CC BY
24
УДК 674.028.9
А. Ф. Замилова, О. С. Салдаева, М. Ф. Галиханов
ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ФАНЕРЫ В ПРОЦЕССЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
НА ЕЕ ВОДО- И ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЕ
Ключевые слова: фанера, поляризация, электрет, карбамидоформальдегидная смола, эпоксидная смола, поливинилацетат,
водопоглощение, влагопоглощение.
В статье приводятся данные по исследованию влияния процесса поляризации на гигроскопические свойства фанеры. Поляризация фанеры с помощью постоянного электрического поля может позволить незначительно понизить величину водо- и влагопоглощения фанерного материала.
Keywords: plywood, polarization, electret, urea-formaldehyde resin, epoxide resin, polyvinyl acetate, water absorption, moisture
absorption.
The article presents data on the effect ofpolarization on the hygroscopic properties ofplywood. The polarization of the plywood using a constant electric field can allow to reduce slightly the amount of water and moisture absorption plywood material.
Введение
Изделия из клееной массивной древесины на сегодняшний день занимают значительный удельный вес готовой продукции деревоперерабатывающих предприятий [1-3].
При склеивании деталей из массивной древесины, в т.ч. при изготовлении фанеры, основным требованием к готовым изделиям является прочность клеевых соединений, особенно в условиях повышенной влажности [1-4]. Известные на сегодняшний день способы повышения прочности клеевого соединения себя практически исчерпали. Поэтому особый научный и практический интерес представляют методы повышения адгезионной прочности клееной древесины с использованием интенсивных технологий, например путем воздействия электрическими, магнитными полями, ультразвуком и др. [5-9]. Одновременно возникает вопрос о перспективности улучшения уже существующего клееного древесного материала, характеристики которого смогли бы удовлетворять критериям, предъявляемым к более влагостойким маркам данной продукции.
Целью настоящей работы являлось исследование влияния процесса поляризации клеевого соединения в постоянном электрическом поле на гигроскопические свойства фанеры.
Экспериментальная часть
Объектами исследования в данной работе являются: шпон березовый ГОСТ 99-96 «Шпон лущеный. Технические условия»,
карбамидоформальдегидная смола марки КФ МТ-15 (ТУ 6-06-12-88), поливинилацетатный клей марки ПВА-М (ТУ-2385-002-54824507-04), эпоксидная смола марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84 «Смолы эпоксидно-диановые неотвержденные. Технические условия») и отвердитель для эпоксидных смол марки Л-20 (ТУ 6-06-1123-98).
Фанерные образцы представляли собой композицию, состоящую из пяти слоев шпона. Каждый лист шпона соединялся с соседними при
соблюдении перпендикулярного направления волокон. Для отверждения клея образцы помещались в термошкаф, нагретый до 125 °С. При этом часть образцов подвергалась поляризации, для чего устанавливались в электретирующие ячейки -плоские электроды, к которым подавалось напряжение 10 кВ (рис. 1). Отверждение клея проводилось 90 минут.
Рис. 1 - Схема отверждающей и поляризующей установки: 1 - генератор высокого напряжения, 2 -отверждающая и поляризующая ячейка, 3 -электретируемые образцы, 4 - регулятор подаваемого генератором напряжения, 5 - тумблер вкл./выкл. генератора, 6 - отверждающая ячейка, 7 - контрольные образцы, 8 - термошкаф
Водопоглощение фанерных образцов проводили по ГОСТ 16483.20-72 «Древесина. Метод определения водопоглощения». В этом случае образцы помещали в воду частично. Влагопоглощение фанерных образцов проводили по ГОСТ 16483.19-72 «Древесина. Метод определения влагопоглощения». При данном методе испытаний образцы располагаются над водой. Для сравнения изучали водопоглощение фанерных образцов при полном погружении в воду. Кроме этого оценивался внешний вид образцов при хранении в условиях водо- и влагопоглощения.
Измерение потенциала поверхности Vэ, эффективной поверхностной плотности зарядов аэф и напряженности электрического поля Е фанерных образцов проводили методом периодического экранирования приемного электрода с помощью
измерителя параметров электростатического поля ИПЭП-1.
Прирост массы образца после испытаний рассчитывался по формуле:
тк - тн Дт = —к-н -100%
тн
где Дт - прирост массы образца, % к - конечная масса образца, г н - начальная масса образца, г
Результаты и их обсуждение
На первом этапе работы было выяснено влияние природы полимерного связующего и шпона на поляризуемость фанеры на их основе (табл. 1, рис. 2). Выяснилось, что образцы поляризуются в постоянном электрическом поле - значения потенциала поверхности, эффективной поверхностной плотности зарядов и напряженности электрического поля через час после изготовления можно оценить (табл. 1). Однако поляризационное состояние быстро релаксирует (или экранируется) и уже на тридцатые сутки значения Уэ, иэф и Е спадают до нуля.
Таблица 1 - Поляризационные характеристики фанерных материалов
сорбционных свойств поляризованных и контрольных фанерных образцов.
Шпон + Начальные Значения через 30
клей значения суток
В э, Е, В/м °эф , мКл/м2 Уэ, В Е, В/м Оэф , мКл/м2
Березовый шпон + 74 5200 0,044 0 0 0
КФ МТ-15
Березовый 88 8450 0,076 0 0 0
шпон +
ЭД-20
Березовый 53 3420 0,022 0 0 0
шпон +
ПВА
Из таблицы 1 и рисунка 2 видно, что фанерные образцы не являются постоянными электретами. Это вполне логично. Во-первых, основной частью фанеры является древесина, а макромолекулы составной части древесины (целлюлозы и лигнина), не способны ориентироваться в постоянном электрическом поле при заданных условиях поляризации. Неудовлетворительные электретные свойства наблюдаются и для целлюлозно-бумажных материалов [10-11]. Во-вторых, несмотря на наличие сведений о хорошей стабильности термоэлектретов на основе поливинилацетата и эпоксидной смолы [1216], значения диэлектрической проницаемости древесины снижают эффект действия постоянного электрического поля на образцы.
Однако поляризуемые образцы в первые 10 суток хранения имеют электрическое поле, а это может оказывать воздействие на величину набухания и на прочностные характеристики композиции в целом. Поэтому следующим этапом работы стало изучение
Рис. 2 - Изменение потенциала поверхности поляризованных образцов фанеры на основе березового шпона и КФ МТ-15
При полном погружении образцов в воду и измерении их массы получили следующие результаты (рис. 3).
Рис. 3 - Изменение массы поляризованных (2, 4, 6) и контрольных (1, 3, 5) фанерных образцов при хранении в воде при полном погружении: 1,2-березовый шпон + КФ МТ-15; 3, 4- березовый шпон + ПВА-М; 5, 6 - березовый шпон + ЭД-20
Из данных по сорбции воды видно, что на первых сутках хранения фанеры в воде идет процесс набухания, затем масса образцов стабилизируется на определенном постоянном значении. Набухание древесины и ее компонентов в воде вполне ожидаемо. Макромолекулы целлюлозы и ее производных взаимно удерживаются силами притяжения (водородные, дипольные связи, силы ван-дер-ваальсовского взаимодействия и др.) и поддерживаются в равновесном состоянии силами отталкивания неэлектрической природы, по величине равными силам притяжения. При внесении древесины в среды с диэлектрической постоянной больше единицы происходит ослабление сил притяжения. Силы отталкивания при этом сохраняются, вследствие чего новое равновесие наступает на некотором большем расстоянии макромолекул друг от друга, т.е. происходит набухание [17]. Набухание древесины в
воде является ограниченным процессом, через некоторый промежуток времени увеличение объема древесины достигает предельного значения (максимум набухания достигается в точке насыщения волокна), которое и характеризует величину набухания.
Можно заметить, что у фанеры на основе карбамидоформальдегидной смолы (рис. 3, кр. 1, 2) набухание больше, чем у фанеры на основе ЭД-20 (рис. 3, кр. 5, 6) и ПВА-М (рис. 3, кр. 3, 4), что может быть связано с набуханием самого клея.
Судя по полученным данным, разница в величине набухания поляризованных и контрольных образцов незначительна, находится на уровне ошибки эксперимента. Это связано с быстрой релаксацией поляризованного состояния, особенно в условиях полного погружения в воду.
Примерно та же картина наблюдается и при определении водо- и влагопоглощении фанерных образцов (табл. 2).
Таблица 2 -поляризованных материалов
Водо- и влагопоглощение и контрольных фанерных
Шпон + Водопоглащение Влагопоглащение
клеи на 25-е сутки, % на 25-е сутки, %
контр. фанера поляриз. фанера контр. фанера поляриз. фанера
Березовый шпон + 13,1 11,3 11,4 7,9
КФ МТ-15
Березовый шпон + 67,2 44,1 47 26,9
ЭД-20
Березовый шпон + 106,9 102,3 124,5 120
ПВА
Из табл.2 видно, что также как и по данным методики полного погружения (рис. 3), разница в набухании поляризованных и контрольных образцов незначительна. Отличием лишь является срок достижения стабильного постоянного значения набухания - здесь он больше. Это связано с тем, что в воду погружена лишь часть образца, а вторая часть набирает воду лишь посредством капиллярной смачиваемости. Правда в случае использования в качестве клея ЭД-20 (на практике эпоксидная смола не применяется для производства фанеры, в данной работе она выступает в качестве модельной системы) поляризованные и контрольные образцы имеют большее различие в величинах водо- и влагопоглощения. Скорее всего, это связано с тем, что электреты на основе эпоксидных смол, более стабильны (см. табл. 1), в т. ч. - в водной среде. В этом случае электрическое поле электрета создает энергетический барьер для проникновения воды в объем материала [18].
Но при использовании фанеры важна не только величина водо- и влагопоглощения, а еще и сохранение целостности его внешнего вида. Данный
материал является гигроскопичным, а область клеевого соединения наиболее подвержена короблению и расслаиванию при использовании фанерных материалов в агрессивных средах, в помещениях с повышенной влажностью.
Было выявлено, что образцы, поляризуемые в постоянном электрическом поле, оказались более стойкими к расслоению, лучше сохранили свою целостность, чем контрольные образцы. Расслоение контрольных образцов наблюдалось уже на третий день испытаний, происходило полное разделение слоев, проявлялись деформация шпона, изменение формы, т.е. образцы подвергались разрушению. Поляризуемые образцы практически полностью сохранили свой первоначальный вид, мало подверглись деформации и изменению формы.
Заключение
Таким образом, поляризация фанеры с помощью постоянного электрического поля может позволить незначительно понизить величину водо- и влагопоглощения фанерного материала.
Набухание фанерных образцов при действии влаги при полном или частичном погружении зависит от природы шпона и клея. Наибольшую набухаемость имеют образцы на основе березового шпона и карбамидоформальдегидной смолы.
Поляризация фанеры позволяет сохранить целостность образцов (внешний вид) в условиях повышенной влажности.
Литература
1. Волынский В. Н. Технология клееных материалов. - М.: Профи, 2009. - 392 с.
2. Васечкин Ю.В. Технология и оборудование для производства фанеры. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 310 с.
3. Куликов В.А., Чубов А.Б. Технология клееных материалов и плит: Учебник для ВУЗов. - М.: Лесная промышленность, 1984. - 234 с.
4. Севастьянов К.Ф. Интенсификация процесса склеивания фанеры - М.: Лесная промышленность, 1976. - 144 с.
5. Попов В.М., Шендриков М.А., Иванов А.В., Жабин М.А. Влияние магнитного и электрического полей на прочность клееной древесины // Вестник МГУЛ «Лесной Вестник». -2009. - № 4. - С. 122-126.
6. Попов В. М., Иванов А.В., Латынин А.В., Посметьев В.В. Моделирование процесса формирования внутренних напряжений в клеевых прослойках клееной древесины при воздействии постоянным магнитным полем //Лесотехнический журнал. - 2011. - № 4. - С. 47-51.
7. Мозговой Н.В. Прочность клеевых соединений древесины на основе электрообработанных клеев. // Научный журнал КубГАУ. 2012. - № 75 (01). - С. 1-10.
8. Попов В.М., Латынин А.В., Мозговой Н.В., Юдин Р.В. Влияние магнитоультразвукового поля на качество клеевых соединений из древесины // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5. - С. 20-26.
9. Рыболовлев В.П. Технология ускоренного склеивания деревянных конструкций. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2008. - № 3. - С. 84-86.
10. Назмиева А.И., Мусина Л.Р. Использование поверхностной обработки крахмальным клеем и
электретирования для улучшения качества целлюлозно-бумажных материалов // Вестник технологического университета. - 2015. - Т.18, № 4. С. 211-212.
11. Мусина Л.Р., Галиханов М.Ф. Применение поверхностной обработки и электретирования для увеличения показателей качества гофрированного картона // Химия растительного сырья. - 2012. - № 3. - С. 189-192.
12. Pillai P.K.C., Jain V.K. Temperature dependence of PVC and polyvinyl acetate thermoelectrets // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1970. - Vol. 3. - P. 829-838/
13. Balakina M.Yu., Fominykh O.D., Rua F., Branchadell V. Modeling of epoxy oligomers with nonlinear optical chromophores in the main chain: molecular dynamics and quantum chemical study // Int. J. of Quantum Chemistry. -2007. - № 107. - Р. 2398-2406.
14. Студенцов В.Н., Левин Р.В. Полимерные электреты на основе реактопластов // Композит-2004: Докл. междунар. конф. - Саратов, 2004. - С. 254-256.
15. Мочалова Е.Н., Лимаренко Н.А., Галиханов М.Ф., Дебердеев Р.Я. Исследование влияния модификации
эпоксидного олигомера БЕЯ-331 различными отвердителями на электретные характеристики сетчатых композитов // Дизайн. Материалы. Технология. - 2014. -№ 4 (34). - С. 60-64.
16. Лимаренко Н.А., Мочалова Е.Н., Леонтьева А.В., Дебердеев Р.Я. Исследование зависимости электретных характеристик эпоксидных материалов на основе смолы БЕЯ-331 от условий одновременной поляризации и отверждения // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17, № 6. - С. 151-153.
17. Васечкин Ю.В. Технология и оборудование для производства фанеры. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 310 с.
18. Плевачук В.Г., Вертячих И.М., Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Влияние заряда полимерного электрета на растекание жидкости // Высокомолекул. соед. - 1995. - Сер. А. - Т. 37, № 10. - С. 1728-1731
© А. Ф. Замилова, асп. каф технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected]; О. С. Салдаева, студент гр. 5201-71 той же кафедры, [email protected]; М. Ф. Галиханов, д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected].
© A. F. Zamilova, Ph.D. student, Department of processing technology of polymers and composite materials KNRTU, [email protected]; O. S. Saldayeva, student of group 5201-71, Department of processing technology of polymers and composite materials KNRTU, [email protected]; M. F. Galikhanov, Prof., Dr., Department of processing technology of polymers and composite materials [email protected].
