CC BY
35
3. ТЕХНОЛОГИЯ ТА УСТАТКУВАННЯ
УДК 674.04 Проф. Б.Я. Кшивецький, д-р техн. наук - НЛТУ Украти, м. Львiв
ПРОГНОЗУВАННЯ ДОВГОВ1ЧНОСТ1 ТЕРМОПЛАСТИЧНИХ КЛЕЙОВИХ З'еДНАНЬ ДЕРЕВИНИ БЕРЕЗИ
Проан^зовано методи та методики дослщження та прогнозування довговiчностi клейових з'еднань деревини. Запропоновано довговiчнiсть термопластичних клейових з'еднань деревини берези прогнозувати за допомогою математично! моделi, яка врахо-вуе коефщент на породу деревини. Здiйснено прогнозування довгс^чност термопластичних клейових з'еднань деревини берези залежно вiд умов експлуатаци за допомогою математично! модели Проаналiзовано отриманi результати прогнозування довгс^чнос-■п та встановлено, що за шдвищено! температури навколишнього середовища довге^ч-нiсть термопластичних полiвiнiлацетатних клейових з'еднань деревини берези змен-шуеться, а за шдвищено! вологостi навпаки - довгс^чшсть незначно зростае.
Ключовi слова: клей, деревина, довговiчнiсть, вологiсть, температура, клейовi з'еднання, прогнозування, водостiйкiсть, теплостшюсть.
На сучасному етапi розвитку деревообробно!' промисловостi проблема довговiчностi стае дед^ актуальнiшою, оскiльки свiтовi запаси деревини змен-шуються, а потреба в склеених елементах, конструкцiях та виробах збшь-шуеться. Довговiчнiсть клейових з'еднань деревини характеризуеться границею шцносп або напруженням, за яких настае руйнування.
Пiд довговiчнiстю розум1ють забезпечення клейовим з'еднанням з деревини вщповвдно!' адгезiйноí та когезiйноí мiцностi протягом певного часу або до виконання певного обсягу роботи. Довговiчнiсть термопластичних клейових з'еднань деревини, як i будь-яких iнших клейових з'еднань буде залежить вiд багатьох факторш, основними серед яких е: властивостi матерiалу, що склеюеться (деревини), властивостi клею, технолопчш параметри процесу склеювання; умови експлуатацп тощо [1, 2]. Основш фактори впливу на довго-вiчнiсть клейових з'еднань деревини наведено на рис. 1. Процес дослщження довговiчностi клейових з'еднань деревини е тривалим i трудомiстким та потре-буе вiдповiдних методiв та методик, певного устатковання тощо.
Довговiчнiсть клейових з'еднань деревини до^джують за тривалим (природним) та пришвидшеним (лабораторним) методами. Тривалий метод у природних умовах вважають найбiльш достовiрними, оскiльки його результати вщображають реальнi процеси, якi ввдбуваються у клейовому з'еднаннi [3]. Разом з тим, результати таких до^джень е достовiрними для певно!' клшатично!' зони або району, тривалi у часi, потребують математично!' оброблення та не да-ють змоги за короткий промiжок часу дослвдити вплив окремих факторш.
Пришвидшений метод дослвджень довговiчностi клейових з'еднань зво-диться до створення умов iз рiзкими перепадами температури i вологи. Вш е менш громiздким, зменшуе тривалiсть дослiджень, дае змогу вивчати вплив окремих факторш на клейовi з'еднання, порiвнювати результати дослвджень тощо.
Пiд прогнозуванням довговiчностi клейових з'еднань деревини розумь ють передбачення змiни вихвдних характеристик з'еднання за довготривало!'
експлуатацп у вщповщних умовах. Прогнозування довговiчностi клейових з'еднань деревини здiйснюють за методом, в якому враховують вплив атмос-ферних факторiв i методом, де враховують тривалу дiю навантажень.
Фактори, яю впливають на довгхшчшсть клейових з'еднань деревини
Властивосп деревини Властивосп клею Технолог! чш параметри склеювання Умови експлуатацп
Порода деревини - Основа клею Витрата клею Волопсть навколишнього середовища
Порист сть деревини Сухий залишок клею ■ Питомий тиск пресування
В'язкють клею Температура навколишнього середовища
Рання[ шзня зони деревини Тривалють пресування
Температура твердшня
Пдрофшьшсть деревини Тривалють вщкрито! [ закрито! витримки Сонячне опромшення
Температура склування
Розр1з деревини ■ Технологична витримка Д1я кисню
Коефщент лш1 иного терм1чного розширення
Дефекта деревини ■
Волопсть деревини - Х1м1чш речовини
Щшьшсть деревини
Коефщент об'емного терм1чнош розширення
Температура склею ванта
Вологопровщшсть деревини
Вологопоглинання ■
Теплопровщшсть деревини
Вщносне видовження
Електропровщшсть деревини
Рис. 1. Фактори, ят впливають на довговiчнiсть клейових з'еднань деревини
Оскшьки термопластичт клейовi з'еднання деревини застосовують у конструкцшх, для яких не передбаченi триват навантаження, то прогнозування довговiчностi здшснюють за методом, в якому враховують тшьки д1ю атмос-ферних факторiв. За цим методом прогнозування визначають температурно-ча-сову залежнiсть мiцностi твердих тiл. Основними факторами впливу на довго-вiчнiсть таких клейових з'еднань е волопсть i температура. Тому тд час прогнозування довговiчностi термопластичних клейових з'еднань деревини, враховують добову, тижневу, мкячну та сезонну 1х дiю. Бiльш небезпечними для клейових з'еднань деревини е добовi перепади температури i вологи, оскшьки вони збшьшують тривалiсть релаксацшних процесiв, якi проявляються з часом.
Пропонуемо математичну модель прогнозування довговiчностi для термопластичних клейових з'еднань деревини залежно вiд умов експлуатацп, яка враховуе змiну напружено-деформацiйного стану клейових з'еднань вщ рiзних фага^в
¿0=кпд.. ( Б(,)-АШ(г)
с ®
уЪра» + А(° АТ®
(1)
де: АТ® - середньозважена температура навколишнього середовища, °С; АШ(г) - середньозважена волопсть навколишнього середовища, %; аграи. - гранична мщнкть з'еднання; параметри А®, В(!), С® - залежнi вiд змiни температу-ри i вологостi навколишнього середовища; кп.д. - коефiцieнт на породу деревини.
Запропоновану математичну модель можна використовувати для прог-нозування довговiчностi термопластичних клейових з'еднань рiзних порiд деревини, але для кожно!' породи деревини потрiбно розраховувати коефщент на породу деревини кп.д. Для клейових з'еднань деревини дуба цей коефщент до-рiвнюe 1. Для шших порiд деревини вш буде вiдмiнним вiд одинищ i станови-тиме, наприклад, для клейового з'еднання деревини сосни - 0,545, а для деревини берези - 0,855. Даш з розрахунку коефшденпв кп.д та прогнозування довго-вiчностi клейових з'еднань деревини дуба та сосни наведено у публжащях [4-8].
Математична модель для прогнозування довговiчностi термопластичних клейових з'еднань деревини берези, з урахуванням коефщента на цю породу деревини, матиме вигляд:
• для структурованих кле1в з рiдкосiтчастою структурою клейового шва
0,855 ,
т =--1п
0,00205
0,1151- АШ(г) 7гра„+ 0,024- АТ ®
для неструктурованих кле1в з лшшною структурою клейового шва
Г 0,1372- АШ ®
0,855 ,
т =--1п
0,0082
7грш+ 0,0006- АТ ®
(2)
(3)
Отримана математична модель дае змогу за короткий промiжок часу, не руйнуючи склеену деревину, незалежно вiд марки клею, породи деревини, ча-сових меж експлуатацií та без прив'язки до температурного та вологiсного да-апазошв прогнозувати довговiчнiсть для термопластичних клейових з'еднань деревини берези. Для використання математично!' моделi у виробничих умовах розроблено iнтерфейс та програмне забезпечення.
Результати дослщжень. Запропонованi математичш моделi (2) i (3) да-ють змогу прогнозувати довговiчнiсть для структурованих i неструктурованих термопластичних полшншацетатних клейових з'еднань деревини берези. Шд час прогнозування довговiчностi клейових з'еднань волопсть i температура навколишнього середовища вiдповiдала 'х середньозваженому значенню за трирiч-ний перiод тривалих експериментальних дослiджень [5].
На рис. 2 i 3 наведено графiчну iнтерпретацiю результатiв прогнозування довговiчностi термопластичних полiвiнiлацетатних клейових з'еднань деревини берези, яку отримано за допомогою математично!' моделi.
Як видно з отриманих залежностей (див. рис. 2) за середньозважено!' температури навколишнього середовища 7,89 °С та середньозважено!' вологостi 65,46 % довговiчнiсть становить 1000 дiб. У разi збiльшення вологостi до 91,93 % за ще!' температури довговiчнiсть збшьшуеться до 1160 дiб, тобто на 160 дiб або на 13,8 %. За середньозважених температур 4,19 °С та 12,23 °С дов-
гов1чшсть теж зростае в1дпов1дно на 163 1 158 д1б в1дпов1дно. Тобто 1з збшь-шенням вологосл в1д 65 % до 92 % довгов1чшсть зростае в середньому на 13 % незалежно в1д температури експлуатаци.
Волопсть,
Рис. 2. Прогнозування довговгчностг клейових з 'еднань деревини берези, склеених структурованими полгвттацетатними клеями ¿з ступенем навантаження Б4, залежно вгд змти вологоот
Температура,
Рис. 3. Прогнозування довговгчностг клейових з 'еднань деревини берези, склеених структурованими полгвттацетатними клеями ¿з ступенем навантаження Б4, залежно вгд змти температури
Щодо впливу температури на довгов1чшсть (див. рис. 3), то за середньо-зважено! температури +4,19 °С 1 вологосл 85,54 % довгов1чшсть становить 1175 д1б, а за температури 12,23 °С довгов1чшсть зменшуеться до 1045 д1б. Зменшення довгов1чност1 в середньому на 130 д1б з1 змшою температури вщ 4,19 до 12,23 °С в1дбуваеться 1 за вологост1 65,46 1 91.93 %. Таким чином, тдви-щення температури на 1 °С в середньому скорочуе термш експлуатаци виробу на 16 д1б, а тдвищення вологосл на 1 % - збшьшуе термш експлуатаци приб-лизно на 6 д1б. На рис. 4 наведено прогнозовану довгов1чшсть з'еднань деревини берези, склеено! термопластичними клеями залежно вщ змши середньозва-жено! температури за р1зно! вологосл навколишнього середовища.
На рис. 5 наведено прогнозовану довгов1чшсть з'еднань деревини сосни, склеено! структурованими клеями 1з навантаженням Б4 залежно в1д змши се-редньозважено! вологосл за р1зно! температури експлуатаци. Як видно з отри-маних результат1в, тдвищення температури навколишнього середовища приз-водить до зменшення довгов1чност1 за будь-якого значення вологост! Шдви-щення вологосл, навпаки, призводить до тдвищення довгов1чност1 для будь-яко! вологосл, тшьки з р1зною штенсивтстю.
Аналопчш результати прогнозування довгов1чносл можна отримати за допомогою математично! модел1 для деревини берези, склеено! термопластич-
ними неструктурованими клеями. Тiльки вплив вологосл 1 температури буде дещо менш значущим.
Температура,
Рис. 4. Прогнозування довговiчностi клейових з 'еднань деревини берези, склеених структурованими nолiвiнiлацетатними клеями 1з ступенем навантаження Б4, залежно вiд змти температури за рiзноi вологост1
40 50 60 70 80 90 100 Волопсть, % Рис. 5. Прогнозування довговiчностi клейових з'еднань деревини берези, склеених структурованими полiвiнiлацетатними клеями 1з ступенем навантаження Б4, залежно вiд змти вологостi за рiзноi температури
Таким чином, тдвищення температури навколишнього середовища призводить до зменшення довгов1чност1 термопластичних пол1вшшацетатних клейових з'еднань деревини берези 1з ступенем навантаження Б4, а тдвищення вологосп навколишнього середовища навпаки - до незначного зростання дов-гов1чност1 таких клейових з'еднань.
Висновок. За допомогою запропоновано! математично! модел1, що вра-ховуе коефщент на породу деревини, здшснено прогнозування довгов1чност1 для термопластичних пол1вшшацетатних структурованих 1 неструктурованих клейових з'еднань деревини берези. Проанал1зовано вплив вологосл та температури навколишнього середовища на довгов1чшсть таких клейових з'еднань деревини. Встановлено кшькюш показники довгов1чност1 для термопластичних пол1вшшацетатних клейових з'еднань деревини берези залежно вщ умов експлуатацп.
Лiтература
1. Кшивецкий Б.Я. Анализ прочности и долговечности термопластических клеевых соединений / Б.Я. Кшивецкий // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. -Брянск (РФ) : Изд-во БГИТА. - 2003. - Вып. 7. - С. 119-121.
2. Кшивецький Б.Я. До питання мщност i довгов1чност1 клейових з'еднань / Б.Я. Кшивецький, Б.В. Прокопович // Науковий вюник УкрДЛТУ : зб. наук.-техн. праць. - Львш : Вид-во УкрДЛТУ. - 2001. - Вип. 11.1. - С. 113-115.
3. Кшивецкий Б.Я. О долговечности клеевых соединений в деревообработке / Б.В. Прокопович, О.П. Гупало // Актуальные проблемы лесного комплекса : сб. науч. тр. -Брянск (РФ) : Изд-во БГИТА. - 2001. - Вып. 4. - С. 61-64.
4. Патент на винахад № 98515 Украша, МПК G01N 33/46, G01L 1/26. Споиб прогнозування мщност та довгегачносп з'еднань деревини клеями на основi полгвшшацетату / Б.Я. Кшивецький, П.А. Бехта (Украша); Заявл. 25.05.2010; Опубл. 25.05.2012, Бюл. № 10.
5. Кшивецький Б.Я. Дослщження мщност з'еднань деревини сосни клеями на основi полшшшацетату за да природних факторов / Б.Я. Кшивецький // Науковий вiсник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львш : РВВ НЛТУ Украши. - 2007. - Вип. 17.3. - С. 110-112.
6. Патент на корисну модель № 45134 Украша, МПК В23В 21/00. Споиб прогнозування довгегачносп клейових з'еднань деревини дуба клеями на осжга полшшшацетату / Б.Я. Кшивецький, П.А. Бехта (Украша); Заявл. 29.05.2009; Опубл. 26.10.2009, Бюл. № 5.
7. Кшивецький Б.Я. Прогнозування довгс^чностп клейових з'еднань деревини клеями на осж^ полшшшацетату / Б.Я. Кшивецький, П.А. Бехта // Лсове господарство, люова, паперова i деревообробна промисловють : мiжвiдомч. наук.-техн. зб. - Львш : Вид-во НЛТУ Украши. -2009. - Вип. 35. - С. 84-89.
8. Кшивецький Б.Я. Прогнозування довгс^чносп термопластичних клейових з'еднань деревини за допомогою математично! моделi / Б.Я. Кшивецький // Проблеми трибологл : мiжнар. наук. журнал. - Хмельницький : Вид-во Хмельницького НУ. - 2012. - № 4. - С. 38-42.
Кшивецкий Б.Я. Прогнозирование долговечности термопластичных клеевых соединений древесины березы
Проанализированы методы и методики исследования и прогнозирования долговечности клеевых соединений древесины. Предложено долговечность термопластичных клеевых соединений древесины березы прогнозировать с помощью математической модели, которая учитывает коэффициент на породу древесины. Осуществлено прогнозирование долговечности термопластичных клеевых соединений древесины березы в зависимости от условий эксплуатации с помощью математической модели. Проанализированы полученные результаты прогнозирования долговечности и установлено, что при повышенной температуре окружающей среды долговечность термопластичных поливинилацетатных клеевых соединений древесины березы уменьшается, а при повышении влажности наоборот - долговечность незначительно растет.
Ключевые слова: клей, древесина, долговечность, влажность, температура, клеевые соединения, прогнозирование, водостойкость, теплостойкость.
Kshyvetskyy B. Ya. Prediction of Durability of Thermoplastic Adhesive Joints of Birch Wood
Some methods and techniques for investigation and prediction of the durability of adhesive of wood joints have been analyzed. It has been proposed that durability of thermoplastic adhesive of birch wood joints is predicted by using a mathematical model which takes into account the coefficient for wood species. Using a mathematical model, a prediction of the durability of thermoplastic adhesive joints of birch wood depending on service conditions has been carried out. The results of the studies on the durability have shown that elevated ambient temperatures lead to decreasing the durability of thermoplastic polyvinyl acetate adhesive birch wood joints, while increased ambient humidity, on the contrary, leads to a slight increase in the durability.
Keywords: adhesive, wood, durability, humidity, temperature, adhesive joints, prediction, water resistance, heat resistance.
