表面具有良好的化学反应活性,及物理吸附性能,而陈旧的表面易产生氧化甚至二次污染,所以,粘接强度大打折扣。刨平与涂胶间的时间间隔以不大于4h为宜,生产企业在工序设置和车间布局上要予以考虑。

 

4、胶粘剂的配制与涂布

4(1)胶粘剂的配比与适用期

   高强度的集成材目前以双组分胶粘剂为主,固化剂组分含异氰酸根(—NCO),与主剂的反应速度取决于固化剂的用量、环境温度和相对湿度及两个组分的混合均匀程度。华诚牌拼板胶的质量配比为:主剂:固化剂=100:12—15;适用期:40℃时为30min,并要求人工搅拌不少于2min;电动搅拌不少于30s。拼板胶经调配后,其有效使用时间会因温度的升高而相对地缩短,其性能出会因时间的增长而下降。

4(2)涂胶量

   涂胶量大小直接影响胶层厚度、水分蒸发速度、对不均匀胶缝的填充效果及固化速度,最终还将影响粘接强度。拼板胶涂胶量一般在250—300g左右。

4(3)晾置时间

   晾置时间的长短,直接影响胶层水分的蒸发,成膜速度及表面吸附与内聚强度的关系。在大批量生产的前提下,涂胶后宜立即合拢,否则胶已成膜(成膜后虽然吸附很好,但内聚强度很低)。对集成材胶而言,水分排除的机会很多,可以沿木材内部的通道转移蒸发于大气中,也可以在同异氰酸根的反应中消耗。所以集成材胶的晾置时间应越小越好。一般合拢时间控制在4min以内。干热环境及质地疏松的木材,可以涂胶后立即合拢。

4(4)加压时机

    批量生产合拢后的集成材不可能同时上压机,导致首件和末件的堆放时间差异很大。首件在末加压之前胶层表面就已初步成膜,不利于水分和气泡的排除,内聚强度较低,直接影响了最终强度。因此,必须掌握好加压时机,即堆放时间最长不超过15min为宜。

5、固化工艺参数的选择

    被粘件合拢装机后进入固化工序,其固化工艺参数不外乎压力、温度和固化时间。这3个主要工业参数在普通技术文献中是常见的,但就木材这一特定的被粘材料而言,其工艺参数的确定显得非常复杂。除了要考虑到用胶化学反应需要的能量之外,还必须考虑木材本身硬度、密度、含水率、内应力、生产批量的大小、工艺设备的型号、操作人员的素质等多种因素。现就关键问题提示如下:

      (1)集成材的木质硬度不同,固化压力亦不同。根据国家惯例,软质木材固化压力为0.5—0.8MPa硬质木材固化压力为0.8—1.2MPa。

       (2)压力是固化成膜,排除残存水分与气泡的重要因素。因此,压力数值的换算要准确。一般压机上的压力表读数是指压机(水压、油压或气压)活塞单位截面积上的作用力,必须换算到与集成材接触的压板面积上才好。如果用螺旋扭矩加力,更需要仔细地换算,方能确保集成材表面所需的工艺压力。

      (3)固化温度与时间是相辅相成的,一般室温固化(环境温度在10℃以上为宜)加压时间不少于60min;70℃固化只需10—15min。批量较大、叠装较厚时,传热较慢,应取时间的上限。

      (4)固化完成卸去压力后,不能立即进入下道工序或在搬运中受到冲击应力。一般要求固化后24h再进入下道机械加工工序。而进行耐水性试验则必须在固化14d以后放入水中。

  

以下表格是几种木材固化压力和固化时间(室温25℃)的数值,仅供参考

或可根据木材的比重与气温选择压力与施压时间:

         1.软木(比重在0.5以下)时:8-10kg/cm2

         2.硬 木(比重在0.5以上)时:10-15kg/cm2

         3.施压时间与温度的配合:

                     30℃左右:40-80min

                     10℃左右:60-120min

 

 

 

 

 

木材种类

阔叶树

尖叶树

桦木(Birch)

橡木(Oak)

白腊木(White Ash)

榆木(Elm)

落叶松(Larch)

其木(Beech)

水曲柳(Ash)

枫木(Maple)

赤杨

柞木

橡胶木(Rubbrwood)

桤木(Alder)

柳安木(Redmeranti)

松木(Fir)

美国黄杉(Dorgl Asfir)

铁杉木(Westerrnhemlock)

柏木(Cyperss)

西洋杉(Cedar)

压力

15kg/cm2

12—15kg/cm2

8—12kg/cm2

施压时间

60—90min

40—60min

30—60min

注:、上述两种压力与施压时间的数据选择,厂家应根据木材的种类、周围的气温和湿度、生产设备的种类以及要求的粘合性能的不同需要适当的调整,准确的数据要以厂家的实际试验数据为准

 

6、结语

    只有制订科学的粘接工艺规程,才能充分发挥拼板胶的性能特点,从而确保高档家具和装饰的质量。为此,总工艺师及工艺技术主管在制订作业指导书时,必须根据具体的树种和胶种,确定最佳含水率及工艺参数,以保证集成材胶的成膜及粘接强度。

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