木质材料粘接性能测试方法

13木质材料粘接性能测试方法粘接材料日益广泛地被采用，这就要求对粘接材料的力学性能有足够的认识，判定一个粘接接头是否结实、耐用，可以用无损检测的方法，它简单、快捷，但目前，还是以破坏性试验所测得结果为主要依据，一般以测定胶合强度来表示粘接性能，而粘接耐久性则采用促进试验的方法，对于木材粘接材的粘接耐久性常采用的方法是将其放在水（温水、热水等）中浸渍或浸渍-干燥（促进老化试验）后，再测定胶合强度。还可采用在反复吸水、干燥后测定剥离状态的浸渍剥离试验，在日本农林标准（JAS）中规定的就是这种方法。各种复杂的粘接接头的胶层受力形式，都可按在实际工作中的状态分解为以下四种基本受力方式：剪切、拉伸、剥离和劈开（见图1）。在测定胶合强度时，是按照标准规定或厂商指定的粘接试验片材料（被粘接材）来制作试件，然后用破坏试验、浸渍剥离试验等适当的方法来评价粘接性能。以破坏载荷来评价胶合强度大小时，除了在常态下测定外，作为推测耐久性的手段，还可以进行各种促进老化处理，然后进行破坏性载荷试验。测试时的加载速度对胶合强度有影响，因此要注意加载速度。如果加载速度过快，外力作用时间减少了，应力松弛不充分，因此受载时，变形较小，强度较高，特别是热塑性树脂胶黏剂对加载速度的依存性更大。另外，胶合强度的测试对温度也存在着依存性。要注意规定的试验室的温度和湿度。例如国家胶（3）剥离（2）拉伸（4）劈开图1粘接接头中胶层的四种典型受力情况（4）劈开B压缩剪切（1）拉伸剪切A拉伸剪切（1）剪切14图3集装箱底板用胶合板胶层剪切试验试件形状ungP钢板试件70mm210mm胶层合板标准中规定：Ⅱ类胶合板胶合强度试件放在63±3℃的热水中浸渍3h，取出后在室温下冷却10min，再测试胶合强度，所以从热水中取出后不应该马上测试，应严格按照标准冷却后再测试，否则对测试结果有影响。2.2.1剪切强度测试方法胶黏剂的剪切强度试验是最常采用的方法，剪切强度也叫抗剪强度，它是粘接接头的单位面积上所能承受的平行于粘接面的最大负荷。剪切强度测试时，外力平行于粘接面，并且使粘接面承受剪切力。剪切强度按测试时粘接接头承载方式，分为拉伸剪切强度和压缩剪切强度。（1）压缩剪切强度测试方法压缩剪切试验广泛用于常温固化型的胶黏剂。在JISK6801-6804、JISK6852等标准中有规定。例如日本工业标准JISK6806(水性高分子-异氰酸酯类（API）木材胶黏剂)以及用API胶黏剂生产的集成材的粘接性能测试都采用这种试验方法。JISK6806中规定，制作粘接试件前首先应挑选好试件。从锯制好的试件中挑选试件的纤维方向平行于试件的最长边，试件的表面应无锯痕，粘接面应为刨光材面。试件长为30mm（顺纤维方向），宽为25mm，厚度为10mm。试件形状及尺寸见图2-3。制作压缩剪切胶合强度试件时，首先将API胶黏剂的主剂与交联剂按生产厂家指定的比例混合均匀，将配制好的API胶黏剂以（125±25）g/m2的施胶量均匀涂施在拟粘接的材面上。粘接面积为25mm×25mm，用1.0MPa～1.5MPa的压力压紧，并在20℃～25℃的条件下静压24h后卸压，然后在相同的温度下放置72h后，除掉粘接面周边多余的胶黏剂，并测定每个试件的粘接面积。施加压力使试样在（60士20)s内破坏，记录试样破坏时载荷，力值示值误差在士1％范围内。计算常态压缩剪切胶合强度。σ=Pmａｘ／（ｂ×ｌ）（2-1）式中：σ—试件的常态压缩剪切胶合强度，MPa；图2压缩剪切强度试件的形状及尺寸15Pmａｘ—最大破坏荷重，N；ｂ—试件剪断面的宽度，mm；ｌ—试件剪断面的长度，mm。目前有些企业对于干货集装箱底板用胶合板除了检验规格尺寸、外观品质、密度、含水率、抗弯强度外，还要做胶层剪切试验，以检测粘接质量。集装箱底板用胶合板胶层剪切试验所用试件形状如图2-4。企业在检验“胶层剪切强度”项目时，试件两面采用高强度胶黏剂（如环氧树脂胶）粘贴于钢板上，待胶黏剂固化后，如图3所示安装试件。试验机夹具以2mm/min的速度对试件均匀加载，直至试件被破坏，记录最大破坏载荷。通过对试件施加剪切力，使胶层产生剪切破坏，来检测粘接质量。木质层积塑料的顺纹胶层剪切强度和汽车车厢底板用竹材胶合板的胶合强度的试件也分别采用压缩剪切强度来评定，但压缩剪切强度试件的形状却采用如图4所示的形状。试件的具体尺寸分别见LY/T1403-1999（木质层积塑料专业标准）和LY/T1055-1991（汽车车厢底板用竹材粘胶合板专业标准）。（2）拉伸剪切试验测试方法木材胶合制品的拉伸剪切强度测试的试件的常用形状及尺寸如图2-6。图5中L、l和b等的值因标准不同而异。在这种试验方法中，试件在做拉伸剪切试验时易产生变形，在受载面上受到剥离力的作用（见图6）。这个剥离力随胶合板芯板厚度与面、背板厚度之比不同而有所差异。如果受到的剥离率越大，则表观的胶合强度就越低。因此在JAS胶合板的标准中，要乘上一个与这个厚度比相应的修正系数。在国标GB9846（中华人民共和国胶合板国家标准）中，胶合板的胶合强度是通过拉伸剪切强度来评价的。测定胶合板胶合强度的试件尺寸采用两种尺寸：即A型试件和B型试件。凡表板厚度（胶压前的单板厚度）大于1mm的胶合板采用A型试件尺寸；表板厚度自1mm（含1mm）以下的胶合板采用B型试件尺寸，锯制试件的具体要求见图7。拉伸方向ｌｂL图5拉伸剪切强度试件的形状及尺寸图6拉伸剪切试验时试件的变形情况图4木质层积塑料顺纹胶层剪切强度和汽车车厢底板用竹材胶合板胶合强度的试件的形状16A型试件XA=Pmａｘ／（ｂ×ｌ）（1）B型试件：B型试件在求胶合强度时要在计算值后乘以0.9，即XＢ=［Pmａｘ／（ｂ×ｌ）］×０.９（2）式中：XA、XＢ—试件的胶合强度，MPa；Pmａｘ—最大破坏荷重，N；ｂ—试件剪断面的宽度，mm；ｌ—试件剪断面的长度，mm。在测试装置的要求上，使用的试验机应使试件的破坏载荷在材料试验机的１５～８５％的量程范围内，试验机的力值示值误差不大于1%，保证试件夹持器的移动速度稳定在每分钟5±1mm范围内，使试件的轴线与加载方向保持一致。2.2.2拉伸强度测试方法拉伸强度测试方法为垂直于粘接面施加拉伸载荷而破坏的方法。当作用力垂直作用在粘接平面时，应力分配是非常均匀的，但这种受力情况在实际使用中是很难碰到的，即很难保证外力全部垂直作用在粘接面上，如果外力稍有偏心，即外力方向偏斜，应力分布就马上由均匀变为不均匀，产生劈开应力，使边缘应力急剧增加，当边缘应力大于破坏的临界值时，就在胶层的边缘区发生开裂，并且裂缝迅速扩展到整个胶层，使粘接接头破坏。《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》国家标准（GB/T17657—1999）内结合强度测定方法即是采用拉伸强度的测试方法，刨花板和中密度纤维板均需测此项指标。基本原理是确定垂直于试件表面的最大破坏拉力和试件面积之比。b1002533251001303325图7胶合板拉伸剪切强度试件的形状及尺寸(单位：mm)33A型B型17实验步骤与方法①试件在(20±2)℃、空气相对湿度(65±5)%条件下放置质量恒定。②在试件长度和宽度中心线处量宽度、长度尺寸，精确至0.1mm。③用聚乙酸乙烯酯乳胶或热熔胶等胶黏剂，按图2-9把试件和卡头粘接在一起，并再次放置在温度(20±2)℃、空气相对湿度(65±5)%条件下，待粘接牢固后进行检测。在粘接时注意两个接触表面要互相摩擦几次，使胶层能均匀地分布在胶接面上，但胶层既不要过薄也不要过厚，以防加载时在胶层处破坏，影响测试结果。两个卡头的沟槽要互相成垂直状态，不要平行。④测试时应均匀加载，从加载开始在（60±30）s内使试件破坏，记下最大载荷值，精确至10N。若测试在胶层破坏，则应在原试样上另取试件重做。⑤试件内结合强度，按式（3）计算，精确至0.01MPa。式中：Z——试件的内结合强度，MPa；P——试件破坏时最大载荷，N；a——试件的长度，mm；b——试件的宽度，mm。2.2.3劈裂试验测试方法剪切试验和拉伸试验都是整个粘接平面受力，粘接接头在实际应用中，有很多情况并不是整个粘接平面都受力，诸如，①当一个接头的端部受外力Ｐ作用时，胶层上的应力分布不均匀，应力集中在端部非常狭窄的区域内；②破坏从端部开始，这种破坏被称为“线受力”破坏。剥离和劈裂的测试就baPZ图3内结合强度测定示意图a.卡具夹持示意图b.试件与卡头粘接示意图试件卡头卡具卡头卡具胶层图8内结合强度测定示意图（3）18是测量粘接接头对这种“线受力”的承受能力。剥离和劈裂强度的单位是N·mm–1。如果被粘物足够厚，受载时被粘物不出现塑性屈服变形，粘接接头的破坏是突然发生的，这种破坏称劈裂破坏。若被粘物足够薄，外力作用时，首先发生塑性变形，然后粘接接头将被缓慢连续地撕开，这种破坏称为剥离破坏。2.2.4剥离试验测试方法剪切和拉伸强度试验，主要适用于刚性材料的粘接中，而当刚性材料与柔性材料粘接或是柔性材料与柔性材料粘接时，一般需要测定其剥离强度，即此方法可适用于被粘接材之一有可挠性（柔韧性）的情况。有180°剥离、90°剥离和45°剥离（图9）等几种情况。中华人民共和国国家标准GB/T2790-1995《胶黏剂180°剥离强度试验方法挠性材料对刚性材料》中规定了挠性材料与刚性材料粘合的粘接试样的180°剥离试验的方法。标准GB/T2790-1995中规定刚性被粘试片应选取宽为25.0mm±0.5mm、长为200mm以上（除非另有规定）的长条。挠性被粘材料能弯曲180°而无严重的不可回复的变形。，挠性被粘试片的长度不小于350mm（除非另有规定）。试验时将挠性被粘试片的未粘接的一端弯曲180°，将刚性被粘试片夹紧在固定的夹头上，而将挠性试片夹紧在另一夹头上。注意使夹头间试样准确定位，以保证所施加的拉力均匀地分布在试样的宽度上(见图10)。开动机器，使上、下夹头以100±10mm／min的恒定速率分离。采用其他速率由胶黏剂供需双方约定。记下夹头的分离速率和当夹头分离运行时所受到的力，最好是自动记录。继续试验，直到至少有125mm的粘接长度被剥离。注意粘接破坏的类型。试验结果处理：对于每个试样，从剥离力和剥离长度的关系曲线上测定平均剥离力，以N为单位。计算剥离力的剥离长度至少要100mm，但不包括最初的25mm，可以用划一条估计的等高线(见图11)或用测面积法来得到平均剥离力。如果需要更准确的结果，还可以使用其他基材支撑物柔性材料P图945°剥离试验示意图图10挠性材料与刚性材料粘合的粘接试样的180°剥离试验示意图19适当的方法。记录下在这至少100mm剥离长度内的剥离力的最大值和最小值，计算相应的剥离强度值。式中：бl80°—180°剥离强度，kN／m；F—剥离力，N；B—试样宽度，mm。计算所有试验试样的平均剥离强度、最小剥离强度和最大剥离强度，以及它们的算术平均值。图11典型的剥离力曲线在实际粘接接头的使用中，受力情况往往并不单一，而且应力也不可能均匀分布，往往是在应力最大的部位首先破坏而造成整个接头的破坏。σ180°==1891814512331223118018180180==FB（4）