木材胶合界面微结构复合效应与影响机制

Interface effect is the most important in the composite effect of the glued wood composite. Quantitative description of the glue bonding strength, establishing a test technology of quantitative characterization of wood materials interfacial bonding strength，analyzing influencing factors of interfacial bonding strength have become urgent tasks of the interface mechanics. The project proposed application of nano-indentation technology to quantitatively measure the mechanical properties (hardness, modulus of elasticity, creep, toughness, etc.) of bonding interface. In the characterization of the adhesive permeability, through the measurement of related mechanical parameters of glued cell wall, the penetration depth and the distribution of the adhesive will be indirectly tested. The project also applied modulus imaging technology to get in-situ，micro, quantitative and high-resolution surface morphology and dynamic mechanical information (distribution of amplitude, phase, stiffness, damping, modulus). Finally，composite effect and responding mechanism of bonding interface microstructure will been revealed from the relationship between micro structure and mechanical properties of bonding interface. A bridge between the interface control and interface micromechanics design will be built from the interface mechanics, components and processing; and optimization of the wooden material properties and composite technology will be got. This study not only enriches the wood bonding mechanism, also has the realistic guiding significance in efficient utilization of wood.

界面效应是木质材料胶合复合效应的主要效应。定量描述胶合界面结合强度，建立定量表征木质材料界面结合强度的测试技术，分析界面结合强度的影响因素已成为界面力学领域的科学课题。本项目在青年基金的研究基础上，提出应用纳米压痕测试技术定量表征胶合界面各点的力学性质（硬度、弹性模量、蠕变、韧性等），同时在表征胶黏剂渗透性能方面，通过测定的木材细胞壁相关力学参数，间接判断胶黏剂的渗透深度、分布情况；应用模量成像技术原位获得胶合界面上微区的、量化的、高分辨的表面形貌和动态力学信息（振幅、相、刚度、阻尼、模量）的分布；从影响木材胶合界面的结构和力学性能，揭示木材胶合界面的复合效应和影响机制；从界面力学、结构组分和工艺参数，进行胶合界面的优化设计与控制，从而实现木质材料性能开发和复合工艺的优化。本研究不仅能丰富木材胶合机理，对木材的高效深加工利用有更现实的指导意义。

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，聚异氰酸酯乳液（EPI）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。主要研究结论如下：两种胶黏剂胶合的宏观剪切强度无明显差异，对于EPI胶合，仅纹理对剪切强度有显著影响，而UF与木材的结合依赖于胶合压力；两种胶合破坏模式均包括木材破坏和混合破坏，其中以木材破坏模式为主。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。