Влияние плотности древесины на качество формирования

УДК 674.028.9
А.Н. Чубинский, доктор технических наук,
профессор СПбГЛТА, a.n.chubinsky@gmail.com
А.А. Федяев, аспирант СПбГЛТА
А.А. Тамби, кандидат технических наук,
доцент СПбГЛТА
ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ НА КАЧЕСТВО
ФОРМИРОВАНИЯ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Склеивание цельной древесины, прочность, плотность древесины, характер разрушения
Введение.
Образование клеевых соединений сложный физико-химический процесс взаимодействия древесины со связующим, зависящий как от свойств
древесины, так и клея. В настоящее время в производстве клееных древесных материалов и конструкций используются клеи различной химической
природы: резорцино- и фенолорезорциноформальдегидные, эмульсионные
полимер-изоцианатные, меламино- и карбамидоформальдегидные, поливинилацетатные и др.
Клеевые соединения на резорцино- и феноло-резорциноформальдегидных, феноло- и карбамидоформальдегидных клеях изучены достаточно полно, что нашло отражение в /1, 2/.
Исследования последних лет были преимущественно направлены на
обоснование технологии склеивания клееных брусков для оконных блоков
на поливинилацетатных клеях /3 – 5/.
Высокие требования, предъявляемые к несущим конструкционным
элементам, требуют от производителей не только обоснованного выбора
вида клея и обеспечения условий склеивания, но и подбора пиломатериалов по плотности, существенно влияющей на физико-механические свойства древесины и клееных конструкций.
Целью исследования является обоснование требований к плотности
древесины для изготовления клееного бруса на воднодисперсионных и
эмульсионных полимер-изоцианатных клеях.
Методика исследования.
Исследованию подлежали пиломатериалы и клееные бруски из древесины сосны, склеенные поливинилацетатным клеем марки «Клебит
303.0» и эмульсионным полимер-изоцианатным клеем «PREFERE 6151».
Качество клеевых соединений цельной древесины оценивали в соответствии с ГОСТ 15613.1-84 «Древесина клееная массивная. Методы
определения предела прочности клеевого соединения при скалывании
вдоль волокон».
Исследование влияния плотности древесины на ее прочность были
проведены в соответствии с ГОСТ 16483.5-73 «Древесина. Методы определения предела прочности при скалывании вдоль волокон».
Изучение структуры клеевого слоя выполнено с помощью электронного микроскопа, отображающего параметры объекта в отраженном свете.
Постоянные факторы зафиксированы на уровнях в соответствии с
рекомендацией производителей клеев и ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия». При проведении исследований влияния плотности древесины на прочность клеевых соединений с
использованием ПВА клея «Клебит 303.0» его расход был принят 140 г/м2,
а клея «PREFERE 6151» – 350 г/м2.
Методическая сетка эксперимента представлена в табл. 1.
Результаты исследований и их анализ.
Плотность и влажность древесины важнейшие из физических
свойств, оказывающих существенное влияние на механические свойства
древесины и ее способность к склеиванию /1, 2, 6, 7/. Результаты выполненных исследований показывают (рис. 1), что увеличение плотности древесины на 50 кг/м3 повышает ее прочность при скалывании на 0,15 МПа.
Рис. 1. Зависимость прочности клеевых соединений и древесины от ее плотности при
скалывании вдоль волокон
Постоянные факторы
Наименование
*
Значение
1. Влажность древесины, %
10 ± 2
2. Шероховатость поверхности, мкм
24 ± 8
3. Порода древесины
сосна
4. Марка клея
*
5. Марка отвердителя
*
6. Содержание отвердителя, %
*
7. Расход клея, г/м2
8. Давление прессования, МПа
*
0,8
9. Влажность окружающей среды, %
65
10. Температура окружающей среды, оС
20 ± 2
11. Номинальная толщина ламелей, мм
26
Прочность при скалывании вдоль волокон,
МПа
Задачи
исследования
Установить влияние плотности
древесины на:
1. прочность древесины;
2. прочность клеевых соединений
с использованием
ПВА и ЭПИ
клея*
Критерий
оценки
Таблица 1
Методическая сетка проведения эксперимента по исследованию влияния плотности древесины
на ее прочность и прочность клеевых соединений
Переменные факторы
Наименование
Плотность, кг/м3
Значение
Общее количество результатов наблюдений
350 – 400
258
400 – 450
294
450 – 500
401
500 – 550
298
550 – 600
233
600 – 650
103
Примечание. ПВА клей – «Клебит 303.0» с 5 % содержанием отвердителя «Клебит 303.5», ЭПИ клей –«PREFERE 6151» c 20 % содержанием отвердителя «Prefere 6650».
Влияние плотности древесины сосны на ее прочность линейно и может быть описано уравнением:
τск=0,003ρ+4,53
(1)
где τск – прочность древесины при скалывании вдоль волокон, МПа;
ρ – плотность древесины, 350 ≤ ρ ≤ 650 кг/м3.
Известно, что прочность древесины при скалывании вдоль волокон
определяется прочностью связей между мицеллами и плотностью их упаковки, которые различны у ранней и поздней древесины. Сопротивление
древесины скалыванию зависит не только от ее средней плотности, но и
различия между плотностью ранней и поздней древесины, равномерностью распределения древесинного вещества по объему дерева.
Зависимость между плотностью древесины и прочностью ее клеевых
соединений может быть описана уравнениями:
τскПВА=0,0104 ρ +1,17
(2)
ЭПИ
τск =0,0177 ρ -1,8
(3)
ПВА
ЭПИ
где τск и τск
– прочность клеевого соединения при скалывании вдоль
волокон с использованием ПВА и ЭПИ клея соответственно, МПа;
ρ – плотность древесины, 350 ≤ ρ ≤ 650 кг/м3.
Плотность древесины, обеспечивающая необходимую прочность
клееных брусьев при склеивании ПВА клеем, составляет 500 ÷ 650 кг/м3, а
ЭПИ – 450 ÷ 650 кг/м3. Связь между плотностью древесины и прочностью
ее клеевых соединений носит линейный характер (рис. 1), как и у цельной
древесины. При склеивании древесины сосны плотностью ниже 450 кг/м3
высока вероятность получения клееных материалов с прочностью ниже
требований стандартов. Низкая прочность склеивания древесины при такой плотности является следствием бóльшего разрушения ее поверхностного слоя в процессе пиления и цилиндрического фрезерования.
Качество клеевых соединений необходимо оценивать не только абсолютным значением его прочности при скалывании, но и характером разрушения: по клею, по древесине, смешанное. Вот почему при низкой плотности древесины клеевое соединение разрушается преимущественно по
древесине (рис. 2). Это проявляется в первую очередь при склеивании древесины ПВА клеями с невысокой адгезионной способностью и когезионной прочностью по сравнению с ЭПИ клеями (рис. 3).
Рис. 2. Характер разрушения образцов при исследовании влияния плотности древесины
на прочность клеевых соединений с использованием ПВА клея
Анализ характера разрушения клеевых соединений на поливинилацетатных и эмульсионных полимер-изоцианатных клеях показывает способность последних не только создавать более прочные по сравнению с
ПВА клеями соединения, но и упрочнять поверхностные разрушенные при
механической обработке слои древесины.
Вероятность того или иного характера разрушения может быть описана системой уравнений (4):
 y1ПВА  0,0012   2  0,9648    200,93
 ПВА
 0,3683    233,43
 y2
ПВА
y
 0,0011   2  1.2437    310,67
 3
 y1ЭПИ  0,0008   2  0,7714    169,35
 ЭПИ
 0,2153    144,57
 y2
 y ЭПИ  0,2152    50,442
 3
где у1 – процент разрушения образцов по клею, %;
у2 – процент разрушения образцов по древесине, %;
у3 – процент разрушения образцов смешанный, %;
ρ – плотность древесины, кг/м3.
(4)
Рис. 3. Характер разрушения образцов при исследовании влияния плотности древесины
на прочность клеевых соединений с использованием ЭПИ клея
Рис. 4. Микрофотографии клеевых соединений с различными типами клея при увеличении 1:100
а – с использованием ПВА клея; б – с использованием ЭПИ клея
Из рис. 2, 3 видно, что минимальное различие в вероятности разрушения древесины либо по клею, либо по древесине, либо смешанное имеет
место при плотности 500 ÷ 550 кг/м3 для соединений на эмульсионном полимер-изоцианатном клее и 550 ÷ 600 кг/м3 – на поливинилацетатном клее,
что, на наш взгляд, доказывает способность полимер-изоцианатных клеев
глубже проникать в древесину, отверждаясь упрочнять ее поверхностные
слои, создавая пропитанную клеем зону древесины, с равномерно распределенной плотностью, что можно видеть на рис. 4. Это предположение
подтверждается и увеличением процента смешанного характера разрушений клеевых соединений на ЭПИ клее (рис. 3).
Выводы.
1. Плотность древесины оказывает существенное влияние на прочность
клеевых соединений при склеивании, при этом усилие и характер
разрушения во многом зависит от вида клея.
2. Эмульсионные полимер-изоцианатные клеи в отличие от поливинилацетатных лучше поглощаются древесиной, создавая зону пропитанную клеем древесины, с равномерно распределенной плотностью,
упрочняют поверхностные разрушенные при механической обработке слои, позволяя получать клеевые соединения требуемой прочности при скалывании у древесины плотностью от 450 кг/м3 и выше.
Список использованной литературы
1. Чубинский А.Н. Формирование клеевых соединений древесины.
СПб.: СПбГУ, 1992. - 164 с.
2. Фрейдин А.С., Вуба К.Т. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины. М.: Лесная промышленность, 1980 – 223 с.
3. А.Н. Чубинский, А.А. Тамби, А.А. Федяев. Влияние строения и
свойств древесины на прочность её склеивания. Известия СанктПетербургской лесотехнической академии. Вып. 190, СПб.: СПбГЛТА,
2010 – с. 155 – 163.
4. Чубинский А.Н., Тамби А.А., Балабанов Г.П., Легков Я.В. Влияние
плотности древесины и ее поверхностных свойств на взаимодействие с поливинилацетатными связующими. Материалы четвертой международной
научно-практической интернет-конференции //Леса России в XXI веке. –
СПб.: СПбГЛТА, 2010 г., С. 23-27
5. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. –
4-е изд. – М.: МГУЛ, 2007. – 351 с.
6. Полубояринов О.И. Плотность древесины. М., «Лесная промышленность», 1976 –160 с.
7. Хухрянский П.Н. Прочность древесины. М., «Гослесбумиздат»,
1955 – 152 с.
Сведения о публикации
Чубинский А.Н., Федяев А.А., Тамби А.А. Влияние плотности древесины
на качество формирования клеевых соединений. Известия СанктПетербургской лесотехнической академии. Вып. 195, СПб.: СПбГЛТА,
2011 – с. 141 – 147.