CC BY
48
УДК 674.028
ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ОБРАБОТКИ КЛЕЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДРЕВЕСИНЫ
Попов Виктор Михайлович д.т.н., профессор
Воронежская государственная лесотехническая академия, Воронеж, Россия
В статье приводятся результаты экспериментальных исследований по влиянию времени воздействия магнитным полем и температуры на свойства клея, используемого для склеивания древесины
Ключевые слова: МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, КЛЕЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ, КЛЕЙ, НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ, ВРЕМЯ ОБРАБОТКИ, ТЕМПЕРАТУРА
UDC 674.028
EFFECT OF PROCESSING TIME OF GLUE IN A MAGNETIC FIELD AND TEMPERATURE ON HARDNESS OF WOOD JOINTS
Popov Victor Mikhaylovich Dr.Sci.Tech., professor
Voronezh State Academy of Forestry and Technologies, Voronezh Russia
The article presents the results of experimental studies on the effect of exposure time by a magnetic field and temperature on the properties of adhesive used for wood gluing
Keywords: MAGNETIC FIELD, GLUE JOINT, FIELD INTENSITY, PROCESSING TIME, TEMPERATURE
На современных деревоперерабатывающих предприятиях широко применяется технологический прием соединения отдельных деталей путем их склеивания [1]. Во многих случаях и особенно при склеивании конструкций из массивной древесины остро стоит вопрос повышения прочности клеевых соединений. Совершенствование технологии склеивания и разработка новых марок клеев уже не в состоянии удовлетворить растущим требованиям к прочности клеевых соединений древесины [2, 3]. Наступил период, когда требуется разработка новых интенсивных технологий склеивания, когда направленно изменяется структура полимерной основы клея в сторону упорядочения макромолекулярных образований. В работе [4] на примере композиции из смолы ЭД-5 и отвердителя ПЭПА рассматривается влияние магнитного поля на микротвердость и прочность блочного полимера. Отмечается рост этих механических характеристик для обработанной в магнитном поле композиции по сравнению с необработанной. На основе проведенного рентгеноструктурного анализа магнитообработанных полимеров делается вывод о протекании процесса ориентации макромолекул под действием магнитного поля, приводящего к образованию упорядо-
ченных структур, имеющих дальний порядок. Основываясь на выводах работы [4], проведен цикл экспериментальных исследований по влиянию магнитного поля на прочность клеевых соединений [5-7]. Экспериментально установлено повышение прочности клеевых соединений из различных пород древесины с увеличением напряженности поля. Вместе с тем остается открытым вопрос о влиянии времени воздействия магнитным полем на клей и температуры на прочность клеевых соединений древесины.
Для получения информации о влиянии времени выдержки клея в магнитном поле и температуры на прочность клеевых соединений древесины сконструирована установка для намагничивания, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.
•220 В
•220 В
Рисунок 1. Схема установки для обработки в магнитном поле клея:
1 - обмотка электромагнита; 2 - башмаки электромагнита; 3 - рабочая ячейка с нагревательным устройством; 4 - ярмо; 5 - блок питания; 6 - потенциометр; 7 - источник питания нагревательного устройства.
Основным элементом установки является электромагнитный индуктор. Магнитное ярмо смонтировано из двух подвижных башмаков. Намагничивающие катушки соединены между собой последовательно. Электро-
магнит подключен к специальному блоку питания, от которого на обмотку катушек подается ток силой до 12 А.
Напряженность магнитного поля регулируется величиной подаваемого тока и расстоянием между полюсами электромагнита. Установка позволяет создавать магнитное поле напряженностью до 30-104 А/м. Для создания требуемого по технологии теплового режима в зоне рабочей ячейки в виде фторопластовой кюветы с обрабатываемым клеем помещается специальный нагревательный элемент с универсальным источником питания. Информация о тепловом режиме в рабочей ячейке поступает от двух хро-мель-копелевых термопар через потенциометр. Специальное устройство в комплекте с потенциометром позволяет осуществлять одновременно фиксацию температуры в зоне расположения кюветы с клеем и автоматическую регулировку температурного режима.
Перед запуском в рабочий режим установка прошла тарировочную операцию, что позволяет регулировать напряженность магнитного поля в зависимости от межполюсного расстояния электромагнита (рис. 2). Электромагнит проходил также апробацию на однородность магнитного поля в межполюсном пространстве в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Имеющие место отклонения лежат в пределах допустимого, не превышая 0,01...0,02 %.
Операция по обработке клеев в магнитном поле проводилась следующим образом. В кювету вводился полимерный компонент одного из двух двухкомпонентных клеев марок КФЖ, 8ирга1егш 436 или однокомпонентный клей ПВА. Затем кювета помещалась в рабочую ячейку с нагревателем, которая располагалась между полюсами электромагнита. По напряженности магнитного поля обработка проводилась при Н = 6-104 А/м, Н = 12104 А/м и Н = 24 104 А/м.
и
12
10
8
б
2
О
1 -/=40, 2-1=35; 3-і =30; 4-і =25 // / //
!і // /
/V
// '//
/ /
і. 1 0 16 22 28
Рисунок 2. График зависимости напряженности магнитного поля от силы тока при различном расстоянии между полюсами электромагнита I (мм).
При каждой фиксированной напряженности поля время воздействия магнитным полем составляло 4, 8, 12, 16 и 20 минут. Температура клея при обработке поддерживалась на уровне 30°С. Обработанный клей затем наносился на поверхности образцов из дуба для испытания предела прочности клеевых соединений на скалывание вдоль волокон согласно ГОСТу 15613.1-84 [8].
Отверждение клеевой прослойки проводилось в термошкафу при температуре 60°С в течение двух часов. Приготовленные таким способом образцы в течении суток и затем испытывались на разрывной машине ИР-50-3.
Результаты испытаний в виде кривых зависимостей т( ї) частично приведены на графиках рис. 3 и 4.
г, МПА
2.5
, г — — — — — —-X
1
> ^ г г . < . ГП
с —с 1 Г 1 2 1 J ‘■-1
Л
\ 1 ^ т
\ J
12
16
Щ мин
Рисунок 3. Зависимость предела прочности при скалывании клеевых соединений от времени воздействия постоянным магнитным полем напряженностью Н = 24 -104 А/м для различных клеев: 1 - клей КФЖ; 2 - ПВА;
3 - 8ирга1егш-43б.
7
6
5
4
3
2
[
V
< ,2 > — - _ — -<>
°
0 3 6 9 12 15 I мин
Рисунок 4. Зависимость предела прочности при скалывании клеевого соединения для клеев ПВА (1) и Бирга1егш-43б (2) от времени выдержки в магнитном поле напряженностью Н = 12• 104 А/м.
Как видно из рис. 3, для магнитного поля достаточно высокой напряженности Н = 24 -104 А/м прочность клеевого соединения для всех трех разновидностей клеев начинает стабилизироваться с 16 минут после начала обработки клея в магнитном поле. Снижение напряженности поля увеличивает время наступления стабилизации прочности (рис. 4). Объяснить
отмеченный эффект ускорения процесса формирования более прочных структур клеевой прослойки для магнитного поля более высокой напряженности можно ростом энергии активизации процесса отверждения.
В процессе постановки экспериментов отмечен эффект ускорения процесса желатинизации клея в условиях клеевой прослойки при магнитной обработке по сравнению с необработанным клеем. Для изучения этого вопроса были проведены исследования зависимости времени желанитиза-ции от напряженности постоянного магнитного поля. В качестве отверди-теля применялся 10% раствор хлорида аммония в соотношении 10% от массовой доли. Приготовленный клей помещался в кипящую воду и подвергался интенсивному перемешиванию. С помощью секундомера устанавливалось время желатинизации. Полученные данные опытов представлены в таблице.
Таблица. Зависимость времени желатинизации клея КФЖ от напряженности магнитного поля
Напряженность магнитного поля Н-104, А/м Время желатинизации 1, с
0 70,3
4 69,8
8 67,5
12 65,3
16 63,3
20 60,4
24 60,5
Из таблицы видно, что повышение напряженности магнитного поля ускоряет процесс желатинизации. Максимальная скорость желатинизации клея имеет место при напряженности поля Н = 20-104 А/м. При такой на-
пряженности поля процесс желатинизации ускоряется почти на 10 с по сравнению с временем желатинизации необработанного клея.
Отмеченный эффект ускорения процесса желатинизации магнитообработанного клея открывает перспективы в технологии склеивания древесины, повышая производительность труда на стадии изготовления изделий из клееной древесины.
Аппроксимируя экспериментальные зависимости прочности клеевого соединения от времени выдержки в магнитном поле т(г) приведенные
на рис. 3 и 4, получаем следующие выражения.
Для клея ПВА при напряженности поля Н = 6^104 А/м
/ч „ 6,40-7,32 /1Л
т(,) =7,32 + ^-6Д1 ; (1)
2,97
1 + е
при напряженности поля Н = 12-104 А/м
6, 40 - 7, 96
т(0=7,96 + ; (2)
1 + е
3,00
при напряженности поля Н = 24 -104 А/м
( \ с с л 6,40 - 8,84 т(>)-8-84 + ,-67« ; (3)
2,25
1 + е
Для клея 8ирга1егш-436 при напряженности поля Н = 6-104 А/м
/ Ч о ^ 2,61 -3,21
Т(,)=3,21+—^; (4)
1 + е
237
при напряженности поля Н = 12^104 А/м
^ л сп 2,62-4,57 ,_ч
т(,)- 4,57 + Т=72Г; (5)
г-7,20 ’
1 + е 277
при напряженности поля Н = 24 -104 А/м
/ \ с -7,49-5,03 ...
Т(г)-5,03+—^^; (6)
1 + е 3-98
Анализируя значения констант в аппроксимирующих выражениях, можно прийти к выводу, что с увеличением напряженности поля увеличи-
вается амплитуда сигмоидальной функции, т.е. повышается прочность клеевого соединения. С увеличением времени выдержки прочность соединения выходит на постоянное значение, поэтому для достижения большей производительности без ущерба качеству изделий из клееной древесины достаточно выдерживать клей в магнитном поле в пределах 16 минут.
Температура, при которой производится операция по скалыванию, с одной стороны, определяет скорость протекания химических процессов при склеивании и процесса изменения свойств клея при обработке его в магнитном поле. Поэтому повышение температуры может благоприятно влиять на прочность клеевого соединения. С другой стороны, при горячем склеивании и последующем охлаждении прослойки клеевого соединения изменение температуры вызывает появление внутренних напряжений, которые существенно снижают прочность соединения [9, 10]. Для того, чтобы выяснить, будет ли преобладать положительный или отрицательный температурный эффект, проведена серия экспериментов по изменению температуры. Температуру варьировали на уровнях Т = 15, 20, 25, 30°С, соответствующих холодному склеиванию и на уровнях Т = 50, 60, 80°С, соответствующих горячему склеиванию. На графиках рис. 5 представлены температурные зависимости т(г) для случаев обработки в сильном магнитном поле при Н = 24-104 А/м и без обработки в магнитном поле.
Рисунок 5. Зависимость предела прочности на скалывание т соединения
клеем КФЖ от температуры Т: сплошная кривая - при Н = 20 104 А/м, 1 = 20 мин, р = 0,5 МПа; штриховая кривая - Н = 0 А/м, р = 0,5 МПа
На графиках рис. 5 максимум зависимости т(г) наблюдается при
комнатной температуре Тк ~ 23°С. Увеличение или уменьшение температуры обрабатываемого и необрабатываемого клея ведет к снижению прочности. Этот эффект можно предположительно объяснить формированием внутренних напряжений, снижающих прочность. И чем больше отличается температура от компактной, тем сильнее выражен отрицательный эффект. Однако, при температурах выше 50...60°С предел прочности при скалывании почти перестает снижаться и выходит на некоторое постоянное значение, что может быть связано с тем, что внутренние напряжения могут возрастать лишь до некоторого определенного уровня.
Положение точек на графике и физико-химическая причина такой зависимости позволяют для аналитического описания зависимости использовать гауссовскую функцию вида
А -2^^
т(Т) = То + —;=-е Ж2 , (7)
^ %
где т0 - минимальное значение предела прочности клеевого соединения на скалывание;
А - «площадь» гауссовского пика на графике;
Ж - полуширина на полувысоте (характеризует быстроту спадания зависимости);
Тк - комнатная температура (центр пика).
Аппроксимация экспериментальных данных гауссовскими зависимостями приводит к следующим результатам. При выдержке клея в магнитном поле напряженностью Н = 24 •ІО4 А/м имеем
(Т-24,42)2 259 7 -2і---2-
т(Т) = 3,284 + 259^ -е ^ (8)
28,54./ %
При склеивании на необработанном клее зависимость т(Т) подчиняется закону
(Т-23,34)2
т(Т) = 1,930 + 120,° • / 18,792 (9)
18,79^ р2
Сравнивая параметры гауссовской зависимости, можно заметить существенную разницу в полуширинах пика Ж (28,54 и 18,79). Это свидетельствует о том, что обработка клея магнитным полем делает технологический процесс значительно менее зависимым от температуры, чем в случае отсутствия магнитного поля.
В заключении следует отметить, что результаты представленных в данном сообщении исследований позволяют технологическим службам деревообрабатывающих предприятий прогнозировать и направленно регулировать процессами склеивания для создания изделий из клееной древесины повышенной прочности.
Список использованной литературы
1. Ковальчук Л.М. Производство деревянных клееных конструкций. М.: Лесная промышленность, 1987. 248 с.
2. Хрулев В.М. Прочность клеевых соединений. М.: Стройиздат, 1973. 84 с.
3. Фрейдин А. С., Вуба К. Т. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины. М.: Лесная промышленность, 1980. 224 с.
4. Молчанов Ю.М., Кисис Э.Р., Родин Ю.П. Структурные изменения полимерных материалов в магнитном поле // Механика полимеров. 1973. № 4. С. 737-738.
5. Попов В.М., Иванов А.В. Интенсивная технология получения клееной древесины повышенной прочности // Вестник МГУЛ. «Лесной вестник». 2007. № 4. С. 89-91.
6. Попов В.М., Платонов А.Д., Иванов А.В. Способ получения клееной древесины повышенной прочности // Вестник МГУЛ. «Лесной вестник». 2007. № 6. С. 123-125.
7. Попов В.М., Иванов А.В., Шендриков М.А. Влияние магнитного поля на прочность клееной древесины // Вестник МГУЛ. «Лесной вестник». 2008. № 6. С. 80-81.
8. ГОСТ 15613.1-84. Древесина клееная массивная. Методы определения предела прочности при скалывании.
9. Кардашов Д. А. Синтетические клеи. М.: Химия, 1976. 504 с.
10. Фрейдин А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений. М.: Химия, 1981. 272 с.
