一种有机酸溶液及其制备方法和应用于焊接木材表面的改性方法

摘要

本发明公开了一种有机酸溶液及其制备方法和应用于焊接木材表面的改性方法，属于木材焊接领域。通过室温条件下，按照质量百分比称取乙醇倒入容器中，然后加入有机酸，搅拌使其完全溶解，应用于焊接木材表面的改性，解决了水分的敏感程度较高，使得焊接结合的强度明显下降，以及木材焊接强度的变异性问题；同时也客服了现有技术中也设备成本高，焊接需要在真空条件下等一系列复杂的工艺缺陷，实现了木材焊接界面的耐水性能提高，同时也降低木材焊接强度的变异性能，使得木材焊接能够在常规制备中得到广泛的使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种木材摩擦焊接改性方法，特别涉及一种有机酸溶液及其制备方法和应用于焊接木材表面的改性方法，属于木材加工技术领域。

背景技术

木材焊接技术是利用木材本身的天然物质，在不添加任何其它物质的情况下，完成的木材与木材之间的结合。与传统的金属连接件连接和胶粘剂胶合相比，它有着许多方面的优势。首先是利用该技术生产的木构件不存在甲醛释放的问题，绝对的纯绿色无污染，在人们对室内空气质量要求不断提高的今天显得尤为重要；同时该技术完全不需要消耗任何的不可再生的化石原料，是一种环境友好型和资源节约型的新连接技术。该技术只需要数十秒的时间就能够得到令人满意的木材之间的结合强度，进入下一道的工序生产，大大提高了生产效率，节约了各方面的生产成本。其次，用该技术生产的木构件的回收利用也较为简单和方便，因为没有胶粘剂和金属连接件的加入，大大降低了木构件回收利用的成本。该技术的推广和使用完全符合当今社会对于可持续发展以及低碳高环保性能的要求，所以木材焊接技术方面的研究和发展得到了各国的重视。木材焊接技术可以应用于木结构构件、家具连接以及各式的木材制品中。Sutthoff等人于1996年第一次实现了木材之间的木材焊接，并申请了德国专利(DE 19620273C2)。随后世界各国都开始了木材焊接方面的研究和应用工作。

木材焊接强度的实现主要是由于化学作用和物理作用两个方面。物理作用体现为木材界面在加压摩擦热量的作用下，使得木质素发生热熔和流动，并覆包裹着相互交织的木材纤维，使得木材焊接胶合得以实现。化学作用主要体现为在摩擦高温作用下，木材中的半纤维素发生降解，焊接界面酸度提高，温度和酸性的提高又推动者木质素的化学键的断裂，生成一些活性较高的物质，最后新生成的物质之间以及新生成的物质与木质素之间会发生化学交联反应，形成胶合强度。经过研究发现物理作用占据着较大的焊接强度形成作用，这就使得木材焊接技术存在着一下问题：

(1)由于物理作用占主导，木材焊接过程中形成的这种特殊的界面物质和结构对水分的敏感程度较高，无论湿度较大的环境还是液态水都会使得焊接结合的强度明显下降。

(2)焊接过程中界面上所形成的这种特殊的热熔木质素包裹交织的木材纤维的结构均匀程度并不是特别好，使得木材焊接强度的变异性较大，使得木材焊接的应用收到很大限制。

中国专利申请号:201610423994.7,公开了一种气体保护木材摩擦焊接的装置及方法，其通过将木材焊接过程至于负压状态或者惰性气体保护状态下进行，有利于解决焊接界面的过渡碳化和水蒸气和挥发性气体压力的干扰问题，但是该装置和方法操作相对复杂，成本较高。而且如果焊接试件较大，这就使得真空室的体积较大，焊接效率大大降低，成本都会大幅度提高，所以我们需要一种绿色可持续的且高效成本低的木材焊接耐水性和变异性的改善方法。

本发明旨在通过对木材焊接界面进行改性，使得化学作用对于焊接强度的贡献提高，从而提高木材焊接的耐水性能和降低焊接强度的变异性能。

发明内容

1、发明要解决的技术问题

针对现有木材焊接技术中存在的对水分的敏感程度较高，使得焊接结合的强度明显下降，以及木材焊接强度的变异性较大问题；现有技术中也存在设备成本高，焊接需要在真空条件下等一系列复杂的工艺，不利于木材焊接的广泛应用，本发明提供了一种有机酸溶液及其制备方法和应用于焊接木材表面的改性方法，实现了木材焊接界面的耐水性能提高，同时也降低木材焊接强度的变异性能，使得木材焊接能够在常规制备中得到广泛的使用，并能克服上述一系列的问题。

2、技术方案

一种用于木材线性振动和旋转摩擦焊接的有机酸溶液，所述有机酸溶液按重量百分比，包括以醇类为溶剂，占有机酸溶液总质量百分比50-70％，有机酸为溶质，占有机酸溶液总质量百分比30-50％。

所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇或丁醇中的一种。

所述有机酸为柠檬酸、对甲苯磺酸、乙酸、草酸、水杨酸中的一种或任意两种组合。

优选地，所述醇溶剂为乙醇，溶质有机酸为柠檬酸和对甲苯磺酸。

优选地，所述有机酸溶液为占有机酸溶液总质量百分比65％乙醇，占有机酸溶液总质量百分比28％柠檬酸质量，占有机酸溶液总质量百分比7％对甲苯磺酸。

其中，所述的有机酸溶液，采用以下步骤制备而得：室温条件下，按照上述质量百分比称取乙醇倒入容器中，然后加入柠檬酸，搅拌使其完全溶解，并继续搅拌；然后加入对甲苯磺酸，搅拌均匀，使其全部溶解。

本发明所述的有机酸醇溶液在木材焊接方面的应用。

所述的有机酸醇溶液应用于焊接木材表面的改性方法，可以采用浸泡或者真空浸渍，然后结合常温晾干或者加热烘干的工艺方法。

其中，所述的浸泡加晾干的工艺步骤，包括：

(1)浸泡过程：将待焊接的木材表面浸泡入配置好的有机酸醇溶液中，待焊接表面的浸泡深度必须在2cm以上，使得溶液对木材表面具有一定的浸渍深度；时间持续为10-30分钟，然后取出；

(2)干燥过程：取出浸泡过的木材，放置在温度为20℃的室温环境中，静至60-120分钟，然后即可进行木材的焊接。

其中，所述的真空浸渍加烘干工艺步骤，包括：

(1)真空浸渍过程：将待处理材放入真空浸渍罐中，抽真空度为负的0.05-0.09MPa，保持真空状态5-6分钟，然后利用浸渍罐的负压吸入配置好的溶液，再卸压恢复大气压力，保持大气压力下浸泡7-8分钟；

(2)干燥过程：将样品从浸渍罐中取出，放入干燥箱中，干燥箱的温度设定为60℃，干燥时间为15-20分钟，然后就可以进行木材的焊接。

3、有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

(1)本发明主要采用纯天然的有机酸来对木材焊接的胶合强度变异性和耐水性进行改善，并保持木材焊接绿色纯天然的特点。

(2)利用柠檬酸和对甲苯磺酸对待焊接木材表面进行预处理可以对木材焊接表面进行改性改变焊接过程中木材物质的化学变化过程，使得半纤维素和木质素分解得到更多的活性物质，能够参与到木材焊接界面的形成中来，最终提高木材焊接化学结合的比例，提高木材焊接的耐水性能，改善木材焊接的变异性能。

(3)利用乙醇作为溶剂，能够使得柠檬酸均匀加载分布，同时乙醇蒸发比较容易，可以采用晾干的形式放置一段时间，不需要专用的干燥设备，操作简单。

(4)占有机酸溶液总质量百分比30％-50％的柠檬酸和对甲苯磺酸溶质的有机酸溶液能够保证待焊接木材表面预处理后的焊接的工艺要求，和成品的性能，浓度过大则木材焊接强度反而有下降的趋势，浓度过低，则变异性得不到改善，防水性能改善也不明显。

具体实施方式

实施例1

将山毛榉木材锯制成200mm长、20mm宽和20mm厚的木材试样，要求木材试样表面较为光滑，同时保持其含水率在10％-15％。

配置占有机酸溶液总质量百分比40％的柠檬酸的乙醇溶液，采用以下步骤制备而得：室温条件下，按照上质量百分比60％(WT％)称取乙醇倒入容器中，然后加入质量百分比分数40％柠檬酸，搅拌均匀，使其全部溶解。

(1)浸泡过程：将待焊接的木材表面浸泡入配置好的有机酸醇溶液中20分钟，待焊接表面的浸泡深度必须在2cm以上；时间持续为20分钟，然后取出；

(2)干燥过程：取出步骤1浸泡过的木材，放置在温度为20℃的室温环境中，静置至80分钟，然后将两块木材试材装夹在线性振动摩擦焊接机的上下夹头上，调节振动频率为150Hz，振动幅度为2mm，加载压力为2MPa，时间为5s。待振动停止后将加载压力提高至2.5MPa，加压保持30s之后，卸压取出，得到平均胶合强度为9.2MPa，变异系数为6％的木材焊接性能。将焊接的木材浸泡于水中30天后检测，平均焊接强度仍然达到7.3MPa。而未经过柠檬酸乙醇溶液预处理试材的平均焊接强度为9.1MPa，变异系数为20％，但浸泡于水中2天其焊接强度就为0。

实施例2

步骤同时实施例1，配置占有机酸溶液质量百分比40％的柠檬酸、质量百分比5％对甲苯磺酸的乙醇溶液，其中乙醇为溶剂，含量为55％，搅拌均匀使其全部溶解后，将待焊接的12mm直径、长为100mm的桦木光滑圆木榫浸泡于该溶液中10分钟，然后取出木材试件放置在温度为20℃的室温环境中60分钟后，使得木材表面乙醇蒸发完全。

然后在待焊接松木木材处钻取直径为10mm、深度为50mm的预留孔，然后将圆木榫安装在旋转焊接机的焊接头上，利用夹头固定待焊接松木木材，调整旋转焊接头的转速为1600rpm，焊接速度为20mm/s，2.5s的时间完成焊接。经过测试其圆木榫平均拔出力为2.5kN，变异系数为6％。将其浸泡水中30天后平均拔出力为2.1kN。而未经过柠檬酸处理的平均拔出力为2.2kN,变异系数为22％，泡水14天后平均拔出力为0。

实施例3

将橡木木材锯制成200mm长、20mm宽和20mm厚的木材试样，要求木材试样表面较为光滑，同时保持其含水率在10％-15％。

步骤同实施例1，配置占有机酸溶液总质量百分比30％的柠檬酸和10％的对甲苯磺酸的乙醇溶液，其中乙醇为溶剂，含量为60％，

搅拌均匀后将待焊接的木材利用真空罐进行浸渍处理，抽真空度为负的0.08MPa，保持真空5分钟，然后利用浸渍罐的负压吸入配置好的溶液后，再卸压恢复大气压力浸泡450S，然后取出试件放置于60℃的鼓风干燥箱中干燥17分钟使得木材表面乙醇蒸发完全。然后将两块木材试材装夹在线性振动摩擦焊接机的上下夹头上，调节振动频率为150Hz，振动幅度为2.2mm，加载压力为1.75MPa，时间为4s。待振动停止后将加载压力提高至2.25MPa，加压保持30s之后，卸压取出，得到平均胶合强度为7.6MPa，变异系数为8％的木材焊接性能。同时将其浸泡与水中30天后平均焊接强度仍然达到6.3MPa。而未经过柠檬酸溶液预处理试材的平均焊接强度为6.1MPa，变异系数为23％，经测试浸泡于水中4天其平均焊接强度就为0。

实施例4

步骤同实施例3，不同在于：抽真空度为负的0.09MPa，保持真空320秒，卸压恢复大气压力浸泡7分钟，放置于60℃的鼓风干燥箱中干燥20分钟使得木材表面乙醇蒸发完全，焊接后的木材浸泡于水中30天后平均强度仍然达到6.3MPa。而未经过实施例3中配置的有机酸溶液预处理的试材的平均焊接强度为6.1MPa，变异系数为23％，经测试浸泡于水中4天其平均焊接强度就为0。

实施例5

步骤同实施例3，不同在于木材试件放置于60℃的鼓风干燥箱中干燥18分钟使得木材表面乙醇蒸发完全，焊接后的木材浸泡于水中30天后平均强度仍然达到6.3MPa。而未经过实施例3中配置的有机酸预处理的木材试材的平均焊接强度为6.1MPa，变异系数为23％，经测试浸泡于水中4天其强度就为0。

实施例6

将云杉木材锯制成200mm长、20mm宽和20mm厚的木材试样，要求木材试样表面较为光滑，同时保持其含水率在10％-15％。

然后配置35％质量分数的柠檬酸和5％质量分数的对甲苯磺酸乙醇溶液，其中乙醇为溶剂，含量为60％，搅拌均匀后将待焊接的木材表面浸泡于该溶液中30分钟，待焊接表面的浸泡深度在2cm以上；然后取出试件放置80分钟使得木材表面乙醇蒸发完全。然后将两块试材装夹在线性振动摩擦焊接机的上下夹头上，调节振动频率为150Hz，振动幅度为1.8mm，加载压力为1.75MPa，时间为5s。待振动停止后将加载压力提高至2.00MPa，加压保持30s之后，就可以卸压取出，得到平均焊接强度为6.3MPa，变异系数为9％的木材焊接性能。同时将其浸泡于水中30天后平均强度仍然达到5.7MPa。而未经过柠檬酸溶液预处理试材的平均焊接强度为5.1MPa，变异系数为28％，浸泡于水中5天平均焊接强度就为0。

实施例7

步骤同实施例6，不同在于，配置占有机酸溶液总质量百分比30％的柠檬酸，其中乙醇为溶剂，含量为70％，处理后焊接得到的木材平均焊接强度为5.9MPa，变异系数为11％，将其浸泡于水中30天后的平均焊接强度为5.5MPa。而未经过柠檬酸溶液预处理的试材的平均焊接强度为5.1MPa，变异系数为28％，浸泡于水中5天其平均焊接强度就为0。

实施例8

步骤同实施例6，不同在于，配置占有机酸溶液总质量百分比30％柠檬酸，乙酸为5％，以丁醇为溶剂，含量为65％，待焊接的木材表面经有机酸溶液处理后并焊接得到的平均焊接强度为6.1MPa，变异系数为9％，将其浸泡于水中30天后的平均焊接强度为5.7MPa。而未经过柠檬酸溶液预处理试材的平均焊接强度为5.1MPa，变异系数为28％，浸泡于水中5天其平均焊接强度就为0。

实施例9

步骤同实施例6，不同在于，配置的有机酸溶液中柠檬酸质量分数为30％，草酸为5％，以丁醇为溶剂，含量为65％，处理后焊接得到的平均强度为为6.0MPa，变异系数为8％，将其浸泡于水中30天后的平均焊接强度为5.4MPa。而未经过柠檬酸溶液预处理试材的平均焊接强度为5.1MPa，变异系数为28％，浸泡于水中5天其平均焊接强度就为0。

实施例10

步骤同实施例6，不同在于，配置柠檬酸质量分数为30％，水杨酸为5％，以丁醇为溶剂，含量为65％，处理后焊接得到的平均强度为6.2MPa，变异系数为9％，将其浸泡于水中30天后的平均强度为5.5MPa。而未经过柠檬酸溶液预处理试材的平均焊接强度为5.1MPa，变异系数为28％，浸泡于水中5天其强度就为0。

实施例11

配置50％质量分数的柠檬酸乙醇溶液，搅拌均匀后将待焊接的11mm直径长为100mm的松木表面带螺纹的圆木榫利用真空罐进行浸渍处理，真空度为负的0.05MPa，保持真空6分钟，然后吸入配置好的溶液后，再恢复大气压力下浸泡8分钟，然后取出试件放置于60℃的鼓风干燥箱中干燥15分钟使得木材表面乙醇蒸发完全。

然后在待焊接松木木材处钻取直径为10mm深度为50mm的预留孔，然后将圆木榫安装在旋转焊接机的焊接头上，利用夹头固定住待焊接木材，调整旋转焊接头的转速为1600rpm，焊接速度为25mm/s，2s的时间完成焊接。测试其圆木榫拔平均出力为2.9kN，变异系数为8％。将其浸泡水中30天后平均拔出力为2.2kN。而未经过柠檬酸处理的平均拔出力为2.1kN,变异系数为28％，泡水15天后拔出力为0。

实施例12

步骤同实施例9，不同在于，所述有机酸溶液为质量百分比65％乙醇，质量百分比28％柠檬酸质量，质量百分比7％对甲苯磺酸的改性溶液，旋转焊接得到的圆木榫拔平均出力为3.6kN，变异系数为8％。将其浸泡水中30天后平均拔出力为2.6kN。而未经过柠檬酸处理的平均拔出力为2.1kN,变异系数为28％，泡水15天后拔出力为0。

实施例13

有机酸溶液、步骤同实施例1，浸泡时间持续为30分钟，待焊接表面的浸泡深度在2cm以上；得到平均胶合强度为9.1MPa，变异系数为7％的木材焊接性能。同时检测将其浸泡于水中30天后平均强度仍然达到7.1MPa。而未经过柠檬酸乙醇溶液预处理试材的平均焊接强度为9.1MPa，变异系数为20％，但浸泡于水中2天其焊接强度就为0。