木材胶合界面的微纳结构对其力学性能的影响机制

发布时间：2018-11-07 09:54

【摘要】：木材胶合界面在多相体系中起着载荷传递和应力分散等作用,其结构与力学性能对实木胶合产品的整体强度、韧性以及耐久性存在重要影响,已成为研究的热点科学问题之一。实木胶合产品的复合技术与性能开发大多停留在宏观层面,由于组成实木胶合产品主体的木质单元在性能和结构上变异性较大,因此很难从宏观层面调控产品性能。以界面力学为研究核心,建立胶合工艺参数、界面微纳结构、界面力学性能三者之间的关系,揭示界面微纳结构对界面力学性能的影响机制,将为实现实木胶合产品力学性能的可控设计提供重要的理论依据。本研究以柳杉木材为主要原料,聚醋酸乙烯酯(PVAc)和脲醛树脂(UF)为胶黏剂,通过调整胶黏剂种类、单位压力、胶黏剂黏度以及纹理组合等胶合工艺参数,制备不同结构的胶合界面;联用光学显微技术、电子显微技术、激光共聚焦拉曼技术以及纳米红外技术等多种微纳尺度表征手段,分析不同界面的结构形貌以及微区化学结构变化;采用纳米压/划技术和树脂/木条、管胞拔出技术分别评价了界面区域力学性能分布和界面结合强度;分析界面结构对工艺参数的响应机理,揭示了界面结构对其力学性能的影响机制。研究中创新地利用紫外激光烧蚀技术制备界面微观结构样品,有效解决了传统制样方法导致的样品结构破损和细胞变形问题;采用纳米红外分析技术表征胶黏剂在木材细胞壁层的渗透,将胶合机理研究提升至纳米尺度水平。论文的主要研究结论如下:(1)单位压力是界面结构的显著影响因子。随着压力增加,PVAc界面胶层区域的孔洞以及胶黏剂与细胞壁之间的缝隙数量逐渐增加,尺寸逐渐减小,而UF界面胶层区域以及胶黏剂与细胞壁之间的孔洞和缝隙尺寸明显减小甚至消失;当单位压力由0MPa增加至1.2MPa时,PVAc、UF渗透深度分别增加了54.03%、124.11%;渗透均匀性分别增加了20.23%、68.02%;界面管胞径向直径分别压缩了31.21%、68.03%,变形主要发生在早材管胞。(2)PVAc主要分布在细胞壁加工裂隙和胞间层,对界面力学性能无显著影响,与木材的胶合以机械互锁作用为主;而UF通过细胞壁中的微纤丝间隙渗入细胞壁中形成较大面积的纳米级结构,界面弹性模量提高了9.63%~26.33%,硬度提高了4.03%~26.14%,与木材的胶合除机械互锁作用外,还有化学键合作用。(3)无压力作用下,PVAc与细胞壁的接触优于UF,木条/PVAc界面剪切强度(2.35±0.22MPa)大于木条/UF(1.24±0.04MPa),管胞/PVAc临界破坏载荷(机械剥离管胞204.71±35.57mN,化学离析管胞60.81±25.03mN)大于管胞/UF(机械剥离管胞46.02±21.11mN,化学离析管胞37.42±11.08mN),与宏观剪切强度结果PVAc试样(5.86MPa)大于UF试样(3.85MPa)相吻合。(4)有单位压力作用时,PVAc和UF试样的宏观剪切强度无明显差异,但破坏形态存在明显差异:UF的破坏断面平整度优于PVAc,压力增加,破坏断面平整度提高。与UF界面力学性能分布均匀性优于PVAc结果相关,从微观结构分析,是UF渗透均匀性和密实程度较好所致。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TS653.3

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本文编号：2315994