Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Задачи исследований 13
1.1. Строение и свойства древесины осины 13
1.2. Характеристика антипиренов и способов пропитки древесины 20
1.3. Явления, сопровождающие процесс взаимодействия адгезива и подложки при склеивании 27
1.4. Выводы. Задачи исследований 36
2. Методика проведения исследований 38
2.1. Общие положения 38
2.2. Исходные материалы и их характеристика 39
2.2.1. Осиновый лущеный шпон 39
2.2.2. Антипирен 39
2.2.3. Адгезив 40
2.3. Основное оборудование и приборы 42
2.4. Методы исследований 43
2.4.1. Методика исследования поверхностной пористости шпона 43
2.4.2.Мето дика определения поверхностных свойств подложки 44
2.4.3. Методика исследования влияния температуры смолы на величину ее поверхностного натяжения 49
2.4.4. Методика исследования влияния количества антипирена, содержащегося в шпоне, на свойства адгезива и на степень его отверждения 51
2.4.5. Методика исследования кинетики нагрева пакета шпона 54
2.4.6. Методика исследования деформации пакета шпона 54
2.5. Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований 57
3. Теоретические исследования процесса проникновения адгезива в древесину 58
4. Исследование влияния ряда факторов на процесс формирования клевых соединений огнезащи-щенного материала из шпона 73
4.1. Исследование поверхностной пористости шпона 73
4.2. Влияние антипирена на свойства шпона 78
4.3. Влияние антипирена на свойства связующего 80
4.4. Исследование влияния времени закрытой вдержки на прочность склеивания 87
4.5. Исследование деформации и нагрева пакета осинового шпона 89
4.6. Выводы 95
5. Установление рациональных условий и режима склеивания антипирированного осинового шпона 97
5.1. Выделение факторов, существенно влияющих на прочность склеивания фанеры 97
5.1.1. Постоянные и переменные факторы при проведении экспериментов 97
5.1.2. Оценка уровня шума при планировании эксперимента 98
5.1.3. Матрица планирования эксперимента по методу случайного баланса и анализ результатов ее реализации 102
5.2. Определение рациональных параметров режима склеивания слоистого материала из огнезащищенного осинового шпона 115
5.2.1. Постоянные и переменные факторы при проведении экспериментов 115
5.2.2. Матрица планирования экспериментов и статистическая оценка результатов ее реализации 118
5.2.3. Анализ результатов экспериментов 121
5.3. Выводы 123
6. Технико-экономическая эффективность внедрения в производство трудногорючего слоистого материала из осины 125
6.1. Расчет экономической эффективности от внедрения осинового сырья 125
6.2. Выводы 125
Заключение 126
Список использованных источников 128
Приложения 139
- Явления, сопровождающие процесс взаимодействия адгезива и подложки при склеивании
- Методика исследования влияния количества антипирена, содержащегося в шпоне, на свойства адгезива и на степень его отверждения
- Исследование деформации и нагрева пакета осинового шпона
- Матрица планирования эксперимента по методу случайного баланса и анализ результатов ее реализации
Введение к работе
Проблема пожарной безопасности объектов всегда стояла остро перед наукой и практикой. Особенно опасны возгорания транспортных средств - вагонов, судов, контейнеров и др., которые приводят не только к значительным материальным потерям, но и человеческим жертвам. С учетом возрастания пассажирских потоков эта проблема будет еще более обостряться.
Промышленное развитие общества привело к увеличению концентрации разных форм энергии в ограниченных объемах. Это относится как к гражданским сооружениям, так и к промышленным объектам и, в частности, к подвижному составу железных дорог, судов и др. Если в начале 20-х годов энергонасыщенность железнодорожного пассажирского вагона была 4 - 4,5 кВт/м , то в настоящее время энергонасыщенность современного вагона высшей категории, оборудованного системами кондиционирования воздуха и другими устройствами обеспечения комфорта при той же площади составляет 30-35 кВт/м . Одним из условий пожаробезопасности вагона является препятствие открытому распространению пламени в течение 30 - 40 минут.
Научно-исследовательские учреждения вагоностроительной промышленности и ВНИИПротивопожарной обороны на основании многолетних исследований и опытно-конструкторских работ пришли к выводу о том, что никакие пожаросигнальные системы и устройства автоматического пожаротушения в реальных условиях эксплуатации парка не в состоянии обеспечить надежную защиту пассажирского подвижного состава от пожаров, однако, они требуют больших затрат на содержание таких устройств в исправном состоянии.
Эффективным направлением повышения пожаробезопасности зданий, сооружений, транспортных средств является применение в ка-
честве конструкционного материала огнезащищенной фанеры.
Для производства фанеры в основном используют древесину бе
резы. Древесина мягких лиственных пород (осины, ольхи, липы) ис-
^ пользуется в значительно меньшем объеме.
Проблема использования древесины мягких лиственных пород весьма актуальна. В перспективе эта задача приобретает еще большее значение. Возникшая по ряду причин нехватка древесины березы в европейской части страны ставит задачу более полного использования древесины других мягких лиственных пород, значительную часть которых составляет осина. Во многих областях европейской части страны запасы мягкой лиственной древесины составляют более 50 % всей покрытой лесом площади.
Ресурсы осинового древесного сырья огромны /23/. На протяжении последних десятилетий происходило систематическое накопление площадей и запасов осинников, т.к. осина - одна из наиболее произво-дительных древесных пород. Обширный ареал, успешное возобновление естественным путем, быстрый рост, меньший по сравнению со многими другими породами возраст рубки обуславливают необходимость изыскания путей ее рационального использования. Невостребованность осинового сырья при выполнении сплошных рубок создает значительные трудности в работе лесозаготовительных организаций. Как известно /25,51,62,83,104/, по потребительским свойствам осина мало уступает другим породам. Она является основным сырьем для спичечной промышленности, используется в сельском строительстве (колодцы, погреба, кровля и т.д.). Может также использоваться в производстве древесноволокнистых плит, целлюлозы, картона, фанеры, лесохимии и других отраслях. Осина легкая, но довольно крепкая и упругая древесина, легко лущится.
Однако, существенным недостатком осинового сырья, сдерживающим его применение в промышленности, является пораженность гнилью. Установлено, что в древесине спелых и перестойных насаждений количество пороков резко возрастает. Поэтому рубка осинников целесообразна в возрасте 30-40 лет, когда прирост древесины преобладает над ростом гнили по диаметру бревна /62/.
Осина широко применяется в производстве спичек. Поэтому промышленность имеет определенный опыт по гидротермической обработке и лущению осинового сырья.
В некоторых регионах нашей страны осину используют в фанерном производстве, но технология такой фанеры нуждается в совершенствовании из-за недостаточной изученности процессов склеивания осинового шпона. Анализ литературных источников показывает возможность и целесообразность использования осинового шпона в производстве фанеры при применении специальных технологий /32,40/. Отличие в строении березы и осины позволило предположить высокие огнезащитные свойства фанеры, изготовленной из осинового шпона. Проведенные экспериментальные исследования /100/ подтверждают это предположение.
Актуальность проблемы создания научно-обоснованной технологии склеивания огнезащищенного шпона подтверждается и многочисленными публикациями в отечественной литературе. В разные годы над ее решением работали А.А. Леонович, А.В. Орлов, Л.М. Столбова, И.В. Трофимова, Д.А. Щедро, А.В. Волков, В.М Семенова /70/ и многие другие исследователи.
Получение продукции в производстве фанеры, фанерных плит включает в себя комплекс технологических операций, направленных на получение материала, отвечающего определенным требованиям. Многообразие процессов, предшествующих пьезотермической обра-
ботке огнезащищенного лущеного шпона из осины, и сопровождаю
щих отверждение адгезива, определяют необходимость рассмотрения
формирования клееных слоистых материалов как сложной иерархиче-
I ской системы, дифференцирования ее, выделения входных и выходных
параметров на каждом этапе.
Формирование клеевых соединений огнезащищенных материалов - это сложный физико-химический процесс взаимодействия адгезива и древесины, пропитанной антипиреном, сопровождающийся массо- и теплообменом, фазовыми превращениями и изменением реологии компонентов. Поэтому разработка обоснованных режимов склеивания возможна только на основе знаний закономерностей явлений, имеющих место при склеивании, свойств древесины и адгезива.
Таким образом, для решения проблемы расширения сырьевой базы фанерного производства и ассортимента продукции путем использования древесины осины необходимо разработать научные основы технологии склеивания шпона, учитывающей особенности этой породы, которые создают значительные технологические трудности и существенным образом влияют на качество образования клеевого соединения.
В производстве клееных слоистых материалов общепризнанным критерием качества материала является прочность соединения при скалывании по клеевому слою, а также точность изготовления конечного продукта при минимальных затратах сырья, материалов и трудовых ресурсов.
В диссертации обобщены основные сведения об используемых антипиренах, способах пропитки древесины огнезащитными составами. Описаны явления, сопровождающие процесс взаимодействия адгезива и подложки при склеивании.
Учитывая специфику физико-механических свойств осины, в диссертации проведены исследования, направленные на изучение взаи-
модействия антипиренов с древесиной. Определена поверхностная по
ристость осинового шпона, пропитанного и непропитанного антипире-
ном.
f, Антипирен и используемый при склеивании адгезив являются
высокомолекулярными соединениями. Состав и строение этих веществ во многом идентичны и определяют характер их взаимодействия, требования к технологическому процессу, возможность его ускорения при горячем способе склеивания. Однако антипирен, находящийся на поверхности шпона, оказывает влияние на клей, в результате которого осложняется процесс склеивания. В этой связи в работе рассмотрены вопросы, направленные на изучение взаимодействия солей огнезащитного состава с клеем, влияния огнезащитного состава на изменение свойств клея и на процесс его отверждения. Исследованы физико-химические процессы, протекающие, как на поверхности подложки (огнезащищенный осиновый шпон), так и на границе взаимодействия подложки со связующим; обоснованы факторы, влияющие на формирование прочного клеевого соединения.
Склеивание огнезащищенного шпона представляется как процесс, при котором одновременно происходит нагрев и деформирование шпона, перенос и отверждение связующего. Клей смешивается с солями антипирена, находящимися на поверхности шпона, и проникает в древесину. Воздействие температуры на древесину при горячем склеивании существенно снижает ее модуль упругости, изменяет характер деформирования. В работе проведены исследования по установлению характера деформирования и нагрева пакета пропитанного и непропитанного антипиреном шпона. Результаты исследования деформации пакета огнезащищенного шпона из осины показывают их временной характер и позволяют применить закон изменения давления на склеиваемый материал /94,97/ для разработки режима склеивания, с учетом
уменьшения модуля упругости шпона в результате нагрева.
Одним из основных технологических факторов, влияющих на качество огнезащищенного слоистого материала, является давление прессования, которое с одной стороны обеспечивает создание необходимого контакта между склеиваемыми поверхностями, а с другой - приводит к разрушению клеевых связей в результате образования в пакете парогазовой смеси с высоким избыточным давлением. В диссертации исследована возможность снижения давления при склеивании осинового шпона. Установлено, что склеивание огнезащищенного шпона из осины, целесообразно проводить при давлении 1,2 МПа. При этом давлении значения упрессовки пакета огнезащищенного шпона из осины соответствуют упрессовке огнезащищенного березового шпона.
Снижение вредного влияния парогазовоздушной смеси возможно путем склеивания шпона при низких температурах. Использование известных рецептов клея для низкотемпературных процессов приводит к увеличению продолжительности склеивания. Применение в качестве антипирена солей полифосфатов аммония позволяет снизить температуру плит пресса, не увеличивая длительность цикла пьезотермической обработки.
Интерес представляют результаты исследований по проникновению жидкостей (антипирена и адгезива) в древесину. На этой основе построена математическая модель процесса проникновения клея в древесину, учитывающая свойства связующего и поверхностную пористость подложки. Практическая реализация результатов исследований обеспечит выпуск продукции с заданными свойствами с минимальными затратами на производство.
В работе обоснованы режимы склеивания огнезащищенного слоистого материала из осины.
Цель работы. Повышение пожароустойчивости транспортных средств путем применения огнезащищенных древесных материалов из осинового шпона и расширение сырьевой базы фанерного производства.
Научная новизна работы.
Разработана математическая модель процесса проникновения адгезива в древесину, учитывающая свойства клея и поверхностную пористость подложки.
Экспериментально, в том числе и с применением электронной сканирующей микроскопии, определены поверхностные свойства осинового шпона, пропитанного антипиреном.
Установлены факторы, существенно влияющие на качество фанеры, и на этой основе разработаны режимы склеивания огне-защищенного осинового шпона.
Научные положения, выносимые на защиту.
Скорость проникновения связующего в подложку является функцией вязкости клея и поверхностной пористости древесины.
Термодинамические параметры подложки зависят от количества антипирена и его химической природы.
Полифосфаты аммония являются реакционноспособным веществом, ускоряющим процесс отверждения феноло-формальдегидных смол.
Достоверность сформулированных в диссертации научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, обосновывается использованием современных средств научных исследований, а также положительными результатами испытаний опыт-
но-промышленной партии продукции, проведенных в условиях ОАО "Фанпласт" (г. Санкт-Петербург).
Практическая значимость работы. Предложен эффективный клееный слоистый материал из огнезащищенного осинового шпона, позволяющий повысить пожароустойчивость транспортных средств и востребованность осинового сырья. Математическая модель процесса проникновения адгезива в древесину обосновывает его вязкость при нанесении на поверхность непосредственно перед склеиванием. Разработанные рациональные режимы склеивания трудногорючего клееного слоистого материала дают возможность снизить расход сырья при склеивании фанеры из осинового шпона.
Работа выполнена в Санкт-Петербургской Государственной лесотехнической академии на кафедре технологии деревообрабатывающих производств.
Основные положения, разработанные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-практической конференции "Слагаемые успеха мебельного рынка: дизайн, технологии и маркетинг" (г. Санкт-Петербург, октябрь 1998 г.), на Международном Форуме "Лесопромышленный комплекс России на рубеже XXI века" (г. Санкт-Петербург, октябрь 1999 г.), на Международном Форуме "Лесопромышленный комплекс России XXI века" (г. Санкт-Петербург, октябрь 2000 г.) и научно-технических конференциях Санкт-Петербургской Государственной лесотехнической академии.
Промышленная проверка разработанных режимов получения огнезащищенной фанеры из осинового шпона проведена на ОАО "Фанпласт" (г. Санкт-Петербург).
По результатам исследований опубликовано 5 статей.
Явления, сопровождающие процесс взаимодействия адгезива и подложки при склеивании
Изучение явлений прилипания и склеивания затруднено в связи с тем, что механизм взаимодействия поверхностных сил исследователями объясняется по-разному; до сего времени не существует единой трактовки, позволяющей объяснить весь комплекс явлений адгезии.
Адгезию можно разделить на специфическую и механическую /111/. Первая, характеризующая взаимодействие элементарных частиц (молекул, ионов, функциональных групп) разнородных тел, возникает в момент контакта адгезива и субстрата в результате физико-химической адсорбции и зависит от характера и плотности адгезионных связей различных по своей природе: химических (ионных, ковалентных), водородных, межмолекулярных (ориентационных, индукционных, дисперсионных). Специфическое взаимодействие усиливается при отверждении связующего вследствие уменьшения подвижности его молекул.
Древесина способна устанавливать не только специфические, но и механические связи между связующим и субстратом. Механическая адгезия, образующаяся в результате проникновения жидкого клея в поры древесины и перехода его в твердое состояние, определяется коге-зионной прочностью связующего и древесины в зоне контакта и зависит от количества "гвоздевых" связей и их глубины. Специфическая адгезия зависит от природы взаимодействующих тел, их поверхностных свойств, характера массо- и теплообменных процессов, сопровождающих контактирование веществ при склеивании, площади контакта и глубины проникновения клея, возможности установления химических связей.
Современные представления физико-химии полимеров и химии поверхностных явлений позволяют относительно полно рассматривать вопросы адгезии с точки зрения адсорбционно-молекулярной теории. Согласно этой теории можно выработать единый подход к проблеме адгезии полимеров к древесине и древесным материалам, а также к материалам различной природы. Адсорбционная и молекулярная теории рассматривают адгезию как результат проявления сил молекулярного взаимодействия между контактирующими фазами. Кроме того, молекулярная дополняет адсорбционную еще и тем, что рассматривает взаимодействие адгезива полимерной природы с субстратом как сложное физико-химическое явление.
Рассматривая смачивание поверхности субстрата адгезивом, как результат проявления межмолекулярных сил, молекулярная теория большое внимание уделяет вопросам термодинамики адгезии - соотношениям поверхностных энергий адгезива и субстрата. В рамках адсорбционно-молекулярной теории взаимодействие адгезива и субстрата рассматривается не только как чисто поверхностное явление, но и в определенной степени как пространственное. Между молекулами клея и подложки возникают различные силы (от слабых - дисперсионных до сил химической природы). Силы взаимодействия в системе клей - шпон могут быть гетеро- и гомеополярными, водородными и силами Ван-дер-Ваальса, при этом связи могут образовываться в результате самых различных сочетаний: ориентационные + дисперсионные, электровалентные + ориентационные и т.д. Взаимодействие между контак тирующими частицами возникает мгновенно, как только произошло необходимое для этих сил сближение частиц. Сцепление представляет собой самопроизвольно идущий процесс с выделением энергии. Поэтому прилипание тел (когда оно не предшествует склеиванию и не является составной частью этого процесса) может играть как положительную, так и отрицательную роль. Если же прилипание является одной из стадий процесса склеивания, то оно всегда положительно и, в первую очередь, обуславливает качество склеивания.
При склеивании необходимо принимать во внимание прочность соединяемых тел и связующего материала, т.е. учитывать когезию наравне с адгезией. Для качественного склеивания необходимо, чтобы адгезия тел по своей величине была близкой когезии, при этом тип разрушении, как правило, смешанный. Вот почему необходимо определять поверхностную энергию как клея, так и склеиваемого материала.
Анализ теоретических положений показывает важную роль поверхностных явлений для качественного склеивания /89/.
Глубина и скорость проникновения клея в древесину зависит от природы клея, породы и влажности древесины, температуры и давления склеивания и др.
Природа и характер сил, действующих между контактирующими поверхностями адгезива и субстрата, наглядно проявляются в явлении смачивания. Смачиваемость поверхности древесины - одна из важных характеристик ее физических свойств, влияющая на качество клеевых соединений, характеризует возможность поглощения древесиной клея, а также способность адгезива распределяться по подложке /50,96/. Это свойство поверхности не является величиной постоянной, а функцией многих факторов. Результаты исследований /93/ показали, что поверхностные свойства древесины во многом зависят от длительности хранения сортиментов после обработки, влажности, температуры и продолжительности ее воздействия. При разработке рациональных условий и режима склеивания огнезащищенного осинового шпона необходимо учитывать, что шпон пропитан антипиреном. Поэтому в исследованиях необходимо определить поверхностные свойства осинового шпона, пропитанного и непропитанного антипиреном. Скорость проникновения клея в подложку зависит от поверхностной пористости шпона, поэтому так же необходимо проведение исследований в этой области.
Для оценки поверхностных явлений в деревообработке используется понятие модельного тела Гиббса /5,6,7,9,54,68,93/. При этом на жидкости существует двойная пленка Харкинса: на поверхности раздела жидкость - твердое тело и жидкость - воздух. При склеивании древесины также двойная пленка: твердое тело - жидкость - твердое тело. Кроме этого, при взаимодействии древесины с клеем следует учитывать: 1. Древесина поглощает воду из раствора связующего более интенсивно, чем собственно клей. 2. Поглощение воды происходит как фильтрацией, так и диффузией. 3. Так как средняя начальная влажность древесины равна 8 %, то поглощенная ею влага может связываться с древесиной ад-сорбционно. 4. Капилляры древесины имеют неправильную геометрическую форму и расположены под углом, отличным от прямого к поверхности раздела фаз.
Методика исследования влияния количества антипирена, содержащегося в шпоне, на свойства адгезива и на степень его отверждения
Вязкость смолы, смешанной с определенным количеством ЖКУ, определяли по вискозиметру ВЗ-4. За условную вязкость смолы принято время непрерывного истечения в секундах определенного ее объема через калибровочное сопло.
Продолжительность желатинизации клея определяли двумя способами: на нагревательной плитке и на водяной бане. При определении продолжительности желатинизации клея первым способом температуру плитки контролировали с помощью термометра, вставленного в боковое отверстие плиты. Затем около 1,5 г клея наносили на центральную часть плиты и включали секундомер. Смолу равномерно распределяли стеклянной палочкой на площади квадрата размером 50x50 мм, после этого ее непрерывно перемешивали. Когда смола начинала густеть, из нее периодически вытягивали нити на высоту не более 20 мм. При обрыве нитей смолы секундомер останавливали. За время желатинизации принимали время в секундах, прошедшее с момента нанесения на плитку до момента обрыва нитей.
При определении времени желатинизации по второму способу в пробирке взвешивали 2,0 г приготовленного клеевого раствора и опускали ее в кипящую водяную баню и включали секундомер. Клеевой раствор энергично перемешивали палочкой до начала его желатинизации. За время желатинизации считали время в секундах с момента погружения пробирки в кипящую воду до момента потери текучести клеевого раствора.
Цель исследований - установить влияние условий и режима склеивания на нагрев пакета шпона. Пакеты шпона нагревали плитами пресса Д2430Б. Измеряли температуру в центре пакета шпона в наиболее удаленном от плит пресса слое с помощью хромель-копелевых термопар и миллиамперметра марки Ml 109. Цель исследований - установить влияние условий и режима склеивания на характер деформации пакета шпона. Текущую полную деформацию пакета шпона, пропитанного ан-типиреном и не пропитанного, определяли при помощи микрометрического стрелочного индикатора, закрепленного на плитах пресса. Остаточную деформацию пакета шпона (упрессовку) определяли по известной методике /93/. Методическая сетка проведения эксперимента представлена в табл. 2.10. Однофакторные эксперименты проводили на основе методических сеток в соответствии с целью и задачами исследования. Обработка результатов эксперимента включала определение среднего значения выходного параметра, его дисперсии и среднего квадратического отклонения, коэффициента вариации, оценки различия между теоретическим и эмпирическим распределениями, критериев Колмогорова и Смирнова. Далее по результатам однофакторных экспериментов получены зависимости между функцией и аргументом в виде уравнения регрессии. Для планирования и обработки результатов многофакторных экспериментов и оптимизации процессов использовали методики /10, 38, 45, 69/. Проверку однородности воспроизводимости результатов экспериментов осуществляли по G-критерию Кохрена, значимости коэффициентов регрессии - по t - критерию Стьюдента, адекватности уравнений - по F - критерию Фишера. Поглощение древесиной связующего на всех этапах склеивания один из наиболее сложных вопросов. Его решение необходимо для научного обоснования не только требуемого расхода клея и его свойств, в первую очередь вязкости, но и параметров режима склеивания. Древесина, благодаря ее микроструктуре, обладает способностью впитывать жидкость, нанесенную на ее поверхность. Глубина проникновения клея в шпон при склеивании последнего зависит от многих технологических параметров склеивания, таких как давление, температура прессования, вязкость и расход клея и др. Экспериментальные исследования глубины проникновения клея в шпон и деформирования древесных клеток методом электронной сканирующей микроскопии /101/ показывают отсутствие сплошного чистого клеевого слоя между двумя листами шпона. Практически весь нанесенный на шпон клей адсорбируется древесиной. В среднем клей проникает в шпон на глубину 0,06...0,16 мм; толщина деформированной зоны составляет 0,08...0,6 мм. В этой связи особый интерес представляет проблема взаимодействия жидкого адгезива со шпоном, который является капиллярно-пористым телом с полостями различных размеров, способным поглощать связующее. С целью определения возможной продолжительности проникновения жидкого клея в древесину были проведены теоретические и экспериментальные исследования зависимости скорости истечения адгезива различной температуры из капилляров разного диаметра. На проникновение клея в древесину существенное влияние оказывает его вязкость. Известно, что с течением времени происходит нарастание вязкости клея, что, в свою очередь, ведет к ухудшению смачивания поверхности и плохому проникновению клея в капилляры древесины, в результате чего образуются пустоты, не заполненные клеем, которые являются концентраторами напряжений, и, в результате всего, -низкая прочность склеивания. Древесина является твердым капиллярно-пористым телом с порами различных размеров. Полости клеток и сосуды представляют поры значительно большего размера, чем поры в оболочках клеток /61, 81/. Для низковязких жидкостей, в первую очередь воды, поры древесины являются взаимосообщающимися.
Объемная пористость (П), представляющая отношение объема пор к объему тела, изменяется в широком диапазоне в среднем от 40 до 70 % и зависит, в основном, от породы древесины. После гидротермической и механической обработки пористость увеличивается в результате разрушения древесины. В большей степени это относится к тонким слоям древесины, получаемым в результате лущения и строгания. Несмотря на то, что поры древесины сообщаются друг с другом, при исследовании процессов склеивания и отделки считать, что эффективное поровое пространство равно объемной пористости, на наш взгляд неправомерно, т.к. размеры полостей клеток находятся в пределах от 0,004 до 0,05 мм (у сосудов достигают 0,02...0,5 мм) /61/, а размеры пор, соединяющих полости клеток на несколько порядков меньше. В обычном состоянии межклеточные поры являются непроницаемыми для связующих. Для анализа взаимодействия древесины с адгезивами важным является понятие поверхностной пористости (77„), представляющей отношение эффективной площади пор к общей площади поверхности. Поверхностная пористость древесины существенно зависит от вида сечения по отношению к направлению волокон, а также от количества перерезанных в результате механической обработки клеток древесины.
Исследование деформации и нагрева пакета осинового шпона
Поглощение древесиной связующего на всех этапах склеивания один из наиболее сложных вопросов. Его решение необходимо для научного обоснования не только требуемого расхода клея и его свойств, в первую очередь вязкости, но и параметров режима склеивания.
Древесина, благодаря ее микроструктуре, обладает способностью впитывать жидкость, нанесенную на ее поверхность. Глубина проникновения клея в шпон при склеивании последнего зависит от многих технологических параметров склеивания, таких как давление, температура прессования, вязкость и расход клея и др.
Экспериментальные исследования глубины проникновения клея в шпон и деформирования древесных клеток методом электронной сканирующей микроскопии /101/ показывают отсутствие сплошного чистого клеевого слоя между двумя листами шпона. Практически весь нанесенный на шпон клей адсорбируется древесиной. В среднем клей проникает в шпон на глубину 0,06...0,16 мм; толщина деформированной зоны составляет 0,08...0,6 мм. В этой связи особый интерес представляет проблема взаимодействия жидкого адгезива со шпоном, который является капиллярно-пористым телом с полостями различных размеров, способным поглощать связующее. С целью определения возможной продолжительности проникновения жидкого клея в древесину были проведены теоретические и экспериментальные исследования зависимости скорости истечения адгезива различной температуры из капилляров разного диаметра.
На проникновение клея в древесину существенное влияние оказывает его вязкость. Известно, что с течением времени происходит нарастание вязкости клея, что, в свою очередь, ведет к ухудшению смачивания поверхности и плохому проникновению клея в капилляры древесины, в результате чего образуются пустоты, не заполненные клеем, которые являются концентраторами напряжений, и, в результате всего, -низкая прочность склеивания.
Древесина является твердым капиллярно-пористым телом с порами различных размеров. Полости клеток и сосуды представляют поры значительно большего размера, чем поры в оболочках клеток /61, 81/. Для низковязких жидкостей, в первую очередь воды, поры древесины являются взаимосообщающимися.
Объемная пористость (П), представляющая отношение объема пор к объему тела, изменяется в широком диапазоне в среднем от 40 до 70 % и зависит, в основном, от породы древесины. После гидротермической и механической обработки пористость увеличивается в результате разрушения древесины. В большей степени это относится к тонким слоям древесины, получаемым в результате лущения и строгания. Несмотря на то, что поры древесины сообщаются друг с другом, при исследовании процессов склеивания и отделки считать, что эффективное поровое пространство равно объемной пористости, на наш взгляд неправомерно, т.к. размеры полостей клеток находятся в пределах от 0,004 до 0,05 мм (у сосудов достигают 0,02...0,5 мм) /61/, а размеры пор, соединяющих полости клеток на несколько порядков меньше. В обычном состоянии межклеточные поры являются непроницаемыми для связующих. Для анализа взаимодействия древесины с адгезивами важным является понятие поверхностной пористости (77„), представляющей отношение эффективной площади пор к общей площади поверхности. Поверхностная пористость древесины существенно зависит от вида сечения по отношению к направлению волокон, а также от количества перерезанных в результате механической обработки клеток древесины.
От поверхностной пористости зависит площадь контакта адгезива с подложкой и, как следствие, прочность адгезионной связи. Поверхностная пористость влияет также и на количество поглощаемого древесиной связующего.
Исходя из формы, размеров и расположения клеток в древесине можно предположить, и это подтверждается экспериментально, что наибольшее поглощение связующего имеет место при его нанесении на торец /33, 114/. Однако, при этом наблюдается минимальная прочность клеевого соединения, т.е. механическая теория адгезии несостоятельна для обоснования высокой прочности клеевого соединения.
Известно /41/, что в эффективном поровом пространстве средняя аксиальная скорость частиц жидкости (Уж) через пористое тело равна:
Матрица планирования эксперимента по методу случайного баланса и анализ результатов ее реализации
При пропитке шпона в автоклаве по способу вакуум - давление -вакуум обеспечивается поглощение шпоном сухой соли в количестве 14-20% /55/.
Основываясь на данных ЦНИИ фанеры о совместимости антипирена на основе полифосфатов аммония с клеем на основе смолы СФЖ-3014 проведены исследования о количественном влиянии солей полифосфатов аммония на физико-механические показатели клея. Необходимость данных исследований обосновывается тем, что в процессе пропитки и сушки на поверхности шпона остается от 2 до 8 % солей антипирена.
В процессе проведения исследований установлено, что в результате внедрения в древесину большого количества антипирена (более 12% на поверхности шпона) последний адсорбирует и отверждает фе-нолоформальдегидную смолу еще до того, как пакет будет загружен в пресс. Эти данные подтверждаются дальнейшими исследованиями по определению времени желатинизации фенолоформальдегидного клея на основе смолы марки СФЖ-3014 в зависимости от количества антипирена.
Ранее проведенными исследованиями было установлено, что в результате пропитки шпона повышается его поверхностное натяжение, и как следствие он лучше, по сравнению с непропитанным шпоном, должен смачиваться фенолоформальдегидными клеями. Однако было замечено, что клей на поверхности огнезащищенного шпона быстрее превращается в слаботекучее состояние, чем на поверхности непропи-танного шпона. В связи с этим необходимо провести исследования по изучению взаимодействия антипирена и клея на основе смолы марки СФЖ-3014.
Для создания равномерного клеевого слоя на поверхности огнезащищенного шпона должны выполняться как минимум два условия: необходимая вязкость клея и его расход.
Результаты экспериментов по определению нарастания вязкости смолы представлены в табл. П.2.5 и на рис. 4.8. Как видно из полученных результатов, при введении в смолу ЖКУ в количестве 2 % вязкость за 4 часа изменяется в пределах 21 - 102,1 с. При введении ЖКУ в смолу до 4 % в этом же временном промежутке вязкость изменяется в пределах от 21 до 138,1 с, а более 6 % - происходит резкое нарастание вязкости. Таким образом, можно сделать вывод, что между антипиреном и смолой марки СФЖ-3014 происходит химическое взаимодействие.
Так как изменение вязкости клея с течением времени влияет на возможность его использования в процессе склеивания, необходимо определить временной интервал, в котором клей позволит получать качественное клеевое соединение.
Результаты по исследованию влияния количества ЖКУ на вязкость клея представлены в табл. П 2.6 и на рис. 4.9. Как видно из приведенных данных, при введении в клей ЖКУ в количестве 2 % и 4 % вязкость за 4 часа изменяется в пределах 55 - 78 с и 83 108 с, соответственно, что позволяет использовать клей в течение всего временного периода, т.к. значение вязкости не превышает допустимое. При введении ЖКУ в клей в количестве 6 % вязкость за этот же промежуток времени изменяется в пределах 91 - 120 с, что также позволяет использовать клей в течение всего указанного промежутка времени.
При введении в клей ЖКУ в количестве 8 % вязкость резко нарастает и клей непригоден к употреблению. На основании проведенных экспериментов можно заключить, что для равномерного нанесения клея на поверхность шпона в течение 4-х часов содержание в нем ЖКУ не должно превышать 6 %. Так как при проведении исследований вязкость смолы значительно увеличивалась, были проведены эксперименты по оценке влияния количества ЖКУ на время желатинизации клея. Продолжительность желатинизации клея оценивали двумя способами. При проведении исследований по стандартной методике на нагревательной плитке (табл. П 2.7 и рис. 4.10) выяснилось, что данный метод не позволяет с достаточной точностью определить степень влияния количества антипирена на выходной параметр. При введении ЖКУ в клей в количестве 0 и 2 % данные по продолжительности желатинизации различаются на 5 с (при погрешности измерения 5 с), то же самое наблюдается и в случае введения ЖКУ в количестве 4 и 6 %. Поэтому, были проведены дополнительные исследования по установлению влияния количества антипирена на продолжительность желатинизации клея на водяной бане (табл. П 2.6 и рис. 4.11). По результатам эксперимента (рис. 4.10) видно, что при введении в клей антипирена до 4-х % продолжительность желатинизации при температуре 125 С на нагревательной плитке сокращается на 30 %. Данное обстоятельство может позволить сократить время выдержки пакета в прессе. По результатам рис. 4.11 можно сделать вывод, что при введение в клей антипирена до 4-х % продолжительность желатинизации сокращается на 15%. Таким образом, результаты экспериментов показывают, что применяемый нами антипирен может быть использован в качестве ускорителя процесса отверждения клея на основе фенолоформальдегидной смолы марки СФЖ-3014.
