CC BY
18
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 674.04 Проф. Б.Я. Кшивецький, д-р техн. наук - НЛТУ Украти, м. Львiв
ВПЛИВ ВОЛОГОСТ1 ТА ТЕМПЕРАТУРИ НА М1ЦН1СТЬ
ТЕРМОПЛАСТИЧНИХ КЛЕЙОВИХ З'бДНАНЬ ДЕРЕВИНИ ЛИСТЯНИХ ПОР1Д
На прикладi деревини дуба, наведено результати дослщження впливу вологостi та температури навколишнього середовища на мщшсть полiвiнiлацетатних клейових з'еднань листяних порщ деревини. Для дослiджень використано математичну модель прогнозування мiдностi термопластичних клейових з'еднань деревини. Здшснено аналiз отриманих результатiв прогнозування мiдностi клейових з'еднань деревини дуба. Дос-лiджено вплив будови i структури деревини дуба та хiмiчних компонентiв структурова-них i неструктурованих полiвiнiладетатних кле!в на мщшсть клейових з'еднань пiд час експлуатадп. Встановлено закономiрнiсть змши мшносп термопластичних полшшша-детатних клейових з'еднань деревини дуба залежно вiд змши вологостi i температури навколишнього середовища.
Ключовi слова: клей, деревина, мщшсть, волопсть, температура, клейовi з'еднан-ня, прогнозування, водостшюсть, теплостiйкiсть.
Для дослiджень закономiрностей змши мщносп термопластичних ПВА клейових з'еднаннях листяних порiд деревини використано деревину породи дуб та математичну модель прогнозування мiцностi [1-3]:
а = -А()АТ® + В®А Ш () ехр(-а%®); (1)
де: АТ({) - середньозважена температура навколишнього середовища, оС; АШ(г) - середньозважена волопсть навколишнього середовища; параметри А®, В®, С® - залежш вiд змши температури i вологосп навколишнього середовища.
Шд час вивчення закономiрностей змши мiцностi термопластичних клейових з'еднань деревини дуба, температурний та вологiсний дiапазон навколишнього середовища вiдповiдав середньозваженому значенню Захвдного реп-ону Украши за рiк, у якому змша температури знаходилась в межах вщ -25,4оС до +33,3оС, а вологосп - вiд 40 до 100 %. Результати дослiдження наведено в табл. та рис. 1 i 2.
Табл. Розрахунок мiцносmi клейових з'еднань деревини дуба залежно
вiд вологостi та температури навколишнього середовищ а
Волопсть, % Мщшсть о, МПа До, МПа До, %
Температура, оС
4,18 оС 7,89 оС 12,3 оС
66,46 2,9 2,8 2,7 0,2 6,8
80,50 3,6 3,5 3,4 0,2 5,5
91,93 4,1 4,0 3,8 0,3 7,0
До, МПа 1,7 1,2 1,2
До, % 41,3 42,8 40,7
Як видно з табл. та графшв на рис. 1 i 2, волопсть навколишнього сере-довища бiльше впливае на мiцнiсть, нiж температура. З рис. 1 видно, що шдви-щена вологiсть навколишнього середовища позитивно впливае на клейове з'еднання деревини дуба, а саме iз збшьшенням вологостi - мiцнiсть зростае. Шд час експлуатацií з мiнiмальною середньозваженою рiчною вологiстю навколишнього середовища 66 % мщтстъ для всiх трьох середньозважених рiчних температур знаходиться в межах 2,7-3,0 МПа. Зi збшьшенням середньозважено! вологостi навколишнього середовища до 92 % мiцнiсть збшьшуеться i стано-вить 3,8-4,0 МПа. Тобто, в разi збiльшення середньозважено'1 вологостi навколишнього середовища приблизно на 26 %, мiцнiсть збшьшуеться на 1,11,2 МПа або на 41-43 % та iз збшьшенням вологост на 1 % мщшсть зростае в середньому на 0,047 МПа (1,65 %) вщ початково! мiцностi.
- Т=4,18 °С
............ Т=7,89 °С
----Т=12,23 °С
65,46 80,50 91,93
Волопсть, %
Рис. 1. Змта мщност1 клейових з 'еднань деревини дуба, склеених структурованими термопластичними клеями iз ступенем навантаження Б4, залежно вiд змти вологостi
Пояснити таку поведшку клейових з'еднань деревини дуба можна тим, що зпдно з теоретичними припущеннями [4, 5], завдяки пдрофшьносп деревини та клейового шва, волога, яка е в повггр^ сорбуеться у клейове з'еднання. Враховуючи склад клейово' композици на основi ПВА, будову i структуру деревини, що мютять полярш групи, в тому чист i групи -ОН, якi сприяють утво-ренню рiзноманiтних водневих зв'язюв, що веде до збiльшення когезшно! мщ-ностi в клейовому швi та адгезшно! мiцностi до деревини. Тому, за умов шдви-щення вмiсту води, яка проникае в клейове з'еднання деревини, утворюються водневi зв'язки мiж компонентами ПВА i клейовим швом та деревиною. Нага-даемо, що енергiя додаткових водневих зв'язюв хоч i невелика, i вони швидко руйнуються, але значна 1х кiлькiсть приводить до зростання адгезшно! i коге-зiйноl мiцностi. Саме завдяки надлишковiй водi, яка потрапляе у клейове з'еднання, вщбуваеться утворення достатньо'' кiлькостi таких зв'язюв, що приводить до збшьшення мiцностi.
Перенасичення клейового з'еднання водою бшьше вiд гранично допустимо'' норми (для деревини дуба за температури +20оС ця норма становить 30 %) буде вiдбуватися набрякання деревини та клейового шва. Виходячи з того, що деревина дуба навггь за вщносно! вологостi навколишнього середовища 100 %
може поглинути вологи стiльки, що вологiсть деревини не перевищить межу гiгроскопiчностi (менше 30 %), процес набрякання не вщбуватиметься, тому i не зменшуватиметься адгезiйна i когезiйна мiцнiсть клейового з'еднання. Для того, щоб процес набрякання клейового з'еднання проходив, необхщне каптяр-не поглинання вологи, яке може проходити ттьки в р^ вимочування склеених зразкiв. Тепер проанаизуемо як впливае температура навколишнього середови-ща на адгезiйну i когезшну мiцнiсть з'еднань деревини дуба, склеених структу-рованим клеем (рис. 2).
............ \У=65,46%
----W=80,50%
- \У=91,93%
"'"418 7,89 12,23
Температура, °С
Рис. 2. Змта мщност1 клейових з'еднань деревини дуба, склеених структурними термопластичними клеями iз ступенем навантаження Б4, залежно в1д змти
температури
Як видно з рис. 2, iз тдвищенням середньозважено'1 температури вщ +4,8 оС до +12,23 оС мщшсть зменшуеться на 0,2-0,3 МПа або на 27 % вщ по-чатково'1. Тобто з тдвищенням температури на 1 оС мщшсть знижуеться в се-редньому на 0,028 МПа (0,79 %) вiд початково'1.
Пояснюеться такий вплив температури на клейове з'еднання деревини, сформоване структурованим клеем, також припущеннями [6, 7], згiдно з якими основним компонентом клею (90 %) е ПВА та ПВС, як у природному початко-вому сташ належать до аморфних речовин, що мають високу еластичнiсть. Тому найкращу адгезiйну i когезiйну мщшсть з'еднання деревини, склееш струк-турним клеем, будуть мати в межах температури склування клейово'1 композиции У нашому випадку, враховуючи всi складовi компоненти клею i рщкосичас-ту структуру клейового шва, температура склування знаходиться в межах +8 оС. За тдвищених температур посилюеться тепловий рух та амплiтуда внутршньо-го руху окремих сегментiв макромолекул, збшьшуеться гнучкiсть макромолекул. Рщкосггчаста структура клейового шва дещо зменшуе цю рухливiсть по-рiвняно з лшшною i дае змогу до кшця компенсувати тi пружно-деформацiйнi навантаження, яю виникають з пiдвищенням температури, що призводить до певного зменшення мщносл.
На рис. 3 i 4 наведено результати змiни мщносп для клейових з'еднань деревини дуба, склеених неструктурованими клеями, що формують лiнiйну структуру клейового шва (стутнь навантаження Б1), залежно вiд змши воло-гостi та температури навколишнього середовища.
80,02 Волопсть,1?
Рис. 3. Змтамiцностi клейовихз'еднань деревини дуба, склеених неструктурованими клеями iз ступенем навантаження Б1, залежно вiд змти
вологостi
Як видно з рис. 3, мiцностi для клейових з'еднань деревини дуба, склеених неструктурованими клеями, що формують лшшну структуру клейово-го шва, змшюються вщ 2,2 МПа до 2,75 МПа. 1з збшьшенням середньозважено! вологосп навколишнього середовища вiд 66 % до 90 % збшьшуеться на 0,55 МПа або на 25 %. Порiвняно iз з'еднаннями деревини дуба, якi сформованi структурними клеями, зниження мiцностi менше, що зумовлено, очевидно, фь зико-механiчними властивостями неструктурованого клею. Хоча за характером змши обидва кле! мають однакову залежтсть. Тобто iз зб1льшенням вологосп на 1 % мiцнiсть зростае на 0,023 МПа, що становить 1,04 % вщ початково! мщ-ностi. На рис. 4 наведено графiчну iнтерпретацiю змiни мiцностi деревини дуба, склеених неструктурованими клеями, залежно вщ дп температури.
Температура,
Рис. 4. Змта мiцностi клейових з'еднань деревини дуба, склеених неструктурованими клеями iз ступенем навантаження Б1, залежно вiд змти
температури
Зпдно з отриманими результатами, iз тдвищенням температури навколишнього середовища мiцнiсть практично залишаеться незмшною, якщо не враховувати змши вологостi, i становить для вщносно! вологостi повiтря навколишнього середовища 66,32 % - 2,2 МПа; для вологосп 80 % - 2,45 МПа i для
вологостi 90 % - 2,75 МПа. Враховуючи рiчну середньозважену змiну вологостi навколишнього середовища вiд 66 % до 90 %, мiцнiсть зростае вщ 2,2 МПа до 2,75, тобто на 25 %. Зростання мщност е дещо меншим, нiж у випадку зi струк-турним клеем (на 41-43 %). Порiвняно iз з'еднаннями деревини дуба, склееного структурованим клеем, е iнша вiдмiннiсть, у рап використання неструктурова-них кле'1'в мiцнiсть зi змiною температури ввд 1,9 до 9,73 оС залишаеться практично незмiнною.
Рис. 5. Змша мiцностi клейовихз'еднань деревини дуба, склеених структурованими клеями 1з ступенем навантаження Б4, залежно вiд поеднання змти температури та вологостi
Таку поведшку клейових з'еднань деревини дуба iз використанням тер-мопластичних неструктурованих кле'1'в, якi несуть навантаження Э1, можна по-яснити лшшною структурою клейового шва - таю клейовi з'еднання е еластич-
шшими порiвняно з клейовими з'еднаннями, сформованими рщкосггчастою структурою. Внаслiдок цього напруження та деформацп, якi вiдбуваються за пiдвищення температури, бiльшою мiрою компенсуються i е меншими за напруження, яю виникають у клейових з'еднаннях з рiдкосiтчастою структурою. Тому можна стверджувати, що клейовi з'еднання деревини дуба, сформоваш термоп-ластичними клеями, яю мають лiнiйну будову, краще переносять змiну температури експлуатацп порiвняно з клейовим з'еднанням, яке формуе рщкоспчасту структуру. Вологiсть навколишнього середовища також впливае на них, але меншою мiрою. Цiкавою е поведшка клейових з'еднань деревини дуба, сформо-ваних структурованими термопластичними клеями в поеднанш рiзних темпера-турних i вологiсних дiапазонiв, наприклад, середньозважено! мiнiмальноi температури та середньозважено! вологостi навколишнього середовища (рис. 5).
Як бачимо з рис. 5, характер змши мщноси в разi поеднання середньоз-важено! температури i вологостi навколишнього середовища, змiнюеться синусоидально. За мшмально! температури, яка становить 4,18 оС iз змшою вологос-тi вiд 65,47 % до 91,93 % мщшсть постшно зростае незалежно вiд часу експлуатацп. Тшьки порiвняно з першими мюяцями експлуатацп, починаючи з 15-го мюяця змiна мiцностi буде проходити з меншою штенсившстю. За середньозва-жено! вологостi 65,47 % мщшсть е найменша незалежно вiд середньозважено! температури. Зi збшьшенням вологостi мщшсть зростае також незалежно вщ температури i стае найвищою за вологосл 91,93 % [6, 7]. На рис. 6 наведено графiчну штерпретацш змiни мiцностi для клейових з'еднань деревини дуба, склеено! неструктурованими клеями iз ступенем навантаження Б1.
Рис. 6. ЗмШа мiцностi клейових з 'еднань деревини дуба, склеених неструктурованими клеями iз ступенем навантаження 01, залежно вiд поеднання змти температури та вологостi
Як бачимо з рис. 6, характер змши мщноси в разi поеднання середньоз-важено! температури i вологосп навколишнього середовища для деревини ду-
ба, склеено!' термопластичними неструктурованими клеями, за характером змь ни нагадуе змiну мщносп для деревини дуба, яка склеена структурованими термопластичними клеями. Найменша мiцнiсть клейового з'еднання незалежно ввд температури спостерiгаеться за вологостi 66,32 %. 1з збшьшенням вологостi мщшсть зростае за будь-яко! температури i досягае найбшьшого значення за максимально!' вологосп 90,35 %.
Тобто ми знову отримали синусодальну змiну мщносп, згiдно з якою мiцнiсть постшно зменшуеться за мiнiмальноí вологостi 66,32 % для будь-яко! середньозважено! температури. У разi зростання вологостi мщнкть постiйно збiльшуеться. Починаючи з 6-го мкяця експлуатацií характер змiни мщносп е дещо слабшим, тобто зi збiльшенням вологостi мiцнiсть збiльшуеться, але з меншою iнтенсивнiстю. Тобто, залежнкть мiцностi неструктурованих клейових з'еднань вщ температурно-волопсних навантажень е подобною до аналопчно! залежностi структурованих клейових з'еднань.
Шдсумовуючи зазначимо, що за допомогою математично!' моделi здiйснено прогнозування та до^дження змiни мiцностi для клейових з'еднань деревини дуба склеено!' структурованими i неструктурованими ПВА клеями. За результатами дослщжень мiцностi встановлено, що термопластичш клейовi з'еднання деревини дуба краще будуть експлуатуватися за вщ'емних температур та пiдвищеноí вологостi навколишнього середовища.
Лiтература
1. Патент на впнахвд № 98515 Украша, МПК G01N 33/46, G01L 1/26. Cnoci6 прогнозування мщност та довгегачносп з'еднань деревини клеями на осжга полiвiнiлацетату / Б.Я. Кши-вецький, П.А. Бехта (Украша); Заявл. 25.05.2010; Опубл. 25.05.2012, Бюл. № 10.
2. Патент на корисну модель № 45134 Украша, МПК В23В 21/00. Споиб прогнозування довге^чносп клейових з'еднань деревини дуба клеями на осжга полшшшацетату / Б.Я. Кши-вецький, П.А. Бехта (Украша); Заявл. 29.05.2009; Опубл. 26.10. 2009, Бюл. № 5.
3. Кшивецький Б.Я. Прогнозування довгегачносп клейових з'еднань деревини клеями на осж^ полшшшацетату / Б.Я. Кшивецький, П.А. Бехта // Лсове господарство, люова, паперова i деревообробна промисловють : мiжвiдомч. наук.-техн. зб. - .Львш : Вид-во НЛТУ Украши. -2009. - Вип. 35. - С. 84-89.
4. Кшивецький Б.Я. Температурно-волопсна стшшсть клейових з'еднань на термопластич-нш основi / Б.Я. Кшивецький, О.П. Гупало // Науковий вюник УкрДЛТУ : зб. наук.-техн. праць. - Львш : Вид-во УкрДЛТУ. - 2002. - Вип. 12.5. - С. 26-28.
5. Кшивецький Б.Я. Мехашзм формування термопластичних клейових з'еднань деревини / Б.Я. Кшивецький // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львш : РВВ НЛТУ Украши. - 2012. - Вип. 22.12. - С. 117-122.
6. Кшивецький Б.Я. Вплив температури на мехашзм формування та руйнування термопластичних клейових з'еднань деревини / Б.Я. Кшивецький, Л.В. Салапак // Науковий вюник НЛТУ Украши : зб. наук.-техн. праць. - Львш : РВВ НЛТУ Украши. - 2012. - Вип. 22.4. - С. 144-148.
7. Kshyvetskyy B. Prediction of durability of adhesive joints of oak timber by polyvinyl acetate-based adhesives / B. Kshyvetskyy, O. Kiyko, Y. Sokolovskyy // Pokroky vo vyrobe a pozuiti lepidiel v drevopriemysle (adhesives in woodworking industry). Technical University in Zvolen (Slovakia). Proceedings of the XXI symposium. Vydavatelstvo TU Zvolen. - 2013. - С. 122-127.
Кшивецкий Б.Я. Влияние влажности и температуры на прочность термопластичных клеевых соединений древесины лиственных пород
На примере древесины дуба, приведены результаты исследований влияния влажности и температуры окружающей среды на прочность поливинилацетатных клеевых соединений лиственных пород древесины. Для исследований использована математи-
ческая модель прогнозирования прочности термопластичных клеевых соединений древесины. Осуществлен анализ полученных результатов прогнозирования прочности клеевых соединений древесины дуба. Исследовано влияние строения и структуры древесины дуба, химических компонентов структурированных и неструктурированных поливи-нилацетатных клеев на прочность клеевых соединений при эксплуатации. Установлена закономерность изменения прочности термопластичных поливинилацетатных клеевых соединений древесины дуба в зависимости от изменения влажности и температуры окружающей среды.
Ключевые слова: клей, древесина, прочность, влажность, температура, клеевые соединения, прогнозирование, водостойкость, теплостойкость.
Kshyvetsky B.Ya. The Effect of Moisture and Temperature on the Strength of Thermoplastic Adhesive Hardwood Joints
The results of studies of the effect of atmospheric moisture and ambient temperature on the strength of polyvinyl acetate adhesive joints of hardwoods on the example of oak wood are given. A mathematical model for predicting the strength of thermoplastic adhesive wood joints is used. The results of predicting the strength of adhesive oak wood joints are analyzed. The influence of oak wood structure as well as chemical components of structured and unstructured polyvinyl acetate adhesives on the strength of adhesive joints during operation is investigated. The pattern of change in the strength of thermoplastic polyvinyl acetate adhesive oak wood joints depending on varying atmospheric moisture and ambient temperature is established.
Key words: adhesive, wood, strength, moisture, temperature, adhesive joints, predicting, water resistance, heat resistance. _
УДК 502.17 Проф. О.М. Мандрик, д-р техн. наук -
1вано-Франшвський НТУ нафти i газу
АНАЛ1З ПРИЧИН АВАР1ЙНИХ СИТУАЦ1Й ТА РУЙНУВАНЬ МАПСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОД1В
Проаналiзовано основы причини виникнення аваршних ситуаций на мапстраль-них газопроводах. Встановлено, що у зв'язку зi старшням газотранспортно! мережi та недосконалiстю державного контролю за й безпекою, останшми роками спостерь гаеться збшьшення кшькост аварш на газопроводах Украши. Узагальнений аналiз причин руйнування засвщчив рiзну !х специфику та структуру залежно вiд географiчного положення, шматичних умов !х експлуатацп та шдходш до оцiнювання аваршних си-туадiй. Встановлено основнi фактори, що сприяють пiдвищенiй схильностi металу трубопроводу до стрес-корозшного розтрiскування, що потребуе розроблення комплексного методу оцшювання та прогнозування !х безпечно! експлуатацп.
Ключовi слова: екологiчна безпека, аваршш ситуацл, руйнування, газопроводи.
Актуальшсть. Газотранспортна система (ГТС) Украши складаеться з 38,55 тис. км газопровода з компресорними станциями, 13 шдземних сховищ газу, мережi газорозподiльних i газовимiрювальних станцiй. Магiстральнi тру-бопроводи е найбiльш капiталомiсткими елементами газового комплексу дер-жави. Оскiльки варткть нового газопроводу на порядок вища вiд ранiше побу-дованого, то економiчно доцшьно, спираючись на даш технiчного та еколопч-ного мошторингу, максимально продовжити технологiчну та еколопчно-без-печну експлуатацда газопровiдних систем.
У зв'язку зi старiнням газотранспортно! мережi та недосконалiстю державного контролю за 11 безпекою, останнiми роками спостеркаеться збшьшен-ня кiлькостi аварш на газопроводах Украши (розрив труб через проедания
