Технологический процесс и теория склеивания пиломатериалов

Технологический процесс склеивания древесины включает в себя следующие этапы: подготовка поверхности, нанесение клея на поверхность древесины, открытая и закрытая выдержка, прессование, окончательная выдержка. Важным этапом в технологии склеивания древесины является подготовка ее поверхностей, которая зависит от вида склеиваемых материалов и клеевого соединения, размеров и формы заготовок, используемых клеев.

 

Перед склеиванием, заготовки пиломатериалов должны иметь влажность не более (8±2)%, а также соответствующие геометрические формы и размеры, учитывающие припуски на их дальнейшую обработку. Для этого пиломатериалы подвергают сушке, а затем раскраивают на заготовки по длине, ширине и толщине на круглопильных станках. Раскрой заготовок осуществляется с одновременной вырезкой недопустимых пороков, таких как сучки, трещины в зоне сращивания, гнили и грибные поражения, которые снижают качество склеивания и его прочностные характеристики. Формоустойчивость будущих изделий во многом определяется начальной степенью покоробленности заготовок, которая должна быть не более 2 мм на 1 м длины, что обеспечивается обработкой заготовок на фуговальных станках.

Расход клея зависит не только от его вязкости, но и от шероховатости поверхности, на которую он наносится. Для наружных слоев пиломатериалов она должна составлять не более 60 мкм, а для внутренних— не более 200 мкм. Снижение шероховатости заготовок достигается их обработкой на фуговальных, рейсмусовых и четырехсторонних продольно-фрезерных станках.

В последнее время наибольшее распространение получили соединения заготовок на зубчатый мини-шип, который нарезается ид специальных шипорезных станках или фрезерных станках с шипорезной головкой. Размеры шипов и их соединения должны удовлетворять требованиям ГОСТа, а также системы допусков и посадок.

Содержание смолы в пиломатериалах снижает прочность клеевого шва, поэтому при склеивании такой древесины в состав клеев вводят поверхностно-активные вещества, которые нейтрализуют свойства смолы. При склеивании древесины с металлами поверхность металлов обрабатывают специальными средствами для обезжиривания, так как жировые пленки препятствуют прочности клеевого шва.

Большинство клеев, наносимых на поверхность заготовок, находятся в жидком состоянии, которое обеспечивает их достаточное растекание и смачивание поверхности. Максимальное проникновение клея в поры, трещины и капилляры древесины увеличивает его контакт с материалом, что улучшает качество склеивания заготовок.

В зависимости от объема производства клеи наносят вручную (кистями), распылителями, окунанием и при помощи станков с вальцовыми и дисковыми механизмами, а также способом налива.

Наиболее распространено вальцовое нанесение клея, осуществляемое с одной стороны или с обеих сторон заготовок одновременно. Такое нанесение является быстрым и экономичным за счет системы дозирующих вальцов, которые настраиваются с учетом толщины наносимого слоя. Нанесение клея на шиповое соединение обеспечивается специальными вальцами или дисками, которые имеют профиль, аналогичный профилю самих шипов. После нанесения клея на поверхность материал перед соединением подвергают открытой выдержке, которая, как и закрытая, может длиться от нескольких десятков секунд до 1...1,5 ч. Во время открытой выдержки происходит испарение летучих растворителей, что приводит к увеличению вязкости клея, а значит, и его активности. Длительность открытой выдержки должна строго соответствовать режимам склеивания, иначе прочность клеевого шва снизится.

Закрытая выдержка осуществляется после соединения склеиваемых поверхностей пиломатериалов и длится дольше, чем открытая. Она в меньшей степени влияет на качество склеивания, исключение составляет выдержка феноло-формальдегидных клеев. После выдержки склеиваемые заготовки подвергаются операции прессования, которая характеризуется прежде всего своей продолжительностью, зависящей от давления, температуры и важности. Давление определяет площадь соприкосновения поверхностей, температура и влажность — скорость отверждения клея прочность клеевого шва.

После прессования пиломатериалы выдерживают с целью охлаждения (при горячем склеивании), окончательного отверждения клея, равномерного распределения влаги по всему объему и стабилизации формы. Продолжительность выдержки определяется режимами склеивания, а также температурно-влажностными условиями в помещении.

НЕМНОГО о ТЕОРИИ СКЛЕИВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ:

Прочность склеивания зависит от межмолекулярных связей клея и соединяемых поверхностей. Это связи, установленные между макромолекулами клеевого мате­риала и активными центрами поверхностного слоя подложки. Дан­ные тип связей является обратимым, однако, по мнению многих ис­следователей, именно они определяют процессы смачивания и растекания клея по подложке.

Донорно-акцепторное (кислотно-основное) взаимодействие. Данный тип взаимодействия между клеем и подложкой является ос­новным, что связано с тем, что для образования ковалентных связей требуется полное перекрытие орбиталей, тогда как в действительно­сти эти процессы происходят лишь частично. Кислота рассматрива­ется как акцептор электронов, основание — как донор. Водородные связи являются частным случаем донорно-акцепторных. Их величи­на обычно составляет 40 кДж/моль. Пример образования водородной связи: взаимодействие между орбиталью у асимметричной связи типа О-N или N-H и орбитали атома, например, О, N, F или СУ характерно для межмолекулярных физико-химических связей.

Такой тип взаимодействий характерен между участками макромо­лекул, являющимися донорами электронов (основание Льюиса) и ак­цепторами электронов (кислота Льюиса). Часто в этом случае говорят о кислотно-основном взаимодействии. Однако по этой причине объяс­няется и некоторая путаница, когда рассматривают функциональные группы исключительно в качестве доноров или только акцепторов элект­ронов. Из приведенной схемы следует, что ни материал подложки, ни материал клея не являются только донора­ми или только акцепторами, каждый одновременно донор и акцептор. Например, пограничный слой подложки больше акцептор, чем донор, относительно одного клея и больше донор, чем акцеп­тор, относительно второго клея.

Некорректно пытаться однозначно какой-либо клеевой материал или материал-подложку определить в качестве основы (донора) или кислоты (акцептора). Каждый обладает двумя характерными свой­ствами (донор D. и акцептор А), проявляющимися одновременно, при межмолекулярном и межатомном взаимодействии с донором D. и ак­цептором А., а также при взаимодействиях DA и A.D., интенсивность которых может быть разной.

Описание механизма образования физико-химических связей между границами орбиталей очень упрощено. Причин возникнове­ния дестабилизирующих взаимодействий обычно не уточняют, так же как и не учитывают роль электростатической части энергии свя­зи, которая вместе с поляризованностью групп позволяет устанавли­вать отличия между свойствами доноров (основ) и акцепторов (кис­лот). Предлагаемая модель является упрощенной, однако она иллюстрирует главное, что при кислотно-основном взаимодействии происходит образование двух типов связи.

Могут возникать ситуации, при которых не происходит взаимо­действий между функциональными группами:

• между идентичными функциональными группами, встречающи­мися в полярных жидкостях, например воды, этиленгликоля, гли­церина и пр., для которых взаимодействия являются одинаковыми.
• асимметричными или сильно полярными молекулами. В этом случае одно из двух взаимодействий DA. или A.D. равно нулю, т.е. имеет место монополярный характер взаимодействия.

Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие (или Лифшиц-Ван-дер-Ваальсовое). Такой тип связей возникает, если имеет место взаимодействие элект­рически нейтральных объектов и дисперсионные силы вызваны вза­имодействием мгновенных диполей, вызванных флуктуацией элект­ронной плотности.
Дисперсионные силы (Лондоновские силы). Каждый из атомов двух соседних макромолекул имеет определен­ное распределение положительных (ядра) и отрицательных (элект­роны) зарядов, на которые влияют соседние макромолекулы. При этом происходит взаимная поляризации и возникают связи, которые являются достаточно слабыми (2 кДж/моль). Такой тип связей ха­рактерен для большинства атомов, что и обеспечивает в итоге увели­чение адгезионного взаимодействия.

Лондоновские силы, чаще называемые дисперсионными силами, являются основными ответственными за когезию жидкостей (как полярных, так и неполярных), полимеров и различных твердых тел, а также за величину адгезионного взаимодействия, которое между ними возникает.

Индукционные силы (Кеезомовские силы). Любая молекула или любой фрагмент макромолекулы, имеющий функциональную группу, представляет собой диполь, способный вза­имодействовать с соседним диполем для создания энергетически сла­бой связи (порядка 10 кДж/моль).

В отличие от дисперсионных, индукционные силы не вносят су­щественный вклад в когезионную прочность материала. Исключе­нием являются целлюлоза и сложные полиэфиры, для которых такое взаимодействие играет решающую роль, особенно при получении высокопрочных волокон.

Ориентационные силы (Дебаевские силы). Неполярная связь, также может рассматриваться как диполь, если будет иметь место некоторое смещение зарядов. В этом случае возникают достаточно слабые связи (5 кДж/моль), кото­рые некоторые исследователи рассматривают в качестве несуществен­ных по сравнению с другими межмолекулярными связями. Однако имен­но благодаря таким связям имеют место процессы аутогеии хлоропреновых каучуков.

Синтез по модели элементарных взаимодействий. В процессе адгезионного взаимодействия участвуют все типы Ван-дер-Ваальсовых связей (ориентационные, дисперсионные, индукци­онные). Очень важную роль играют водородные связи, энергия ко­торых в отдельных случаях превышает величину Ван-дер-Ваальсового взаимодействия. Самый существенный вклад вносят донорно-акцепторные связи. Наиболее прочными являются связи, образованные переносом заряда от донора к акцептору. Между молекулами клея и поверхностными слоями подложки могут также образовываться хи­мические связи, среди которых наибольший вклад вносят ковалент­ные связи. Химические связи являются наиболее прочными.

Следует учитывать, что в такие взаимодействия вступают не от­дельные макромолекулы, а конденсированные фазы. Эта модель была впервые предложена Лифшицем. Свой вклад в величину адгезион­ного взаимодействия вносят все выше рассмотренные факторы: ме­ханические, электрические и адсорбционные.