CC BY
5УДК 674.028.9
Анатолий Николаевич Чубинский,
доктор технических наук, профессор
Артур Александрович Федяев, аспирант
Александр Алексеевич Тамби,
кандидат технических наук, доцент
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ НА КАЧЕСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Склеивание цельной древесины, прочность, плотность древесины, характер разрушения.
Wood density, wood glueing, strength, destruction character.
Введение. Образование клеевых соединений - сложный физикохимический процесс взаимодействия древесины со связующим, зависящий от свойств как древесины, так и клея. Сегодня в производстве клееных древесных материалов и конструкций используются клеи различной химической природы: резорцино- и фенолорезорциноформальдегидные, эмульсионные полимер-изоцианатные, меламино- и карбамидоформальдегид-ные, поливинилацетатные и др.
Клеевые соединения на резорцино- и феноло-резорциноформаль-дегидных, феноло- и карбамидоформальдегидных клеях изучены достаточно полно, что нашло отражение в [1, 2].
Исследования последних лет были преимущественно направлены на обоснование технологии склеивания клееных брусков для оконных блоков на поливинилацетатных клеях [3-5].
Высокие требования, предъявляемые к несущим конструкционным элементам, требуют от производителей не только обоснованного выбора вида клея и обеспечения условий склеивания, но и подбора пиломатериалов по плотности, существенно влияющей на физико-механические свойства древесины и клееных конструкций.
Целью исследования является обоснование требований к плотности древесины для изготовления клееного бруса на воднодисперсионных и эмульсионных полимер-изоцианатных клеях.
Методика исследований. Исследованию подлежали пиломатериалы и клееные бруски из древесины сосны, склеенные поливинилацетатным клеем марки «Клебит 303.0» и эмульсионным полимер-изоцианатным клеем «PREFERE 6151».
Качество клеевых соединений цельной древесины оценивали в соответствии с РОСТ 15613.1-84 «Древесина клееная массивная. Методы определения предела прочности клеевого соединения при скалывании вдоль волокон».
Исследование влияния плотности древесины на ее прочность было проведено в соответствии с РОСТ 16483.5-73 «Древесина. Методы определения предела прочности при скалывании вдоль волокон».
Изучение структуры клеевого слоя выполнено с помощью электронного микроскопа, отображающего параметры объекта в отраженном свете.
Постоянные факторы зафиксированы на уровнях в соответствии с рекомендацией производителей клеев и РОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия». При проведении исследования влияния плотности древесины на прочность клеевых соединений с использованием ИВА клея «Клебит 303.0» его расход принят 140 г/м2, а клея «PREFERE 6151» - 350 г/м2.
Методическая сетка эксперимента представлена далее в таблице.
Результаты исследований и их анализ. Плотность и влажность древесины - важнейшие из физических свойств, оказывающих существенное влияние на механические свойства древесины и ее способность к склеиванию [1, 2, 6, 7]. Результаты выполненных исследований показывают, что увеличение плотности древесины на 50 кг/м3 повышает ее прочность при скалывании на 0,15 МПа (рис. 1).
Влияние плотности древесины сосны на ее прочность линейно и может быть описано уравнением
тск = 0,003 ρ + 4,53, (1)
где тск - прочность древесины при скалывании вдоль волокон, МПа; ρ - плотность древесины, 350 < ρ < 650 кг/м3.
144
Методическая сетка проведения эксперимента по исследованию влияния плотности древесины на ее прочность и прочность клеевых соединений
Постоянные факторы Переменные факторы Общее
Задачи исследования Наимено¬ количество
Наименование Значение Критерий вание Значение результатов
оценки наблюдений
1. Влажность древесины, % 10 ± 2 350^100 258
Установить влияние 2. Шероховатость поверхности, мкм 24 ±8
плотности древесины: 3. Порода древесины Сосна 400^150 294
на прочность древе- 4. Марка клея *
сины; 5. Марка отвердителя * Плот¬ 450-500 401
на прочность клеевых 6. Содержание отвердителя, % * ность,
соединений с исполь- 7. Расход клея, г/м2 * кг/м3 500-550 298
зованием ПВА и ЭПИ 8. Давление прессования, МПа 0,8
клея 9. Влажность окружающей среды, % 65 550-600 233
10. Температура окружающей среды, °С 20 ±2
11. Номинальная толщина ламелей, мм 26 Прочность при скалывании вдоль волокон, МПа 600-650 103
* ПВА клей - «Клебит 303.0» с 5 %-м содержанием отвердителя «Клебит 303.5»; ЭПИ клей - «PREFERE 6151» с 20 %-м содержанием отвердителя «Prefere 6650».
Рис. 1. Зависимость прочности клеевых соединений и древесины от ее плотности при скалывании вдоль волокон ( ♦ ) - древесина; (—■—) - ПВА; ( * ) - ЭПИ
Известно, что прочность древесины при скалывании вдоль волокон определяется прочностью связей между мицеллами и плотностью их упаковки, которые различны у ранней и поздней древесины. Сопротивление древесины скалыванию зависит не только от ее средней плотности, но и от различия между плотностью ранней и поздней древесины, равномерностью распределения древесинного вещества по объему дерева.
Зависимость между плотностью древесины и прочностью ее клеевых соединений может быть описана уравнениями
ТСКПВА = 0,0104 ρ + 1,17, (2)
тскэпи = 0,0177 ρ - 1,8, (3)
где тскПВА и тскэпи - прочность клеевого соединения при скалывании вдоль волокон с использованием ПВА и ЭПИ клея соответственно, МПа; ρ -плотность древесины, 350 < Р < 650 кг/м3.
Плотность древесины, обеспечивающая необходимую прочность клееных брусьев при склеивании ПВА клеем, составляет 500-650 кг/м3, а ЭПИ клеем - 450-650 кг/м3. Связь между плотностью древесины и прочностью ее клеевых соединений носит линейный характер (см. рис. 1), как и у цельной древесины. При склеивании древесины сосны плотностью ниже
450 кг/м3 высока вероятность получения клееных материалов с прочностью ниже требований стандартов. Низкая прочность склеивания древесины при такой плотности является следствием большего разрушения ее поверхностного слоя в процессе пиления и цилиндрического фрезерования.
Качество клеевых соединений необходимо оценивать не только по абсолютному значению его прочности при скалывании, но и по характеру разрушения: по клею, по древесине, смешанному. Вот почему при низкой плотности древесины клеевое соединение разрушается преимущественно по древесине (рис. 2). Это проявляется, в первую очередь, при склеивании древесины ПВА клеями с невысокой адгезионной способностью и когезионной прочностью по сравнению с ЭПИ клеями (см. рис. 3).
Рис. 2. Характер разрушения образцов при исследовании влияния плотности древесины на прочность клеевых соединений с использованием а - ПВА клея, б - ЭПИ клея (—*—) - по клею: по древесине: (~ ·*“')- смешанное
Анализ характера разрушения клеевых соединений на поливинилацетатных и эмульсионных полимер-изоцианатных клеях показывает способность последних не только создавать более прочные по сравнению с ПВА клеями соединения, но и упрочнять поверхностные разрушенные при механической обработке слои древесины.
Вероятность того или иного характера разрушения может быть описана системами уравнений (4):
>1ПВА = 0,0012 р2 - 0,9648 р + 200,93,
,У2ПВА = -0,3683 р +233,43,
. ΛΠΒΑ = -0,0011 р2 +1,2437 р- -310,67;
Л3™ = -0,0008 р2 + 0,7714 р- -169,35,
У2ЭПИ = -0,2153 р +144,57,
. У3ЭПЯ = 0,2152 р-50,442,
(4)
где у\ , у2 , Уз - процент разрушения образцов соответственно по клею, по древесине, смешанного, %; ρ - плотность древесины, кг/м3.
Из рис. 2 видно, что минимальное различие в вероятности разрушения древесины либо по клею, либо по древесине, либо смешанного имеет место при плотности 500-550 кг/м3 для соединений на эмульсионном поли-мер-изоцианатном клее и 550-600 кг/м3 - на поливинилацетатном клее, что, на наш взгляд, доказывает способность полимер-изоцианатных клеев глубже проникать в древесину и, отверждаясь, упрочнять ее поверхностные
Рис. 3. Микрофотографии клеевых соединений с различными типами клея (при увеличении 1:100): а - с использованием ПВА клея; б - с использованием ЭПИ клея
слои, создавая пропитанную клеем зону древесины с равномерно распределенной плотностью (см. рис. 3). Это предположение подтверждается и увеличением процента смешанного характера разрушений клеевых соединений на ЭПИ клее (см. рис. 2).
Выводы
1. Плотность древесины оказывает существенное влияние на прочность клеевых соединений при склеивании, при этом усилие и характер разрушения во многом зависят от вида клея.
2. Эмульсионные полимер-изоцианатные клеи в отличие от поливинилацетатных лучше поглощаются древесиной, создавая зону древесины, пропитанную клеем, с равномерно распределенной плотностью, упрочняют поверхностные разрушенные при механической обработке слои, позволяя получать клеевые соединения требуемой прочности при скалывании для древесины плотностью от 450 кг/м3 и выше.
Библиографический список
1. Чубинский, А.Н. Формирование клеевых соединений древесины [Текст] / А.Н. Чубинский. - СПб.: СПбГУ, 1992. - 164 с.
2. Фрейдин, А.С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины [Текст] / А.С.Фрейдин, К.Т. Вуба. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 223 с.
3. Чубинский, А.Н. Влияние строения и свойств древесины на прочность ее склеивания [Текст] / А.Н. Чубинский, А.А. Тамби, А.А. Федяев // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - Вып. 190. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. - С. 155-163.
4. Чубинский, А.Н. Влияние плотности древесины и ее поверхностных свойств на взаимодействие с поливинилацетатными связующими [Текст] / А.Н. Чубинский, А.А. Тамби, Г.П. Балаганов, Я.В. Легков // Леса России в XXI веке : матер. 4-й Междунар. науч.-практ. интернет-конф. - СПб.: СПбГЛТА, 2010. - С. 23-27.
5. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения [Текст] / Б.Н. Уголев. - 4-е изд. - М.: МГУЛ, 2007. - 351 с.
6. Полубояринов, О.И. Плотность древесины [Текст] / О.И. Полубояринов. М.: Лесн. пром-сть, 1976. -160 с.
7. Хухрянский, ПН. Прочность древесины [Текст] / П.Н. Хухрянский. - М.: Гослесбумиздат, 1955. - 152 с.
Определено влияние плотности древесины на ее прочность и прочность клеевых соединений с использованием поливинилацетатных и эмульсионных полимер-изоцианатных клеев. Установлены характер разрушения клеевых соединений древесины и диапазон плотности древесины, позволяющей обеспечить клеевое соединение требуемой прочности. Получены математикостатистические модели для прогнозирования характера разрушения клеевого соединения на исследуемых клеях.
* * *
The wood density influence on its strength and the strength of wood based materials glue bond for which was glued by PVC and EPI glue. The destruction character of glue bond is found out as well as the wood density range providing glue bond of required strength. Systems of the equations for investigated types of the glues are made, allowing to predict character of destruction.
