Исследование влияния вязкости клея с наполнителем и без на глубину проникновения клея в лущеный шпон из древесины лиственницы
Исследование влияния вязкости клея с наполнителем и без на глубину проникновения клея в лущеный шпон из древесины лиственницы
Аннотация
Фанера является эффективным конструкционным материалом для использования в строительстве. Основной конструктивный элемент фанеры, определяющий ее прочность, — лущеный шпон. Получаемый в производстве шпон имеет трещины, пустоты, обусловленные пористой структурой древесины, чередующиеся слои ранней и поздней древесины и другие дефекты. В конечном итоге это ведет к снижению возможностей фанеры как конструкционного материала. Ослабить влияние дефектов, например, трещин, можно, изменяя их размеры путем заполнения их клеем. Уменьшить рост себестоимости фанеры можно за счет применения наполнителей для клея, что не должно способствовать снижению прочности фанеры. В статье исследуется влияние вязкости клея с наполнителем (древесной муки с мелом) и без него на глубину проникновения клея в древесину лущеного шпона из лиственницы. Экспериментально получена сравнительная количественная оценка глубины проникновения клея с наполнителем и без него в древесину шпона из лиственницы. Исследования показали, что применение в фенолоформальдегидных клеях в качестве наполнителя древесной муки с мелом существенно ограничивает проникновение клеевой массы в древесину шпона. Поэтому для наполнения таких клеев, предназначенных для производства конструкционной фанеры, не рекомендуется использовать в качестве наполнителя древесную муку с мелом.
1. Введение
Фанера используется в различных отраслях промышленности. Она является одним из наиболее технологичных и эффективных конструкционных материалов для использования в строительстве. Например, в деревянном домостроении, при изготовлении товарных железнодорожных вагонов, кузовов автомобилей и контейнеров. Однако эффективность применения фанеры в той или иной сфере определяется не только ее прочностью, но и себестоимостью. Известно, что существенную долю в себестоимости фанеры составляет стоимость клея. Поэтому вопрос использования наполнителей для уменьшения расхода клея является достаточно актуальным. И здесь применение наполнителей не должно способствовать уменьшению прочности фанеры.
Наличие в шпоне трещин, пустот, обусловленных пористой структурой древесины, чередующихся слоев ранней и поздней древесины и других дефектов служит источником возмущений поля напряжений и деформаций в фанере (рис. 1).
Поперечный срез лущеного шпона из древесины лиственницы:
1 – поздняя древесина годичного слоя; 2 – трещина
Основное назначение наполнителей при склеивании фанеры – доведение клея до нужной вязкости и уменьшение его стоимости. Последнее особенно важно, т. к. снятие локальных напряжений, вызванных дефектами шпона, неизбежно связано с увеличением расхода клея, который, заполняя трещины, макро- и микронеровности поверхности, обеспечивает получение более однородной структуры материала. Поэтому обоснованное уменьшение расхода смолы за счет введения наполнителей позволит снизить себестоимость единицы продукции. Известно, что введение наполнителя может изменять технологические свойства клеев, не снижая прочности клеевых соединений, а в некоторых случаях даже повышая ее. Влияние типа и количества наполнителя на прочность адгезионно-когезионных связей отмечается в различных работах
, , , , . Критерием выбора наполнителя в нашем случае может быть сохранение примерно одинаковой степени заполнения дефектов в древесине лущеного шпона, образовавшихся в процессе его производства, как клеем с наполнителем, так и без него.Для смол в производстве фанеры используются различные наполнители: для фенолоформальдегидных смол СФЖ-3013 и СФЖ-3024 рекомендуются древесная мука с мелкодисперсным мелом.
Цель работы — сравнительная оценка глубины проникновения в древесину шпона клея с наполнителем и без него.
Задачи исследования:
– разработать методику определения проницаемости шпона клеем;
– определить глубину проникновения клея с наполнителем и без него в древесину лиственничного шпона;
– дать рекомендации о целесообразности использования в производстве конструкционной фанеры наполнителя, состоящего из древесной муки с мелом.
2. Методы и принципы исследования
В данном опыте прежде всего интересовало влияние наполнителя на глубину проникновения клеевой массы в шпон. Для исследования была принята смола СФЖ-3013 по ГОСТ 20907. В качестве наполнителя – древесная мука марки 140 влажностью не более 8% по ГОСТ 16361 и мелкодисперсный мел по ГОСТ 8253. Чтобы оценить влияние наполнителя на глубину проникновения клея в шпон, опыты ставились для клея на чистой смоле и для клея с древесной мукой и мелом. В экспериментах древесная мука добавлялась в количестве 2 мас. ч., а мел — 10 мас. ч. Сравнимость данных обеспечивалась установлением одинаковой вязкости для клея на чистой смоле и клея с наполнителем.
Для экспериментов отбирался шпон с тангенциальной поверхностью, т. к. анализ литературных источников
, показывает, что проницаемость древесины существенно зависит от структурных направлений и других факторов: плотности, содержания поздней древесины, ширины годичных слоев, влажности. Известно, что капиллярная система древесины, проводящая жидкости под давлением, крайне изменчива и неопределенна, особенно при пропитке поперек волокон . Поэтому отбору образцов было уделено особое внимание.Изучение процесса проникновения клея проводилось в направлении от оборотной стороны шпона к лицевой. Экспериментальные исследования показали
, что процесс проникновения клея от лицевой к оборотной стороне носит такой же характер, как и обратный процесс. Обычно наружная поверхность листа фанеры является лицевой поверхностью шпона. Оборотная сторона более разрушена. Поэтому изучение проницаемости в направлении от оборотной к лицевой стороне шпона является более целесообразным.Исследование влияния наполнителей на глубину проникновения смолы в шпон проводилось при «неограниченном» расходе клея. Для этого использовали стандартный прибор конструкции Баженова В.А., Харук Е.В., Клещева Т.И.
, , применяемый для определения проницаемости древесины жидкостями и газами.Образцы изготавливались цилиндрической формы диаметром 48 мм из шпона толщиной 2,2 мм среднего качества при помощи специально изготовленной закаленной цилиндрической насечки. Рабочая площадь образцов определялась конструкцией прибора и составляла 12,6 см2. Во избежание утечки смолы через торцы образца, боковая поверхность и кромка по кольцу обжатия покрывалась эпоксидной смолой. Для контрастности смола подкрашивалась феноловым красным индикатором. Давление создавалось с помощью инертного газа и регулировалось редуктором. Через назначенное время давление снижали до атмосферного, извлекали образец из прибора и снимали излишки смолы с поверхности образца.
Образцы для определения проницаемости шпона отбирались с тангенциальной поверхностью. Образец для измерения имел размеры 20х10х2,2 мм. Его закрепляли в зажиме и помещали в микроскоп. На одном образце в среднем делали примерно 20 измерений.
Критерием проницаемости служила глубина проникновения клея в шпон, замеренная на поперечном разрезе образца по площадкам между трещин hм.т. (рис. 2).
Рисунок 2 - Схема измерения параметров проникновения клея в шпон
Переменные факторы проведения экспериментов
Наименование фактора | Значения фактора | Число опытов | Число повторений опытов | Число результатов одного опыта | Общее число результатов |
Вязкость, с по ВЗ-246 | 60; 100; 220 | 12 | 5 | 20 | 1200 |
Давление, МПа | 0,6; 1,0; 1,4; 1,8 |
При определении глубины проникновения клея с наполнителем постоянные факторы приняты: влажность шпона — 8±2%, время выдержки под давлением — 120 с, марка клея — СФЖ-3013, порода древесины — лиственница, наполнитель — древесная мука — 2 мас. ч. и мел — 10 мас. ч. Переменные факторы и условия проведения экспериментов отражены в табл. 1.
Выходной параметр экспериментов — глубина проникновения клея в шпон (hм.т.), мм.
3. Основные результаты
Некоторые результаты экспериментов, отражающие характер влияния наполнителя на глубину проникновения в шпон по площадкам между трещинами, приведены на графиках в табл. 2–3 рис. 3–4.
Влияние вязкости клея на глубину проникновения его в шпон при давлении 1,8 МПа
Вязкость, с | Глубина проникновения клея в шпон, мм | |
чистая смола | смола с древесной мухой и мелом | |
60 | 0,20 | 0,10 |
100 | 0,19 | 0,12 |
220 | 0,14 | 0,09 |
Графики влияния состава наполнителя на глубину проникновения смолы по площадкам между трещинами при давлении 1,8 МПа
Влияние вязкости клея на глубину проникновения его в шпон при давлении 0,6 МПа
Вязкость, с | Глубина проникновения клея в шпон, мм | |
чистая смола | смола с древесной мухой и мелом | |
60 | 0,13 | 0,08 |
100 | 0,13 | 0,12 |
220 | 0,11 | 0,09 |
Графики влияния состава наполнителя на глубину проникновения смолы по площадкам между трещинами при давлении 0,6 МПа
Очевидно, использование в качестве наполнителя древесной муки с мелом способствует заполнению всех возможных путей проникновения клея в древесину (сердцевинные лучи, смоляные ходы, полости трахеид) и тем самым ограничивает дальнейшее проникновение клея в шпон. Это предположение хорошо подтверждается при осмотре правой (лицевой) стороны образцов. На них заметны лишь отдельные точки клея, которые иногда появлялись на образцах при низкой вязкости (60 с по ВЗ-246) и давлении 1,8 и 1,4 МПа (рис. 5). Изучение глубины проникновения клея в шпон (hм.т.) на срезах показало, что она при различной вязкости практически не изменяется, а при изменении давления до 1,4 МПа увеличивается и стабилизируется на уровне 0,10–0,11 мм. Возможной причиной такой стабилизации может быть явление, связанное с подсушкой клеевого слоя и соответствующей потерей подвижности клея в результате сорбции влаги древесиной. В работах
, было установлено, что высокая прочность березовой фанеры обеспечивается при 65–80% заполнения трещин клеем. При этом глубина проникновения клея в шпон (hм.т.) также стабилизировалась при давлении 1,4 МПа. Можно предположить, что при данном давлении будет обеспечена максимально возможная степень заполнения трещин клеем с испытываемым наполнителем.
Рисунок 3 - Внешний вид лицевой стороны образцов при использовании в качестве наполнителя древесной муки с мелом
4. Заключение
Экспериментальные исследования показали, что использование в фенолоформальдегидных клеях в качестве наполнителя древесной муки совместно с мелом существенно ограничивает проникновение клеевой массы в древесину шпона, что может отрицательно повлиять на прочность фанеры. Кроме того, мел может вызвать с течением времени снижение прочности клеевого соединения, а также способствует росту внутренних напряжений в клеевом слое
, .В связи с этим для наполнения фенолоформальдегидных смол, предназначенных для производства конструкционной фанеры, необходимо отказаться от использования мела в составе наполнителя и провести соответствующие исследования только с древесной мукой.
По результатам исследования можно также порекомендовать давление холодной подпрессовки пакетов шпона в фанерном производстве на уровне 1,0–1,4 МПа.