CC BY
52
Деревопереработка. Химические технологии
derevoobrabatyvajushhih predprijatijah [Pneumatic and dust removal equipment of woodworking production]. Moscow, 1988, 248 p. (In Russian).
10. Ross B., Pound G.M., Kadlec R. Failure Analysis Associates, 2225 East Bayshore Road, Palo Alto, California, 94303, USA.
11. Kennedy J., Kennedy P.M. Fires and Explosions. Determining cause and origin. Investigations Institute, Chicago, Illinois, 1985.
12. «Proc. Int. Symp. Explos. Hazard Classif. Vapors. Gases and Dusts, Washington, D.C. July. 15-18, 1986», Washington, D.C.J, 1987, 205-244.
Сведения об авторах
Горбунов Евгений Валентинович - эксперт по промышленной безопасности ООО «Альянс Экспертов», г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Панова Лилия Владимировна - директор ООО «Альянс Экспертов», г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Атаманов Сергей Геннадьевич - специалист по промышленной безопасности ООО «Альянс Экспертов», кандидат технических наук, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about authors
Gorbunov Eugeny Valentinovich - expert on industrial safety of «Alliance of Experts», Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Panova Lilia Vladimirovna - director of the «Alliance of Experts», Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Atamanov Sergey Gennadyevich - specialist on industrial safety of «Alliance of Experts», PhD in Engineering, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
DOI: 10.12737/14166 УДК 674.028
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЧНОСТЬ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДРЕВЕСИНЫ, СФОРМИРОВАННЫХ НА ОСНОВЕ МАГНИТООБРАБОТАННЫХ КЛЕЕВ
доктор технических наук, профессор В. М. Попов ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», г. Воронеж, Российская Федерация
На современных деревообрабатывающих предприятиях существенный объем готовой продукции составляют изделия из клееной древесины. Операции по склеиванию применяются по изготовлению фанеры, щитового паркета, мебели, несущих и ограждающих конструкций и особенно
Лесотехнический журнал 3/2015
175
Деревопереработка. Химические технологии
в домостроении. Основным требованием к изделиям из клееной древесины является прочность клеевых соединений. Применяемые в настоящее время технологии склеивания древесины не отвечают предъявляемым потребителем требованиям по прочностным характеристикам готовой продукции. В работе рассматривается технологический прием, в основу которогу заложен эффект повышения прочности клеевых соединений древесины, сформированных на основе клеев, применяемых в деревообработке, подвергнутых модификации путем воздействия на клей постоянным магнитным полем. Исследуется влияние основных технологических факторов, оказывающих влияние на процесс формирования клеевых соединений на основе клеев, модифицированных воздействием магнитного поля. Экспериментально установлено влияние напряженности поля, времени его воздействия, давления и температуры. Показано, что превалирующее влияние на прочность соединений на клеях имеет напряженность магнитного поля. Установлено также, что при воздействии магнитным полем на клей с отвердителем от 2 до 10 % по массе предел прочности клеевого соединения выше, чем для необработанного клея. Приведенные в работе данные исследований позволяют создавать клееную древесину с повышенной прочностью.
Ключевые слова: клей, клеевое соединение, магнитное поле, напряженность, предел прочности.
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE STRENGTH OF THE ADHESIVE COMPOUNDS OF WOOD, FORMED ON THE BASIS OF MAGNETO-TREATED ADHESIVES
DSc in Engineering, Professor V. M. Popov
Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», Voronezh, Russian Federation
Abstract
In modern woodworking factories a significant amount of the finished product up articles of laminated wood. Operations gluing used for the production of plywood and panelboard parquet, furniture, supporting and enclosing structures and particularly in housing construction. The main requirement for the products of plywood is the strength of the bond. The currently used technology gluing wood do not meet the requirements of the customer on the strength characteristics of the finished product. In this paper the technological method, based kotorog laid the effect of increasing the bonding strength of wood formed based adhesives used in the wood subjected to modification by exposing the adhesive static magnetic field. The influence of the main technological factors influencing the formation of adhesive joints based adhesives modified by the influence of the magnetic field. It was established experimentally the effect of field strength, the time of his exposure, pressure and temperature. It is shown that the dominant influence on the strength of adhesives on a magnetic field. It was also found that the action of the magnetic field on the glue and hardener from 2 to 10 % by weight limit of the bonding strength is higher than for the untreated adhesive. These data in the study allow the creation of laminated wood with high strength.
Keywords: glue, adhesive joint, magnetic field, intensity, tensile strength.
176
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Результаты ранее проведенных экспериментальных исследований по влиянию постоянного магнитного поля на полимерные клеи, используемые в деревообработке, свидетельствуют о значительном повышении прочности клеевых соединений древесины [1, 2, 3]. Для отработки более эффективной технологии склеивания древесины на клеях, модифицированных воздействием магнитного поля, требуется исследовать влияние основных технологических факторов, характерных для этой операции.
Особый интерес представляет оценка относительного вклада на прочность клеевого соединения т напряженности магнитного поля и времени его воздействия t на клей.
На рис. 1 приведены поверхности, аппроксимирующие ранее полученные опытные данные для клеев марки Supra-term 436 и ПВА. Аппроксимация зависимостей т (H, t) проведена методом наименьших квадратов [4]. Получены следующие аппроксимирующие выражения т(Н, t) = -6,9 -10-4H2 - 3,8 • 10 312 +
+4,6 • 10-3 • Н • t + 0,028 • Н + 0,094 • t + 6,2. V
для клея ПВА и
z(H, t) = -4,5 •10-3H2 - 5,25 •Ш-312 + ( )
(2)
+3,8•Ш-3 • Н • t + 0,17 • Н + 0,12• t +1,46.
Анализ рис. 1 показывает, что параметры H и t вызывают эквивалентное действие на прочность. Об этом свидетельствуют и одинаковые знаки коэффициентов перед H2 и t и перед Н и t в аппроксимирующих выражениях (1) и (2). Эквивалентность влияния Н и t на прочность дает основание утверждать, что результаты склеивания будут почти одинаковыми при применении слабого магнитного поля в течение длительного времени или при применении сильного поля в течение короткого времени. Последний вариант может быть реализован путем применения, скажем, импульсного магнитного поля. Здесь также стоит отметить, что как по переменной Н, так и по переменной t функция т (H, t) выходит на насыщение при увеличении переменной. Это означает, что повышать напряженность поля более 24-104 А/м и увеличивать время выдержки более 20 мин нецелесообразно, поскольку это не приводит к росту прочности клеевого соединения.
а б
Рис. 1. Поверхности т(Н, t), аппроксимированные полиномом второго порядка:
а - клей ПВА; б - Supraterm 436
Лесотехнический журнал 3/2015
177
Деревопереработка. Химические технологии
Исходя из основных положений по технологии склеивания древесины [5, 6, 7, 8], следует ожидать влияние на прочность соединения кроме отмеченных выше напряженности магнитного поля и времени его воздействия также давление Р и температуры Т. Полученные экспериментальные зависимости т (H, Р) аппроксимированы линейной зависимостью вида т(Н, Р) = a ■ Н - b ■ P + с, где коэффициенты a, b, c находились с использованием метода наименьших квадратов.
Для значений продолжительности обработки в магнитном поле t=5 мин и температуры окружающей среды при склеивании Т=15 °С получено аппроксимирующее выражение
т(H, P) = 0,260 ■ Н - 2,167 ■ Р + 6,433, (3)
Ниже приводятся аппроксимирующие выражения для других значений времени выдержки и температуры:
Для t=10 мин и Т=20°С т(Н, Р ) = 0,256Н + 5,50Р + 3,85; (4)
Для t=15 мин и Т=25°С т(Н, Р) = 0,274Н + 9,417Р + 2,317; (5)
Для t=20 мин и Т=30°С т ( Н, Р ) = 0,293Н + 2,301Р + 4,609. (6)
Для визуального анализа двойных зависимостей т(Н, Р) на рис. 2 и 3 приведены поверхности т(Н, Р), аппроксимированные зависимостью, и оптимальные области на зависимостях т(Н, Р), [9].
Рис. 2. Поверхности т(Н, Р), аппроксимированные линейной зависимостью
178
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Рис. 3. Оптимальные области на зависимостях т(Н, Р), представленных в виде линий уровня, к выбору оптимальных значений параметров технологического процесса, где единицами измерения Н являются А/м, для Р - МПа и для т - МПа.
На рис. 3 затемнены области высоких значений предела прочности. Здесь в качестве границы между благоприятными и неблагоприятными областями пространства (Н, Р) условно выбрана изолиния т=10 МПа.
Анализируя полученные зависимости согласно рис. 2 и 3, можно сделать выводы, что среди двух технологических параметров Н и Р наибольшее влияние оказывает напряженность поля Н, в то время как давление склеивания Р практически мало влияет на прочность соединения. Следует также отметить, что благоприятные области на рис. 3 занимают значительную долю пространства (Н, Р), что свидетельствует о том, что прочность клеевого соединения будет достаточно высокой даже при существенных отклонени-
ях технологических параметров, что достаточно часто имеет место в реальных условиях производства.
Ранее проведенными исследованиями по влиянию на параметры магнитным полем [10, 11] отмечался эффект ускорения процесса желатинизации. Этот эффект объясняется увеличением энергии активации при отверждении полимера. Для установления зависимости времени желатинизации клея, применяемого в деревообработке, проведены исследования на клее марки КФЖ. В качестве от-вердителя применялся 10 % раствор хлорида аммония в соотношении 10 % от массовой доли. Приготовленный клей помещался в кипящую воду и подвергался интенсивному перемешиванию. С помощью секундомера уста-
Лесотехнический журнал 3/2015
179
Деревопереработка. Химические технологии
навливалось время желатинизации. Полученные опытные данные приведены в таблице.
Из таблицы видно, что с повышением напряженности магнитного поля ускоряется процесс желатинизации обработанного клея. Максимальная скорость желатиниза-ции клея наступает при напряженности поля Н=(20-24) • 104 А/м. При этом процесс желатинизации магнитообработанного клея ускоряется почти на 10 с по сравнению с временем желатинизации необработанного клея. Отмеченный эффект открывает перспективы повышения производительности труда на стадии изготовления изделий из клееной древесины.
В ряде исследований [12, 13] отмечалось, что на прочность клеевого соединения древесины оказывает влияние концентрация отвердителя. Естественно возникает вопрос о взаимном влиянии магнитного поля и отвердителя на прочность клеевого соединения. Проводились исследования о влиянии отвердителя в виде (2-10) % раствора щавелевой кислоты для смолы КФЖ на предел прочности клеевого соединения образцов из дуба. Исследования проводились для магнитообработанной в поле напряженность 20 • 104 А/м и необработанной смолы КФЖ. Результаты проведенных исследований представлены на рис. 4.
Таблица
Зависимость времени желатинизации клея КФЖ от напряженности магнитного поля.
Напряженность магнитного поля Н • 10-4 А/м Время желатинизации t, с
0 70,3
4 69,8
8 67,5
12 65,3
16 63,3
20 60,4
24 60,4
г, МПА
12
10
в
2
j -
7' 1
/ А
/ - L у 2
7 /' - 7 7 / J х —
"~2
г'
О
2
С % Ю
Рис. 4. Влияние концентрации отвердителя С на прочность клеевого соединения образцов из дуба на основе обработанной в магнитном поле напряженностью 24 • 104 А/м (1) и
необработанной (2) смолы КФЖ
180
Лесотехнический журнал 3/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Анализируя данные рис. 4, можно видеть, что при воздействии магнитным полем на смолу в диапазоне отвердителя от 2 до 10 % предел прочности при скалывании выше, чем для необработанной смолы. При этом максимальное значение прочности имеет место при концентрации отвердителя порядка 4 %. Данные рис. 4 также свидетельствуют о том, что концентрация отвердителя играет существенную
роль в вопросе создания клеевых соединений древесины заданной прочности.
Приведенные выше результаты проведенных исследований по влиянию основных технологических факторов на прочность клеевых соединений древесины, сформированных на основе магнитообработанных клеев, открывают перспективы создания на деревообрабатывающих предприятиях клееной древесины повышенной прочности.
Библиографический список
1. Попов, В.М. Интенсивная технология получения клееной древесины повышенной прочности [Текст] / В.М. Попов, А.В. Иванов // Вестник МГУЛ «Лесной вестник». - 2007. -№ 4. - С. 89-91.
2. Попов, В.М. Влияние магнитного поля на прочность клееной древесины [Текст] / В.М. Попов, Иванов А.В., Шендриков М.А. // Вестник МГУЛ «Лесной вестник». - 2008. - № 6. - С. 80-81.
3. Попов, В.М., Механизм воздействия электрического поля на прочность клеевых соединений. [Текст] / В.М. Попов, С.С. Никулин, А.В.Латынин, Шендриков М.А. // Журнал прикладной химии. - 2013. - Т. 86. - Вып. 4. - С. 643-646.
4. Дегтярев, Ю.И. Методы оптимизации [Текст] / Ю.И. Дегтярев. - М.: Сов. Радио, 1980. - 272 с.
5. Ковальчук, Л.М. Производство деревянных клееных конструкций [Текст] / Л.М. Ковальчук. - М.: Лесная промышленность. 1987. - 248 с.
6. Kollman, F. Einflub der Vergeschichte des Holses auf seine Verleimung [Text] / F. Kollman // Holstechnologie, 1964. - Sonderhegst. - рр. 27-37.
7. Zenkteler, M. Uber die Klebarteit Verschiedeher Holsarten [Text] / M. Zenkteler // Hols-technologie, 1964. - Sonderhegst. - рр. 54-55.
8. Фрейдин, А.С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины [Текст] / А.С. Фрейдин, К.Т. Вуба. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 224 с.
9. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.М. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 279 с.
10. Кестельман, В.Н. Физические методы модификации полимерных материалов [Текст] / В.Н. Кестельман. - М.: Химия, 1980. - 224 с.
11. Макаров, О.Н. Полимерные материалы в машиностроении [Текст] / О.Н. Макаров. -Пермь, 1977. - 168 с.
12. Азаров, В.И. Модификация карбамидоформальдегидных смол и клеевых композиций бытового назначения [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / В.И. Азаров. - М., 1969. - 159 с.
Лесотехнический журнал 3/2015
181
Деревопереработка. Химические технологии
References
1. Popov V.M., Ivanov A.V. Intensivnaja tehnologija poluchenija kleenoj drevesiny povy-shennojprochnosti [Intensive technology for producing laminated wood is elevated strength]. Les-noj vestnik [Forest Gazette], 2007, no. 4, pp. 89-91. (In Russian).
2. Popov V.M., Ivanov A.V., Shandrikov M.A. Effect of magnetic field on the strength of glued laminated timber]. Lesnoj vestnik [Forest Gazette], 2008, no. 6, pp. 80-81. (In Russian).
3. Popov V.M., Nikulin S.S., Latinin A.V., Shendrikov M.A. Mehanizm vozdejstvijajelektri-cheskogo polja na prochnost' kleevyh soedinenij [The mechanism of action of the electric field strength of adhesive joints]. Zhurnalprikladnoj himii [Journal of Applied Chemistry]. 2013, Vol. 86, Iss. 4, pp. 643-646. (In Russian).
4. Degtyarev Ju.I. Metody optimizacii [Optimization methods]. Moscow, 1980, 272 p. (In Russian).
5. Kovalchuk L.M. Proizvodstvo derevjannyh kleenyh konstrukcij [Production of wooden glued structures]. Moscow, 1987, 248 p. (In Russian).
6. Kollman F. Einflub der Vergeschichte des Holses auf seine Verleimung. Holstechnologie, 1964, Sonderhegst, pp. 27-37.
7. Zenkteler M. Uber die Klebarteit Verschiedeher Holsarten. Holstechnologie, 1964, Son-derhegst, pp. 54-55.
8. Freidin A., Vuba K.T. Prognozirovanie svojstv kleevyh soedinenij drevesiny [Predicting the properties of adhesive joints of wood]. Moscow, 1980, 224 p. (In Russian).
9. Adler J.P., Markova E.V., Granovsky Y.M. Planirovanie jeksperimenta pri poiske optimal'nyh uslovij [Planning experiment in the search for optimal conditions]. Moscow, 1976, 279 p. (In Russian).
10. Kestelman V.N. Fizicheskie metody modifikacii polimernyh materialov [Physical methods for modification of polymer materials]. Moscow, 1980, 224 p. (In Russian).
11. Makarov O.N. Polimernye materialy v mashinostroenii [Polymeric materials in the engineering industry]. Perm, 1977, 168 p. (In Russian).
12. Azarov V.I. Modifikacija karbamidoformal'degidnyh smol i kleevyh kompozicij bytovogo naznachenija dis. kand. tehn. nauk [Modification of urea-formaldehyde resins and adhesive compositions domestic purposes PhD in Engineering diss]. Moscow, 1969, 159 p. (In Russian).
Сведения об авторе
Попов Виктор Михайлович - профессор кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, профессор, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about author
Popov Viktor Mikhailovich - Professor of electrical engineering, heat engineering and hydraulics, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected].
182
Лесотехнический журнал 3/2015
