Влияние магнитного и электрического полей на прочность клееной древесины

ДЕРЕВООБРАБОТКА

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ КЛЕЕНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

В.М. ПОПОВ, проф. каф. электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА, д-р. техн. наук,

М.А. ШЕНДРИКОВ, асп. каф. электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА, А.В. ИВАНОВ, асп. каф. электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА,

А.В. ЖАБИН, преп. каф. общей геологии и геодинамики ВГУ, канд. геологоминералогических наук

Склеивание деталей из древесины занимает в настоящее время ведущие позиции в деревоперерабатывающей промышленности. Область применения данной технологической операции довольно обширна: это получение новых продуктов из низкокачественного и маломерного сырья, изготовление крупногабаритных изделий, в основном клееных деревянных конструкций, ремонт и реставрация изделий из древесины и др.

Склеивание позволяет не только снизить материалоемкость изготовляемой продукции и более полно использовать низкосортные пиломатериалы и отходы, но и повышать формоустойчивость, жесткость и прочность изделий. Одним из основных направлений при склеивании изделий из древесины является задача увеличения прочности, а следовательно и долговечности клеевых соединений древесных материалов. Известные на сегодняшний день технологии по повышению прочности клеевых соединений древесины в основном себя практически исчерпали [1]. Для реализации данной задачи требуется нестандартный подход с использованием новых технологических приемов. В качестве одного из таких технологических приемов предлагается воздействие на полимерную смолу клея магнитным или электрическим полем.

Ранее установлено [2, 3], что при обработке клеевых соединений древесины статическими магнитными и электрическими полями на стадии отверждения клеевой прослойки, имеет место повышение прочности таких соединений. Но такой технологический прием требует создания зачастую громоздкого оборудования и достаточно энергоемок. Предлагается способ повышения прочности клеевого соединения, когда обработке физи-

etgvglta@mail. ru

ческими полями подвергается лишь смола двухкомпонентного клея. Была проведена серия испытаний клеевых соединений на основе обработанных в магнитном или электрическом поле смол клеев на предел прочности при скалывании. Испытания проводились на образцах из дуба, в качестве адгезива были выбраны клеи марок КФ-Ж, КФ-МТ-15, ПВА, Клейберит «SUPRATERM 436».

На установках, описанных в работах [4, 5], проведена обработка полимерных компонентов клеев в магнитных и электрических полях при напряженности соответственно Н = (0.. ,24)-104 А/м и Е = 0... 1484 В/см течение 20 мин. В приготовленную таким способом смолу добавляли отвердитель. Полученный клей наносили на поверхность образцов. Отверждение клеевой прослойки осуществлялось под давлении 0,3 МПа и температуре окружающего воздуха 25 °С в течение одних суток.

Предел прочности при скалывании т находился на испытательном стенде марки «МИ-20». Результаты испытаний представлены в виде зависимостей т = f(E) на рис. 1 и т = ДН) на рис. 2.

0 0 300 600 900 1200 E, В/см

Рис. 1. Зависимость предела прочности клеевого соединения на скалывание от напряженности электрического поля: 1 - клей ПВА, 2 - клей Клейберит «SUPRATERM436», 3 - клей КФ-МТ-15, 4 - клей КФ-Ж

122

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Рис. 2. Зависимость предела прочности клеевого соединения на скалывание от напряженности магнитного поля: 1 - клей КФЖ, 2 - клей ПВА, 3 - клей Клейберит «SUPRATERM 436»

Рис. 3. Зависимость предела прочности клеевых соединений на скалывание от напряженности электрического поля для различных пород древесины: 1 - береза, 2 - сосна, 3 - дуб, 4 - ясень

Рис. 4. Зависимость предела прочности клеевых соединений на скалывание от напряженности магнитного поля для различных пород древесины: 1 - береза, 2 - сосна, 3 - дуб, 4 - ясень

Из приведенных опытных данных следует, что с повышением напряженности электрического и магнитного поля растет прочность клеевых соединений из древесины. Для каждого клея имеет место вырождение зависимости т = fE) и т = fH), т.е. наступает предельный момент перестройки микроструктуры полимера под воздействием физических полей.

Для практической реализации предлагаемой технологии склеивания древесины

необходима информация о влиянии природы субстрата на предел прочности при скалывании. Для испытаний были выбраны клей марки КФ-Ж и древесина различных пород, а именно дуб, сосна, береза, ясень. Склеивание производилось холодным способом. Давление склеивания составляло 0,3 МПа. При электрической обработке смолы клея использовался в качестве отвердителя 5 % раствор щавелевой кислоты из расчета, что на 1 массовую часть сухого остатка клея приходится 5 % отвердителя. Результаты испытаний представлены в виде зависимости т = fE) на рис. 3.

При магнитной обработке смолы клея использовался в качестве отвердителя 10 % раствор щавелевой кислоты из расчета, что на 1 массовую часть сухого остатка клея приходится 10 % отвердителя. Результаты испытаний представлены в виде зависимости т = fH) на рис. 4.

Анализ приведенных на рис. 3 и 4 экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы. Для всех исследуемых разновидностей древесины наблюдается увеличение прочности клеевых соединений с повышением напряженности электрического и магнитного поля. Образцы, изготовленные из мягколиственных пород, в меньшей степени реагируют на воздействие физических полей на клей, чем для более твердых пород древесины.

Одним из существенных факторов, влияющих на прочность клеевых соединений древесины, являются напряжения в клеевом шве, образующиеся в процессе отверждения клея. В настоящее время для определения напряжений клееной древесины в основном применяют консольный метод [6]. Существенным недостатком этого метода является невозможность проследить кинетику напряжений при отверждении клеевой прослойки особенно на основе быстро полимеризую-щихся клеев. Этого недостатка лишен предлагаемый метод, в котором величина изгиба пластины с клеевой прослойкой постоянно фиксируется через измерение емкости плоского конденсатора, образованного клеевой парой и поверхностью измерительной ячейки. Реализация метода измерения напряже-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 4/2009

123

ДЕРЕВООБРАБОТКА

ния образцов из клееной древесины осуществлялась на установке, состоящей из рабочей ячейки, в которой консольно закрепляется клеевая пара, состоящая из древесных пластин длиной 120 мм и шириной 10 мм. Соотношение толщин пластин с клеевой прослойкой между ними составляло 1 : 3. На одной из пластин крепилась вставка из фольги, соединенная с источником постоянного тока и цифровым прибором, предназначенным для преобразования аналоговых сигналов в цифровые, которые фиксировались измерительным комплексом.

Технология измерения напряжений клеевой прослойки в процессе ее отверждения включала следующие операции. На предварительно подготовленную поверхность пластины наносился слой клея, на который крепилась вторая пластина. За счет наличия ограничителей после нагружения между пластинами образовывалась клеевая прослойка фиксированной толщины. Полученная клеевая пара закреплялась в рабочей ячейке, подключенной к источнику постоянного тока. В процессе отверждения клеевой прослойки протекает процесс деформации (изгиба) свободного конца клеевой пары, что вызывает изменение емкости плоского конденсатора. Постоянное изменение емкости фиксируется цифровым прибором в течение всего времени отверждения прослойки и передается на вычислительный комплекс. Расчет напряжений производился по формуле

2 • f • E • J

+

2 Л - У + 0,5 • h2)' 2 • f ЛА~ У + 0,5 • h2 )• L2

L

E

+

где ав - напряжения в клеевом шве, МПа;

L - длина склеенной пары, м;

S2 - площадь поперечного сечения клеевой прослойки, м2;

E1 - модуль нормальной упругости материала пластин, МПа;

E2 - модуль нормальной упругости прослойки, МПа;

J - момент инерции по сечению пластин, МПа;

f - отклонение конца склеенной пары, м;

у. - расстояние до центра тяжести склеенной пары, м;

h - толщина пластины большего размера, м;

h2 - толщина клеевой прослойки, м.

Преобразованные значения емкости использовались для вычисления напряжений в клеевой прослойке программой «Virtualmeter», а затем «Microsoft Excel 2003». По истечении времени опыта полученные данные апроксимируются методом наименьших квадратов, после чего строится график, на который наносятся опытные точки.

По данной методике проводились исследования по формированию напряжений в клеевой прослойке из клея КФ-Ж до и после обработки полимерной составляющей клея в электрическом поле и магнитном поле (рис. 5).

Из рис. 5 видно, что в начальный период после склеивания напряжения интенсивно растут, а затем по мере полимеризации клея их рост замедляется. Из приведенного графика также следует, что под влиянием электрического и магнитного поля напряжения в клеевом шве снижаются, и процесс отверждения протекает быстрее.

Снижение напряжений в клеевом шве, приводящее к повышению прочности клеевых соединений вызвано образованием более упорядоченной структуры полимерной составляющей клея, подверженной воздействию физических полей.

Об этом, в частности, свидетельствуют фотографии пленок клея КФ-Ж и КФ-МТ-15. Исследования по изучению микроструктуры проводились на электронном растровом микроскопе Jeolio 6380 - Lf с возможным максимальным увеличением 3нм.

ов, МПа 8

6

4

2

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

t, мин

Рис. 5. Формирование напряжений в клеевой прослойке из клея КФ-Ж: 1 - до обработки; 2 - после обработки электрическим полем, 3 - после обработки магнитным полем

- 1

* — . -л 2

-*3

124

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

ДЕРЕВООБРАБОТКА

,20kU . Х10,00^ /ч1мт

^ f** : - .. ' ^ А,

\ *- ?<-•> ; ' • ’

•• '«v-” ...

.. ««U XI0 > 000 <1W

Рис. 6. Микрофотографии клея КФ-Ж при различном увеличении: 1 - до обработки; 2 - после обработки электрическим полем напряженностью Е = 1484 В/см, 3 - после обработки магнитным полем напряженностью H = 24-104 А/м

Рис. 7. Микрофотографии клея КФ-МГ-15 при различном увеличении:1 - до обработки; 2 - после обработки электрическим полем напряженностью Е = 1484 В/см

Для получения исследуемых образцов сначала подвергали обработке постоянным электрическим полем напряженностью Е = 1484 В/см или постоянным магнитным полем напряженностью Н = 24-104 А/м смолу

двухкомпонентного клея, затем смешивали ее с отвердителем и после отверждения производили съемку микроструктуры клея. Результаты проведенных исследований представлены на рис. 6 и 7.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

125

ДЕРЕВООБРАБОТКА

00 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 8. Рентгеноструктурный анализ для клея КФ-Ж: 1- исходный клей; 2 - образец, обработанный в электрическом поле

Из анализа снимков видно, что под воздействием физических полей на раствор смолы имеет место перестройка структуры клея. Заметно, что структура обработанного клея при местном увеличении становится плотной, исчезает шероховатость или слоистость, а при большем увеличении отчетливо видна разница между клеями с обработанной и не обработанной смолой. У необработанного клея видны крупные трещины, что говорит о значительных напряжениях, а у обработанного клея структура более однородна и не имеет явных дефектов, что сопровождается уменьшением напряжений. На основании проведенного анализа снимков можно сделать вывод, что соединение на клее, обработанном в электрическом или магнитном поле, будет иметь более высокие физико-механические свойства, чем клеевое соединение на обычном клее.

В подтверждение предположения о перестройке и упорядочении структуры обработанной смолы клея КФ-Ж были проведены ИК-спектроскопия и рентгеноструктурный анализ. Рентгеноструктурный анализ (рис. 8) исследуемых образцов проводился на дифрактометре ARZXTRA при напряжении 30 кВ, силе тока 30 мА, с медным катодом. Анализ показал, что большая часть вещества образцов представлена рентгеноаморфной фазой, на что указывают широкие рефлексы на фоне гало в области 10-70 градусов. При обработке электрическим полем кристалличность, хотя и незначительно, улучшается. Особенно это заметно по рефлексам в области 17°; 29,2-31,5°; 38,5-42,8°. В этих диапазонах они приобретают более ярко выраженные

максимумы. На рис. 8 ось X - угол поворота гониометра, а Y - интенсивность вторичного рентгеновского излучения.

Из ИК-спектра клея КФ-Ж следует, что, в частности, электрическое поле, будучи приложенным к отверждаемой композиции, существенным образом влияет на молекулярную подвижность имеющихся релаксаторов. Интенсивность поглощения света образцами неодинакова, несмотря на то, что полосы поглощения на одних и тех же частотах. Следовательно, оба полимера имеют идентичную молекулярную структуру, но разное расположение молекулярных звеньев. Из этого можно сделать вывод, что под действием электрического поля происходит перестройка микроструктуры отвержденного клея.

Из вышеизложенного материала можно сделать вывод, что при воздействии физическими полями на смолу клея значительно повышается прочность клеевых соединений. Предлагаемый технологический прием можно считать перспективным в плане практического использования на деревообрабатывающих предприятиях.

Библиографический список

1. Фрейдин, А.С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины/ А.С. Фрейдин, К.Т. Вуба.

- М.: Лесная пром-сть, 1980. - 224 с.

2. Пат.2339503 РФ, МПК В27в 11/00, B05D 1/26, B05C 9/06, B05C 5/00, C09J 5/04, C09J 5/00, C09J 7/00. Способ склеивания древесных материалов / В.М. Попов, А.В. Иванов, А.П. Новиков и др.: заявитель и патентообладатель ВГЛТА. .№2007124130/04, заявл. 26.06.2007. Опуб 27.11.2008, Бюл. № 33.

3. Пат.2324591 РФ, МПК В27в 11/00, B05D 1/26, B05C 9/06, B05C 5/00, C09J 5/04, C09J 5/00, C09J 7/00. Способ склеивания древесных материалов /

A. В. Иванов, В.М. Попов, В.С. Мурзин и др.: заявитель и патентообладатель ВГЛТА. .№2007110560/04, заявл. 22.03.2007. Опуб 20.05.2008, Бюл. № 14.

4. Попов, В.М. Интенсивная технология получения клееной древесины повышенной прочности /

B. М. Попов, А.В. Иванов // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2007. - № 4. - С. 89-91.

5. Попов, В.М. Способ получения клееной древесины повышенной прочности / В.М. Попов, А.Д. Платонов, А.В. Иванов и др. // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. - 2007. - № 6. - С. 123-125.

6. Гриб, А.С. Особенности определения остаточных напряжений полимеров на древесине / А.С. Гриб // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. - 1976. - № 5.

- С. 37-41.

126

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009