Cклеивание древесины

Категория:
Производство конструкций из дерева


Cклеивание древесины

Для склеивания древесины применяют резорциновые, феноль-ные карбамидные и поливинилацетатные клеи. В состав клея входят полимер, наполнитель, растворитель, отвердитель. Полимер, образующий основу клея, может быть термореактивным или термопластичным и отверждаться под влиянием нагревания, удаления растворителя или действия отвердителя. В зависимости от вида полимера и способа отверждения некоторые из указанных компонентов в составе клеев могут отсутствовать.

Для деревянных конструкций используют преимущественно фенолформальдегидные (фенольные) клеи. Исходным продуктом для них служат жидкие термореактивные олигомеры с молекулярной массой 400… 800. Отверждаются они при нагревании до 140… 160 °С или при комнатной температуре под действием отвер-дителей. Для растворения клеев используют ацетон, спирт, воду. Наполнителями служат древесная мука, мел, целлюлоза, лигнин. Для склеивания деревянных конструкций применяют клеи холодного отверждения, а для склеивания столярных изделий и плит панелей — горячего отверждения. Отвердителем клеев при холодном отверждении служат сульфокислоты. Температура склеивания 15 … 25 °С, однако допустимо и нагревание до 60 … 70 °С. Вязкость клеев поддерживается в пределах 400 …800 мПа-с.

Недостатком фенольных клеев является выделение свободного фенола. При склеивании, кроме того, выделяется свободный формальдегид. Для его связывания в клей вводят небольшое количество порошкообразного резорцина. Для склеивания древесины с металлами, пластмассами, бетоном применяют клеи, модифицированные поливинилбутиралем (БФ-2, БФ-4, БФ-6).

Резорциновые клеи по свойствам близки к фенольным. Отверждение идет благодаря реакции между резорцином и формальдегидом или параформом при комнатной температуре и завершается в течение 24 … 48 ч. Отвердителями клея могут быть также слабые кислоты и основания. Наполнителями служат древесная мука, целлюлоза, лигнин; пластификаторами — глицерин, диэтилен-гликоль; растворителем — спирт. Клеи применяют для склеивания конструкций из древесины, пластмасс и бетона. Они имеют вязкость 100 … 400 мПа-с, жизнеспособны 2…3 ч. Улучшенными свойствами обладают резорциновые клеи, модифицированные поливинил-бутиральфурфуралем или каучуками.

Особую группу представляют клеи на основе алкилрезорцино-вых олигомеров. Они отверждаются при нормальной температуре и при нагревании, прочно склеивают древесину, пластмассы, бетон. Клеи наполняют древесной мукой, порошком лигнина, модифицируют жидкими каучуками, полиамидами и отверждают формалином, параформом или уротропином. Продолжительность отверждения при нормальной температуре— 12 …24 ч.

Карбамидные клеи получают на основе мочевино- и меламино-формальдегидных олигомеров. Они имеют вязкость 500… 1000 мПа-с, содержат 50… 70% сухих веществ, разбавляются водой. Наполняют клеи древесной мукой, целлюлозой, литопоном, пластифицируют гликолями, каучуковыми латексами.

Отвердителями для склеивания при нормальной температуре служат слабые кислоты (лимонная, щавелевая, уксусная и др.). При горячем (120… 130 °С) отверждении применяют аммонийные соли сильных кислот (нашатырь, сульфат аммония). Карбамидные клеи по сравнению с фенольными менее теплостойки (до 70… 80 °С). Их не рекомендуется применять для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе. Повышенной тепло- и водостойкостью обладают клеи на основе мочевиномеламиновых олигомеров. Они имеют вязкость 300… 800 мПа-с, содержат 60% сухих веществ, 16 …20% меламина, отверждаются горячим способом при добавлении 1 …3% хлористого аммония.

Для повышения водостойкости, стабильности, жизнеспособности их модифицируют резорцином или фурановыми соединениями. Уменьшение хрупкости клеев достигается совмещением их с водными дисперсиями поливинилацетата, полиметилметакрилата, по-лихлоропрена и других полимеров. Этими клеями можно склеивать разнородные древесные и древесно-пластические материалы. В связи с большими объемами производства карбамида в СССР карбамидные клеи экономически более доступны, чем резорциновые и фенольные.

Поливинилацетатные клеи изготовляют из водной дисперсии поливинилацетата. Это молочно-белая сметанообразная жидкость со слабым запахом уксусной кислоты, содержащая 50… 60% сухих веществ и 10… 15% пластификатора (дибутилфталата), имеет вязкость 400 …700 мПа-с, плотность 1,2 г/см3. Размер частиц полимера в дисперсии составляет не более 2 мкм. Дисперсия может длительно сохраняться (год и более). Поливинилацетатную дисперсию применяют при склеивании гидрофильных материалов, впитывающих воду. По мере впитывания воды дисперсия обезвоживается, частицы полимера сближаются и образуется пленка, прочно прилипающая к древесине, бетону и др.

Поливинилацетатные клеи химически нейтральны, безвредны, не требуют отвердителя, дают бесцветный клеевой шов. Но эти клеи ограниченно теплостойки (60°), ползучи при статических нагрузках и неводостойки. Для повышения водостойкости и уменьшения ползучести в поливинилацетатные клеи иногда добавляют карбомидные олигомеры в количестве 25… 50% от массы сухого поливинилацетата. Древесину склеивают при нормальной температуре (до 25 °С) и при нагревании (до 80 °С) с расходом клея около 200 г/м2. Время склеивания 20 … 40 мин при 25 °С или 7 мин при 80°С.

Склеивание древесины полимерными клеями имеет ряд особенностей. Древесина — природный материал клеточно-волокнист,ого строения — отличается значительной пористостью и гидрофильностью. Эти особенности существенно влияют на технологию ее склеивания. В разрезе поверхность механически обработанной древесины можно представить как совокупность стенок клеток, сосудов, волокон, с которыми клей вступает в контакт. При этом возможны три схемы этого контакта: клей заполняет промежутки только между стенками клеток, оставляя свободными полости и сосуды; клей смачивает всю свободную поверхность сопрягаемых деталей, но не заполняет целиком полости клеток и сосудов; клей заполняет все свободное пространство между поверхностями, проникая на некоторую глубину в древесину по обе стороны клеевого шва.

Рис. 1. Схемы заполнения клеем шва между деревянными деталями

На склеивание 1 м2 древесины расходуется 200 … 300 г клея с учетом проникания его не только в древесину, но и в неровности клеевого шва, вытекания клея из зазора и т. п. Таким образом, практически реализуется третья схема, однако на отдельных участках из-за неравномерного распределения клея древесина может склеиваться по схемам рис. 1, б, в.

Глубина проникания клея в древесину зависит от прилагаемого давления, длины и направления волокон относительно плоскости склеивания. Если угол наклона волокон меняется от 0 до 90° (торцовый разрез), глубина проникания клея увеличивается в 15… 150 раз, что требует повышенного расхода клея. Но прочность склеивания при этом не возрастает, а уменьшается, так как клей поглощается древесиной и шов остается незаполненным. Для увеличения прочности склеивания древесину обрабатывают веществами, укрепляющими стенки клеток или закупоривающими сосуды (пропитка полимерами).

Наибольшую прочность клеевого шва обеспечивает взаимодействие клея с разрезами клеточных стенок. Они состоят из нескольних слоев, содержащих различные количества целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина — веществ, обладающих полярностью и поэтому хорошо сцепляющихся с клеем. Наиболее адгезионно активна целлюлоза, поэтому в разрезе того слоя, где она преобладает, прочность склеивания выше. Чем толще стенки клеток, тем

больше адгезионное взаимодействие клея с древесиной и тем больше прочность склеивания. Поэтому участки поздней древесины, имеющие более толстые клетки, склеиваются прочнее. Они также имеют менее резкий рельеф в разрезе, что способствует лучшему склеиванию.

Размеры и характер неровности поверхности древесины, зависящие от способа ее обработки, по-разному влияют на прочность склеивания. В случае гладкой поверхности, образуемой строганием, прочность склеивания наибольшая, в случае грубошероховатой, созданной пилой с разведенными зубьями, — наименьшая. На прочность склеивания древесины значительно влияет ее плотность (или пористость), что также связано с толщиной клеточных стенок. Чем выше плотность, тем более прочно склеивается древесина. Если допустить, что пористость отсутствует и на всей площади клеевого шва сцепление происходит только с веществом древесины, то прочность склеивания могла бы достигнуть 30 … 33 МПа. Фактически же она составляет 8 … 12 МПа — для наиболее распространенных пород — сосны, ели, березы, лиственницы, дуба.

Ввиду различного строения древесины хвойных и лиственных пород, отличающихся размерами клеток и количеством сосудов, клей проникает в эти породы неодинаково. Например, при склеивании древесины сосны клей заполняет преимущественно клетки, а березы — не только клетки, но и сосуды.

На прочность склеивания оказывает большое влияние влажность древесины. Чем выше влажность, тем слабее сцепление клея с древесиной, так как молекулы воды блокируют адгезионно активные радикалы ее поверхности. Кроме того, влажная древесина сама по себе менее прочная. Поэтому, если склеивание древесины повышенной влажности и удается осуществить, то прочность соединения может быть низкой из-за ослабления самой древесины при увлажнении. Подбирая соответствующие клеи, можно склеивать древесину различной влажности. Так, резорциновые клеи прочно склеивают древесину влажностью до 20 … 22%, фенольные — до 15…18%, карба-мидные и поливинилацетатные — до 10%.

Рис. 2. Схема действия адгезионных сил на разных участках поперечного сечения клеток древесины:

Для склеивания применяют более сухую древесину, чем это необходимо для эксплуатации, так как, во-первых, водные растворы клея увлажняют ее и, во-вторых, незначительное разбухание древесины при уравновешивании ее влажности в окружающей среде меньше ослабляет соединение, чем усушка. При склеивании тонких элементов, например шпона, влияние влаги, вносимой клеем, увеличивается.

Изменение влажности древесины в процессе склеивания зависит от способа отверждения клея: при холодном отверждении влажность увеличивается, а при горячем — уменьшается. При склеивании деталей с неодинаковой влажностью, разной плотности или из различных пород в клеевых соединениях возникают напряжения, вызванные разной скоростью высыхания. Разница во влажности склеиваемых деталей должна быть не выше 3…5%. Важное значение имеет толщина клеевого шва. Она зависит от вязкости клея, степени его наполнения, прилагаемого давления и других факторов. Чем больше толщина клеевого шва, тем более значительно влияние внутренних напряжений и тем меньше может быть прочность соединения.

Толщина клеевой прослойки зависит от способа механической обработки деревянных деталей (строгание, фрезерование). При склеивании деревянных деталей, остроганных машинным способом, толщина клеевой прослойки составляет 0,5 … 0,2 мм. От способа обработки древесины зависит также равномерность толщины клеевой прослойки и распределение в ней внутренних напряжений. Местное утолщение клеевой прослойки может оказаться слабым местом клеевого соединения. Чем мягче древесина, тем меньше влияет неравномерность толщины клеевой прослойки на прочность соединения.

Дефекты обработки (заколы, задиры, трещины, риски от зазубренных ножей), а также пятна от смазки снижают прочность склеивания. Поэтому после механической обработки поверхностей с них щетками или сжатым воздухом удаляют пыль, а масляные пятна и смолистые места в склеиваемых заготовках протирают ацетоном или бензином.

Рис. 3. Влиняие влажности древесины на прочность склеивания ее фенолоформальдегидным клеем: 1 — дуб; 2 — сосна

Некоторую сложность представляет склеивание древесины, пропитанной антисептиками и антипиренами. Водорастворимые антисептики повышают гигроскопичность древесины, поэтому перед склеиванием необходимо более тщательно высушивать пропитанные детали. Антисептики, растворимые в неполярных растворителях (бензине, керосине и др.), значительно снижают адгезионную способность древесины. При пропитке водорастворимыми антисептиками в древесине отлагаются концентраты солей, и чтобы удалить их, детали перед склеиванием строгают. Из-за опасности термического разложения солей или испарения отдельных фракций маслянистых антисептиков горячее склеивание пропитанной древесины применяют по возможности ограниченно.

Кислые соли антисептиков растворяются при нанесении клея на поверхность древесины и, каталитически воздействуя на него, ускоряют отверждение. Во избежание преждевременного отверждения или быстрого старения клея необходимо уменьшить содержание отвердителя в нем так, чтобы его кислотность с учетом влияния кислого антисептика была в пределах нормы. Для доброкачественного склеивания пропитанной древесины необходимы повышенная выдержка, более длительная, чем обычно, запрессовка и высокое давление. Так, при нанесении на поверхность пропитанной древесины фенольного или резорцинового клея нужна более продолжительная (15…20 мин) открытая выдержка по сравнению с обычной (5 мин).

При склеивании древесины с металлами возникают особые трудности из-за того, что в контакт вступают пористый и непористый материалы, требующие различных клеев и отличающиеся такими важными физическими показателями, как температурные деформации, теплопроводность, упругость, отношение к влаге, кислотным и щелочным компонентами клея и т. п. Прочность соединения в таких случаях определяется прочностью древесины.

Для склеивания древесины с металлами холодным способом используют модифицированные эпоксидные, каучуковые, полиуре-тановые, реже фенольные клеи. Присутствие кислотного отвердителя в фенольных клеях не позволяет непосредственно наносить их на металл. В качестве защитного подслоя используют клей БФ-2.

Несмотря на достаточную прочность и долговечность соединений на фенольных клеях, применение клеевого подслоя затрудняет процесс склеивания. Поэтому для непосредственного склеивания древесины с металлами используют модифицированные эпоксидные клеи, которые менее чувствительны к разнице физических и механических свойств соединяемых материалов, допускают образование более толстого клеевого шва, не требуют открытой выдержки, повышенных давления и температуры прессования по сравнению с металлами рекомендуется эпоксидно-каучуковый клей K,-lt>8, наполненный портландцементом (до 200 мае. ч.). Клей наносят на одну из склеиваемых поверхностей из расчета 300… 400 г/м2. Отверждается клей под давлением 0 05… 0,1 МПа без нагревания в течение 24 ч или 30… 60 мин с нагреванием до 80°С. Для увеличения прочности склеенные изделия некоторое время выдерживают в ненагруженном состоянии.

Общим недостатком термореактивных клеев является жесткость клеевой прослойки, которая уменьшает стойкость соединений древесины с металлами к переменным воздействиям (неодинаковому термическому расширению, набуханию древесины и т. п.). Поэтому в некоторых случаях применяют менее прочные, но более эластичные каучуковые клеи. Ими древесину можно соединить с металлами двумя способами: 1) при полном высушивании (с последующей термической реактивацией); 2) при частичном высушивании жидкого клея. В первом случае жидкий каучуковый клей наносят на поверхность обеих деталей и полностью высушивают. Затем детали соединяют и нагревают до 80… 120 °С. При этом сухие пленки клея размягчаются, становятся липкими (реактивируются). После охлаждения деталей соединение приобретает достаточно высокую прочность.

При втором способе нанесенный на поверхность клей частично высушивают «до отлипа» и соединяют детали. Под влиянием давления и относительно невысокой температуры 50 … 60 °С молекулы полимера в смежных слоях взаимно диффундируют и образуют клеевой шов прочностью 0,5 … 1,2 МПа. Это невысокая прочность, но если учесть, что соединения на каучуковых клеях благодаря отличным релаксационным свойствам воспринимают неравномерное распределение напряжений и хорошо сопротивляются отрывающим нагрузкам, такую прочность можно считать достаточной. Каучуковые клеи наносят, как правило, на обе склеиваемые поверхности. При этом прочность соединения в 5… 7 раз выше по сравнению со склеиванием при одностороннем нанесении клея.

Древесина обладает свойством склеиваться различными клеями.

В столярном производстве путем склеивания древесины получают детали любых размеров и формы; увеличивают прочность деталей, склеивая их из отдельных частей в целях предупреждения коробления и растрескивания; улучшают внешний вид древесины, оклеивая ее тонкой фанерой ценных пород; соединяют детали в изделия. Склеиванием древесины получают из нее материалы, прочность и качество которых во много раз превышают те же качества древесины в массиве. Таковы, например, клееная фанера, переклеенные щиты, столярные плиты, древесные пластики.

При склеивании плотно подогнанные (прифугованные) поверхности намазывают раствором клея, прикладывают одну к другой и в таком положении сжимают (запрессовывают). Сжатие длится до тех пор, пока клей не застынет, т. е. пока не произойдет его «схватывание».

Сущность склеивания состоит в том, что клей по фуге проникает в межклеточные и внутриклеточные пространства древесины, застывает там и таким образом как бы сшивает склеиваемые поверхности громадным количеством тончайших нитей. При этом между склеиваемыми поверхностями образуется очень тонкая клеевая пленка.

Прочность склеивания имеет важнейшее значение для качества столярных изделий.

Прочность склеивания зависит от глубины и равномерности пропитки клеевым раствором склеиваемых поверхностей, от плотности прилегания этих поверхностей.

В лабораториях испытание прочности склеивания производят путем скалывания склеенных образцов по клеевому шву на специальных машинах (прессах).

В производственных условиях прочность склеивания часто определяют раскалыванием склеенных образцов древесины по клеевому шву стамеской. Различают четыре характерных раскола: по древесине, по древесине-клею, по клею-древесине и по клею.

Раскол по древесине означает, что клеевой шов прочнее древесины. Раскол по древесине — показатель самого прочного склеивания.

Раскол по древесине-клею показывает, что раскалывание произошло по клеевому шву менее чем на половину его площади, а раскол по клею-древесине характеризует раскалывание по клеевому шву больше чем на половину его площади.

Раскол по клею указывает на самую низкую прочность склеивания.

Прочность склеивания зависит от вида и качества клея, от того, насколько правильно приготовлен клей к работе, и от режима склеивания.

Для склеивания древесины применяют клеи животного происхождения, растительные и смоляные (из синтетических смол). С давних времен применяются клеи животного происхождения, так называемые коллагеновые, или глютиновые: мездровый, костный и рыбий. Большое распространение получил казеиновый клей. Клеи из синтетических смол (КБ-3, К-17 и др.) стали применять в столярном производстве за последние 15 — 20 лет; благодаря их ценным свойствам эти клеи получают все более широкое применение.

Способы приготовления разных клеев и правила пользования клеями различны.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум