CC BY
18
УДК 674-419.33:674.2
А. С. Пардаев, ассистент, БГТУ
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТВЕРЖДЕННОГО КЛЕЕВОГО СЛОЯ В ВИДЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПРИ РАСТЯЖЕНИИ
The technique of an estimation of mechanical characteristics of a firm glutinous layer in the form of a thin film is developed at a stretching and the results of experimental researches of the module Young's, major Poisson's ratio and the shear module of a firm glutinous layer, for the glutinous compositions applied at manufacturing of massive wood are presented.
Введение. Многие задачи, с которыми сталкиваются исследователи и инженеры при проектировании конструкций и изделий из древесины, не поддаются аналитическому решению либо требуют значительных затрат времени на выполнение расчетов, создание опытных образцов и проведение экспериментальных работ. Изучение объектов разработки путем проведения экспериментов на их математических моделях, реализованных на ЭВМ, является средством быстрого, а иногда и единственно возможного решения инженерных задач.
В последнее время, вследствие развития информационных технологий, значительное применение получило моделирование процессов производства [1], благодаря чему появилась возможность исследования напряженно-деформированного состояния конструкций, прежде всего посредством метода конечных элементов [2, 3], что дает возможность разработки и внедрения новых и эффективных методик расчета и оптимизации объектов проектирования.
В соответствии с общими положениями метода конечных элементов рассчитываемая конструкция представляется в виде совокупности простых геометрических объектов - конечных элементов, для каждого из которых заранее определен вид функциональной зависимости распределения перемещений в этом элементе от перемещений в его узлах. Узлы обеспечивают соединение элементов между собой, их перемещения определяют напряженно-деформированное состояние конструкции. Однако большинство типов конечных элементов при описании модели конструкции требуют задания свойств материала.
Поэтому для конечно-элементного анализа деревянных клееных конструкций необходимо иметь сведения о механических характеристиках клеевых композиций в отвержденном состоянии, которые в настоящее время недостаточны, противоречивы и требуют более тщательного изучения.
Цель данной работы заключается в разработке методики определения механических характеристик отвержденного клеевого слоя в виде тонких пленок при растяжении и получение на ее основе экспериментальных данных по установлению модуля продольной упруго-
сти E, коэффициента Пуассона ц и модуля сдвига G отвержденного клеевого слоя для ряда клеевых композиций, применяемых при изготовлении клееных конструкций и изделий из древесины.
Основная часть. Поскольку клеевые композиции в адгезионном соединении находятся в виде тонкого слоя, то предполагается, что свойства отвержденного клея, измеренные на образцах в виде тонких пленок, будут адекватны свойствам отвержденного клеевого слоя в составе адгезионного соединения [4].
Отбор образцов. Для испытания отвер-жденного клеевого слоя в виде тонких пленок изготавливаются образцы в форме прямоугольника шириной 15 мм, длиной 150 мм. Предельные отклонения по ширине образца должны быть ±0,2 мм.
Образцы отвержденного клеевого слоя в виде тонких пленок могут быть получены путем заливки клеевой композиции в ракель (емкость без дна с прорезью у основания шириной 30 мм и высотой, соответствующей толщине отвержденного клея, например, для поливинил-ацетатной дисперсии - 200 мкм), установленный на лавсановую пленку, и последующего протягивания его по поверхности пленки. Образцы вырезают на гильотинных ножницах из центральной части отвержденного клеевого слоя на вторые сутки, что позволяет обеспечить края образцов ровными, гладкими, без зазубрин и других видимых дефектов. После производится выдержка образцов в течение 7 сут при температуре 23±2°С и относительной влажности 50±5%. За толщину образца принимается толщина отвержденного клеевого слоя.
Механические характеристики отвержденно-го клеевого слоя (модуль продольной упругости, коэффициент Пуассона и модуль сдвига) определяются на подготовленных образцах (в виде тонких пленок) при испытаниях на растяжение по ГОСТ 14236-81 [5]. Для испытания должно быть подготовлено не мене пяти образцов.
Аппаратура. Разрывные и универсальные испытательные машины с приборами для измерения деформаций в продольном и поперечном направлениях и пределом допускаемого значения погрешности измерения при прямом ходе не более ±1% измеряемой нагрузки.
Клеевые композиции, подлежащие испытанию
Марка клеевой композиции Основа Производитель, страна Количество компонентов Толщина образца, мкм
1. KLEBIT 303.0 ПВАД KLEIBERIT, Германия Один 85
2. Смола МКФ с отвердителем МКФ смола Akzo Nobel, Швеция Два 60
3. Cascol 3339 ПВАД Akzo Nobel, Швеция Один 68
4. BINDAN-F ПВАД BIND AN, Германия Один 80
Для измерения толщины образца по ГОСТ 17035-86 [6] может быть использован микрометр типа МК модель 102 с допускаемой погрешностью измерения на требуемом диапазоне ±0,004 мм, который предусматривает определение толщины пленок механическим сканированием.
Проведение испытаний. Испытания проводили для клеевых композиций наиболее используемых в настоящее время на предприятиях по производству изделий из древесины: клей на основе поливинилацетатной дисперсии (ПВАД) и меламинокарбамидоформальдегидной (МКФ) смолы (табл. 1).
Модуль продольной упругости и коэффициент Пуассона отвержденного клеевого слоя рассчитывали на образцах в виде тонких пленок при испытаниях на растяжение. Диапазон измерения определен на контрольных образцах и соответствует упругой деформации образца 0,5-1%.
Количество образцов для испытания - 7 шт. Условия испытания: температура (23±2)°С и относительная влажность (50±5)%.
Перед испытанием на центральную часть образца в продольном и поперечном направлениях наносят метки, ограничивающие расчетную длину 10 и Ь0, соответственно 50 мм и 9 мм (рис. 1).
Рис. 1. Схема нанесения меток на образец
Толщину и ширину образцов измеряют в трех местах, в середине образца и на расстоянии 5 мм от краев меток. Из полученных значений вычисляют среднее арифметическое, по которым и вычисляли начальное поперечное сечение А0. Расстояние между зажимами испытательной машины должно соответствовать 100 мм.
Результат измерения толщины отвержден-ного клеевого слоя, для клеев подлежащих испытанию, представлен в табл. 1.
Обработка результатов. Расчет коэффициента Пуассона производят с точностью до 0,01 по следующей формуле:
Ц =
(1)
где е± - относительная поперечная деформация; б и - относительная продольная деформация;
Относительная продольная деформация:
в,, =-
А/
(2)
где А/ - полное (абсолютное) удлинение; 10 - расстояние между метками в продольном направлении.
Относительная поперечная деформация
в i =-
АЬ ьп
(3)
где АЬ - абсолютная поперечная деформация; Ь0 - расстояние между метками в поперечном направлении.
Модуль продольной упругости образцов вычисляют с точностью до 0,5 МПа по формуле
E = ' * ^
A -А/ '
(4)
где Р - нагрузка, равная разности между верхним и нижним пределами нагружения, замеренная на участке упругих деформаций образца; А0 - поперечное сечение образца.
Модуль сдвига определяют с точностью до 0,5 МПа по формуле
G = -
E
2(1 + ц)
(5)
Испытание указанных в табл. 1 клеевых композиций проводили на универсальной испытательной машине TENSOMETR 2020 (Alpha Technologies) с допускаемой погрешностью измерения скорости раздвижения зажимов ±5 мм/мин. При этом выбрана максимальная, из приведенных в табл. 2 по ГОСТ 14236-81 [5]
в
i
в
Результаты испытания клеевых композиций
Механическая характеристика отвержденного клеевого слоя Марка клеевой композиции
BINDAN-F KLEBIT 303 Cascol 3339 МКФ
Модуль Юнга, МПа 700 850 550 4500
Коэффициент Пуассона 0,48 0,47 0,49 0,33
Модуль сдвига, МПа 236 289 185 1731
25
20
Sd
j—I
15
к g
й «
% й
& S
ев О
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19... 160
Рис. 2. Типичные зависимости напряжения от деформаций
для отвержденного клеевого слоя при растяжении 1 - клей КЬБВ1Т 303 и Са8Со1 3339; 2 - клей ВП\ГОА]Ч-Р; 3 - клей на основе меламинокарбомидоформальдегидной (МКФ) смолы
180
скорость так, чтобы время от момента приложения нагрузки к образцу до его разрушения составляло не менее 1 мин при испытании материалов, имеющих предел текучести (ПВАД), и не менее 30 с для материалов, не имеющих предела текучести (клей на основе МКФ смолы). В итоге для того чтобы получить сопоставимые результаты, принята одинаковая скорость для всех образцов - 50 мм/мин.
Результаты испытания представлены в табл. 2. Типичные зависимости напряжения от деформаций для ряда клеевых композиций при растяжении приведены на рис. 2. Коэффициент вариации полученных значений физико-механических характеристик отвержденного клеевого слоя для всех типов испытываемых клеевых композиций составил не более 8%.
Заключение. Таким образом, разработана методика экспериментальной оценки механических характеристик отвержденного клеевого слоя на образцах в виде тонких пленок при испытаниях на растяжение и определены отсутствующие в доступных источниках информации коэффициент Пуассона и модуль сдвига отвер-жденного клеевого слоя для наиболее применяемых в деревообработке клеевых композиций. Полученные данные использованы в качестве входных параметров при описании конечно-элементной модели деформаций неоднородных массивов из клееной древесины [7] и
могут быть использованы при выборе и разработке составов клеевых композиций.
Литература
1. Пижурин, Ан. А. Основы научных исследований в деревообработке: учеб. для ВУЗов / Ан. А. Пижурин, Ал. А. Пижурин -М.: МГУЛ, 2005. - 305 с.
2. Kent, L. L. ANSYS Tutorial Releases 10 / L. L. Kent. - University of Texas at Arlington: SDC Publications. - 2006.
3. Zamani, N. G. CATIA V5 Finite element method Tutorials Release 17 / N. G. Zamani. -University of Windsor: SDC Publications, - 2005.
4. Фрейдин, А. С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины / А. С. Фрейдин, К. Т. Вуба. - М.: Лесная пром-сть, 1980. - 224 с.
5. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение: ГОСТ 14236-81. - Введ. 01.07.1981. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1989. - 8 с.
6. Пластмассы. Методы определения толщины пленок и листов: ГОСТ 17035-86. - Введ. 01.01.1988. - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 1989. - 6 с.
7. Пардаев, А. С. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния клееного щита из древесины / А. С. Парда-ев // Архитектура и строительные науки. -2008. - № 8. - С. 45-49.
