一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物及方法
本发明涉及木材加工相关，尤其是涉及一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物及方法。
背景技术：
1、木材作为一种古老而又现代的建筑材料，具有自重轻、取材方便、抗震性能好等突出优点，并具备对环境友好、可再生和可降解的特性，因此，木材这种天然负碳材料被认为是取代塑料和钢材等高碳排放材料最理想的选择之一。
2、在家具制造领域，木材的连接技术至关重要。传统的卯榫连接虽历史悠久，但加工过程中木材损失较大，且加工精度对结构力学性能有显著影响；而连接件连接则可能因金属引入导致的锈斑或腐蚀影响接合强度。此外，胶黏剂连接虽常见，但固化时间长、需要多次处理，不仅限制了定制生产的灵活性和效率，而且胶合剂的大量使用还带来了环境污染和健康问题。
3、为了克服这些挑战，木材旋转摩擦焊接技术(rotational wood dowel welding)应运而生。木材旋转摩擦焊接技术是指高速旋转的木圆榫(棒)在外力作用下，迅速插入到两块或多块预钻孔的木材内，当木圆榫到达预定深度后立即停止旋转，利用摩擦产生的高温和高压促使木材中的木质素和半纤维素等胞间物质发生软化、熔融和流动，并与木纤维形成交联网络，当摩擦运动瞬间停止后，熔融的界面层迅速冷却固化，从而在木榫与木质基材之间形成一层良好的胶合界面，即可实现木材与木材之间的快速胶合；且在焊接过程中，部分脱离的木材细胞不再存在于焊接表面，而是作为多余的纤维被挤出接头。这也就揭示了木材焊接的机理是高速摩擦运动产生的热量引起半纤维素热解、木质素发生软化、熔融和流动，木质素与碳水化合物的衍生物糠醛之间发生化学交联反应，在焊接界面形成高密度的黏结层，此外，在焊接过程中，木质素结构中的游离酚类基团会明显增加，而对羟基苯丙烷单元则明显减少，使得木质素与微纤丝之间的氢键力增强，同时在焊接过程中产生的高温会导致半纤维素和纤维素发生不同程度的降解，使纤维素和半纤维素的绝对含量有所降低，而木质素的相对含量随之增大，这使得木榫与预钻孔之间产生了较强接合力，达到牢固焊接的目的。
4、该技术在家具行业上具有较好的应用潜力，以期应对城市中不同空间环境的家具接合问题；相较于榫接和金属连接件这两类传统连接方式主要依靠过盈产生机械力或胶产生的胶接力；木材旋转摩擦焊接技术具有明显的优势，主要包括：加工方便，工艺简单，耗时短(3-5s左右)，有专门的设备，经过培训很容易上手，同批次加工的误差小，不使用胶黏剂，利用高速摩擦运动产生的热量形成具有胶粘性能的熔融层，能够维持木料原来的全部特点，由于榫与基材孔为过盈配合进行旋转焊接，形成的熔融层还具备一定机械力，因此，该焊接节点具有较高的焊接强度，避免木材旋转摩擦焊接界面被水分侵蚀导致失效的问题，减少了甲醛排放，操作简单且成本低，该技术表现出的良好的应用性在家具行业中具有良好的推广价值，尤其在于家具部件的连接上，木材选择摩擦焊接中工艺参数已经明晰，可以作为家居智能制造中的重要步骤。
5、尽管木材旋转摩擦焊接技术已表现出显著优势，但为了进一步提升其在家具行业的应用价值，仍需不断研究和提升该技术处理后的焊接节点的机械强度和稳定性。因为更高的机械强度和稳定性方可更好地确保家具的持久耐用，从而更好地拓宽木材摩擦焊接技术的应用范围，满足更多复杂和高端家具的制造要求。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，该组合物能够有效提高木材旋转摩擦焊接试件的力学强度和稳定性。
2、本发明还提出一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的方法，该方法能够有效提高木材旋转摩擦焊接试件的力学强度和稳定性。
3、根据本发明的一个方面，提出了一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，包括木榫表面改性剂和预钻孔表面改性剂，所述木榫表面改性剂包括含葡萄糖和果糖的混合溶液，所述预钻孔表面改性剂包括含柠檬酸的乙醇溶液。
4、根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：本发明方案组合物通过分离式胶发黏的方法，在待焊接木材接触面上采用本发明方案特定的改性剂可以有效改善木材旋转摩擦后产生的焊接界面的性能，进而提高木材旋转摩擦焊接试件的力学强度和稳定性。
5、在本发明的一些实施方式中，所述含葡萄糖和果糖的混合溶液中葡萄糖和果糖的总质量百分浓度为40～60％。
6、在本发明的一些实施方式中，所述含葡萄糖和果糖的混合溶液中葡萄糖和果糖的总质量百分浓度为50％。
7、在本发明的一些实施方式中，所述含葡萄糖和果糖的混合溶液中葡萄糖和果糖的质量百分浓度之比为1:1。
8、在本发明的一些实施方式中，所述柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的质量百分浓度为15～25％。
9、在本发明的一些实施方式中，所述柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的质量百分浓度为20％。
10、根据本发明的另一个方面，提出了一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的方法，包括如下步骤：
11、s1、将木榫表面改性剂涂覆在待焊接木榫木材表面，将预钻孔表面改性剂涂覆在待焊接预钻孔木材表面；
12、s2、将经步骤s1处理后的待焊接木榫木材及待焊接预钻孔木材置于25℃，65％相对湿度下干燥20min。
13、根据本发明的一种优选的实施方式的方法，至少具有以下有益效果：通过本发明方法可以显著提升焊接试件的性能。
14、在本发明的一些实施方式中，所述涂覆以喷涂的形式涂覆，喷涂量为90-120g/m2。
15、根据本发明的再一个方面，提出了上述组合物或上述方法在木材焊接中的应用。
16、根据本发明的又一个方面，提出了一种木材焊接方法，包括如下步骤：通过上述方法处理后的待焊接木榫木材及待焊接预钻孔木材，以1660-1760rpm的转速进行木材旋转焊接，下行速度为10mm/s，3s内将待焊接木榫木材安装到待焊接预钻孔木材中。
17、在本发明的一些实施方式中，所述木材焊接方法，还包括将经过处理后的的待焊接木榫木材及待焊接预钻孔木材静置两天后，再进行旋转焊接。可进一步静置后，更好地平衡含水率，也可直接用于旋转焊接。
18、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
技术特征：
1.一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，其特征在于：包括木榫表面改性剂和预钻孔表面改性剂，所述木榫表面改性剂包括含葡萄糖和果糖的混合溶液，所述预钻孔表面改性剂包括含柠檬酸的乙醇溶液。
2.根据权利要求1所述的用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，其特征在于：所述含葡萄糖和果糖的混合溶液中葡萄糖和果糖的总质量百分浓度为40～60％。
3.根据权利要求1所述的用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，其特征在于：所述含葡萄糖和果糖的混合溶液中葡萄糖和果糖的总质量百分浓度为50％。
4.根据权利要求1所述的用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，其特征在于：所述含葡萄糖和果糖的混合溶液中葡萄糖和果糖的质量百分浓度之比为1:1。
5.根据权利要求1所述的用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，其特征在于：所述柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的质量百分浓度为15～25％。
6.根据权利要求1所述的用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物，其特征在于：所述柠檬酸的乙醇溶液中柠檬酸的质量百分浓度为20％。
7.一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的方法，其特征在于：利用如权利要求1至6任一项所述的组合物提升木材旋转摩擦焊接性能，包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的方法，其特征在于：所述涂覆以喷涂的形式涂覆，喷涂量为90-120g/m2。
9.如权利要求1至6任一项所述的组合物或如权利要求7或8所述的方法在木材焊接中的应用。
10.一种木材焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：通过如权利要求7或8所述的方法处理后的待焊接木榫木材及待焊接预钻孔木材，以1660-1760rpm进行木材旋转焊接，下行速度为10mm/s，3s内将待焊接木榫木材安装到待焊接预钻孔木材中。
技术总结
本发明公开了一种用于提升木材旋转摩擦焊接试件性能的组合物及方法，所述组合物包括木榫表面改性剂和预钻孔表面改性剂，所述木榫表面改性剂包括含葡萄糖和果糖的混合溶液，所述预钻孔表面改性剂包括含柠檬酸的乙醇溶液。本发明方案组合物通过分离式胶发黏的方法，在待焊接木材接触面上采用本发明方案特定的改性剂可以有效改善木材旋转摩擦后产生的焊接界面的性能，进而提高木材旋转摩擦焊接试件的力学强度和稳定性。
技术研发人员：吴嘉伟,张仲凤,张继娟,何佳容,杨洋,霍鸿飞
受保护的技术使用者：中南林业科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23