CC BY
47
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ
УДК 674-415
ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ СМОЛ СО ШПОНОМ ТРОПИЧЕСКИХ ПОРОД ДРЕВЕСИНЫ
А.И. Криворотова, О.А. Усольцев
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира, 82, e-mail: tkmkai@mail.ru
В статье приведены результаты исследований адгезионного взаимодействия фенолоформальдегидных и карба-мидоформальдегидных смол со строганым шпоном тропических пород древесины. Общеизвестно, что при склеивании древесины протекает множество сложных физических и химических процессов, результатом которых является возникновение адгезионного взаимодействия в системе клей-древесина и последующее нарастание когезионной прочности клея и, как следствие, прочности клеевых соединений. Формирование адгезионного контакта жидкий клей древесина является первым обязательным этапом образования прочных и долговечных клеевых соединений. В настоящий момент в деревообработке широко используется шпон тропических пород древесины. Необходимым условием адгезионного взаимодействия является процесс смачивания, который характеризуется краевым углом смачивания. Установлено, что карбами-доформальдегидные и фенолоформальдегидные смолы при взаимодействии с тропическими породами шпона образуют различные краевые углы смачивания, которые условно можно разделить группы в зависимости от полярности древесины и клея. В соответствие проведенным условным разделением представлены результаты исследований прочности при отрыве перпендикулярно пласти строганого шпона и прочности при скалывании по клеевому слою. Подтверждено, что c увеличением краевого угла смачивания наблюдается снижение прочности клеевых соединений на основе фенолоформаль-дегидных и карбамидоформальдегидных смол. Прочность клеевого соединения не зависит от того, какой вид клея дает большие значения краевого угла смачивания на конкретной породе древесины. Отмечено, что краевой угол смачивания карбамидоформальдегидных смол имеет больший разброс значений в сравнении с фенолоформальдегидными смолами в зависимости от породы древесины строганого шпона.
Ключевые слова адгезия, краевой угол смачивания, строганый шпон, тропические породы древесины, прочность.
In the article the results of studies on the adhesive interaction of a phenol-formaldehyde and urea-formaldehyde resins with sliced veneer of tropical wood. It is known that bonding of wood goes through a number of complex processes that result in the occurrence of adhesive interaction in system of glue-wood and consequent increase in cohesive strength of the adhesive and, consequently, the strength of glue joints. Formation of the adhesive contact of liquid wood glue is the first compulsory stage of education lasting and durable adhesive joints. At the moment in woodworking is widely used veneer tropical woods. Necessary condition for adhesion interaction is the process of wetting, which is characterized by the contact angle of wetting. It is established that urea-formaldehyde and phenol-formaldehyde resin in the interaction with tropical species of wood veneer to form various edge angles of wetting, which can be divided in groups according to the polarity of wood and glue. Conducted in compliance with the conditional division presents the research results of tensile separation perpendicular to the face veneer and the shearing strength on adhesive layer. It is confirmed that the increase in contact angle of a decrease in the strength of glue. Adhesive strength does not depend on what type of glue gives larger values of limiting wetting angle for the particular wood species. Contact angle of the urea-formaldehyde resin has a larger spread compared to phenol-formaldehyde resins, depending on the type of wood veneer.
Keywords: adhesion, contact angle, sliced veneer, tropical wood species, strength.
ВВЕДЕНИЕ
При склеивании древесины протекает множество сложных физических и химических процессов, результатом которых является возникновение адгезионного взаимодействия в системе клей-древесина и последующее нарастание когезионной прочности клея и, как следствие, прочности клеевых соединений. Формирование адгезионного контакта жидкий клей древесина является первым обязательным этапом образования прочных и долговечных клеевых соединений. В настоящий момент в деревообработке широко используется шпон тропических пород древесины. Анализ имеющихся данных показал, что имеется недостаточное количество информации о взаимодей-
ствии клеев российского производства со строганым шпоном тропических пород древесины.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
И ОБСУЖДЕНИЕ
С.С. Воюцкий писал, что существующие теории адгезии рассматривают разные случаи и разные стороны этого явления, и «...единой теории, объясняющей явления адгезии, нет и, вероятно, не может быть. В различных случаях адгезия обусловливается разными механизмами...» (Воюцкий,1960). Действительно, распространены как минимум пять теоретических подходов к механизму адгезии: электрическая теория, адсорбционная теория, диффузионная тео-
А.И. Криворотова, О.А. Усольцев. Исследование адгезионного взаимодействия синтетических смол со шпоном тропических пород..
рия, механическая теория и теория слабого граничного слоя.
Смачивание - явление взаимодействия поверхности твердого тела с жидкостью, приводящее к растеканию или «стягиванию» последней. При смачивании твердого тела жидкость образует определенный краевой угол. Значение краевого угла смачивания поверхности клеем не может служить показателем адгезионной прочности будущего клеевого соединения. Однако смачивание создает необходимые условия для формирования адгезионного контакта жидкий клей-древесина (Filippovich, 1998).
Экспериментальное исследование краевого угла смачивания проводилось на строганом шпоне пород: венге, сапели, эбони, клён (птичий глаз), махагон, орех американский, пасиландр сантос, макоре, бук, клен американский, клен европейский, вишня европейская, зебрано, тик, ясень европейский, американский белый дуб для фенолоформальдегидной смолы марки СФЖ-3013 и карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-Ж.
На рисунках 1 - 3 представлены значения краевого угла смачивания на указанных породах строганого шпона. Для удобства восприятия и в зависимости от значения показателя рН-среды породы древесины строганого шпона образцы были разделены на две группы: 1 группа - породы строганого шпона, которые имеют нейтральную рН-среду и 2 группа - породы строганого шпона, имеющие среду рН=5.
Как видно из рисунков 1 и 2 на первой группе пород древесины, имеющих нейтральную среду, наибольшие значения краевого угла смачивания наблюдаются у фенолоформальдегидной смолы. В среднем значения краевого угла смачивания для фенолофор-мальдегидной смолы превышают значения краевого угла смачивания у карбамидоформальдегидной смолы на величину от 4 до 36° в зависимости от породы древесины. Обратная зависимость наблюдается для пород имеющих среду рН=5 (рисунок 3). Значения краевого угла смачивания здесь больше у карбамидо-формальдегидной смолы по сравнению с фенолофор-мальдегидной на примерно такие же параметры - от 1 до 34° в зависимости от породы древесины. В какой-то мере объяснить данный процесс можно разностью в полярности фенолоформальдегидных и карбамидо-формальдегидных смол. В соответствие с требованиями стандартов на смолы фенолоформальдегидная смола марки СФЖ-3093 имеет массовую долю щелочи от 5,5 до 6,5 %, что соответствует рН среды равной от 12,5 до 13,5 (по экспериментальным данным рН-среды составила - 10), а карбамидоформальде-гидная смола имеет концентрацию водородных ионов рН=7,0. Таким образом, карбамидоформальдегидная смола, имеющая нейтральную среду, показывает меньший угол смачивания (как следствие лучшее растекание) на шпоне тропических пород древесины имеющих также нейтральную среду. При этом максимальный угол смачивания для карбамидоформаль-дегидной смолы наблюдается у породы вишня европейская (рН=5, q=121°), минимальный угол у породы
зебрано (рН=7, q=56°). Для фенолоформальдегидной смолы максимальное значение краевого угла смачивания наблюдается у породы дуб американский белый (рН=7, q=116°), минимальное значение у породы (рН=7, q=76°). Дополнительно было отмечено, что на породах с рН=5 значения краевого угла смачивания фенолоформальдегидной смолы отличаются незначительным разбросом (от 86 до 98 °) по сравнению с породами рН которых равен 7 (от 76 до 116°).
- фенолоформальдегидная смола; мидоформальдегидная смола
- карба-
Рисунок 1 - Краевой угол смачивания для тропических пород древесины с рН=7
Исследование зависимости прочности при отрыве для различных пород строганого шпона проводилось на образцах предоставленных ООО УК «Мекран». Склеивание образцов проводилось на проходном прессе с использованием феноло- и карбамидофор-мальдегидных клеев при температуре 100 °С, продолжительность выдержки 90 с, давление 0,6 МПа. Образцы изготавливались по принципу изготовления столярной плиты облицованной строганым шпоном тропических пород древесины с подложкой из лущеного шпона.
На рисунке 4 представлена зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=7 при использовании фенолоформальдегидной смолы. Аналогичная зависимость для тропических пород древесины с рН=5 приведена на рисунке 5. Как видно представленных зависимостей с увеличением краевого угла смачивания наблюдается снижение прочности при отрыве.
140
100
Е 80
0
1 №
I 40
20
J1!^_Лп_ Н -И_Д_
шш
ясеньевр ду5амербелый клен птичий mas зебрано Породы древесины строганого шпона
Рисунок 2 - Краевой угол смачивания для тропических пород древесины с рН=7
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015
Рисунок 3 - Краевой угол смачивания для тропических пород древесины с рН=5
Для составления более полной картины было проведено объединение значений показателей прочности при отрыве перпендикулярно пласти на одной плоскости для всех исследуемых образцов тропических пород древесины, рисунок 6. Как видно из рисунка наблюдаемые выше зависимости сохраняются: с увеличением краевого угла смачивания прочность образцов при отрыве перпендикулярно пласти снижается. В результате математической обработки экспериментальных данных, были получены уравнения регрессии, выражающие зависимости предела прочности при отрыве перпендикулярно пласти от значения краевого угла смачивания при использовании для склеивания фенолоформальде-гидной смолы с тесной корреляционной связью.
Таким образом, можно сделать вывод, что при использовании фенолоформальдегидной смолы для склеивания строганого шпона тропических пород древесины вне зависимости от физических параметров древесины строганого шпона (рН-среды, плотности и т.д.) наблюдается подтверждение постулатов молекулярной теории адгезии: чем лучше смачивание поверхности древесины клеем (чем меньше краевой угол смачивания), тем лучше качество склеивания и выше прочность клеевого соединения.
При изучении прочности при отрыве перпендикулярно пласти образцов склеенных карбамидофор-мальдегидной смолой для тропических пород древесины с рН=7 и рН=5, рисунки 7, 8, 9, наблюдаются аналогичные вышеуказанным зависимости: с увеличением краевого угла смачивания наблюдается снижение прочности при отрыве. При этом наблюдается увеличение тесноты корреляционной связи для образцов, склеенных карбамидоформальдегидной смолой в сравнении с фенолоформальдегидной.
Следует также отметить, что при примерно одинаковых значениях краевого угла смачивания фено-лоформальдегидных и карбамидоформальдегидных смол, клеевые соединения на основе карбамидных смол имеют более низкую прочность (Филиппович А.А., 1999). Это также подтверждает известные теории адгезии и утверждение, что процессы смачивания и растекания являются необходимыми, но не достаточными условиями образования прочного клеевого шва. На прочность клеевого шва влияют и другие параметры: шероховатость, полярность, инактивация древесины, физико-химические и механические характеристики клея и другое.
Следующим показателем, имеющим большое значение при использовании в качестве облицовывающего материала строганого шпона на подложке из лущеного шпона является показатель прочности при скалывании по клеевому слою. На рисунках 1012 приведены зависимости прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для клеевых соединении на основе фенолоформаль-дегидных смол. Как видно из представленных зависимостей с увеличением краевого угла смачивания наблюдается снижение прочности при скалывании по клеевому слою. Следует также отметить, что прочность при скалывании по клеевому слою для шпона тропических пород в сравнении с прочностью при скалывании по клеевому слою в соответствие со стандартом (ГОСТ 3916.1-96) имеет большие значения на величину от 0,06 до 0,99 МПа.
На рисунках 13-15 приведены зависимости прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для клеевых соединении на основе карбамидоформальдегидных смол. Как видно из представленных зависимостей с увеличением краевого угла смачивания наблюдается снижение прочности при скалывании по клеевому слою. Прочность при скалывании по клеевому слою для шпона тропических пород в сравнении с прочностью при скалывании по клеевому слою в соответствие со стандартом (ГОСТ 3916.1-96) при достижении краевого угла смачивания равным 110° не удовлетворяет требованиям большинства российских пород древесины.
3 Р 45 с. о
с. гт 1=
К а
♦ а,„г 74.06 -0.38-6.
- « К = 0.80.
♦
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
Краевой угол смачивания
Рисунок 4 - Зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=7 для фенолоформальдегидной смолы
♦ ♦ ег,„.= 72,61-0,35-6.
Я =0.61.
♦
Краевой угол смачивания
Рисунок 5 - Зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=5 для фенолоформальдегидной смолы
А.И. Криворотова, О.А. Усольцев. Исследование адгезионного взаимодействия синтетических смол со шпоном тропических пород.
Краевой}
Рисунок 6 - Зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для строганого шпона тропических пород древесины для фенолоформальдегидной смолы
я 35
С я
о ч £ -50
с —
С. ч
К ®
с 25
= 44.91-0,17-0.
♦ ♦ R = 0.73.
♦ ^^^^^^
♦
Краевой угол смачивания
Рисунок 7 - Зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=7 для карбамидоформальдегидной смолы
Краевой угол смачивания
Рисунок 8 - Зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=5 для карбамидоформальдегидной смолы
а в 35
с. ч К Е
ег =46.11-0,19-0.
♦ R = 0.8 7.
♦
♦ ♦
55 65 75 85 95 105 115
Краевой угол смачивания
Рисунок 9 - Зависимость прочности при отрыве строганого шпона от краевого угла смачивания для строганого шпона тропических пород древесины для карбамидоформальдегидной смолы
85 90 95 100 105 Краевой угол смачивания
Рисунок 10 - Зависимость прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=7 для фенолоформальдегидной смолы
С И5
н ^
S aj
н ^
I = @1,!
~ С
a ¡ г
С £ §
í s S
с. 5
К 2
♦ ♦ ♦ сг„= з.оз -о.о 1-е.
R = 0,48.
85 90 95 100 105 110 1J
Краевой угол смачивания
Рисунок 11 - Зависимость прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=5 для фенолоформальдегидной смолы
н
с й 1 2
с. ч К S
♦ стск= 3,49 -o,o2-e.
♦ ♦ ♦ R= 0,42.
♦ ♦ ♦ ♦ ♦
-1-■ л ■-1-1-1-I^^WI-
75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Краевой угол смачнвання
Рисунок 12 - Зависимость прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с использованием фенолоформальдегидной смолы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований адгезионного взаимодействия синтетических смол со шпоном тропических пород древесины установлено, что феноло-формальдегидные и карбамидоформальдегидные смолы в зависимости от породы древесины строганого шпона образуют различные краевые углы смачивания, которые условно можно разделить группы в зависимости от полярности древесины и клея. При этом смачивание является необходимым, но не достаточным условием для адгезионного взаимодействия клея и древесины. Прочность клеевого соединения не зависит от того, какой вид клея дает большие значения краевого угла смачивания на конкретной породе древесины. Однако с увеличением краевого угла смачивания наблюдается снижение прочности клеевых соединений как на основе фе-
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015
нолоформальдегидных, так и на основе карбамидо-формальдегидных смол. Краевой угол смачивания карбамидоформальдегидных смол имеет больший разброс значений в сравнении с фенолоформальде-гидными смолами в зависимости от породы древесины строганого шпона.
2,0
= 1 С
В. I 2
1,8
С в
ч
% X
1,6
» ñ ь ч
К S
1,4
1,2
0"м= 2.13-0,01-6.
___♦ R = 3,34.
♦
55
S0
90
95
65 70 75 80 85 Краевой угол смачпвання Рисунок 13 - Зависимость прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=7 для карбамидоформальдегидной смолы
Краевой угол смачивания
Рисунок 14 - Зависимость прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с рН=5 для карбамидоформальдегидной смолы
I о |
S с
a. ¡ 2
с я о
с- я S
ф а
- I
с. ч
К S
2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6
<т„= 2.46-0.01-6.
R = 0,60.
♦ **
♦
♦
♦
100
55 65 75 85 95 105 115 125
Краевой угол смачпвання
Рисунок 15 - Зависимость прочности при скалывании по клеевому слою от краевого угла смачивания для тропических пород древесины с использованием карбамидоформальдегидной смолы
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Воюцкий, С.С. Аутогезия и адгезия высокополимеров [Текст]: С.С. Воюцкий.- М.: Научно-техническая литература, 1960.- 244 с.
Investigation of moistening of veneer urea- and phenol-formaldehyde (Исследование смачивания шпона карбамидо- и фенолоформальдегидными смолами) / Larix-98: World Resources for Breeding? Resistance and Utilization. IUFRO Interdivisional Symposium, September 1-5.- Krasnoyarsk, Russia, 1998.- P. 34-35 Филиппович, А.А. Совершенствование методов контроля качества клеев в деревообработке [Текст] / А.А. Филиппович, А.И. Криворотова, А.Г. Костыгин / Лесной вестник.- М.: МГУЛ.- 1999, № 1.- С. 359 - 362. Москвитин, Н.И. Физико-химические основы склеивания и прилипания [Текст]: Н.И. Москвитин.- М.: Лесная пром-сть, 1964.- 248 с. Пичугин, Д.О. Исследование прочности склеивания строганого шпона тропических породи столярной плиты [Текст] /Д.О. Пичугин, В.А. Тихонов, О.А. Усольцев// Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием). Сборник статей студентов, аспирантов и молодых ученых. Том 1.- Красноярск: СибГТУ, 2014.- 302 с.
Поступила в редакцию 07.09.15 Принята к печати 28.12.2015
