Метод создания клееной древесины повышенной прочности

Деревопереработка. Химические технологии

DOI: 10.12737/17414 УДК 674.028.9.

МЕТОД СОЗДАНИЯ КЛЕЕНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ

доктор технических наук, профессор В. М. Попов1 А. В. Латынин1

1 - ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация

Предлагается метод получения клееной древесины с клеевым соединением повышенной прочности путем модифицирования клея воздействием комбинированным физическим полем. На специальной установке, позволяющей создавать магнитное поле напряженностью до 24-104 А/м и ультразвук с частотой колебаний до 22 КГц осуществлялись операции по воздействию на клей КФЖ комбинированным полем. Экспериментально установлено повышение предела прочности на скалывание клеевых соединений древесины дуба и березы. При этом увеличение напряженности магнитного поля и частоты ультразвуковых колебаний сопровождается повышением прочности клеевых соединений. Механизм роста прочности соединений на основе модифицированного клея объясняется формированием новых молекулярных связей, упорядочением и уплотнением структуры полимерной матрицы клея, о чем свидетельствуют микрофотографии сколов клея, полученные на растровом микроскопе, и дифрактограммы по результатам рентгенографических исследований. Повышение когезионной прочности клеевых соединений древесины на основе обработанных комбинированным физическим полем клеев, объясняется также снижением внутренних напряжений в клеевом шве и увеличением взаимодействия склеиваемых поверхностей древесины с клеевой композицией за счет образования поверхностно-активных веществ (ПАВ). Это подтверждается результатами специальных исследований по сравнительному формированию внутренних напряжений соединений клея, подвергнутого модифицированию в комбинированном физическом поле и исходных клеев. Экспериментально установлено также повышение адгезионной прочности клеевых соединений на основе клея, модифицированного комбинированным физическим полем. Воздействие на клей последовательным сочетанием ультразвукового и магнитного полей снижает угол краевого смачивания древесины и растекание клея по поверхности склеивания, что приводит к повышению адгезионной прочности клеевого соединения.

Ключевые слова: клеевое соединение, адгезия, когезия, магнитное поле, ультразвук, напряженность поля, частота колебаний, предел прочности.

Лесотехнический журнал 4/2015

145

Деревопереработка. Химические технологии

METHOD FOR CREATING OF LAMINATED WOOD HIGH STRENGTH

DSc in Engineering, Professor V. M. Popov1 A. V. Latynin1

1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation

Abstract

Propose a method of producing laminated wood with glued connection of increased strength of the adhesive by modifying the influence of a combined physical field. On a special installation, allowing you to create magnetic field up to 24-104 A/m and ultrasound with frequency up to 22 KHz, transactions on effects of adhesive CFG a combo box. Experimentally the increase of the tensile shear adhesive joints of oak wood and birch. The increase in magnetic field intensity and frequencies of ultrasonic oscillations is accompanied by an increase of the strength of adhesive joints. The mechanism of growth of the strength of joints based on modified adhesive due to the formation of new molecular bonds, the ordering and the seal structure of the polymer matrix of the adhesive, as evidenced by the micrograph of chipping glue, obtained on a raster electron microscope, and the diffraction pattern according to the results of radiographic studies. The increase in cohesive strength of adhesive joints of wood, based on the processed combined physical field of adhesives, is also due to a decrease of internal stresses in the glue line. This is confirmed by the results of special studies on comparative formation of internal stresses of the adhesive joints of modified and original adhesives. There is also increase in the adhesion strength of adhesive joints based on modified adhesives. The impact on the glue magnetostratigraphy field reduces the edge angle of wetting the wood, which leads to an increase in the adhesion strength of the adhesive joint.

Keywords: adhesive bonding, adhesion, cohesion, magnetic field, ultrasound field intensity, frequency, strength.

На современных деревообрабатывающих предприятиях в общем технологическом цикле существенное место занимают операции по склеиванию отдельных деталей и в целом узлов [1]. Особое внимание технологических служб предприятий обращено на качество клееной древесины, которое определяется надежной прочностью клеевых соединений [2]. За последние два десятилетия в отечественной и зарубежной практике создания клееной древесины получили внедрение такие технологические приемы повышения прочности клеевых соединений древесины как термическая обработка клеев, облучение,

146

вакуумно-компрессорная обработка, воздействие магнитными, электрическими полями и ультразвуком [3, 4].

Механизм образования более прочных клеевых швов за счет увеличения сил когезии, как, например, при магнитном воздействии на полимерную матрицу клея объясняется формированием новых молекулярных связей в форме сшивок макромолекул [5]. Рентгеноструктурный анализ магнито-обработанных полимеров свидетельствует о сближении атомов полимерных молекул. Если исходить из теории физики полимеров [6], то можно предполагать, что интенсификации данного процесса

Лесотехнический журнал 4/2015

Деревопереработка. Химические технологии

можно добиться, если наложить дополнительно электростатическое напряжение, которое можно создать, применяя комбинированные физические поля, например, если воздействовать на полимерный клей магнитным и ультразвуковым полем. Ранее проведенные исследования по повышению адгезии полимерных покрытий путем обработки полимерной композиции ультразвуком [7] показали эффективность такого технологического приема. Такой же результат, очевидно, можно ожидать при склеивании древесины.

Для реализации предлагаемого способа повышения когезионной и адгезионной прочности клеевых соединений применялась установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 1. Блок, создающий постоянное магнитное поле, состоит из электромагнитного индуктора в виде двух подвижных башмаков. Электрический ток силой до 12 А подается на обмотки электромагнита. Напряженность магнитного поля в преде-

Рис. 1. Принципиальная схема установки для последовательной обработки ультразвуковым и магнитным полями: 1 - обмотка электромагнита; 2 - башмаки электромагнита;

3 - ультразвуковая головка; 4 - ярмо;

5 - блок питания электромагнита;

6 - потенциометр; 7 - генератор ультразвуковой установки

лах от 0 до 24-10 А/м регулируется изменением расстояния между полюсами электромагнита и величиной подаваемого тока. Блок установки, ответственный за ультразвуковую обработку клея, состоит из ультразвукового генератора, магнитоструктурного преобразователя и трех волноводов-излучателей. Ультразвуковой генератор серии ИЛ10 имеет ступенчатую регулировку выходной мощности в 50 %, 75 % и 100 % от номинальной мощности. Регулирование мощности генератора и наличие трех излучателей с коэффициентом усиления 1:0,5; 1:1 и 1:2 дают возможность получать различную амплитуду ультразвуковых колебаний на частоте до 22 КГ ц.

Обработку клеев на установке проводили в следующей последовательности. Однокомпонентный клей или полимерный компонент двухкомпонентного клея помещались в специальную фторопластовую кювету, которая вводилась в межполюсное пространство установки. Облучение клея осуществлялось при заданной напряженности магнитного поля в течении 15-20 минут и частоте ультразвука при частоте колебаний 22 кГц в течении 5 минут. По окончании операции по воздействию комбинированного физического поля двухкомпонентный клей смешивался с отвердителем и наносился на склеиваемые поверхности образцов из древесины, используемые для испытаний клеевых соединений на прочность при скалывании вдоль волокон согласно ГОСТу 15613.1 -84 [8]. Перед испытаниями на прочность осуществлялся процесс полимеризации клея в сушильной камере в течение суток при температуре до 50 °С. Подготовленные таким образом образцы подвергались испытаниям на прочность на испытательной машине ИР-50-3.

Лесотехнический журнал 4/2015

147

Деревопереработка. Химические технологии

Исследовался карбамидоформальде-гидный клей КФЖ (ГОСТ 14231-88). Склеивались образцы из древесины дуба и березы.

Результаты проведенных исследований приведены на графике рис. 2.

т, МПа

10 8

6 4 2

с

<1 _

0 4 8 12 16 20н.10-^а/м

Рис. 2. Зависимость предела прочности на скалывание вдоль волокон клеевого соединения древесины березы (2) и дуба (1, 3) -для клея КФЖ от напряженности магнитного поля. 1 - магнитное поле; 3 - сочетание ультразвукового и магнитного полей

Как видно из расположения кривых зависимости т = р (Н), с повышением напряженности магнитного поля прочность соединения растет. При этом из сравнения кривых 1 и 3 для одного и того же субстрата (дуб) при обработке клея в магнитном и ультразвуковом (при частоте ультразвуковых колебаний 22 КГц) поле прочность значительно выше, чем при воздействии на клей только магнитным полем. Определенное влияние оказывает также природа субстрата, как это следует из сравнения кривых 2 и 3.

Ранее проведенными исследованиями [9] была установлена зависимость прочности клеевых соединений в том числе и для древесины от внутренних напряжений, возникающих в клеевых швах при их формировании. Известно, что повышение внутренних на-

пряжений приводит к снижению прочности соединений на клеях [2]. Очевидно, что научный и практический интерес представляют вопросы о влиянии процесса воздействия на внутренние напряжения клеевых соединений комбинированными физическими полями. Обладая информацией о процессе формирования внутренних напряжений клеевых соединений в процессе склеивания древесины, можно направленно регулировать их прочностью, воздействуя на клей комбинированными физическими полями.

Для реализации данной задачи применялась запатентованная ранее [10] установка, в основу функционирования которой положен, так называемый, консольный метод.

Установка позволяет получать информацию по внутренним напряжениям за весь период полимеризации клея в соединении.

На графиках рис. 3 приведены опытные данные в виде зависимости внутренних напряжений в клеевых соединениях древесины дуба и березы от напряженности магнитного поля и частоты ультразвуковых колебаний.

Из рис. 3 видно, что воздействие на клей последовательным сочетанием ультразвуковым и магнитным полями снижает внутренние напряжения в клеевом шве до 60 %. При этом обработка в комбинированном поле более эффективна, чем в однородном.

Для установления полной картины формирования клеевого соединения на основе обработанных в физических полях клея следует рассмотреть процесс адгезионного взаимодействия между клеевым швом и подложкой из древесины под воздействием магнитного поля и ультразвука. Как известно [11], определяющим фактором в этом случае является процесс смачивания клеем поверх-

148

Лесотехнический журнал 4/2015

Деревопереработка. Химические технологии

а)

б)

Рис. 3. Зависимость внутренних напряжений в клеевых соединениях древесины березы (а) и дуба (б) для клея КФЖ от напряженности магнитного поля и частоты ультразвуковых колебаний. 1 - магнитное поле; 2 - ультразвуковое поле; 3 - сочетание ультразвукового и магнитного полей

ности древесины, который при этом характеризуется краевым углом смачивания 6.

Для определения угла смачивания на поверхность древесины наносилась капля клея. Исследовался исходный клей и подвергнутый предварительной обработке при последовательном сочетании ультразвукового и магнитного полей различной напряженности и различных значений ультразвуковых колебаний. Угол смачивания

находился с помощью проектора, который проецировал на экран изображение, фиксируемое цифровой камерой. Из полученных снимков вычислялся краевой угол смачивания путем замера высоты капли h и её основания r с помощью формулы

2rh

tg6 = -

h2

2

r

В таблице представлены результаты исследований угла смачивания поверхности древесины березы исходным и модифицированным путем воздействия последовательного сочетания ультразвукового и магнитного полями клеем КФЖ.

Из таблицы видно, что при одинаковом времени фиксации угла смачивания последний значительно меньше у клея, обработанного комбинированным полем по сравнению с необработанным. Механизм повышения растекаемости модифицированного клея по поверхности субстрата объясняется тем, что под действием комбинированного физического поля молекулярные цепи полимер-

Таблица

Формирование угла смачивания клея КФЖ по времени

Время замера угла смачивания в мин. Исходный клей, 6 Клей, подвергнутый обработке при сочетании ультразвукового и магнитного полей с Н=24-104 А/м и n=22 КГц, 6

1 92°13 82°36

2 79°25 73°15

3 75°12 68°25

4 63°18 56°19

5 59°51 54°25

6 58°45 51°29

7 57°19 50°08

8 56°45' 49°18'

Лесотехнический журнал 4/2015

149

Деревопереработка. Химические технологии

ной матрицы клея выстраиваются по линиям напряженности магнитного поля.

При этом в момент перемещения молекул слабые связи разрушаются, молекулы вытягиваются, их молекулярная масса уменьшается, что сопровождается снижением вязкости клея и повышением растекаемо-сти клея. Этому способствует также воздействие ультразвука. В итоге повышается адге-

зионная прочность клеевого соединения.

В заключение с полным основанием можно утверждать, что воздействие на клей комбинированным физическим полем позволяет поднять когезионную и адгезионную прочность клеевых соединений древесины и таким образом способствовать получению качественных изделий из клееной древесины.

Библиографический список

1. Чубинский, А.Н. Формирование клеевых соединений древесины [Текст] / А.Н. Чу-бинский. - СПб.: Гослесбумиздат, 1993. - 163 с.

2. Фрейдин, А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений [Текст] / А.С. Фрей-дин. - М.: Химия, 1981. - 272 с.

3. Popov, V.M. Heat Conductivity of Adhesive Interlayers of Composites with Adhesives Modified by the Action of Combined Physical Fields [Text] / V.M. Popov, O.R. Dornyak // Translated from Inzhenerno-Fizicheskij Zhurnal. - 2015. - Vol. 88. - no. 2. - pp. 511-515.

4. Popov, V.M. High-strength adhesive joints in aircraft parts [Текст] / V.M. Popov // Russian Aeronautics. - 2013. - Vol. 56. - no. 4. - pp. 423-430.

5. Кестельман, В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов [Текст] / В.Н. Кестельман. - М.: Химия, 1980. - 224 с.

6. Берлин, А.А. Основы адгезии полимеров [Текст] / А.А. Берлин, В.Е. Басин. - М.: Химия, 1974. - 392с.

7. Негматов, С.С. Технология получения полимерных покрытий [Текст] / С.С. Негма-тов. - Ташкент. 1975. - 232 с.

8. ГОСТ 15613.1-84. Древесина клееная массивная. Методы определения предела прочности клеевого соединения при скалывании вдоль волокон [Текст]. М.: изд-во стандартов, 1984. - 6 с.

9. Фрейдин, А.С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины [Текст] / А.С. Фрейдин, К.Т. Вуба. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 224 с.

10. Лушникова, Е.Н. Неразрушающий контроль качества клеевых соединений в конструкциях машин лесного комплекса [Текст] / Е.Н. Лушникова, А.А. Тиньков. - Воронеж, 2007. - С. 93-96.

11. Дерягин, Б.В. Исследование в области поверхностных сил [Текст] / Б.В. Дерягин. -М., 1961. - 218 с.

References

1. Chubinsky A.N. Formirovanie kleevyh soedinenij drevesiny [The formation of adhesive joints of wood]. Saint Petersburg, 1993, pp. 163. (In Russian).

2. Freidin A.S. Prochnost' i dolgovechnost' kleevyh soedinenij [Strength and durability of adhesive joints]. Moscow, 1981, pp. 272. (In Russian).

150 Лесотехнический журнал 4/2015

Деревопереработка. Химические технологии

3. Popov V.M., Dornyak O.R. Heat Conductivity of Adhesive Interlayers of Composites with Adhesives Modified by the Action of Combined Physical Fields. Translated from Inzhenerno-Fizicheskij Zhurnal, 2015, Vol. 88, no. 2, pp. 511-515.

4. Popov V.M. High-strength adhesive joints in aircraft parts. Russian Aeronautics, 2013, Vol. 56, no. 4, pp. 423-430. (In Russian).

5. Kestelman V.N. Fizicheskie metody modifikacii polimernyh materialov [Physical methods of modification of polymeric materials]. Moscow, 1980, 224 p. (In Russian).

6. Berlin A.A., Basin V.E. Osnovy adgezii polimerov [Fundamentals of polymer adhesion [Text]. Moscow, 1974, 392 p. (In Russian).

7. Negmatov S.S. Tehnologija poluchenija polimernyh pokrytij [Technology of polymeric coatings]. Tashkent, 1975, 232 p. (In Russian).

8. GOST 15613.1-84. Drevesina kleenaja massivnaja. Metody opredelenija predela proch-nosti kleevogo soedinenija pri skalyvanii vdol' volokon [State Standard 15613.1-84 The wood is glued solid. Methods for determination of tensile adhesive strength for shearing along the grain]. Moscow, Standartinform Publ., 1984, p. 6.

9. Freidin A.S., Vuba K.T. Prognozirovanie svojstv kleevyh soedinenij drevesiny [Prediction of properties of adhesive joints of wood]. Moscow, 1980, p.224. (In Russian).

10. Lushnikova E.N., Tinkov А.А. Nerazrushajushhij kontrol' kachestva kleevyh soedinenij v konst-rukcijah mashin lesnogo kompleksa [Nondestructive quality control of glue connections in designs of cars of a forest complex]. Voronezh, 2007, pp. 93-96. (In Russian).

11. Deryagin B.V. Issledovanie v oblasti poverhnostnyh sil [Research in the field of surface forces]. Moscow, 1961, 218 p. (In Russian).

Сведения об авторах

Попов Виктор Михайлович - профессор кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г.Воронеж, Российская Федерация, e-mail: etgvglta@mail.ru

Латынин Андрей Валерьевич - заведующий лабораторией кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация, e-mail: etgvglta@mail.ru

Information about authors

Popov Viktor Mikhailovich - Professor of electrical engineering, heat engineering and hydraulics, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: etgvglta@mail.ru

Latynin Andrey - head of laboratory Department of electrical engineering, thermal engineering and hydraulics, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation, e-mail: etgvglta@mail.ru

Лесотехнический журнал 4/2015

151