Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. 1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования
1.1 Клеевые соединения древесины и способы повышения прочности 10
1.2 Влияние ультразвукового поля на прочность полимерных материалов
1.3 Выводы. Цель и задачи исследования 17
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование повышения прочности клеевых соединений 19
2.1 Основы теории склеивания 19
2.2 Использование ультразвукового поля для влияния на структуру 25
2.3 Использование магнитного поля для влияния на структуру 28
2.4 Использование электрического поля для влияния на структуру 29
Выводы 31
ГЛАВА 3. Постановка, программа и методика экспериментальных исследований
3.1 Программа экспериментальных исследований 32
3.2 Объекты исследований 33
3.3 Планирование эксперимента
3.4 Методика и установка для исследования влияния магнитного и ультразвукового поля на механические свойства клеевого соединения древесины
3.5 Методика и установка для исследования влияния электрического и ультразвукового поля на механические свойства клеевых соединений древесины
3.6 Методика и установка для исследования влияния комбинированных физических полей на процесс формирования внутренних напряжений клеевых соединений древесины
3.7 Методика и стенд для изучения влияния комбинаций физических 48
полей на процесс смачивания и растекания клея по поверхности
древесины
3.8 Методика и инструментарий для исследования структурных изменений полимерной матрицы клеев, подвергнутых воздействию физическими полями
Выводы 52
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований
4.1 Экспериментальное определение предела прочности клеевых соединений древесины, полученных на основе полимерных клеев, подвергнутых обработке комбинированными физическими полями
4.2 Влияние комбинированных физических полей на формирование внутренних напряжений в клеевом соединении изделий из древесины
4.3 Влияние комбинированных физических полей на адгезионную и когезионную прочность клеевых соединений
4.4 Исследование микроструктуры клеев, подвергнутых воздействию комбинированных физических полей
Выводы 95
ГЛАВА 5. Теоретические выводы и технологические рекомендации по результатам экспериментальных исследований
5.1 Влияние напряженности магнитного поля и частоты ультразвуковых колебаний на прочность клеевого соединения
5.2 Технологические рекомендации 98
5.2.1 Технологические особенности применения электрического и ультразвукового полей
5.2.2 Технологические особенности применения магнитного и ультразвукового полей
5.3 Определение основных технико-экономических показателей 100
5.3.1 Основные технико-экономические показатели для магнитной и ультразвуковой обработки
5.3.2 Основные технико-экономические показатели для электрической и ультразвуковой обработки
Выводы 106
Основные выводы и рекомендации 107
Список использованной литературы
- Влияние ультразвукового поля на прочность полимерных материалов
- Использование магнитного поля для влияния на структуру
- Методика и установка для исследования влияния магнитного и ультразвукового поля на механические свойства клеевого соединения древесины
- Влияние комбинированных физических полей на формирование внутренних напряжений в клеевом соединении изделий из древесины
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время древесина твердых пород имеется в недостаточном количестве, поэтому повсеместно используются изделия из клееной древесины. Поскольку древесина является анизотропным материалов, поэтому возникают большие проблемы с получением клееных изделий из древесины требуемой прочности. Поэтому для создания клееных изделий из древесины различного назначения применяются полимерные клеи. Одним из основных критериев качества клееной древесины является прочность клеевых соединений. Для создания более высокопрочных клеевых соединений древесины создаются клеи с новыми свойствами, внедряются новые технологии склеивания, которые труднореализуемы. Поэтому особое место в направлении улучшения эксплуатационных характеристик клеевых соединений древесины отводится методам направленного изменения морфологии клеев путем воздействия на них термической обработкой, облучением, вакуумно-компрессорной обработкой, деформированием, а также магнитными, электрическими или ультразвуковыми полями.
Исследованиями, проведенными отечественными и зарубежными учеными по изучению влияния на изменения структуры в жидких полимерах магнитными, электрическими полями и ультразвуком показано улучшение их физико-механических характеристик. Опираясь на эти данные, можно спрогнозировать еще более сильное увеличение прочностных показателей клееной древесины на основе клеев, обработанных физическими полями типа магнитоультразвуковых или электроультразвуковых полей.
Исследования выполнены в рамках государственной бюджетной темы ФГБОУ ВО «ВГЛТУ имени Г.Ф. Морозова» «Исследование влияния физических полей (магнитных и электрических) на теплопроводность и прочность блочных полимеров и клеевых соединений» (№ гос. регистрации 01201168745). Работа выполнена в рамках гранта РФФИ № 10-08-00087а, У.М.Н.И.К. № 5230.
Степень разработанности проблемы. Работы по исследованию воздействия физическими полями на свойства полимеров принадлежат Попову В.М., Лушниковой Е.Н., Иванову А.В., Шендрикову М.А., Остроушко М.В., Новикову А.П., Шестаковой В.В., Бельчинской Л.В., Никулину С.С., Анисимову М.А. и др. Однако на данный момент отсутствуют работы по использованию комбинированного эффекта от последовательного наложения ультразвукового и магнитного или ультразвукового и электрического поля.
Целью работы является разработка технологии получения клееной древесины повышенной прочности на клеях, подвергнутых воздействию ультразвукового, в сочетании с магнитным или электрическим полями.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Установить закономерности воздействия физических полей на свойства клеев.
-
Установить закономерности формирования прочностных характеристик клеевых соединений на клеях, модифицированных воздействием физических полей.
-
Разработать математическую модель получения клееной древесины с заданными показателями предела прочности.
-
Разработать технологию создания клеевых соединений древесины повышенной прочности.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются клеевые соединения массивной древесины. Предметом исследования являются физико-механические свойства клееной массивной древесины.
Методологическая база исследований. В работе использованы методы планирования и проведения экспериментальных исследований, Фурье-анализа, метод рентгеноструктурных исследований, статистической обработки.
Научная новизна результатов исследований:
-
Установлены закономерности повышения прочности клееной древесины, отличающиеся учетом диспергирования структуры клея под воздействием физических полей.
-
Установлены закономерности воздействия физических полей на вязкость клея, внутренние напряжения, возникающие в клеевом шве, отличающиеся учетом последовательного воздействия различными физическими полями.
-
Разработана математическая модель получения клееной древесины с заданными прочностными показателями, отличающаяся учетом воздействия на клеи ультразвукового в сочетании с магнитным или электрическим полями.
4. Разработана технология получения клееной древесины повышенной
прочности, отличающаяся применением предварительного воздействия на клеи
физических полей.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности увеличения прочностных характеристик клеевых соединений древесины на клеях, которые подвергнуты предварительной обработке физическими полями, позволяющими получать клеевые соединения заданной прочности.
-
Закономерности воздействия физических полей на такие показатели клея, как его вязкость, способность смачивать поверхность древесины и внутренние напряжения, возникающие в клеевом шве, позволяющие увеличивать прочность клеевых соединений.
-
Математическая модель процесса предварительного воздействия на клеи физическими полями, позволяющая определять рациональные режимы обработки для получения клееной древесины повышенной прочности.
-
Технологические рекомендации по применению комбинированного воздействия различных физических полей, обеспечивающих получение клеевых соединений древесины повышенной прочности.
Достоверность полученных результатов обеспечена хорошей сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований, положительными результатами проведенных экспериментов и подтверждена значимостью статических результатов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая ценность работы состоит в определении закономерностей воздействия физических полей на свойства клеев, новизна которых подтверждена патентами, программами для ЭВМ, позволяющими моделировать приобретаемые клеями свойства и изделия на их основе.
Практическая значимость заключается в разработке технологии повышения прочности клеевых соединений клееной древесины на основе клеев, обработанных в комбинированных физических полях. Результаты диссертационной работы используются на ООО ПК «Ангстрем», ООО «Эверест» и в учебном процессе ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова».
Личное участие автора заключается в выборе и обосновании темы, постановке целей и задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований и анализе результатов, подготовке основных публикаций, внедрении основных результатов диссертации в производстве.
Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертации освещались на научно-практических конференциях: Эколог. асп. рег.: “V Межрегион. научно-практической конференции”, (Воронеж, 2009); Междунар. молод. науч. конф. “XVII Туполевские чтения” (Казань, 2009); V Международном молодежном форуме “Молодь та сiльскогосподарська технiка у XXI сторiччi” (Харьков, 2009); IV Междунар. науч. конф. студ., аспир., мол. уч. (Ставрополь, 2010); V ); Междунар. молод. науч. конф. “Тинчуринские чтения” (Казань, 2010); 2-й Междунар. науч.-технич. Конфер. (Кострома, 2013); Междунар. науч.-технич. конф. «Анализ и синтез сложных систем в природе и технике» (Воронеж, 2013); Междунар. науч.-технич. конф. "Актуальные проблемы фундаментальных исследований воспроизводства и переработки природных полимеров" (Воронеж, 2014); Науч.-технич. конф. мол. уч. "Современные материалы и технологии их создания" (Воронеж, 2014).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 49 опубликованных работах объемом 21 п.л., из них 8 п.л. принадлежит лично автору, в том числе 6 работ, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК РФ, из которых 2 работы входят в БД Web of science, Scopus.
Структура и объем диссертации. В состав диссертации входят введение, пять глав, список использованной литературы из 114 наименований и приложения. Общий объем работы 135 страниц, в том числе 118 страниц основного текста, 65 рисунков, 16 таблиц.
Влияние ультразвукового поля на прочность полимерных материалов
Склеиванием считается технологический процесс получения неразъемного соединения путем адгезионного взаимодействия клея (адгезива) и склеиваемых поверхностей (субстрата) [1-4]. Известно, что прочность клеевых соединений является основным критерием качества клееной продукции, она определяется действиями адгезионных сил между поверхностями склеивания и клеем, и адгезионной прочности клеевого соединения [5].
Направленное воздействие на прочность клеевого соединения осуществлялось на основе информации о влиянии отдельных факторов на силы адгезии и когезии. Так, создавая клеевое соединение повышенной прочности, необходимо обеспечит активность взаимодействия клея на поверхности древесины, т. е. хорошая смачиваемость поверхности. При хорошей смачиваемости уменьшается поверхностное натяжение образующихся поверхностей, сопровождающихся образованием клеевых соединений повышенной прочности. На полноту смачивания поверхности древесины и сцепление с ней клея оказывает влияние шероховатость поверхности [8]. Установлено неоднозначное влияние шероховатости на прочность клеевого соединения. В одном случае прочность соединения снижается с увеличением микроотклонений из-за неполного заполнения клеем впадин микронеровностей на поверхностях склеивания и также за счет роста усадочных напряжений, вызванных неравномерностью толщины слоя клея. В другом, увеличение шероховатости поверхности увеличивает площадь контакта склеиваемых поверхностей и соответственно повышает прочность клеевого соединения. Прочность клеевого соединения зависит от влажности древесины, из-за снижения адсорбированной влагой количества свободных радикалов, тем самым ухудшая взаимодействие между клеем и древесиной. Повышение влажности древесины помимо этого в процессе сушки готовых изделий приводит к образованию внутренних напряжений, снижающих прочность клеевых соединений древесины. В свою очередь пониженная влажность в древесине сопровождается поглощением влаги из состава клея поверхностными слоями древесины, снижающие способность смачивания клеем соединяемых поверхностей.
Прочность клеевого соединения в значительной степени зависит от вязкости клея. При высокой вязкости клея образуются пустоты в слое наносимого клея, что приводит к возрастанию внутренних напряжений в клеевом шве и снижению площади адгезионного контакта.
Путем использования растворителей, пластификаторов и повышении температуры достигается увеличение контакта между поверхностью древесины и клеем, что приводит к увеличению прочности соединения. При применении низковязкого клея наблюдается глубокое проникновение клея в древесину, приводящее к образованию так называемого “голодного” клеевого шва, снижающего прочность соединения. Для обеспечения требуемой прочности необходимо в каждом конкретном случае производить подборку оптимальной вязкости клея.
При горячем склеивании на прочность клеевого соединения существенное влияние оказывает температура. С увеличением температуры возрастает пластичность древесины, что положительно влияет на смачивание и растекание клея, приводящие к созданию более прочного соединения. В тоже время увеличение температуры выше оптимального уровня может сопровождаться термодеструкцией клеевого шва или даже его разрушением за счет избыточного давления образовавшейся парогазовой смеси. Следует также учитывать возможность при повышении температуры неконтролируемого образования в клеевой прослойке термических напряжений, значительно снижающих прочность клеевых соединений. Повышения прочности клеевого соединения можно достичь применением оптимального давления прессования, позволяющего снизить негативный эффект от непосредственного контактирования склеиваемых поверхностей. Давление выбирается, исходя из свойств древесины и ее размеров. Более высокое давление применяется при условии высокой плотности древесины и низкой влажности, а также для более шероховатых поверхностей и поверхностей значительной площади.
Определенное влияние на прочность соединений древесины на клеях оказывают выдержка прессования, количество клея в клеевом шве, состояние воздуха в помещениях и т.д. Как видно из приведенных мероприятий по повышению прочности клеевых соединений древесины, реализацию этой задачи можно считать достаточно сложной. Многие факторы практически накладываются друг на друга и вносят трудности в направленном повышении прочности клеевых соединений древесины. Нет сомнений, что более эффективными представляются направленные структурные изменения в полимерной матрице клеев, получаемые путем модифицирования клеев. Достаточно перспективными показали себя предложенные недавно методы модифицирования клеев путем воздействия магнитными [9] или электрическими [10] полями. Упорядочение структуры клеев под воздействием физических полей значительно повышает прочность клеевых соединений древесины.
Использование магнитного поля для влияния на структуру
Для изменения напряжения использовался автотрасформатор, подающий ток на высоковольтный трансформатор. Электрическая часть установки позволяет создавать постоянное электрическое поле напряженностью в пределах от 0 до 2000 В/см. При проведении работ напряженность электрического поля не превышала 1500 В/см, т.к. при большем напряжении подаваемого тока к рабочей ячейке возникало такое явление как “электрический пробой”. где С = 0 – емкость плоского конденсатора , пФ (3.5) Напряженность электрического поля считалась равной энергии полностью заряженного конденсатора Подставив уравнение (3.5) в формулу (3.4) получим 2d , (3.6) где S - площадь конденсатора, м2; U - напряжение заряженного конденсатора, В; є - относительная диэлектрическая проницаемость (воздух є=1,0006); є0 - электрическая постоянная, Єо=8,8510-12; d - расстояние между обкладками, мм.
Порядок проведения работ по обработке полимерных клеев в электрическом и ультразвуковом поле следующий. Полимерный компонент клея в фторопластовой кювете помещался в рабочую ячейку между обкладками конденсатора и облучался в электрическом и ультразвуковом поле при заданной напряженности в течении установленного времени. После обработки модифицированный компонент клея смешивался с отвердителем и наносился на ранее подготовленные поверхности склеиваемых образцов древесины. Полученные таким образом образцы после отверждения клеевых швов испытывались на сдвиг для определения предела прочности при скалывании вдоль волокон согласно ГОСТ 15613.1-84 [34].
Испытания прочности клеевого соединения проводились на той же испытательной машине ИР-50-3.
Как было отмечено ранее, основным критерием качества клееной древесины является прочность клеевых соединений [36]. В свою очередь прочность клеевых соединений зависит от величины внутренних напряжений, сформировавшихся в клеевой прослойке при ее отверждении или эксплуатации изделия [37]. Отсюда напрашивается вывод, что, обладая информацией о процессе формирования внутренних напряжений клеевых соединений древесины, можно направленно регулировать их прочность.
В настоящее время в отечественной и зарубежной измерительной практике известны способы определения внутренних напряжений в полимерных пленках, покрытиях и клеевых прослойках, в основу которых положены принципы получения данных по конечным результатам процесса отверждения клеевой прослойки. Однако, эти методы [38-40] не дают возможности судить о развитии внутренних напряжений в динамике процесса полимеризации клеевой прослойки. В данном исследовании разработан метод основанный на консольном способе [41].
Рассмотрим структуры сил, действующих на клеевую прослойку между двумя деревянными пластинами разной толщины. Так как при отверждении клеевой прослойки ее объем уменьшается, то она сжимается. Адгезионные связи между прослойкой и пластинами препятствуют сжатию. Видно, что клеевая прослойка испытывает силы растяжения. Очевидно, что клеевая прослойка сжимает пластины силой P = s-S2-E2, (3.7) где є - относительное расширение клеевого слоя, мм; S2 - поверхность сечения клеевого слоя, мм2; Е2 - модуль нормальной упругости прослойки, МПа. Сила Р, действующая на пластины, удаленные на расстояние і от центральной оси 00 сечения склеенной пары. Эту силу можно заменить действием центрально приложенной силы и изгибающего момента, который представляется в виде М(х) = Р- (3.8) При изгибе клеевая прослойка уменьшается в размере и напряжение, распределяется по толщине прослойки неравномерно, равнодействующая сместится в сторону оси 00 и тогда величина і примет вид = 1 - yi + 0,5 2, (3.9) где i - толщина шпона большего размера, мм; 2 - толщина клеевого слоя, мм; у І - длина участка до центра тяжести склеенного образца, мм. Напряжение в клеевой прослойке с учетом ее разгружения при прогибе запишется /жкс - максимальное отклонение конца склеенной пары, мм; L - длина склеенной пары, мм. Полученное уравнение (3.17) является исходным для нахождения внутренних напряжений клеевых соединений по результатам экспериментов. Для непрерывного определения внутренних напряжений, возникающих в процессе отверждения клеевой прослойки, разработан метод, в котором величина изгиба склеиваемых пластин f постоянно фиксируется путем измерения емкости плоского конденсатора, образованного пластинами с клеевой прослойкой с измерительной ячейкой.
Установка, состоит из рабочей ячейки, в которой консольно закрепляются склеиваемые пластины, состоящие из деревянных (дубовых) пластин длиной 10 см и шириной 1 см при соотношении толщин 1:10 и клеевой прослойки заданной толщины между ними. Склеенные пластины соединены с источником постоянного тока и цифровым прибором для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.
Измерение внутренних напряжений клеевой прослойки в процессе отверждения проводится по следующей схеме. На предварительно подготовленную поверхность пластины наносится клеевой слой заданной толщины, на который после открытой выдержки согласно технологии склеивания помещается вторая пластина. Используя специальную программу по формуле (3.17) проводится расчет остаточных напряжений при различном времени воздействия.
В начальной стадии операции по определению внутренних напряжений проводилась тарировка рабочей ячейки. Для этого вырезали пластину толщиной 0,3 мм, наносили на нее слой клея и консольно закрепляли. С помощью щупов измеряли величину изгиба свободного конца упругой пластины 2 с шагом 0,1 мм до величины, превышающей упругий изгиб. При этом значение получаемого изгиба вводилось в память ЭВМ, а значение емкости параллельно фиксировалось цифровым прибором и передавалось в ЭВМ. Результаты тарировки представлены в таблице 3.9.
Методика и установка для исследования влияния магнитного и ультразвукового поля на механические свойства клеевого соединения древесины
Экспериментальное определение предела прочности клеевых соединений древесины, полученных на основе полимерных клеев, подвергнутых обработке комбинированными физическими полями Экспериментальные исследования проводились согласно ранее разработанной методики следующим образом. Полимерную основу многокомпонентного клея или непосредственно однокомпонентный клей помещали в специальную кювету, которая располагалась в рабочей ячейке магнитоультразвуковой установки и проводили обработку в одноименном поле в течении 20 минут при частоте ультразвука 0-22 кГц и напряженности магнитного поля 0-24104 А/м. После обработки клей наносился на заранее подготовленные поверхности склеиваемой древесины в случае однокомпонентного клея или после введения отвердителя для многокомпонентного клея. Исследования влияния электрического и ультразвукового поля на прочность клееной древесины проводились, исходя из плана экспериментальных исследований согласно ранее рассмотренной методики. Полимерную основу многокомпонентного клея или непосредственно однокомпонентный клей помещали в специальную кювету, которая устанавливалась в рабочую ячейку электроультразвуковой установки и проводили обработку в одноименном поле в течении 20 минут при частоте ультразвука 0-22 кГц и напряженности электрического поля 0-1440 В/см.
Клей наносился на обе склеиваемые поверхности согласно расходу, предусмотренному техническими рекомендациями. После 10 минут открытой выдержки склеиваемые поверхности соединяли и отверждали при нормальных условиях под давлением 0,5 МПа в течении суток. После полного отверждения полученные таким образом образцы испытывались на предел прочности при скалывании вдоль волокон на испытательной машине ИР-50-3 согласно ГОСТ 15613.1-84.
В ходе проведенных испытаний для большей части образцов скалывание проходило по клеевому шву, т.е. скалывание носило когезионный характер.
Результаты испытаний представлены на рисунках 4.1 – 4.12. Рисунок 4.1 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины березы на основе клея К-153 Рисунок 4.2 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины березы на основе клея ВК-9 Рисунок 4.3 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины березы на основе клея ПВА Рисунок 4.4 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины березы на основе клея КФЖ Рисунок 4.5 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения ясеня на клее ВК-9 Рисунок 4.6 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины ясеня на клее К-153 Рисунок 4.7 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины ясеня на клее ПВА Рисунок 4.8 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины ясеня на клее КФЖ Рисунок 4.9 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины дуба на клее К-153 Рисунок 4.10 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины дуба на клее ВК-9 Рисунок 4.11 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины дуба на клее ПВА Рисунок 4.12 – Влияние вида обработки прочность клеевого соединения древесины дуба на клее КФЖ Из данных, представленных на графиках рисунков 4.1 – 4.12, видно, что с ростом силовых характеристик поля происходит упрочнение клеевого соединения. Каждый из клеев имеет свой предел энергетического насыщения, за счет которого можно объяснить вырождение кривой зависимости.
Для всех клеев и разновидностей древесины воздействие на клеи комбинированными полями более эффективно, чем воздействие однородными полями. Данные проведенных опытов свидетельствуют о том, что эффект от воздействия на клеи комбинированных физических полей справедлив для всех разновидностей пород древесины. 4.2 Влияние комбинированных физических полей на формирование внутренних напряжений в клеевом соединении изделий из древесины Как известно из работ [38, 55, 56], основным критерием, от которого напрямую зависит прочность клеевого соединения являются внутренние напряжения, возникающие в клеевом соединении в процессе отверждения. Увеличение прочности клеевых соединений древесины можно в значительной мере добиться снижением напряжений в клеевом шве [57]. Для исследования формирования внутренних напряжений в клеевом соединении была изготовлена установка, позволяющая получать данные о внутренних напряженях в процессе отверждения клеевого связующего [58]. Общий вид и принципиальная схема установки представлены на рисунках. 4.13, 4.14. а б а – общий вид; б – рабочая ячейка Рисунок 4.13 – Установка для исследования внутренних напряжений в клеевых прослойках – основание; 2 – неподвижная обкладка конденсатора; 3 – образец с подвижной обкладкой конденсатора; 4 – пята; 5 – пружина; 6 – нажимная пята; 7 – держатель; 8 – винт; 9 – цифровой преобразователь; 10 – ПК
В основу функционирования установки заложен принцип измерения емкости плоского конденсатора. Для исследований были использованы образцы древесины, представляющие собой разнотолщинные пластины из дубового и березового шпона с размером 10100 мм с соотношением толщин не менее 1:10. На пластину меньшей толщины наклеивалась алюминиевая фольга для возможности использования образца в качестве верхней обкладки конденсатора. Нижней обкладкой конденсатора служило металлическое основание установки.
При отверждении клеевой пары происходит изгиб в сторону пластины меньшей толщины. В результате изменения геометрии образца, меняется его емкость, как конденсатора. Полученные данные фиксировались ПК при помощи специального программного обеспечения. Используя тарировочные данные и данные эксперимента измерения емкости плоского конденсатора можно рассчитать по разработанной методике величину внутренних напряжений клеевого соединения [58].
Влияние комбинированных физических полей на формирование внутренних напряжений в клеевом соединении изделий из древесины
Для производств, применяющих операции склеивания в небольших объемах, предлагается технология обработки используемых клеев в физических полях при последовательном воздействии ультразвукового и электрического полей.
Обработка в ультразвуковом поле приводит к дроблению молекул полимерного клея и увеличению эффекта последующей обработки электрическим полем. Исходя из полученных данных проведенных экспериментальных исследований установлено, что оптимальное время воздействия ультразвуком при частоте 22 кГц составляет 5 мин. Последующее воздействие электрическим полем приводит к диспергированию структуры, образованию новых связей между молекулами. Оптимальное время обработки электрическим полем составляет 20 минут при напряженности поля 1210 В/см. Обработка клеев в электрическом поле проводится в специальной кювете. Максимальный объем клея обработанного за один цикл составляет 500 см3.
Данная технология будет наиболее востребована малыми и средними производствами.
Технологические особенности применения магнитного и ультразвукового полей Для предприятий, использующих в производстве большие объемы клеев, целесообразно использовать технологию последовательной обработки клеев ультразвуковым и магнитным полями, с целью улучшения физико-механических свойств полимерных клеев.
Результатами проведенных исследований установлено, что оптимальное время обработки в ультразвуковом поле при частоте 22 кГц составляет 5 мин, а время обработки в магнитном поле при напряженности 18104 А/м – 20 минут. Максимальный объем клея, обрабатываемый за один цикл - 50 дм3. Обработку клея можно производить в таре, поставляемой заводом изготовителем полимерных клеев.
Данная технология особенно интересна для средних и крупных производственных компаний.
После обработки клеев в физических полях проводится склеивание по рекомендациям, соответствующим каждой конкретной марки клея. Способы подготовки склеиваемых поверхностей остаются прежними.
Предлагаемый метод расчета экономической эффективности на примере ООО ПК «Ангстрем», которое по объему перерабатываемой продукции можно отнести к крупному предприятию, включает в себя следующие этапы [107 - 114]:
Определение максимально потребляемой мощности установки для обработки в ультразвуковом и магнитном поле.
Расход смолы на 1 м2 клеевого шва составит 180...250 г/м2 . Для расчетов воспользуемся средним значением расхода смолы, равным 215 г/м2 . По рекомендуемому методу склеивания расход не превышает 200 г/м2, поэтому для расчета принимаем значение Р=200 г/м2.
Определим расход смолы на годовую программу (Рг) при применении необработанной в магнитном поле смолы КФЖ при расходе 215 г/м2, по формуле: Pr=PS. (5.12) Расчет смолы, не подвергнутой обработке в магнитном поле, на годовую программу составит: Ргно=215(18...19)105=387...408 т. Расход смолы, при склеивании массива древесины, необработанной в магнитном поле смолой, исходя из годовой программы, составляет 387... 408
Определим расход смолы на годовую программу (Рг) при применении смолы КФЖ, подвергнутой обработке в магнитном поле при расходе 200 г/м2: Расход смолы, при склеивании массива древесины, необработанной в магнитном поле смолой исходя из годовой программы, составляет 360… 380 т. Как видно из представленных выше расчетов Ргно и Рг0, расход клея снижается на 7%. 5. В целом экономические затраты будут равны: Э=ЦРг, (5.13) где Ц- цена смолы в рублях за 1 кг. Для расчетов примем стоимость смолы равной 202,5 руб. Экономические затраты для существующей смолы (не подвергнутой обработке в магнитном поле):
В результате сравнения коэффициента экономической эффективности и срока окупаемости дополнительных капитальных вложений с нормативными значениями, получаем следующее: Основные технико-экономические показатели для электрической и ультразвуковой обработки Предлагаемый метод расчета экономической эффективности на примере ООО «Эверест», которое по объему перерабатываемой продукции можно отнести к малому предприятию, включает в себя следующие этапы [107 - 114]: