水環(huán)境對熱熔膠膠接木粉/聚乙烯復合材性能影響的研究

馬軍寶，易 欣，邸明偉，王清文,2

（1.東北林業(yè)大學，生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510642）

水環(huán)境對熱熔膠膠接木粉/聚乙烯復合材性能影響的研究

馬軍寶1，易 欣1，邸明偉1，王清文1,2

（1.東北林業(yè)大學，生物質材料科學與技術教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.華南農(nóng)業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510642）

通過萬能力學試驗機實驗，研究了雙組分丙烯酸酯膠粘劑、EVA、YEVA、PA以及PUR等5種膠粘劑膠接木粉/聚乙烯復合材的膠接性能，以及EVA、YEVA、PA和PUR 4種熱熔膠膠接木粉/聚乙烯復合材的膠接耐水性能。實驗結果表明，EVA、YEVA和PUR熱熔膠膠接強度要好于雙組分丙烯酸酯膠粘劑，且4種熱熔膠的膠接耐水性能都好于雙組分丙烯酸酯膠粘劑；PA熱熔膠膠接強度隨浸水時間延長下降最明顯。

熱熔膠；EVA；PA；PUR；膠接性能

近幾十年來，木塑復合材在建筑模板、棧道、室內(nèi)外建筑裝飾以及家具等領域得到了廣泛應用[1～4]。在木塑復合材的應用中，角部結構的結合方式是關鍵也是難題。目前應用較多的是機械連接[5]即依靠螺栓、螺釘?shù)葘崿F(xiàn)連接。然而這種連接方法無法實現(xiàn)無縫連接，且破壞了木塑復合材表面。通過膠粘劑粘接實現(xiàn)木塑復合材的無縫連接是近些年學者研究的重點，且取得了很大的成效[6～10]。

液態(tài)膠粘劑大多需要在加熱或/和加壓下實現(xiàn)固化膠接，而在常溫下需要較長時間進行固化，一般為24 h以上，不利于縮短木塑復合材產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，如環(huán)氧樹脂膠粘劑、酚醛樹脂膠粘劑等；且大多數(shù)膠粘劑如丙烯酸酯膠粘劑、乳白膠、氨基樹脂膠粘劑等耐水性能較差[11]，不能滿足有水條件下使用，例如戶外、窗戶等。熱熔膠具有快速膠接、冷卻和固化的特性，無需加熱加壓固化，固化時間短，且耐水性能較好，是木塑復合材在很多方面應用的首選膠粘劑。

實驗選用2種硬度（常溫下硬度較大的為YEVA，硬度偏小的為EVA）聚乙烯醋酸乙烯酯（EVA）熱熔膠（HMA）、聚酰胺（PA）熱熔膠以及聚氨酯（PU）熱熔膠對木粉/聚乙烯復合材進行膠接試驗，研究了不同熱熔膠對木塑復合材的膠接強度以及耐水性能，并以雙組分丙烯酸酯膠粘劑作為對照。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗中所用試件為實驗室通過單螺桿擠出設備制的木粉/聚乙烯木塑復合材，其中木粉為楊木粉，60～80目，用量為60份（木粉與聚乙烯總和為100份）；塑料為高密度聚乙烯（5 000 s）。按照GB/T17517—1998剪裁成2.5 cm×4.0 cm，經(jīng)過180目砂紙打磨后進行膠接。

熱熔膠包括：2種EVA熱熔膠；市售熱塑性PU熱熔膠（8018），固化方式為濕氣固化；市售PA熱熔膠；以及市售雙組分改性丙烯酸酯膠粘劑。具體參數(shù)如表1所示。

聚乙烯醋酸乙烯酯（EVA）是最常見的熱塑性熱熔膠，對于木材以及熱塑性塑料都具有良好的膠接性能；EVA熱熔膠性能主要取決于單體比例、分子質量以及分子支化度[11]。由圖1可以看出，2種EVA熱熔膠區(qū)別不大，只是在1 693 cm-1處硬度偏小的EVA出現(xiàn)了特征峰，此處為-C=O的特征峰，說明分子鏈中EVA比YEVA具有稍高比例的酯基。用于熱熔膠的PA樹脂一般分子質量為1 000～9 000左右，對木材、塑料等具有良好的膠接性能[11]。PUR具有較高的極性和活潑性，對多種材料具有極高的粘附性能，而且還能膠接表面光潔的材料[11]。

圖1 EVA熱熔膠FTIRFig.1 FTIR spectra of EVA and YEVA

1.2 試件表面處理

將試件用180目砂紙打磨，然后用雙組分丙烯酸酯膠粘劑、EVA、YEVA、PA以及PUR熱熔膠在指壓下進行膠接固化，室溫下放置24 h后將試樣在室溫下浸水，浸水結束后在30℃下干燥至恒量，參照GB/T17517—1998測定試件的壓縮剪切強度，平行試樣為5個。

1.3 原料與試件性能檢測

利用環(huán)球法參照GB/T15332—94測定熱熔膠的軟化點；采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司的ZRZ1452型熔體流動速率試驗機測定熱熔膠的熔融指數(shù)。

試件浸水50 h、100 h、150 h、200 h、250 h后，立即用濾紙除去試件表面水分，然后稱取質量，再根據(jù)浸水前測得質量計算不同浸水時間試件的吸水性 ；試件30 ℃下干燥至恒量后根據(jù)GB/T17517—1998利用美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司的CMT5504微機控制電子萬能試驗機測定不同浸水時間試件的壓縮剪切強度。

2 結果與討論

2.1 試件吸水性

圖2為木塑復合材試件的吸水性，可以看出，隨著浸水時間的增加，木塑復合材試件吸水逐漸增大，且在前50 h增加明顯，之后增加接近于線性曲線，可見250 h浸水沒有使試件吸水得到飽和。試件吸水主要是通過鋸切試件以及打磨后木粉裸露處吸水，雖然擠出過程中試件表面聚集塑料，但是擠出過程致使比表面出現(xiàn)破損也是導致木塑吸水的原因。

圖2 吸水性Fig.2 Water absorption

2.2 吸水對膠接強度的影響

圖3為5種膠粘劑的干、濕壓縮剪切強度。

圖3 不同膠粘劑干、濕壓縮剪切強度Fig.3 Dry and wet compression shear strength of different adhesives

由圖可知，4種熱熔膠膠接強度和耐水性能都好于雙組分丙烯酸酯膠粘劑；試件吸水后木粉中的木纖維膨脹，而雙組分丙烯酸酯膠粘劑膠層很脆，缺乏韌性，這是導致雙組分丙烯酸酯膠粘劑膠接強度下降的主要原因；YEVA熱熔膠的膠接強度好于EVA熱熔膠，這是因為YEVA熱熔膠分子中乙酸乙烯比例比EVA少，分子鏈中CH3COO-基團較少，分子間距離小，分子結晶度高，分子剛性較大，所以膠層強度較高，木塑表面裸露木粉占整個膠接面面積比例少，膠接強度的形成主要靠表面塑料在膠接時熔融與EVA膠層形成粘結相；EVA與木塑復合材表面塑料均含有-C-C-鍵結構，很容易相似相容，因此EVA分子中乙烯比例越高相容性越好。PA熱熔膠對木塑復合材膠接性能較差，這可能是因為PA軟化點范圍太窄[12]，在膠接過程中未形成良好膠接時膠層就迅速固化，且試件表面裸露木粉較少，極性鍵少，同時PA相為極性與試件表面塑料的非極性聚乙烯相不能互容。因此，盡管PA中含有較多的氨基（-NH2）、羰基（C=O）、酰胺基（-NHCO-）等極性基團，卻難以形成較高強度的膠接性能。另外，PUR熱熔膠比YEVA的膠接強度稍低，是因為PUR表面膠層吸濕固化，內(nèi)部膠層固化程度不高。

2.3 浸水時間對膠接強度的影響

圖4為4種熱熔膠膠接木塑復合材的壓縮剪切強度隨浸水時間的變化。

圖4 膠接強度隨浸水時間變化曲線圖Fig.4 Bonding strength decreasing curves with increasing soaking period

由圖4可知，PA熱熔膠膠接強度隨浸水時間的增加下降最明顯，這是因為未形成良好膠接就固化的膠層具有較差的韌性，在木粉吸水膨脹之后膠層與試件表面形成的膠接強度被線脹系數(shù)差所產(chǎn)生的內(nèi)部應力逐漸破壞，并且PA中的極性基團很容易吸水，從而致使PA膠接強度出現(xiàn)明顯降低；2種EVA熱熔膠膠接強度基本不受浸水時間的影響，這是因為EVA熱熔膠膠接時膠層與試件表面熔融在一起，且EVA熱熔膠具有很好的韌性，不會因木粉吸水膨脹而使膠層與試件之間形成應力破壞；PUR熱熔膠膠接強度隨浸水時間增加先增加而后有下降趨勢，這是因為PUR是吸濕固化的熱熔膠，由于膠層密封性能較好，木塑復合材含水率較低，致使試件中間部位的膠層沒有固化完全，隨浸水時間的增加水分子通過木塑復合材吸水以及孔隙逐漸進入膠層內(nèi)部使膠層進一步固化，因此呈現(xiàn)出浸水50 h到100 h膠接強度明顯升高。

3 結論

1）4種熱熔膠膠接耐水性都好于雙組分丙烯酸酯膠粘劑，其中PA熱熔膠膠接耐水性受浸水時間影響最大；

2）EVA分子鏈中酯基含量越高，對膠接木粉/聚乙烯復合材越不利；

3）PUR熱熔膠膠層吸濕固化較慢，浸水100 h左右才能使膠層內(nèi)部完全固化；

4）EVA熱熔膠膠層具有韌性，致使其具有很好的膠接耐水性能。

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Performance of hot melt adhesive bonded wood/polyethylene composite under water soaking

MA Jun-bao1, YI Xin1, DI Ming-wei1, WANG Qing-wen1,2
(1.Key Laboratory of Bio-Based Material Science&Technology (Ministry of Education), Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040, China; 2.College of Materials and Energy, South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 5210642, China)

The bonding performance of the hot melt adhesives, including the two-component acrylate, EVA, YEVA(rigid EVA), PA(polyamide) and PUR(polyurethane) based adhesives, to the wood-polyrthylene composite and the waterproofness of the bonded wood-polyethylene composite specimens with the hot melt adhesives, including EVA, YEVA, PA and PUR based adhesives is superio to that for the two-component acrylate adhesive, and the decreasing of bonding strength for PA based adhesive with increasing the soaking period on water is the clearest among EVA, YEVA, PA and PUR based adhesives.

hot melt adhesive; EVA; PA; PUR; bonding performance

A

1001-5922（2016）09-0040-03

2016-05-26

馬軍寶（1990-），男，碩士，主要從事木塑復合材膠接及應用等研究。E-mail：nefumjbao@163.com。

王清文：E-mail：qwwang2006@126.com。邸明偉：E-mail：dimingwei@126.com。

支持項目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項資金重大項目（201204802），中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（2572015AB21）。