Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 13
1.1. Анализ отделочных материалов на основе фанеры и фанерных плит 13
1.2. Анализ антипиренов 22
1.3. Анализ клеевых материалов, применяемых в деревообработке 29
1.4. Цель и постановка задач исследований 40
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных работ 42
2.1. Материалы и установки для проведения экспериментальных исследований по пропитке шпона 42
2.1.1 Измерение и оценка величины поглощения антипирена шпоном 45
2.1.2 Проведение работ по определению предела прочности шпона при растяжении 46
2.2. Методика проведения огневых испытаний 47
2.2.1. Метод "Огневой трубы" 47
2.2.2. Метод экспериментального определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов 48
2.2.3. Метод экспериментального определения индекса распространения пламени 49
2.3. Методические положения моделирования процесса облицовывания огнезащищенной фанеры огнезащищенным строганым шпоном 51
2.3.1. Цель и задачи моделирования 51
2.3.2. Методика проведения испытаний по определению прочности приклеивания клеями различных марок 53
2.3.3. Методика проведения экспериментальных исследований с применением математических методов планирования эксперимента 55
2.3.4. Выбор варьируемых факторов 56
2.3.5. Выбор экспериментального плана для изучения режима облицовывания огнезащищенной фанеры... 58
2.4. Отделочные материалы для создания лакокрасочного покрытия на поверхности огнезащищенной облицованной фанеры 62
2.5. Методики проведения испытаний покрытий и отделан- 65
ных материалов
ГЛАВА 3. Исследование свойств и режимных параметров пропитки строганого шпона 69
3.1. Поисковые исследования возможности изготовления огнезащищенной облицованной фанеры 69
3.1.1. Исследование влияния высокотемпературных концентрированных растворов антипирена на свойства шпона 70
3.1.2. Исследование декоративных характеристик шпона 81
3.1.3. Исследования пожарно-технических характеристик облицованной фанеры 85
3.2. Исследование режимных параметров пропитки строганого шпона 93
3.2.1. Продолжительность пропитки строганого шпона... 93
3.2.2. Концентрация пропиточного раствора 98
3.2.3. Влажность шпона 100
3.2.4.Температура пропиточного раствора 103
3.2.5. Продолжительность технологической выдержки... 105
Выводы по главе 3 108
ГЛАВА 4. Теоретические исследования прочности приклеивания строганого шпона к поверхности огнезащищенной фанеры на моделях адгезионного взаимодействия 110
4.1. Теоретический анализ процесса формирования адгезионного контакта "жидкий клей-древесина" ПО
4.2. Модель взаимодействия клея со шпоном при облицовывании фанеры 115
Выводы по главе 4 129
ГЛАВА 5. Исследование прочности приклеивания строганого шпона методами математического планирования эксперимента 131
5.1. Поисковые экспериментальные исследования по выявлению наиболее эффективных ПВА-клеев для облицовывания трудногорючей фанеры огнезащищенным шпоном 132
5.2. Исследование влияния технологических факторов на адгезионную прочность методом математического планирования эксперимента 137
5.2.1 Регрессионные модели адгезионной прочности 138
5.2.2. Анализ и графическая интерпретация результатов исследования прочности при равномерном отрыве.. 141
5.2.3. Анализ и графическая интерпретация результатов исследования прочности при неравномерном отрыве 148
5.2.4 Оптимизация технологических режимов облицовывания огнезащищенной фанеры 152
Выводы по главе 5 155
ГЛАВА 6. Исследование эксплуатационных свойств огнезащищенной облицованной фанеры 156
6.1 .Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности создания лакового покрытия на поверхности огнезащищенной облицованной фанеры 156
6.2.Исследование характеристик пожарной опасности огнезащищенной облицованной фанеры 160
6.3. Исследование влияния толщины облицовочного слоя на распространение пламени по поверхности 173
6.4.Исследование механических свойств огнезащищенной облицованной фанеры 176
Выводы по главе 6 179
ГЛАВА 7. Промышленная апробация технологии облицованной огнезащищенной фанеры 181
7.1. Опытно-промышленные и исследовательские работы при выпуске нового материала 181
7.2. Экономическая оценка стоимости огнезащищенной облицованной фанеры 187
Заключение 196
Библиографический список
- Анализ клеевых материалов, применяемых в деревообработке
- Проведение работ по определению предела прочности шпона при растяжении
- Исследование влияния высокотемпературных концентрированных растворов антипирена на свойства шпона
- Исследование влияния технологических факторов на адгезионную прочность методом математического планирования эксперимента
Введение к работе
Актуальность работы: В настоящее время при облицовывании древесных материалов используются различные синтетические (бумажнослоистые пластики, пленки на основе бумаг, пленки ПВХ и др.) и тонколистовые древесные материалов (фанера, ДВП, строганый шпон и др.).
Строганый шпон из древесины ценных пород имеет целенаправленное применение для отделки высококачественной мебели, элементов внутренней отделки помещений, в вагоно- и судостроении (для изготовления конструкционных и декоративно-отделочных панелей стен и перегородок, полов, встроенной мебели и т. д.), строительстве (для архитектурно-декоративной внутренней отделки помещений административных зданий, детских садов, интернатов, школ, общежитий и т.д.).
Такое избирательное применение, связано в первую очередь, с тем, что строганый шпон, представляя собой тонкие листы древесины, является экологически чистым природным материалом, который к тому же отличается от синтетических пленок естественной красивой текстурой и цветом.
Как показывает практика применения различных конструкционных и отделочных материалов для всевозможных элементов конструкций в судостроении и транспортном машиностроении, а также в строительстве - доля древесных отделочных материалов незначительна, т. к. большинство из них горючи, что недопустимо для ряда областей их применения. Поэтому создание композиционного материала - фанеры и фанерных плит, облицованных строганым шпоном ценных пород древесины в огнезащищенном исполнении, имеет научную и практическую значимость.
Согласно требованиям пожарной безопасности, предъявляемым вагоностроением к материалам, используемым во внутреннем оборудовании при строительстве и ремонте пассажирских вагонов [1], материал для облицовки поверхности стен и перегородок, должен относиться к категории трудногорючих, медленно распространяющих пламя, с умеренной
7 дымообразующей способностью и должен быть умеренноопасным по
показателю токсичности продуктов горения.
В настоящее время такой декоративно-отделочный и конструкционный материал у нас в стране промышленностью не выпускается.
В мировой практике известен выпуск огнезащищенных декоративных материалов на основе древесины, в которых используется принцип поверхностной защиты. Однако, как показывают натурные испытания, огнезащищенная облицованная фанера (ОЗОФ), . полученная по методу поверхностной защиты, имеет низкие пожарно-технические и эксплуатационные характеристики [2].
Анализ научно-технической литературы показал, что проблема создания огнезащищенной фанеры, облицованной строганым шпоном ценных пород древесины, до настоящего времени не решена ни в научном, ни в прикладном плане. Выпускаемая обычная фанера с декоративной поверхностью (ламинированная, облицованная пленками, строганым шпоном) обладает существенным недостатком - она горюча, и в связи с этим имеет ограниченное применение. А такой декоративный материал, предназначенный для судо-, вагоностроения и ряда строительных объектов, должен обладать не только высокой прочностью, хорошими декоративными свойствами, но и низкой пожароопасностью, т. к. пожары приводят к большим материальным потерям и человеческим жертвам. Так, например, по сообщению Национальной системы данных США 21 % пожаров происходит по причине загорания целлюлозосодержащих материалов (бумага, древесина и т. п.). Ущерб от них составляет 0,1 9% от общего валового продукта [3]. А по данным Лондонского института страхования [4] 34 из 147 судов в Великобритании было потеряно в 1988 году по причине пожаров. А ведь судостроение является крупным потребителем фанеры. На оборудование океанского лайнера используется 12000 квадратных метров фанеры [5]. Чтобы оценить всю остроту данной проблемы, достаточно посмотреть статистику пожаров в России за последние годы. За период с 1995 по 1999 год в Российской Федерации произошло 558
8 пожаров с крупным ущербом [6]. К наиболее крупным пожарам,
произошедшим в России за последние годы, относятся пожары 1999 года в здании ГУВД в г. Самаре и в 2000 году на Останкинской телевизионной башне в Москве.
Кроме этого, по сравнению со странами Европы, США, Канадой, Японией, количество погибших при пожарах в России в 3-5 раз больше. В конкретных цифрах эта статистика выглядит еще страшнее: около 300000 пожаров в год, более 16000 погибших и столько же травмированных. Материальный ущерб от пожаров исчисляется миллиардами рублей [7].
Масштабы пожаров показывают, что в настоящее время еще нет достаточно надежных огнезащищенных материалов на основе натуральной древесины, которые бы могли обладать как прекрасными декоративными свойствами, так и огнезащитными при высокой конструкционной прочности. Создание огнезащищенной облицованной фанеры позволит внести свою лепту в решение проблемы пожарной безопасности.
Разработкой технологии получения ОЗОФ занимаются ученые многих стран мира: США, Японии, Финляндии и др. В настоящее время для облицовывания фанеры, чаще всего используются огнестойкие бумажно-слоистые пластики "персторп" (Швеция), "формика" (Англия) или "манминит" (Россия), которые нашли применение в строительстве, судо- и вагоностроения. Лучший отделочно-декоративный огнезащищенный материал - бумажно-слоистый пластик "манминит", используемый для облицовывания огнезащищенной фанеры конструкционного назначения, обладает высокой дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения. Учитывая, что дым и токсичные продукты горения - самые опасные поражающие факторы пожара [8] приходится признать, что применение "манминита" не решает проблемы пожарной безопасности в необходимом объеме. Отметим, что недостатки присущие "манминиту", имеют место и у зарубежных декоративно-отделочных материалов.
Поэтому разработка технологии огнезащищенной фанеры, облицованной
9 строганым шпоном декоративных пород древесины, обладающей высокими
физико-механическими, удовлетворительными пожарно-техническими и санитарно-гигиеническими характеристиками, является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы: Целью выполненной работы являлось создание нового огнезащищенного конструкционно-декоративного материала с комплексом заданных эксплуатационных характеристик: пожарно-технических, физико-механических и санитарно-гигиенических.
Направление исследований: Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
Выбрать эффективный антипирен и установить оптимальные режимы пропитки строганого шпона, учитывая специфику этого материала (малая толщина и декоративные свойства), которые обеспечивали бы надежную огнезащиту шпона по всему объему, не изменяя его декоративных и физико-механических характеристик.
Подобрать составы клеев, исключающих просачивание (проникновение) клея на поверхность строганого шпона и обеспечивающих необходимую прочность облицовывания и санитарно-гигиенические требования к новому материалу.
Построить химическую модель адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз в системе "огнезащищенный шпон - клей — огнезащищенная фанера";
Разработать технологические режимы приклеивания огнезащищенного строганого шпона к материалу-основе.
Исследовать физико-механические, пожарно-технические_и^санитарно-гигиенические свойства огнезащищенной облицованной фанеры.
Изучить возможность отделки огнезащищенной облицованной фанеры лакокрасочными материалами.
Выполнить опытно-промышленные работы по апробации технологии изготовления ОЗОФ на одном из фанерных заводов.
10 Методы исследований. В работе использованы экспериментальные
методы исследований пропитки шпона и математического планирования эксперимента, теория адгезионного взаимодействия клея в системе "облицовочный слой - адгезив - подложка", методики определения физико-механических, пожарно-технических и санитарно-гигиенических свойств нового материала.
Научную новизну работы составляет;
Теоретическая модель адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз в системе "огнезащищенный шпон - клей - огнезащищенная фанера", позволившая теоретически оценить прочность адгезионного соединения и ее зависимость от содержания антипирена в материале;
Регрессионные уравнения, раскрывающие влияние технологических параметров облицовывания на пределы прочности при равномерном и неравномерном отрыве огнезащищенной облицовки от огнезащищенной подложки;
Закономерность влияния толщины горючего покрытия на пожарно-технические характеристики огнезащищенной облицованной фанеры.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в получении нового композиционного материала на основе шпона с хорошими эксплуатационными и декоративными характеристиками и разработке технологии его производства. Эффективность технологии подтверждена выпуском опытной партии в промышленных условиях. Полученный материал по своим эксплуатационным характеристикам (физико-механическим, пожарно-техническим и санитарно-гигиеническим) удовлетворяет требованиям вагоностроения.
Промышленный выпуск данного материала и его применение в транспортных средствах (вагоны, суда и др.) и ряде строительных объектов будет способствовать повышению их пожарной безопасности.
Основные положения, выносимые на защиту:
Научно-техническое обоснование технологии огнезащищенной фанеры, облицованной строганым шпоном ценных пород древесины;
Режимные параметры пропитки строганого шпона ценных пород древесины;
Теоретическая модель взаимодействия поливинилацетатного клея с огнезащищенной древесиной;
Регрессионные модели, описывающие пределы прочности при равномерном и неравномерном отрыве огнезащищенной облицовки (строганого шпона) от подложки (огнезащищенной фанеры);
Режимные параметры облицовывания трудногорючей фанеры строганым огнезащищенным шпоном;
Пожарно-технические, санитарно-гигиенические и физико-механические свойства нового огнезащищенного материала.
Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы реализованы в виде выпуска опытно-промышленной партии огнезащищенной фанеры, облицованной строганым шпоном ценных пород древесины, на Нижнеломовском фанерном заводе.
Апробация работы. Материалы по теме диссертационной работы докладывались на:
Научно-технической конференции докторантов и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ за 2000 год (Москва, 2001);
Научно-технической конференции докторантов и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ за 2001 год (Москва, 2002);
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ за
2002 год (Москва, 2003);
Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ за
2003 год (Москва, 2004);
12 - Научно-технической конференции профессорско-преподавательского
состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательских работ за
2004 год (Москва, 2005).
Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках настоящей работы, опубликованы в шести статьях в сборниках научных трудов МГУЛ, а также двух патентах РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 118 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 209 страницах, включая 36 рисунков и 43 таблицы.
Работа выполнялась в течение 2000-2005 гг. в Московском государственном университете леса на кафедре технологии мебели и изделий из древесины.
Анализ клеевых материалов, применяемых в деревообработке
К синтетическим клеям предъявляются требования эксплутационного, технологического и экономического характера [45].
Эксплутационные требования предполагают удовлетворение клеев тем условиям эксплуатации, в которых будет использоваться клееный материал. Клей должен: быть нейтральным к склеиваемым материалам; обеспечивать водостойкость и влагостойкость клеевого соединения; быть биостойким. После отверждения клей должен быть термостойким, т. е. не снижать прочность соединения при повышенной температуре. Клей должен обеспечивать эластичность клеевой прослойки, так как при эксплуатации возможны деформации склеенного материала. Отвержденный клей не должен обладать абразивными свойствами. Кроме этого к клеям могут предъявляться и другие требования -огнестойкость, бензостойкость, маслостойкость и др.
Среди основных технологических требований можно выделить следующие: клей должен просто приготовляться; хорошо наноситься на склеиваемые поверхности принятым способом и смачивать их. Клей должен иметь оптимальную скорость отверждения и отверждаться при невысокой температуре, так как высокая температура может изменять цвет древесины, ее влажность, повышать упрессовку и коробление материала. Клей должен обладать высокой жизнеспособностью и не должен быть токсичным.
Экономические требования, вытекающие из стремления обеспечить минимально возможную себестоимость изготовления клееной продукции, сводятся к следующему: недефицитность и дешевизна клея и его составляющих; для его приготовления должно использоваться стандартное оборудование; клей должен обеспечивать высокую производительность оборудования.
Существует большое количество разнообразных клеев, применяемых в промышленности, причем число их постоянно растет.
В настоящее время при склеивании и облицовывании древесины и древесных материалов применяют преимущественно синтетические смолы и клеи, значение которых за последние несколько десятилетий возросло по сравнению с природными смолами и клеями природного происхождения (казеиновыми, глютиновыми и др). Основу синтетических клеев составляют синтетические олигомеры и полимеры.
В зависимости от механизма отверждения синтетические клеи подразделяют на две основные группы: термореактивные и термопластичные.
Термореактивные клеи на основе амино- и фенолоформальдегидных, эпоксидных и насыщенных полиэфирных смол, полиуретановых олигоэфиров отверждаются в результате реакций поликонденсации или полимеризации. Клеевые соединения на основе термореактивных смол отличаются большой прочностью и жесткостью.
Термопластичные клеи могут быть изготовлены в виде дисперсий или растворов термопластов, а также в виде гранул, лент, пленок и нитей. В отличие от термореактивных термопластичные клеи сохраняют в клеевых слоях линейное строение цепей макромолекул, что определяет повышенную эластичность и несколько меньшую тепловодостойкость соединений. При облицовывании древесины и древесных материалов применяют клеи, как горячего, так и холодного отверждения (в зависимости от условий склеивания).
В деревообрабатывающей промышленности из клеев горячего отверждения наиболее широко применяются карбамидоформальдегидные клеи на основе карбамидных смол. Они обладают высокой адгезионной способностью к древесным материалам, сравнительно быстро отверждаются и имеют низкую стоимость. Карбамидные смолы образуют жесткие клеевые соединения, отличающиеся удовлетворительной стойкостью к воздействию воды комнатной температуры. В отвержденном состоянии этим клеям свойственна хрупкость, возрастающая по мере старения клеевого шва.
Синтезировано большое количество клеящих карбамидофор-мальдегидных смол, имеющих различное технологическое назначение.
Основной объем карбамидных смол, составляют смолы четырех марок: КФ-О, КФ-Б, КФ-Ж, КФ-БЖ, - выпускаемые по ГОСТ 14231 [46].
Смолы представляют собой однородные суспензии от белого до светло-коричневого цвета без посторонних включений.
Все КФ-смолы могут использоваться как для холодного склеивания, так и для горячего в зависимости от вида отвердителя. При горячем склеивании в качестве отвердителя применяют хлорид аммония NH4CI. Количество его по сухому остатку составляет 0,5-1,0 %.
При холодном склеивании отвердителем являются слабые кислоты, обычно щавелевая кислота (СООН)2 - продукт синтеза едкого натра и оксида углерода - в количестве, зависящем от кислотности смолы, обычно 5-10 м.ч. в виде 10%-ного водного раствора [47].
При отверждении клеев большое значение имеет наличие наполнителей, поскольку они влияют на вязкость клеев и технологические параметры склеивания. Для карбамидных клеев применяют те же наполнители, что и для фе-нольных клеев (древесную муку, каолин и др.).
Проведение работ по определению предела прочности шпона при растяжении
Этими исследованиями было предусмотрено изучение следующих марок дисперсий, выпускаемых отечественной промышленностью по ГОСТ 18992-80: Д51Н, ДФ51/Н, Д51С; ДФ51/10С, Д50В, ДФ50/15В, а также клея бытового назначения "ПВА-супер". Таким образом, в ходе предварительных испытаний были исследованы пластифицированные - ДФ51/15Н, ДФ51/15С, ДФ50/15В и непластифицированные - Д51Н, Д51С, Д50В клеи различной вязкости: Н - низкой, С - средней, В - высокой, то есть клеи, условная вязкость которых меняется в широком диапазоне.
Клеи различной вязкости были исследованы по той причине, что вязкость клеев - важнейшая технологическая характеристика, а для клеев групы ПВАД она имеет особое значение. Известно [57], что при применении низковязких дисперсий могут возникнуть трудности в связи с опасностью получения так называемого "голодного склеивания". При приклеивании пористых материалов низковязкие клеи могут быстро впитываться в материал, что приводит к необходимости снижения продолжительности открытой и закрытой выдержки перед склеиванием и, как правило, к образованию несплошной клеевой пленки, т.е. к появлению непроклеенных участков при соединении деталей.
Для получения сравнительной информации были изготовлены образцы двух видов: на основе березовой фанеры общего назначения марки ФК, I/II, Е1, Ш2, 1525x1525x10 ГОСТ 3976.1-96 и на основе трудногорючей фанеры для вагоностроения ФСФ-ТВ I/II, Ш2, 1525x1525x10 ТУ 73-972-98. При этом фанеру общего назначения облицовывали непропитанным строганым шпоном, а огнезащищенную фанеру - строганым шпоном, пропитанным в растворе антипирена МАФ. В обоих случаях порода древесины строганого шпона ясень, толщина шпона - 0,8 мм. Подготовку образцов проводили в несколько этапов: - из форматных листов фанеры выпиливали образцы прямоугольной формы размерами 65x100 мм - для испытаний на равномерный отрыв; 40x100 мм - для испытаний на неравномерный отрыв; - подготавливали образцы пропитанного и непропитанного строганого шпона размером 100x100 мм; - наносили клей на поверхность фанеры; для получения требуемого расхода (g=140 г/м2) образцы фанеры взвешивали до нанесения клея и после; по поверхности основы клей разравнивали с помощью щетки; - облицовывали фанеру строганым шпоном по следующему режиму: продолжительность открытой выдержки после нанесения клея - т0ТкР=5 мин; удельное давление прессования Р=1 МПа; продолжительность выдержки под давлением тпр.=15 мин.
Приклеивание строганого шпона к поверхности фанеры осуществляли на установке Р-5. После запрессовки образцы выдерживали в помещении лаборатории в течение 24 часов. Затем их распиливали на образцы меньших размеров, требуемых по стандартам. Образцы для испытаний на неравномерный отрыв облицовочного материала выпиливали таким образом, чтобы направление волокон шпона совпадало с длиной образца. Кроме этого направление волокон облицовочного материала должно совпадать с направлением волокон верхнего листа шпона основы. Поверхность облицовочного материала не должна иметь раковин, сколов, запилов и других видимых дефектов.
Согласно требованиям действующих стандартов испытания подготовленных образцов проводили на испытательной машине, оснащенной реверсом. Образцы нагружали с постоянной скоростью передвижения захвата машины, равной 24...30 мм/мин. Значение разрушающей нагрузки и характер разрушения заносили в протокол испытаний. При проведении испытаний на равномерный отрыв облицовочного материала, к предварительно прошлифованной и обезжиренной поверхности образца приклеивали эпоксидным клеем металлические цилиндры (штифты) диаметром 20 мм и длиной 50 мм. После этого образцы выдерживали в течение 24-28 часов до полного отверждения клея. Испытания проводили с равномерной скоростью нагружения, равной 40-50 Н/с до отрыва цилиндра от образца.
Для вычисления прочности клеевого соединения при испытании на неравномерный отрывки.о. использовали формулу: 7„.о.= (2-12) где Ртах - разрушающая нагрузка, Н; Ъ - ширина образца, м. Предел прочности при равномерном отрыве qpo строганого шпона определяли по формуле: 7ро.= (2-13) где Ртах - разрушающая нагрузка, Н; 9 7V С1 о SOT. - площадь отрыва, мм ; Sm = = 3 14 мм .
Как при равномерном, так и при неравномерном отрыве облицовочного материала за результат испытания принято среднее арифметическое значение прочности клеевого соединения всех испытанных образцов.
Исследование влияния высокотемпературных концентрированных растворов антипирена на свойства шпона
Как уже было сказано выше, огнезащищенную фанеру конструкционного назначения изготавливают с использованием лущеного шпона, пропитанного в растворе антипирена высокой концентрации. Такой клееный конструкционный материал по своим физико-механическим и пожарно-техническим характеристикам, как известно, удовлетворяет требованиям вагоностроения [13, 43].
Что касается строганого шпона ценных пород (красное дерево, орех, ясень и др.), применяемого для облицовывания фанеры, то, как правило, его отличительной особенностью в сравнении с лущеным шпоном является малая толщина 0,4... 1 мм и высокие декоративно-эстетические свойства. Эти особенности диктуют проведение специальных исследований с целью выявления закономерностей в технологии пропитки строганого шпона. Поисковые исследования по пропитке строганого шпона в растворах высокой концентрации антипирена показали, что режимы промышленной пропитки лущеного шпона, приведенные в литературе [13, 24] не подходят для тонкого строганого шпона ценных пород древесины из-за высокой высаливаемости антипирена. Пропитку тонкого строганого шпона (s=0,6-0,8 мм) следует вести в растворах с пониженной концентрацией антипирена [74], причем желательно при высокой температуре. Нами были выполнены исследования при следующих режимных параметрах: температура пропиточного раствора Т=85С, (температура равная 85С -это максимально возможная температура для пропитки в растворе антипирена МАФ); концентрация U=25, 30, 35 %; время пропитки т от 5 секунд до 60 минут; толщина шпона s=0,8 мм. Влажность шпона была не ниже 60 %, т. к. при такой влажности и выше процесс пропитки происходит наиболее эффективно. В экспериментах использовали лущеный березовый шпон и строганый шпон дуба, явора, ясеня, красного дерева. После пропитки шпон подвергали сушке в сушильном шкафу.
В результате выполненных исследований были установлены количественные и качественные характеристики процесса пропитки шпона исследуемых древесных пород. Для иллюстрации кинетики поглощения антипирена приведены кривые его относительных поглощений для шпона березы (рис.3Л), красного дерева (рис.3.2), дуба (рис.3.3), явора (рис.3.4), ясеня (рис.3.5). Анализ этих кривых показывает, что для лущеного шпона березы по мере возрастания концентрации антипирена растет и его поглощение. Максимальное значение поглощения антипирена шпоном составляет 33 % при времени пропитки 60 минут и концентрации раствора 35 % (кривая 1), наименьшее при времени пропитки 60 минут - 25 % (кривая 3). Промежуточное значение занимает кривая 2, соответствующая 30 %-ой концентрации раствора антипирена, при которой максимальное поглощение антипирена составляет 30,8 %. Аналогичная зависимость наблюдается и для поглощения антипирена строганым шпоном. Так, например, для строганого шпона красного дерева (рис. 3.2) максимальное поглощение составляет 32,9 % для времени пропитки 60 минут и концентрации раствора 35 % (кривая 1), наименьшее поглощение антипирена при времени пропитки 60 минут составляет 26,2 % при концентрации раствора 25 % (кривая 3). Кривая 2, соответствующая 30%-й концентрации раствора занимает промежуточное значение между кривыми 1 и 3. Поглощение антипирена при пропитке в течение 60 минут составляет 29,2 %. Такие же кинетические кривые поглощения получены и при пропитке строганого шпона дуба (рис. 3.3), явора (рис. 3.4) и ясеня (рис. 3.5). Таким образом, можно отметить, что кривые поглощения для различных пород имеют одинаковый характер с некоторым отличием в значениях поглощений.
Кинетика поглощения антипирена шпоном ясеня при температуре пропиточного раствора 85 С и его концентрации: 1-35 %; 2-30 %; 3-25 % Анализ этих экспериментальных кривых поглощения выявил закономерности, проявляющиеся при пропитке шпона. Во-первых, в начальный момент проявляется "скачкообразный" характер поглощения соли (антипирена), причем за несколько секунд поглощение достигает 10... 15 % в зависимости от породы древесины. Это говорит о высокой скорости пропитки в ее начальный период и о высоком градиенте концентрации в этот период. Затем скорость пропитки резко снижается и по истечении 30 минут достигает минимальных значений.
Анализ состояния поверхности образцов показал, что поверхность строганого шпона тех пород, структура которых имеет разветвленную, сложную систему крупных и мелких сосудов (дуб, ясень), особенно чувствительна к растворам повышенной концентрации при продолжительной пропитке (более 5 мин), что выражается в значительной высаливаемости - кристаллизации соли антипирена на поверхности листа (40 %...100 %).
Исследование влияния технологических факторов на адгезионную прочность методом математического планирования эксперимента
На начальном этапе поисковых работ в исследованиях применялся метод "огневой трубы", который позволяет определить относится материал к горючим или нет.
Для проведения эксперимента были подготовлены образцы фанеры, облицованные строганым шпоном ценных пород древесины. В качестве материала-основы применялась фанера конструкционного назначения марки ФСФ-ТВ толщиной 4 и 10 мм. В качестве облицовки использовался строганный шпон дуба, ясеня и красного дерева толщиной 0,8 мм, как антипирированный - с поглощением антипирена 14-16 %, так и обычный (без антипирена). Антипирированный строганый шпон с поглощением 14-16% был получен путем кратковременной пропитки (2 с) влажного шпона (fT=60-70 %) в растворе антипирена с последующей технологической выдержкой в стопе в течение 24 часов. Концентрация и температура пропиточного раствора составляли соответственно 30 % и 85 С. Стопы пропитанного шпона на время выдержки укрывались полиэтиленовой пленкой, для предотвращения испарения влаги с открытых поверхностей.
Фанера облицовывалась с двух сторон. При облицовывании фанеры на данном этапе (этапе проведения огневых испытаний), направленном на определение пожаро-технических характеристик огнезащищенной облицованной фанеры, использовались режимные параметры, которые применялись при приклеивании трудногорючего пластика "манминит" к поверхности огнезащищенной фанеры. Используемые режимы и расходные характеристики брались с тем расчетом, чтобы их величина не могла отрицательно повлиять на прочность склеивания, т.е. соответствовала верхнему пределу для холодного склеивания древесных материалов клеями на основе поливинилацетатной дисперсии (ПВАД).
Изготовление образцов огнезащищенной фанеры, облицованной строганным шпоном ценных пород древесины, для исследования пожарно-технических характеристик проводили по следующему режиму: - удельное давление прессования - 1 МПа; - продолжительность выдержки под давлением - 24 мин; - прессование проводили без нагрева плит пресса (« 20С).
В качестве связующего применяли ПВАД марки ДФ 51/15С, расход которого составлял 180 г/м2. Связующее наносили на поверхность огнезащищенной фанеры щеткой, равномерно распределяя его по всей площади контакта. На подготовленную таким образом фанеру укладывали лист строганого шпона и осуществляли прессование.
Для контроля и сравнительного анализа получаемых при огневых испытаниях результатов, наряду с облицованной фанерой была испытана необлицо-ванная фанера (материал-основа).
Результаты испытаний по методу "Огневой трубы" представлены в табл. 3.2. Эти данные свидетельствуют о том, что фанера, облицованная строганым антипирированным шпоном, по степени огнезащиты не хуже трудногорючей фанеры конструкционного назначения марки ФСФ-ТВ. Новый материал по методу "Огневой трубы" не относится к группе горючих материалов (даже в случае применения в качестве облицовки строганого шпона без антипирена) в связи с тем, что потеря массы у испытанных образцов менее 20 %, самостоятельное горение пламенем менее 60 с и пламя не распространяется по всей поверхности образца [65]. Материал имеет высокое сопротивление горению пламенем и тлением. Эти показатели у облицованной фанеры равны нулю (в обоих случаях: с антипирированным и неантипирированным строганым шпоном). Если материал по методу "Огневой трубы" не относится к группе горючих, то рекомендуется определять группу горючести материалов методом ОТМ [13].
Для огневых испытаний по этому методу в качестве основы были подготовлены образцы огнезащищенной фанеры конструкционного назначения марки ФСФ-ТВ толщиной 4, 10 и 15 мм, а в качестве облицовки - пропитанный строганый шпон красного дерева толщиной 0,8 мм с поглощением антипирена 15 %, а также непропитанный шпон такой же толщины. Содержание антипирена в строганом шпоне было существенно меньше минимально рекомендуемо-го(20%) для изготовления трудногорючей фанеры конструкционного назначения. Образцы фанеры-основы были облицованы с двух сторон и затем испытаны методом ОТМ. Результаты огневых испытаний (табл. 3.3) свидетельствуют о том, что фанера марки ФСФ-ТВ толщиной 4, 10 и 15 мм, облицованная с двух сторон огнезащищенным строганым шпоном красного дерева, относится к группе трудногорючих материалов, т. к. все испытанные образцы имели приращение температуры менее 60 С и потерю массы менее 60 %. Отметим, что разброс в полученных значениях приращения температуры, а также различия в потере массы более существенны для образцов на основе фанеры толщиной 4 и 10 мм фанеры. У этих образцов выше и фактические величины исследуемых параметров.
Что касается испытаний образцов с облицовкой из обычного (неогнеза-щищенного) строганого шпона, то исследованиями было установлено, что образцы толщиной 4 и 10 мм относятся к горючим материалам средней воспламеняемости - 0,5 мин г 4 мин, а образцы толщиной 15 мм хотя и относятся к группе трудногорючих, по сравнению с образцами такой же толщины, но с облицовкой из огнезащищенного шпона, имеют худшие показатели.
