一种热解油浸渍液及用于增强木材旋转摩擦焊接节点方法与流程

本申请属于木材加工与林产工业技术领域，特别是涉及一种热解油浸渍液及用于增强木材旋转摩擦焊接节点方法。

背景技术：

木材焊接技术是将木材或木质材料通过外界作用力进行摩擦生热，木材部分组分(主要是木质素和半纤维素等)受热发生软化并相互融合，在木材摩擦表面层发生交联反应，当对木材进行冷却和固化处理后形成焊接界面，从而实现无胶连接的一项技术。木材焊接属于无胶胶合，整个过程中不需要额外使用昂贵的胶粘剂和复杂的胶接过程，是一种环境友好型工艺技术，符合绿色、低碳、健康、环保的社会要求，在木材工业上具有广阔的应用前景。

与胶黏剂连接、五金件连接等传统连接方式相比，木材焊接技术具有以下四个方面的突出优势：(1)焊接效率高。仅需数秒左右整个木材焊接过程即可完成，且一般只需30min固化时间，而使用胶粘剂粘合则需要少则几个小时多几天的固化、养护时间；(2)木材焊接回收便利。焊接木制品由于未使用胶粘剂、连接件等增加环境负担的材料，仅是木质材料之间的摩擦生粘合，所以更便于作为木质原料进行回收；(3)木材焊接表观质量好。不使用胶粘剂和金属连接件可避免出现溢胶和胶斑现象，且可避免木材锈蚀，维持木质材料的天然外观；(4)木材焊接绿色环保。焊接产生烟气成分主要为水蒸气、co2、小分子碳水化合物等，无甲醛、游离酚、甲苯和vocs等有害气体，焊接过程和使用过程中都不会释放有害物质。

木材焊接技术主要包括线性摩擦焊接和旋转摩擦焊接两大类，其中线性摩擦焊接技术是指两块或多块木材在一定的压力、振幅和频率等作用下实现的高速摩擦运动，摩擦产生的热量熔融了木材内部的部分聚合物，当摩擦运动停止后，熔融的聚合物冷却形成缠结网络，从而实现了木材焊接。

木材旋转摩擦焊接是将高速旋转的圆棒榫在外力作用下，快速插入到两块或多块已经预钻孔的木材内，当达到预定深度时，旋转的圆棒榫瞬间停止运动并将木材连接到一起，从而实现焊接的一项技术。旋转摩擦焊接是由于摩擦生热，在圆棒榫和孔的表面形成一层熔融的界面层；当焊接停止后，熔融的界面层开始冷却，从而实现焊接。木材旋转摩擦焊接技术具有设备简单、工艺简洁、结构形式灵活、绿色环保和快速高效等特点，在家具制造、集成材制备、木质材料装修装配等领域具有良好的应用前景和发展潜力。

近年来，国内外一些科研和技术人员围绕木材旋转摩擦焊接过程的影响因素、工艺过程及加工装置等方面开展了较多工作。然而，木材摩擦焊接节点力学强度不够理想、质量不稳定，而且摩擦焊接界面不够稳定、耐水性能较差。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

近年来，围绕木材旋转摩擦焊接过程的影响因素、工艺过程及加工装置等方面开展了较多工作。但是，目前木材摩擦焊接节点力学强度不够理想、质量不稳定，而且摩擦焊接界面不够稳定、耐水性能较差的问题，本申请提供了一种热解油浸渍液及制备方法和用于增强木材旋转摩擦焊接节点方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种热解油浸渍液，所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油100～500份，增强剂1～15份，改性剂3～25份。

本申请提供的另一种实施方式为：所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油200～400份，增强剂2～12份，改性剂6～20份。

本申请提供的另一种实施方式为：所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油300份，增强剂6份，改性剂12份。

本申请提供的另一种实施方式为：所述增强剂为蒙脱土，所述改性剂为季铵盐类物质。

本申请提供的另一种实施方式为：所述季铵盐类物质为二甲基双葵基氯化铵，十二烷基二甲基苄基氯化铵，十二烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。

本申请还提供一种热解油浸渍液制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)按比例取热解油、增强剂和改性剂置于40℃～60℃的加热；

2)在所述加热条件下对步骤1)中所述热解油、所述增强剂和所述改性剂进行高速搅拌100～150min；

3)静置所述步骤2)的产物即得热解油浸渍液。

本申请还提供一种利用热解油增强木材旋转摩擦焊接节点方法，所述应用包括如下步骤：

a、将需要进行旋转焊接的木榫在所述热解油浸渍液中进行浸渍处理；

b、根据基材幅面、木榫直径和连接强度要求确定木材基材预钻孔直径和预钻孔深度；

c、将所述浸渍处理的木榫与所述预钻孔的基材进行焊接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤a中偶数浸渍处理包括将木榫预设焊接高度加15mm～30mm的部分浸入到热解油浸渍液中，然后在超声处理的条件下浸渍30min～50min；然后将木榫气干或者热风干燥至含水率≤8％；干燥后的木榫备用。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤b中所述预钻孔直径为所述木榫直径的1.1～1.5倍，所述预钻孔深度为所述木榫插入深度加10mm～15mm。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤c中所述焊接在所述基材的弦切面上进行，将所述木榫对准所述基材孔，按照1500～2200r/min的转速和15～23mm/s的进给速度将木榫焊接在基材上，当木榫接触到预留孔底部后停止旋转；然后，继续控制夹头不动，保持所述木榫处于夹持状态固定40～60s后，松开所述木榫、收回焊接转头。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种热解油浸渍液及制备方法和用于增强木材旋转摩擦焊接节点方法的有益效果在于：

本申请提供的热解油浸渍液，采用廉价的绿色原料来处理和增强木材旋转摩擦焊接界面，降低焊接界面强度的变异性，提高焊接节点的耐水性能，从而促进木材旋转摩擦焊接技术的发展应用。

本申请提供的热解油浸渍液，所用到的主要原料来自于天然资源、绿色可再生且成本低廉。生物质热解油和蒙脱土等均为绿色廉价原料，热解油来源农林废弃物、绿色可再生，蒙脱土来源于天然矿石、价廉易得，而季铵盐类物质是常用的分散剂和抗菌剂。

本申请提供的热解油浸渍液，所用到的热解油原料与木材具有天然的亲和力，无机材料蒙脱土热稳定性好，均可以较好地增强焊接界面结合强度和耐水性能。其中热解油中的酸性物质促进木榫和基材接触部分的轻度水解、从而更有利于产生相互缠绕的木纤维结合体，热解油中的酚类、木质素低聚物等促进焊接界面网状体型熔融填充物质的生成、增强耐水性，此外热解油中多种物质还通过氢键等与木榫、基材产生结合力，蒙脱土具有较好的稳定性、可以提高界面耐水热性能，季铵盐类物质除了可以分散、改性浸渍液中的蒙拓土，还具有一定的抗菌性、提高焊接界面的耐候性，这些因素的综合作用显著提升焊接界面质量。

本申请提供的热解油浸渍液应用，工艺方法简洁、无需增加额外加工设备，过程绿色环保、节约成本。采用本发明方法进行木榫旋转焊接时，避免了使用胶粘剂、金属等外加连接物质，仅使用少量廉价的浸渍液处理木榫，不需要增加额外的加工设备，过程绿色环保、成本低廉，在家具、木制品、人造板以及建筑材料等产品加工过程具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本申请的一种热解油浸渍液应用过程示意图；

图2是本申请的木材旋转摩擦焊接试件实物示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

由于天然林的全面禁伐、大径级木材资源逐步匮乏，短轮伐期的小径级人工林木材逐渐成为了我国木材加工的主要原料。小径材在加工利用过程中，通常都需要进行加长、加宽和加厚等拼接或连接技术。此外，连接技术也是人造板、集成材、家具等众多木制品生产过程中的重要工序。因此，我国木材加工的资源现状和工艺特点决定了对绿色、环保、高效木材连接技术的需求十分迫切。

生物质热解油是以农林剩余物等生物质废弃物为原料经过热裂解液化而得到的绿色化工原料，具有原料来源广泛、化学活性好、廉价易得等特点，在能源、化工和材料等领域用途广泛。特别地，生物质热解油对于木材等生物质资源具有较好的润湿性和粘合性，因此在木材链接领域具有应用潜力。

参见图1～2，本申请提供一种热解油浸渍液，所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油100份，增强剂1份，改性剂3份。

参见图1～2，本申请提供一种热解油浸渍液，所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油200份，增强剂2份，改性剂6份。

参见图1～2，本申请提供一种热解油浸渍液，所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油300份，增强剂6份，改性剂12份。

参见图1～2，本申请提供一种热解油浸渍液，所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油400份，增强剂12份，改性剂20份。

参见图1～2，本申请提供一种热解油浸渍液，所述热解油浸渍液由如下重量份的原料组成：

热解油500份，增强剂15份，改性剂25份。

其中，热解油300份，增强剂6份，改性剂12份；为最佳比例。

进一步地，所述增强剂为蒙脱土，所述改性剂为季铵盐类物质。

进一步地，所述季铵盐类物质为二甲基双葵基氯化铵，十二烷基二甲基苄基氯化铵，十二烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基三甲基溴化铵中的一种或几种。

本申请中的所述热解油为生物质热解油，所述生物质热解油为以木材、竹材、树皮、秸秆等农林生物质废弃物为原料经过快速热解(热解反应温度500℃～600℃、气相停留时间1s～3s)和冷凝液化(冷凝温度2℃～4℃)而得到的液相产物，要求其含水率不高于30％，不分层、均一稳定，黏度小于等于60mpa·s。

蒙脱土(mmt)，主要用作插层填充和增强材料，赋予木材焊接界面更好的热稳定性和耐水性能。

所述季铵盐类物质，如二甲基双葵基氯化铵(ddac)，十二烷基二甲基苄基氯化铵(bac)，十二烷基三甲基溴化铵(dtab)，十六烷基三甲基溴化铵(ctab)和十八烷基三甲基溴化铵(stab)为等的一种或几种混合，主要用于分散、剥离和改性蒙脱土，以提高热解油-蒙脱土浸渍溶液的分散性和均匀性。

本申请还提供一种热解油浸渍液制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)按比例取热解油、增强剂和改性剂置于40℃～60℃的加热；

2)在所述加热条件下对步骤1)中所述热解油、所述增强剂和所述改性剂进行高速搅拌100～150min；

3)静置所述步骤2)的产物即得热解油浸渍液。

本申请还提供一种利用热解油增强木材旋转摩擦焊接节点方法，所述应用包括如下步骤：

a、将需要进行旋转焊接的木榫在所述热解油浸渍液中进行浸渍处理；

b、根据基材幅面、木榫直径和连接强度要求确定木材基材预钻孔直径和预钻孔深度；

c、将所述浸渍处理的木榫与所述预钻孔的基材进行焊接。

进一步地，所述步骤a中偶数浸渍处理包括将木榫预设焊接高度加15mm～30mm的部分浸入到热解油浸渍液中，然后在超声处理的条件下浸渍30min～50min；然后将木榫气干或者热风干燥至含水率≤8％；干燥后的木榫备用。

所述木榫可以为榉木、桦木、榆木、栎木等0.7g/cm³密度以上的硬木树种。

进一步地，所述步骤b中所述预钻孔直径为所述木榫直径的1.1～1.5倍，所述预钻孔深度为所述木榫插入深度加10mm～15mm。

进一步地，所述步骤c中所述焊接在所述基材的弦切面上进行，将所述木榫对准所述基材孔，按照1500～2200r/min的转速和15～23mm/s的进给速度将木榫焊接在基材上，当木榫接触到预留孔底部后停止旋转；然后，继续控制夹头不动，保持所述木榫处于夹持状态固定40～60s后，松开木榫、收回焊接转头。

实施例1

以榉木木榫和樟子松基材为例介绍利用热解油提高木材旋转摩擦焊接质量的方法。

首先，配制木材旋转摩擦焊接用生物质热解油浸渍液。以生物质热解油为主要溶液，再加入2.5wt％的蒙脱土和4.5％的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)和二甲基双葵基氯化铵(ddac)，将三者置于50℃的加热条件下，高速搅拌135min，得到木材摩擦焊接用改性热解油溶液。

其次，将长度为120mm、直径为10mm的榉木木榫进行浸渍处理，焊接深度为50mm。利用上述热解油蒙脱土溶液进行木榫浸渍，将木榫不少于75cm的部分浸入到处理液中，在超声处理的条件下浸渍45min；浸渍处理后，将木榫热风干燥至含水率≤8％；干燥后的木榫备用。

再次，在需要焊接处理的樟子松基材上进行预钻孔，预钻孔径为13mm、深度为60mm。

最后，将经过浸渍预处理的木榫与经过预钻孔的基材进行焊接，在樟子松的弦切面上进行焊接；将木榫对准基材孔，按照1800r/min的转速和20mm/s的进给速度将木榫焊接在基材上，当木榫接触到预留孔底部后停止旋转；然后，继续控制夹头不动，保持木榫处于夹持状态固定50s，之后松开木榫、收回焊接转头，完成木材旋转摩擦焊接过程。

将上述过程焊接的试件进行强度和耐水性能测试，分别测试焊接节点的干态抗拉拔强度以及浸水后1天、3天、7天和10天的湿态抗拉拔强度，此外将未经热解油蒙脱土溶液浸渍处理的木榫进行焊接后作为对照组1。参照gb/t14018-2009《木材握钉力试验方法》，使用万能力学试验机测定不同状态和试样节点的抗拉拔强度，结果如表1所示。

实施例2

以榆木木榫和杨木基材为例介绍利用热解油提高木材旋转摩擦焊接质量的方法。

首先，配制木材旋转摩擦焊接用生物质热解油浸渍液。以生物质热解油为主要溶液，再加入2wt％的蒙脱土和3.5％的十六烷基三甲基溴化铵(ctab)，将三者置于45℃的加热条件下，高速搅拌120min，得到木材摩擦焊接用改性热解油溶液。

其次，将长度为100mm、直径为8mm的榉木木榫进行浸渍处理，焊接深度为40mm。利用上述热解油蒙脱土溶液进行木榫浸渍，将木榫不少于60cm的部分浸入到处理液中，在超声处理的条件下浸渍40min；浸渍处理后，将木榫热风干燥至含水率≤8％；干燥后的木榫备用。

再次，在需要焊接处理的樟子松基材上进行预钻孔，预钻孔径为11mm、深度为50mm。

最后，将经过浸渍预处理的木榫与经过预钻孔的基材进行焊接，在樟子松的弦切面上进行焊接；将木榫对准基材孔，按照1950r/min的转速和18mm/s的进给速度将木榫焊接在基材上，当木榫接触到预留孔底部后停止旋转；然后，继续控制夹头不动，保持木榫处于夹持状态固定40s，之后松开木榫、收回焊接转头，完成木材旋转摩擦焊接过程。

将上述过程焊接的试件进行强度和耐水性能测试，分别测试焊接节点的干态抗拉拔强度以及浸水后1天、3天、7天和10天的湿态抗拉拔强度，此外将未经热解油蒙脱土溶液浸渍处理的木榫进行焊接后作为对照组2。参照gb/t14018-2009《木材握钉力试验方法》，使用万能力学试验机测定不同状态和试样节点的抗拉拔强度，结果如表1所示。

表1热解油增强旋转焊接材抗拉拔强度及耐水性能测试结果

根据表1所示结果，实施例1中用榉木木榫和樟子松基材进行焊接时，经过热解油浸渍后干态抗拉拔强度为4165n、经过10天耐水测试后其抗拉拔强度仍有3465n，而未经处理对照组的干态强度为2780n，经过耐水测试后其强度迅速下降、仅为356n。同样地，对榆木木榫和杨木基材的实施例2及对照组2也有明显的对比效果。因此，不难发现，经过生物质热解油蒙脱土溶液浸渍处理的木榫焊接节点具有较好的力学强度和耐水性能。

本申请提供的热解油浸渍液应用，工艺方法简洁、无需增加额外加工设备，过程绿色环保、节约成本。采用本发明方法进行木榫旋转焊接时，避免了使用胶粘剂、金属等外加连接物质，仅使用少量廉价的浸渍液处理木榫，不需要增加额外的加工设备，过程绿色环保、成本低廉，在家具、木制品、人造板以及建筑材料等产品加工过程具有良好的发展前景。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。