Дослідження міцності клейових з'єднань термодеревини ясена, отриманої за технологією вакуумно-кондуктивного термічного оброб Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)

УДК 674.[048+028.9] Article info

Received 22.03.2017 р.

Вступ. Термодеревина - поргвняно новий матер1ал, який дедал1 частше використовують для виготовлення вироб1в, що призначеш для експлуатаци як знадвору, так i всередиш примщень. Залежно ввд температури та середовища оброблення (водяна пара, iнертнi гази, рос-линнi олп, вакуум), розроблено чимало технологiй тер-мiчного модифiкування деревини, проте всi вони спря-моваш на змiну ii хiмiчного складу, фiзичних та меха-нiчних властивостей. Завдяки впливу високих температур у процес оброблення вiдбуваються незворотш xi-мiчнi перетворення, що призводять до полiпшення таких показниюв, як: бiологiчна стiйкiсть, стабiльнiсть ге-ометричних розмiрiв та форми, довговiчнiсть, теплоп-ровiднiсть, зовнiшнiй вигляд (ThermoWood: Handbook -Helsinki, 2003). Але, о^м покращення деяких властивостей, можливе погiршення iншиx характеристик тер-модеревини:

• ктотне зменшення щшьностц

• тдвищення крихкостц

• термооброблена деревина тривалий час 36epirae запах горшо!' деревини;

• погiршення здатностi деревини до склеювання;

• колiр термодеревини тьмяте пiд впливом ультрафюле-тового випромшювання.

Погiршення здатностi термодеревини до склеювання е можливо одним iз найiстотнiшиx ii недолiкiв. Це пов'язано з тим, що в багатьох випадках для отримання заготовок та деталей потрiбниx розмiрiв, для з'еднання деталей у складальнi одинищ та вузли застосовують з'еднання за допомогою склеювання. Як i необроблену деревину, термодеревину теж доводиться склеювати. Термодеревину можна склеювати як термореактивни-

М. М. 1льк/в, В. Р. Солонинка, Ж. Я. Гуменюк, Ю. М. Губер

НЛТУ Украши, м. MbBiB, Украша

ми, так i термопластичними клеями. Проте, внаслiдок змши хiмiчного складу деревини, через дго високо! температури i вiдносну новизну, проблема здатносп та-ко! деревини до склеювання е малодослiдженою.

Методика проведення дослщження. Для експери-ментального дослiдження мiцностi клейових з'еднань термодеревини ясена використовували взiрцi, обробле-ш за технологiею вакуумно-кондуктивного термiчного оброблення деревини (ВКТОД) (НиЬег, Нишешик & II-к1у, 2010), за температури 160 °С та 220 °С i тривалостi оброблення 4 год. Виходячи з мiркувань еколопчно! безпеки, для формування клейового з'еднання обрано полiвiнiлацетатну дисперсго класом довговiчностi Б3, що вiдповiдае вимогам стандарту БК 204:2001 (БК 2004:2001, 2001).

Склеювання термодеревини ясена проводили за таких режимних параметров: витрата клею - 150 г/м2, три-валкть вщкрито! витримки - 10 хв, питомий тиск пре-сування - 0,6 МПа, температра пресування - 20±2 °С, тривалiсть пресування - 2 год. Таку тривалкть процесу пресування обрано виходячи з того, що термооброблена деревина чинить ошр проникненню води. Тому можна припустити, що термодеревина за звичайних умов скле-ювання композицiями на воднiй основi буде склеюва-тись гiрше, а щоб цього не допустити, варто було спро-бувати зб1льшити час витримки та пресування. Перед виготовленням стандартних взiрцiв, склеенi заготовки витримували сш дiб за температури 20±2 °С та ввднос-но! вологостi пов^я 65±5 %. Стандартнi взiрцi (рис. 1, 2), для визначення мщносп клейових з'еднань при сколюванш вздовж волокон, виготовляли вiдповiдно до ви-мог стандарту ГОСТ 15613.1-84 (ООБТ 15613.1-84, 1984).

ДОСЛ1ДЖЕННЯ М1ЦНОСТ1 КЛЕЙОВИХ З'ЕДНАНЬ ТЕРМОДЕРЕВИНИ ЯСЕНА, ОТРИМАНО1 ЗА ТЕХНОЛОГИЮ ВАКУУМНО-КОНДУКТИВНОГО

ТЕРМ1ЧНОГО ОБРОБЛЕННЯ

Наведено методику отримання термодеревини ясена за вакуумно-кондуктивною технолопею термiч-ного оброблення деревини; режимш параметри процесу склеювання. Описано методику проведення тем-пературно-волопсних циклiв навантаження експериментальних взiрцiв та методику експериментального дослiдження мщносп клейових з'еднань, сформованих за допомогою термопластичних кле\'в на основi полiвiнiлацетатноl (ПВА) диспера!' з термодеревини ясена. Побудовано графiчну залежнiсть мiцностi клейового з'еднання термодеревини ясена ввд температури оброблення. За результатами експериментального дослвдження мщносп з'еднання термодеревини ясена, сформованого за допомогою клею на основi ПВА диспера!' (клас довговiчностi Б3), при сколюваннi вздовж волокон, встановлено, що середне зна-чення мiцностi клейового з'еднання термодеревини ясена, оброблено! за температури 160 °С упродовж 4-х год, при сколюванш вздовж волокон зменшилось на 68,5 %, порiвняно iз мщшстю клейового з'еднання необроблено! деревини. Середне значення мiцностi клейового з'еднання термодеревини ясена, оброблено! за температури 220 °С упродовж 4-х год, при сколюванш вздовж волокон зменшилось на 42,1 %, по-рiвняно iз мiцнiстю клейового з'еднання необроблено! деревини. З'ясовано, що нездатнiсть термодеревини утворювати мiцнi клейовi з'еднання можна пояснити термiчною деструкцiею деревини (розкладання та виведення гемiцелюлози та екстрактивних речовин), що призводить до значного скорочення мiжмоле-кулярних зв'язюв мiж клеем та деревиною.

Ключовг слова: термодеревина; вакуумно-кондуктивна технолопя; клейове з'еднання.

Цитування за ДСТУ: l^bKiB М. М. Досждження мщност клейових з'еднань термодеревини ясена, отриманоТ за технолопею вакуумно-кондуктивного TepMi4Horo оброблення / М. М. 1льюв, В. Р. Солонинка, Ж. Я. Гуменюк, Ю. М. Губер // Науковий вюник НЛТУ УкраТни. - 2017. - Вип. 27(3). - С. 136-139 Citation APA: Ilkiv, M. M., Solonynka, V. R., Humenyuk, Zh. Ya., & Huber, Yu. M. (2017). The Research of the Strength of Ash

Thermowood Adhesive Joints Treated by Vacuum-Conductive Thermal Processing Technology. Scientific Bulletin of UNFU, 27(3), 136-139. Retrieved from: http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/280

Рис. 1. Розмiри стандартних взiрцiв для визначення мiцностi клейового з'еднання при сколюванш вздовж волокон

ност1 кленового з'еднання при сколюванш вздовж волокон, вз1рщ тддавали мехашчним випробуванням на розривнш машиш ИР 5057-50 (рис. 3). Розмщення вз1р-ця у пристосуванш в розривнш машиш показано на рис. 4.

Прикладання до взipцiв навантажень проводили зпдно з ГОСТ 15613.1-84, безперервно та з постшною швидюстю перемкиеппя навантажувально! головки роз-

ривно! машини 0.6 мм/хв.

Рис. 4. Розмщення взiрця у пристосуванш в розривнш машиш

Межу мщносп клейового з'еднання при сколюванш вздовж волокон визначали за формулою Р

т =-, МПа ,

Ь ■ I

(1)

Рис. 3. Розривна машина ИР 5057-50

Експериментальне дослвдження мщносп клейових з'еднань, сформованих термопластичним клеем за кла-сом довгов1чност1 Б3, при сколюванш вздовж волокон, виконували тсля проведения трьох цикл1в температур-но-волопсних навантажень ввдповщно до БК 204:2001:

• цикл № 1: витримування зразюв упродовж 7-ми доб за стандартних атмосферних умов;

• цикл № 2: вимочування зразюв у вода за температури 20±5 °С упродовж 4-х дiб;

• цикл № 3: повторне витримування зразюв упродовж 7-ми доб за стандартних атмосферних умов.

Пд стандартними атмосферними умовами мають на уваз1 температуру навколишнього середовища 20±2 °С 1 ввдносну волопсть повггря 65±5 %. Для визначення мщ-

де: Р - руйшвне зусилля, Н (кгс); Ь - ширина площ1 сколювання вз1рця, м (см); I - довжина площ1 сколю-вання вз1рця, м (см).

Результата експериментального дослвдження. Шсля визначення меж1 мщносп клейового з'еднання термодеревини ясена при сколюванш вздовж волокон, проведено статистичне оброблення результапв експериментального дослвдження та побудовано пстограми розподшу даних. 'й Д1аграма розподшу даних

§ 20 &

I 15

I 10

со

-а ^ в 3 о п-

5 О,

л 2,58 2,85 3,13 3,4 3,66 3,93 4,22 V Середне значения мщносп клейового з'еднання при " сколюванш вздовж волокон в ¡-му штервал1, МПа Рис. 5. Пстограма розподiлу експериментальних даних мiцностi клейового з'еднання термодеревини ясена, оброблено'1 за температури 160°С упродовж 4-х год, при сколюванш вздовж волокон

За результатами експериментального дослвдження мщносп з'еднання термодеревини ясена, сформованого за допомогою клею на основ1 ПВА дисперсп (клас дов-гов1чност1 Б3), при сколюванш вздовж волокон вста-новлено:

• середне значення мiцностi клейового з'еднання термодеревини ясена, оброблено'1 за температури 160 °С упро-

довж 4-х год, при сколювант вздовж волокон становить 3,45 МПа, а показник точност дослiду - 1,39 %. Пстог-раму розподшу експериментальних даних показано на рис. 5.

• середне значения мщносп клейового з'еднання термоде-ревини ясена, оброблено'1 за температурi 220 °С упро-довж 4-х годин, при сколювант вздовж волокон становить 6,34 МПа, а показник точност дослщу - 0,56 %. Пстограми розподiлу експериментальних даних показано на рис. 6.

Д1аграма розподшу даних

£ 25

<L>

ж 20 i* 15

и 10 л X

ю

£ X

sa

\Л

л 5,79 6,01 6,23 6,45 6,67 6,89 7,13 V Середне значения мщносп клейового з'еднання при " сколюванш вздовж волокон в ¡-му штервалц МПа

Рис. 6. Псгограма розподiлу експериментальних даних мщносп клейового з'еднання термодеревини ясена, оброблено'1 за температури 220°С упродовж 4-х год, при сколюванш вздовж волокон

Результати експериментального дослщження меж1 мщносп при сколюванш вздовж волокон клейових з'еднань термооброблено! деревини ясена пор1вняно з клейовими з'еднаннями необроблено! деревини ясена наведено на рис. 7.

г и

о я « ,, Я « С 12

и к ^

я 2 2

4> В

ч О Я

и & о

• - о м

h Я О

° 5 н

0 & о

1 с щ ~ W V*

сЗ сЗ

П И

£ 5 ш

ä "со

10

1 2 3

1 - вз1рщ виготовлеш з необроблено! деревини ясена;

2 - B3ipqi виготовлеш з термодеревини ясена

(т = 4 год, t = 160 °С);

3- B3ipai виготовлеш з термодеревини ясена (т = 4 год, t = 220 °С) Рис. 7. Результати експериментального дослiдження межi мiцностi клейового з'еднання при сколюванш вздовж волокон

Настшьки icTOTHe зменшення мiцностi клейових з'еднань термодеревини ясена при сколюванш вздовж волокон порiвняно з необробленою деревиною можна пояснити значним погiршeнням ii основних фiзико-мe-ханiчних показник1в (ThermoWood: Handbook - Helsinki, 2003; Huber, Humeniuk & Ilkiv, 2010; Callum, 2006). Окргм того, зменшення показника щщьносп також призводить до зменшення мщносп клейового з'еднання (Chubinskij, Tambi, Balabanov & Legkov, 2010). Значну

р1зницю у м1цност1 клеиових з'еднань термодеревини ясена, оброблено! за р1зних температур, можна пояснити хгшчними перетвореннями, що вщбуваються в деревин! тд час терм1чного оброблення. За температури оброблення 160 °С вщбуваеться терм1чниИ розклад гемь целюлози та незначниИ розклад ляшну. Ввдповвдно кшькють м1жмолекулярних зв'язкв м1ж деревиною та клеем р1зко зменшуеться. За температури оброблення 200 °С i бшьше, поряд 1з значними втратами гемщелю-лози, незначними змiнами, якi вiдбуваються iз целюло-зою, вмiст лiгнiну завдяки реакщям зшивання iстотно зб1льшуеться (Callum, 2006). Вщповщно зб1льшення вмiсту лiгнiну сприяе утворенню мiжмолекулярних зв'язкв мiж деревиною та клеем, що забезпечуе адге-зiйну мiцнiсть клеИового з'еднання.

Висновки. Термодеревина - вщносно новий матерь ал, який мае як переваги, так i недолiки, порiвняно iз необробленою деревиною. До iстотних недолш1в термодеревини можна вiднести значне попршення здат-ностi утворювати мщш та надiИнi клеИовi з'еднання. Нездатшсть термодеревини утворювати мiцнi клеИовi з'еднання можна пояснити термiчною деструкцiею деревини (розкладання та виведення гемщелюлози та екстрактивних речовин), що призводить до значного скорочення мiжмолекулярних зв'язюв мiж клеем та деревиною. Результати наших дослщжень показали, що сформоване з'еднання термодеревини за допомогою термопластичних кле!в на основi ПВА дисперсн не е мiцним та довговiчним. Тому потрiбно направити зу-силля на модифiкування та отримання нових рецептур термопластичних клеИових композицш на основi ПВА дисперсiИ, що забезпечили б потрiбнi показники мiцнос-тi та довговiчностi клеИових з'еднань термодеревини.

Перелж використаних джерел

Chubinskij, A. N., Tambi, A. A., Balabanov, G. P., & Legkov, Ya. V. (2010). Vlijanie plotnosti drevesiny i ee poverhnostnyh svojstv na vzaimodejstvie s polivinilacetatnymi svjazujushhimi. Lesa Rossii v XXI veke: mater. 4-oj Mezhdunar. nauch.-prakt. internet-konf. (pp. 23-27). St. Petersburg: SPbGLTA. [in Russian]. EN 2004:2001. (2001). Classification of thermoplastic wood adhesi-

vesfir non-structural applications, 12 p. GOST 15613.1-84. (1984). Drevesina kleenaja massivnaja. Metody opredelenija predela prochnosti kleevogo soedinenija pri skalyvanii vdol volokon. Izd-vo. ofic. Moscow: Gosudarstvennyj komitet SSSR po standartam, 24 p. [in Russian]. Huber, Yu. M., Humeniuk, Zh. Ya., & Ilkiv, M. M. (2010). Ekspery-mentalni doslidzhennia zminy fizyko-mekhanichnykh vlastyvostei termoderevyny v protsesi vakuumno-konduktyvnoho termichnoho obroblennia. Naukovyi visnyk NLTU Ukrainy: zb. nauk.-tekhn. prats, 20(2), 92-99. Lviv: RVV NLTU Ukrainy. [in Ukrainian]. ThermoWood: Handbook - Helsinki. (2003). FINLAND: International ThermoWood Association, 66 p. Callum, A. S. Hill. (2006). Wood Modification: Chemical, Thermal and Other Processes. Wales: John Wiley &Sons, Ltd., 260 p.

М. Н. Илькив, В. Р. Солонынка, Ж Я. Гуменюк, Ю. М. Губер

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕРМОДРЕВЕСИНЫ ЯСЕНЯ, ПОЛУЧЕННОЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ ВАКУУМНО-КОНДУКТИВНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Приведена методика получения термодревесины ясеня по вакуумно-кондуктивной технологии термической обработки древесины; режимные параметры процесса склеивания. Представлены методика проведения температурно-влажностных циклов нагрузки экспериментальных образцов и методика экспериментальных исследований прочности клеевых соединений, сформированных с помощью термопластичных клеев на основе поливинилацетатной (ПВА) дисперсии из термодревесины ясеня. Пос-

троена графическая зависимость прочности клеевого соединения термодревесины ясеня от температуры обработки. По результатам экспериментальных исследований прочности соединения термодревесины ясеня, сформированного с помощью клея на основе ПВА дисперсии (класс долговечности D3), при скалывании вдоль волокон, установлено, что среднее значение прочности клеевого соединения термодревесины ясеня, обработанной при температуре 160 °С в течение 4-х часов, при скалывании вдоль волокон уменьшилось на 68,5 % по сравнению с прочностью клеевого соединения необработанной древесины. Среднее значение прочности клеевого соединения термодревесины ясеня, обработанной при температуре 220 °С в течение 4-х часов, при скалывании вдоль волокон уменьшилось на 42,1 % по сравнению с прочностью клеевого соединения необработанной древесины. Выяснено, что неспособность термодревесины образовывать прочные клеевые соединения можно объяснить термической деструкцией древесины (разложение и выведение гемицеллюлозы и экстрактивных веществ), что приводит к значительному сокращению межмолекулярных связей между клеем и древесиной.

Ключевые слова: термодревесина; вакуумно-кондуктивная технология; клеевые соединения.

M. M. Ilkiv, V. R. Solonynka, Zh. Ya. Humenyuk, Yu. M. Huber

THE RESEARCH OF THE STRENGTH OF ASH THERMOWOOD ADHESIVE JOINTS TREATED BY VACUUM-CONDUCTIVE THERMAL PROCESSING TECHNOLOGY

Thermowood is a relatively new material, which is being increasingly used for the manufacturing of products designed for use both from outside and inside the premises. However, due to changes in the wood chemical composition, due the action of high temperature and the relative novelty, this problem of the ability of such wood to gluing is not explored enough. This causes the purpose of the research. Consequently, the method of ash thermowood treating by vacuum-conductive thermal processing technology and regime bonding process parameters is presented. The authors have described the method of temperature-humidity cycle load experimental models and the method of experimental research of the strength of adhesive joints formed using thermoplastic adhesives based on polyvinylacetate (PVA) variance from thermowood of ash. The authors have also designed graph dependence of change strength of adhesive joints of ash thermowood on temperature of the heat treatment. Based on the results of experimental studies the connection strength formed by thermoplastic adhesives based on polyvinylacetate (PVA) variance from ash thermowood (durability class D3), in chipping along the fibers, we have found that the average value of strength adhesive joints of ash wood treated at 160 °C during 4 hour period, in chipping along the fibers decreased by 68.5 % compared to the strength adhesive joints of untreated wood. The average value of strength adhesive joints of ash wood treated at 220 °C during 4 hour period, in chipping along the fibers decreased by 42.1 % compared to the strength of adhesive joints of untreated wood. It is found that some thermowood inability to form strong adhesive joints can explaine thermal degradation of wood (decomposition and excretion of extractives substances and hemicellulose) to cause significant reduction of intermolecular bonds between glue and wood. Our results showed that the adhesive joints of ash thermowood, formed by thermoplastic adhesives based on polyvinylacetate (PVA) variance are not sturdy and durable. Thus, we should conclude that it is necessary to make efforts to modification and receiving of new thermoplastic formulations based on glue PVA variance that would be provided with necessary indicators of strength and durability of the glue thermowood joints.

Keywords: thermowood; vacuum-conductive thermal processing technology; adhesive joints.

1нформащя про aBTopiB:

1льшв Михайло Миколайович, асистент, НЛТУ УкраТни, м. Львiв, УкраТна.

Email: mykhailo.ilkiv@nltu.edu.ua Солонинка Василь Романович, канд. техн. наук, доцент, НЛТУ УкраТни, м. Львiв, УкраТна.

Email: vasyl.solonynka@nltu.edu.ua Гуменюк Жанна Ярославiвна, асистент, НЛТУ УкраТни, м. Львiв, УкраТна.

Email: zhanna.humenyuk@nltu.edu.ua Губер Юрш Мирославович, канд. техн. наук, доцент, НЛТУ УкраТни, м. Львiв, УкраТна.

Email: yuriy.huber@nltu.edu.ua