CC BY
4УДК 674.028.9
А. Н. Чубинский,
доктор технических наук, профессор chubinsky@ftacademy. spb.ru
А. А. Тамби,
кандидат технических наук, доцент a_tambi @mail. ru
А.А. Федяев, аспирант art-spb @newmail. ru
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ НА ПРОЧНОСТЬ ЕЕ СКЛЕИВАНИЯ
Строение древесины, обработка поверхности, плотность контактных слоев, склеивание древесины.
Wood structure, surface treating, density of contact layers, wood gluing.
Известно, что на качество формирования клеевых соединений оказывает влияние большое число факторов, основные из которых - давление на склеиваемые сортименты древесины, температура, при которой происходит отверждение связующего, влажность древесины и расход клея [1].
Большая часть исследований последних лет была направлена на обоснование состава и свойств клеев, которые позволят получить требуемую прочность клеевого соединения при экономически целесообразном расходе клея и давлении прессования, способном создать должный контакт склеиваемых поверхностей с учетом точности обработки древесины. Выполненные нами исследования [2, 3] показали, что при соблюдении требуемой для склеивания влажности древесины, обработанной цилиндрическим фрезерованием, рекомендуемых производителями расходе клея, давлении и температуре прессования достигается соответствующая ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия» прочность, которая в среднем превышает 6 МПа (рис. 1).
і
9
Прочность клеевого 8
соединения, МПа 7
6
5
4
3
2
1
0
2 3
Длина бруса, м
6 \
Рис. 1. Прочность клеевых соединений по длине пятислойного бруса
Результаты предварительных экспериментов показывают, что различие в прочности клеевого соединения по длине бруса (см. рис. 1) может быть вызвано строением древесины, разной прочностью ламелей по длине, а также неравномерностью распределения усилия прессования по площади склеивания.
Известно, что строение и физико-механические свойства древесины, в том числе плотность, прочность при изгибе и др. зависят от геоклиматических условий ее произрастания.
Анализ факторов, влияющих на качество склеивания древесины, позволил классифицировать их по трем основным группам: древесина, клей, условия склеивания (рис. 2).
Цель данных исследований - определение влияния строения и свойств древесины на качество формирования клеевых соединений.
Исследованию подлежали пиломатериалы и клееные бруски из древесины сосны, склеенные поливинилацетатным клеем марки «Клебит-303».
В качестве переменных факторов приняты: плотность пиломатериалов и их контактных слоев; вид пиломатериалов (радиальные, полурадиальные, тангенциальные); способ обработки поверхности (цилиндрическое и торцовое фрезерование). Остальные факторы зафиксированы на постоянном уровне в соответствии с техническими условиями.
Под плотностью контактных слоев древесины будем понимать среднюю плотность поверхностных слоев древесины, зависящую от: плотности древесины, соотношения площадей ранней и поздней древесины на поверхности ламелей, площади здоровых сросшихся сучков на их поверхности.
0
1
4
5
Рис. 2. Классификация факторов, оказывающих влияние на качество склеивания древесины
Для определения угла смачивания были отобраны образцы древесины после фрезерования в размер по сечению с различным направлением волокон - радиальным, полурадиальным, тангенциальным. Фрезерование осуществляли на станках «Hidromat 23» - для цилиндрического и многофункцио-
нальный обрабатывающий центр с компьютерным управлением - для торцового фрезерования. Угол смачивания определяли при помощи окулярного оптического микроскопа по известной методике [1].
Анализ структуры клеевого соединения выполнен с использованием сканирующего электронного микроскопа «HITACHI» отражающего типа. Его применение предоставляет возможность получения объемного изображения изучаемого объекта с 500-кратным увеличением. Технология получения цифровых фотографий микростроения древесины требует напыления на поверхность древесины сусального золота, что, с одной стороны, увеличивает их четкость, а с другой - затрудняет определение местоположения клея в древесине при формировании клеевого соединения.
Толщину зоны древесины пропитанной клеем определяли при помощи окулярного микроскопа МБС-2 с 10-кратным увеличением, оборудованного винтовым микрометром, для получения линейных измерений в поле зрения. Для получения изображения использовали электронную фотокамеру фирмы Canon, модели PowerShot А460, с разрешением 1600 х 1200 пикселей.
Для определения месторасположения, формы и размеров пороков древесины, а также качества формирования клеевого соединения (толщины клеевого слоя и его сплошности) применяли рентгеновский аппарат «CHI-RAGRAFS» с излучением мощностью 0,048 МэВ по известной методике [2].
Прочность клеевых соединений при скалывании определяли по стандартной методике.
Традиционным способом подготовки поверхностей древесины к склеиванию является цилиндрическое фрезерование. Основной недостаток этого способа - высокое трение фрезы о поверхность ламелей, что приводит к нагреву древесины и ее частичному переходу в высокоэластичное состояние и, как следствие, смятию поверхностных слоев, что препятствует проникновению клея в полости древесины. При высоком содержании натуральных смол и смоляных кармашков под воздействием на них теплоты натуральные смолы и камеди заполняют полости древесины, распределяются по ее поверхности, ухудшая способность к смачиванию.
При использовании торцового фрезерования обеспечиваются требуемые параметры по точности формы и размеров ламелей и шероховатости поверхности древесины на уровне 20-40 мкм, а также открываются полос-
ти древесины, тем самым упрощая проникновение клея вглубь древесины. Как видно из диаграммы (рис. 3), при использовании торцового фрезерования угол смачивания древесины ниже на 16-40 %.
Направление волокон древесины
Рис. 3. Угол смачивания древесины с разным направлением волокон поливинилацетатными клеями
1 - радиальное направление волокон; 2 - полурадиальное направление волокон;
3 - тангенциальное направление волокон
Далее (см. рис. 4) представлены фотографии поверхности древесины в зоне клеевого соединения при его формировании с использованием поливинилацетатного клея.
Влажность древесины, подлежащей склеиванию, составляла 10 ± 2 %, при этом полости древесины остаются открытыми для проникновения клея, имеющаяся влага не оказывает влияния на качество клеевого соединения. В процессе фрезерования древесины происходит разрушение ее поверхностных слоев. Клей заполняет полости, образующиеся в результате разрушения структурных элементов, создавая «зону древесины, пропитанной клеем».
Известно, что прочность клеевого соединения зависит от толщины зоны древесины пропитанной клеем и толщины собственно клеевого слоя [1]. На рис. 5 показано изменение глубины проникновения клея в древесину по длине трехслойного бруска.
Рис. 4. Структура клеевого соединения (фото) при исследовании методами электронной микроскопии: а - при 200-кратном, б - при 500-кратном увеличении
Рис. 5. Толщина зоны древесины, пропитанной клеем по длине бруска
Изменение глубины проникновения клея, на наш взгляд, связано со структурой, плотностью и объемами ранней и поздней зоны древесины в контактирующих слоях ламелей.
Влияние плотности контактных слоев древесины и расхода клея на прочность клеевого соединения показано на рис. 6.
Рис. 6. Зависимость прочности клеевого соединения от расхода клея и плотности контактных слоев древесины
Как видим, изменение плотности контактных слоев древесины даже в таком узком диапазоне оказывает существенное влияние на прочность клеевого соединения.
Исследования, проведенные ранее [1], показывают, что поздняя зона разрушается незначительно, клей практически не проникает в древесину. Это же относится и к древесине здоровых сросшихся сучков. Поэтому чем больше площадь поздней зоны древесины и сучков на поверхности ламелей, тем меньше будет разрушен поверхностный слой, тем выше будет прочность клеевого соединения.
Отсюда, чем равномернее распределена плотность древесины по ее объему, тем выше качество клеевого соединения.
Результаты исследований подтверждают необходимость выполнения операции по сортировке ламелей в зависимости от плотности их контактных слоев и структуры древесины. В Северо-Западном регионе России плотность древесины сосны в среднем варьирует в диапазоне 350-550 кг/м . Плотность ранней древесины сосны, как правило, в 2,5 раза ниже, чем у поздней.
В этой связи представляет интерес разработка методов и методик непрерывного контроля качества формирования клеевых соединений в производственном процессе. Для этого могут быть использованы рентгенография и ультразвуковая диагностика. В [3] доказана возможность приме-
нения рентгенографии для контроля качества клеевых соединений. Представляется целесообразным проведение исследований, направленных на определение возможности использования ультразвука для установления характеристик ламелей перед склеиванием и возможности использования ультразвуковой томографии для дефектоскопии клееной древесины.
Таким образом, существенное влияние на прочность клеевого соединения при использовании клеев на основе ПВА оказывает плотность контактных (поверхностных) слоев древесины, зависящая от вида пиломатериалов, объемов поздней и ранней древесины, а также наличия здоровых сросшихся сучков.
Для повышения качества склеивания несущих конструкций целесообразно сортировать пиломатериалы перед склеиванием по критериям плотности контактных слоев, направления волокон древесины, а также содержания поздней и ранней древесины на их поверхности.
Библиографический список
1. Чубинский, А. Н. Формирование клеевых соединений древесины [Текст] / А. Н. Чубинский. - СПб.: СПбГУ, 1992. - 164 с.
2. Чубинский, А. Н. Метод контроля клеевых соединений в процессе производства клееных брусков из цельной древесины [Текст] / А. Н. Чубинский, А. А. Тамби // Известия СПбЛТА. Вып. 185. - СПб.: СПбГЛТА, 2008. - С. 208-213.
3. Тамби, А. А. Технология склеивания древесины с применением рентгенографии для контроля клеевых соединений [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук / А. А. Тамби. - СПб.: СПбГЛТА, 2009. - 20 с.
Экспериментально установлено влияние структуры древесины, способа обработки поверхности и плотности контактных слоев на качество склеивания. Представлена классификация факторов, влияющих на формирование клеевых соединений древесины
* * *
Based on the results of experimental investigation are shown the influence of wood structure, surface treating and density of contact layers on the quality of wood gluing. Classification of the factors which influence on wood gluing quality is presented.
