Лако-красочные материалы — производство

Древесина — это природный поли­мерный материал клеточно-волокнистого строения, обла­дающий значительной пористостью и гидрофильностыо. Многолетним опытом склеивания древесины доказано, что в основе явлений, которые на первый взгляд моглк быть отнесены к механической адгезии, лежат закономер­ности физико-химического взаимодействия клеев с цел­люлозой и ее спутниками в древесине. Так, одним из важ­ных условий склеивания древесины является смачивание. Даже несмотря на сильно развитый рельеф поверхности (поры, углубления, ворсинки, бороздки, расщелины и др.), обеспечивающий возможность связи клея с дре­весиной путем механического зацепления, соединения не получится, если не происходит смачивание. При отсут­ствии смачивания клей не заполняет поры, а наоборот, под действием внутренних сил отталкивается от поверхно­сти наподобие того, как выталкивается ртуть в капилляр­ной трубке. При смачивании клей впитывается в по­верхностные слои древесины, даже при отсутствии дав­ления.

Исследование под микроскопом слоя клеток на по­верхности склеивания показывает, что клей не всегда за­полняет их полости целиком. Уменьшаясь в объеме вслед­ствие усадки, он обволакивает внутреннюю поверхность клеток, образуя пустотелые цилиндры, стенки которых плотно пристают к стенкам клетки. Глубокое проникно­вение клея в полости клеток и сосуды древесины проис­ходит благодаря активности растворителя, который несет с собой частицы клея и затем испаряется. При этом кле­евое вещество концентрируется на стенках клеток и сосу­дов. Давление при запрессовке способствует более быст­рому прониканию клея в поры древесины. Слишком глу­бокое проникание клея практически нецелесообразно, так как прочность соединения зависит от однородности клее­вого слоя, а не от глубины проникновения клея.

На прочность склеивания древесины значительно влия­ет пористое строение ее поверхности, соотношение ран­ней и поздней древесины в годовых слоях, влажность, химический состав, угол наклона волокон и другие фак­торы.

Поперечное сечение древесины представляет комбина­цию разрезов стенок клеток и отверстий (пор). Пори­стость поверхности древесины выражается формулой

П = 1 —"у" • fIV. l)

Где Yo — объемный вес древесины в абсолютно сухом со­стоянии, г/см3, у — плотность древесного вещества (у = 1,54 г/см3).

Для определения влияния пористости на прочность склеивания проведены испытания различных пород дре­весины, неодинаковых по объемному весу. Испытания по­казали, что между пористостью древесины П и прочно­стью сцепления т существует линейная зависимость, кото­рая может быть выражена так:

Т «=330—335П (для мочевино-формальдегидного клея)

Т=316—342П (для феноло-формальдегидного клея) т=232—244П (для казеинового клея)

Если принять П = 0, то прочность сцепления синтети­ческих клеев с древесным веществом будет выражена ве­личинами порядка 300—330 кГ/см2. Фактически же вследствие пористости прочность склеивания древесины составляет 80—120 кГ/см2.

Линейная зависимость между прочностью склеивания и пористостью древесины доказывается также теоретиче­ски. Если общая площадь клеевого шва в образце S, пло­щадь поперечного сечения стенок клеток Si, площадь про­межутков (пор) S2, прочность клеевого шва в образце <4, удельная прочность связи клея со стенками клеток А и условная прочность связи на единицу площади проме­жутков и пор А2, то

AamS1A,+StAt (W2)

Из формулы (IV, 1) следует, что П выражает площадь промежутков между стенками клеток, а —^ площадь

Поперечного сечения стенок клеток на единице площади склеивания. Приняв во внимание, что S = Si+S2, и вос­пользовавшись зависимостью (IV, 2), выражение (IV, 1) можно представить в виде

N-l-Jf—(IV,3)

Следовательно,

А — + Ла). (IV,4)

Так как величины А, и Аг приняты постоянными, то зависимость между А и П —линейная.

В случае, когда Л2=О (отсутствует механическое за­цепление клея за стенки полостей клеток), формула (IV, 4) примет вид

А Л, П = Л(1 — П), (IV,5)

Откуда видно, что прочность сцепления, осуществляемого только по разрезам стенок клеток, зависит от пористости (плотности) древесины.

Представление об А, т. е. о величине сил связи меж­ду клеем и стенками клеток, может быть дано на основе адсорбционной теории склеивания. Известно, что состав­ные части древесины, в первую очередь целлюлоза, обла­дают структурной поляризацией и поэтому хорошо соеди­няются полярными синтетическими клеями [17]. Однако различные участки стенок клеток содержат неодинаковое
количество целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз и других веществ; следовательно, полярность, а также величи­на адгезии составных частей древесины различны (рис. 11).

Как видно из рис. 11, наименьшая величина сцепления у межклетного вещества, состоящего, главным образом, из лигнина с примесью пектиновых веществ. Несколько больше сцепление с веществом первичной оболочки, со­стоящей на 70% из лигнина и смеси целлюлозы и пекти­новых веществ. Средний и наружный слои вторичной обо­лочки, состоящие в основном из целлюлозы и лигнина (до 30%), имеют наиболь­шую величину сцепления. По сравнению с ними внутренний слой, состоя­щий из гемицеллюлоз с примесью целлюлозы, об­ладает меньшей величи­ной сцепления. Таким об­разом, сложному строе­нию клеточных оболочек соответствует неравномер­ное сцепление клея с дре­весиной. Чем больше дре­весина содержит целлю­лозы, тем лучше она склеивается синтетиче­скими клеями.

В зависимости от коли­чества клея в клеевом шве, плотности и строения древесины склеивание ее можно представить тремя схемами (рис. 12). Склеивание по первой схеме осуществляется преимущественно через разрезы стенок; по второй — клей обволакивает стенки клеток, по третьей — клей полностью заполняет клеточ­ное пространство. В первом и во втором случаях величина прочности склеивания приблизительно одинакова, а в третьем несколько выше. Однако расход клея в указанных примерах различен, причем в первом варианте он зна­чительно меньше, чем в третьем. Следовательно, доста­точной прочности склеивания древесины можно достиг­нуть при весьма ограниченном расходе клея; для этого
древесину надо обрабатывать возможно лучше, т е. без разрыхления поверхностных слоев, смятия стенок клеток и т. п.

Прочность клеевого шва древесины зависит также от содержания клеток ранней и поздней древесины. Эти клетки образуются в разные периоды роста дерева — в весенний и осенний соответственно. Клетки ранней древе­сины рыхлые, и клей в них проникает глубже, чем в клет­ки поздней древесины Разрушение клеевых соединений при испытании образцов сопровож­дается отрывом участков поверхно­сти ранней древесины, так как проч­ность ее приблизительно в 2 раза ни­же, чем поздней. Содержание кле­ток ранней древесины преобладает, например в хвойных породах 60— 80%, поэтому прочность соединения определяется преимущественно прочностью ранней древесины.

В результате специального под­бора образцов (в лабораторных ус­ловиях) удается склеивать между собой участки поздней древесины. При этом достигается более высокая прочность склеивания, а соединение разрушается преимущественно по клею.

Прочность склеивания зависит и от толщины клеевой прослойки. На толщину прослойки клея и характер заполнения им поверхности древе­сины влияет содержание в клее на­полнителей. Как правило, клей с на­полнителем не проникает глубже первого слоя клеток, так как части­цы наполнителя обволакиваются клеем и впитывают основную часть растворителя, не да­вая ему проникать внутрь клеток и заносить туда макро­молекулы клея.

Глубина проникания клея в древесину зависит от при­лагаемого давления, длины и направления волокон отно­сительно плоскости склеивания. При условии, что все разрезанные клетки целиком будут заполнены клеем,
средняя глубина проникания его (I) в древесину опреде­ляется уравнением

Х D

J = ~2~ sin а +~2~ cos (IV.6)

Где а — угол наклона волокон; х — средняя длина воло­кон; D — средний диаметр полости клетки.

Длина волокон хвойных пород древесины 2—3 мм, Лиственных 0,5—1,5 мм. Диаметр полостей клеток ранней древесины 0,03, а поздней 0,01 мм. При изменении а от 0 до 90° глубина проникания клея увеличивается в 15—150 раз и одновременно увеличивается расход клея. Но прочность склеивания при этом не возрастает, а, нао­борот, уменьшается. Это происходит потому, что проч­ность соединения древесины зависит от степени пропиты­вания, которая определяется углом наклона волокон [18]. В то время как при а=0° степень пропитывания дости­гает 100%, т. е. клей заполняет все открытые клетки, сте­пень пропитывания при а=90° (торцевая склейка) около 60%. Это объясняется тем, что при увеличении угла на­клона волокон участки ранней древесины поглощают клей в большем количестве. (Практически они могут впи­тать весь клей, нанесенный на поверхность.) Поэтому в клетки поздней древесины (менее доступные) клей не проникает (степень пропитывания значительно меньше 100%), и прочность, соответственно, снижается.

При малом угле наклона волокон свободные объемы клеток ранней древесины быстро заполняются до преде­ла. Давление в шве при этом уменьшается незначительно, и клей начинает проникать в более плотные клетки позд­ней древесины. Степень пропитывания в этом случае до­стигает 100%, а прочность склеивания — максимума.

Когда детали склеивают в торец, низкая прочность склейки объясняется не только большой поглотительной способностью клеток, но и неровностью поверхности, при которой детали соприкасаются только частично. Причем в местах соприкосновения клей интенсивно впитывается в древесину. Поэтому остаются участки с недостаточным количеством клея (так называемый «голодный шов»)
или совсем не склеенные участки («непроклей»), Даже при избытке клея, рассчитанном на поглощение его со­судами, прочность соединения оказывается незначи­тельной.

Ввиду различного строения древесины хвойных и лист­венных пород, отличающихся размерами клеток и коли­чеством сосудов, клей проникает в эти породы неодинаково. Напри­мер, при склеивании древесины сосны клей заполняет преимуще­ственно клетки, а бе­резы — не только клет­ки, но и сосуды. Для более глубокого запол­нения клеток и сосудов количество клея дол­жно превышать 70— 80 г/м2. Клеевой шов будет неодинаковым при различном прони­кании клея в древесину (см. рис. 12). Для увеличения прочности соединения дре­весину обрабатывают веществами, упрочняющими стен­ки клеток (химическое модифицирование) или закупори­вающими сосуды (пропитка смолами).

На прочность склеивания оказывает большое влияние влажность древесины (рис. 13). Чем выше влажность, тем слабее сцепление синтетического клея с древесиной, так как молекулы воды блокируют активные радикалы (группы ОН) ее поверхности. Кроме этого, влага вызыва­ет разбухание древесины. Поэтому, если после склеива­ния изделие помещают в сухое помещение, начинается усушка, в результате которой возникают напряжения в клеевых швах: соединения растрескиваются, расслаива­ются. Различные клеи допускают значительные отклоне­ния во влажности древесины. Так, резорцино-формальде­гидные клеи прочно склеивают древесину с влажностью до 20—22%, феноло-формальдегидные — до 15—18%, карбамидные — до 10%.

Для склеивания применяют более сухую древесину, чем это необходимо для эксплуатации, так как, во-пер­
вых, водные растворы клея увлажняют ее и, во*-вторых, незначительное разбухание древесины при уравновеши­вании ее влажности в окружающей среде меньше ослаб­ляет соединение, чем усушка. При склеивании тонких элементов, например шпона, влияние влаги, вносимой клеем, увеличивается.

Изменение влажности древесины в процессе склеива­ния зависит от способа отверждения клея: при холодном отверждении влажность увеличивается, а при горячем — уменьшается. При склеивании деталей из древесины с неодинаковыми влажностью и объемным весом. или из различных пород в клеевых соединениях возникают внут­ренние напряжения, вызванные разной скоростью высы­хания. Разница во влажности склеиваемых деталей долж­на быть не выше 3—5%.

На прочность клеевых соединений значительно влияет увлажнение древесины при эксплуатации изделий. С из­менением влажности воздуха от 10 до 100% равновесная влажность древесины вследствие ее гигроскопичности увеличивается с 3 до 30%. При этом прочность ее и одно­временно прочность клеевого соединения снижается в 2—3 раза (если для склеивания применены водостойкие клеи типа феноло-формальдегидных). При длительном нахождении в воде прочность максимально набухшей древесины стабилизируется, но прочность клеевых соеди­нений постепенно снижается вследствие набухания кле­евых прослоек. Нередко при набухании клеевых прослоек происходит релаксация внутренних напряжений, вследст­вие чего прочность соединения может несколько возрасти. Эти свойства учитываются при проектировании клееных конструкций для судов и гидротехнических соору­жений.

Толщина клеевой прослойки и прочность соединения зависят от способа обработки деревянных деталей (ручно­го или машинного). При склеивании деревянных деталей, остроганных машинным способом, прочность соединения увеличивается при уменьшении толщины клеевой про­слойки с 0,5 до 0,1 мм, при ручном строгании — с 0,1 до 0,02 мм. Поэтому при машинном строгании толщина кле­евой прослойки и, соответственно, расход клея должны быть больше, чем при ручном. От качества строгания Древесины зависит равномерность толщины клеевой про­слойки и распределение в ней внутренних напряжений.

Утолщение клеевой прослойки может оказаться слабым местом клеевого соединения. Чем мягче древесина, тем меньше влияет неравномерность толщины клеевой про­слойки на прочность соединения.

Поверхности деталей строгают обычно на рейсмусных или фуговочных станках. Длина волны при этом должна быть не более 5—6 мм для мягких пород древесины и 3—4 мм — Для твердых. Ручное строгание применяют лишь для узких (до 60 мм) поверхностей. Дефекты стро­гания (заколы, задиры, трещины, риски от вызубренных ножей и проч.), а также пятна от смазки снижают проч­ность склеивания. Поэтому после механической обработ­ки поверхностей с них щетками или сжатым воздухом удаляют пыль, а масляные пятна и смолистые места в заготовках протирают ацетоном или бензином.

Некоторую сложность представляет склеивание дре­весины, пропитанной антисептиками и антипиренами. Во­дорастворимые антисептики повышают ее влажность и гигроскопичность, поэтому перед склеиванием необхо­димо более тщательно высушивать пропитанные де­тали.

Пропитка древесины антисептиками, растворенными в неполярных растворителях (бензине, керосине и др.), может значительно снизить адгезионную способность по­верхности склеиваемых деталей. При пропитке в поверх­ностных слоях деталей отлагаются концентраты солей, и, чтобы удалить их, детали перед склеиванием строгают. Из-за опасности термического разложения солей или испарения отдельных фракций маслянистых антисепти­ков горячее склеивание пропитанной древесины применя­ют по возможности ограниченно.

Кислые соли антисептиков растворяются при нанесе­нии клея на поверхность древесины и, каталитически воз­действуя на него, ускоряют отверждение. Во избежание преждевременного отверждения или быстрого старения клея необходимо уменьшить содержание отвердителя в нем так, чтобы рН среды с учетом добавки кислоты анти­септика было в пределах нормы.

При склеивании древесины, пропитанной маслянисты­ми антисептиками, водорастворимые клеи плохо смачи­вают поверхность. В таких случаях используют клеи высо­кой концентрации или клеи, приготовленные на органиче­ских растворителях. Чтобы удалить капли маслянистого антисептика, перед склеиванием поверхности протирают ацетоном или дихлорэтаном.

Для получения хорошего соединения в процессе склеи­вания пропитанной древесины применяют большую вы­держку, более длительную запрессовку, чем обычно, и повышенное давление. Так, например, при нанесении на поверхность пропитанной древесины феноло-формальде — гидного или резорцино-формальдегидного клея нужна бо­лее продолжительная (15—20 мин) открытая выдержка по сравнению с обычной (5 мин.).

Многие антисептики и антипирены содержат летучие вещества, ядовитые соединения хлора, ртути, мышьяка, фосфора, выделяющиеся при склеивании с подогревом. Поэтому в цехах, где склеивают пропитанную древесину, необходима хорошая вентиляция.

В строительстве часто склеивают древесину с метал­лами, главным образом со сталью и алюминиевыми спла­вами. Такие соединения используют в несущих строитель­ных конструкциях для крепления металлических накладок и шайб, в трехслойных клеевых панелях для соедине­ния элементов обрамления из фанеры с деталями из алю­миниевых сплавов, а также для крепления закладных деталей. Клеями можно крепить металлические детали к деревянным шпалам, стойкам и т. п.

При склеивании древесины с металлами возникают особые трудности из-за того, что в контакт вступают по­ристый и непористый материалы, требующие различных клеев и отличающиеся такими важными физическими показателями, как температурные деформации, теплопро­водность, упругость, отношение к влаге, кислотным и ще­лочным компонентам клея и т. п. Прочность соединения в таких случаях определяется прочностью древесины.

В практике склеивания древесины с металлами холод­ным способом чаще используют клей ВИАМ-Б-3. Однако присутствие кислотного отвердителя не позволяет непос­редственно наносить этот клей на металл. В качестве защитного подслоя используют клей БФ-2. Его наносят на предварительно обработанную поверхность металла из расчета 120—170 г/м2 при вязкости его 30—60 сек по вискозиметру В-36. Для удаления растворителя клеевой слой подсушивают при 15—30°С в течение 30 мин и далее, при 60° С в течение 15 мин. После этого на охлажденную До 15—30° С поверхность наносят второй слой клея БФ-2
и также подсушивают. Затем клей отверждают при 150— 160° С в течение 30—45 мин.

В качестве подслоя используют также порошкообраз­ный клей ПФН-12, состоящий из поливинилбутираля (54%), графита (23%), феноло-формальдегидной смо­лы — идитола (21%) и уротропина. Подслой наносят на поверхность методом газопламенного напыления при помощи переносной установки УПН-4 л.

После образования на поверхности металла подслоя не позднее, чем через 36 ч, детали склеивают клеем

ВИАМ-Б-3. Расход его составляет 120—

150 г/м2. Клей наносят на поверхность металла и выдерживают в тече­ние 30 мин (не более). Затем производят скле­ивание под давлением 2—3 кГ/см2, при нор­мальной температуре — в течение 8—10 ч, а при повышенной (80° С) — 20—30 мин.

Несмотря на доста­точную прочность и долговечность соединений на феноло-формальдегидных клеях, применение клеевого подслоя затрудняет процесс склеивания. Поэтому для непосредственного склеивания древесины с металлами используют эпоксидные клеи, ко­торые менее чувствительны к изменениям рецептуры, толщины клеевого шва, открытой выдержки, давления и температуры прессования.

Для склеивания древесины с металлами можно реко­мендовать клей К-153, наполненный портландцементом (до 200 вес. ч.) [47]. Клей наносят на одну из склеивае­мых поверхностей из расчета 600—1000 г/м2. Отвержда­ется клей под давлением 0,5—1 кГ/см2 без нагревания в течение 24 ч или 30—60 мин с нагреванием до 80° С (рис. 14). Для увеличения прочности склеенные изделия некоторое время выдерживают в ненагруженном состо­янии.

Исследования [46,47] показали, что древесина с метал­лами прочно склеивается полиуретановым клеем ПУ-2,
чему способствует высокая концентрация полимера в ком­позиции (около 80%), малая усадка и хорошее заполне­ние зазоров.

Общим недостатком перечисленных высокопрочных термореактивных клеев является жесткость клеевой прос­лойки, которая уменьшает стойкость соединений древеси­ны с металлами к переменным воздействиям (неодинако­вому термическому расширению, набуханию древесины и т. п.). Поэтому в некоторых случаях применяют менее прочные, но более эластичные клеи, например, каучуко­вые (КС-1, 88-Н).

Эти клеи имеют ряд особенностей, связанных с их химическим строением. В частности, неполярность каучу­ковых клеев и большое количество в них растворителя нередко затрудняет склеивание, поэтому технология их применения имеет свою специфику. Так, древесину мож­но соединить с металлами двумя способами: при полном высушивании (с последующей реактивацией) и частич­ном высушивании жидкого клея.

При первом способе жидкий каучуковый клей наносят на поверхность обеих деталей и полностью высушивают нанесенные слои. Затем детали соединяют и нагревают до 80—120° С. При этом сухие пленки клея размягчаются, становятся липкими (реактивируются). После охлажде­ния деталей соединение приобретает достаточно высокую прочность.

При втором — нанесенный на поверхности клей высу­шивают не полностью, а «до отлипа», т. е. с сохранением некоторого количества растворителя в пленке. Когда де­тали соединяют, то под влиянием давления или относи­тельно невысокой температуры 50—60° С молекулы по­лимера в смежных слоях взаимно диффундируют в среде остаточного растворителя. Постепенно растворитель уле­тучивается или мигрирует в древесину.

Каучуковые клеи наносят, как правило, на обе скле­иваемые поверхности (двухстороннее нанесение). При этом прочность соединения увеличивается в 5—7 раз по сравнению со склеиванием при одностороннем нанесении клея.

Соединения древесины с металлами на каучуковых клеях разрушаются при испытании преимущественно по клею при напряжениях 5—12 кГ/см3. Это невысокая проч­ность, но если учесть, что соединения на каучуковых кле­ях, благодаря отличным релаксационным свойствам, хо­рошо воспринимают неравномерное распределение на­пряжений и хорошо сопротивляются отрывающим нагрузкам, такую прочность можно считать достаточной.

Некоторые трудности возникают при склеивании анти — септированной древесины с металлами (крепление нак­ладок к антисептированным шпалам, наклеивание сталь­ных шайб в узлах мостовых конструкций, вклеивание ко­нусных вставок в пропитанные фанерные трубы и др.).

Различают способы склеивания металлов с древеси­ной, пропитанной водорастворимыми и маслянистыми (гидрофобными) антисептиками. Для склеивания можно применять только неводные клеи.

Концентраты водорастворимых антисептиков, содер­жащиеся в поверхностных слоях пропитанной древеси­ны, вызывают коррозию металлов, поэтому при склеива­нии необходимо сначала покрывать металл защитной пленкой (клея или лака).

При склеивании стали с древесиной, пропитанной маслянистыми антисептиками (например, креозотом), применяют следующий способ: поверхность древесины очищают растворителем и наносят 1—2 слоя клея БФ-2, подсушивая его на воздухе в течение I—2 ч. После этого накладывают стальную деталь и нагревают ее до температуры 140—145° С. Надо отметить, что прочность соединения в этом случае достигает прочности пропитан­ной древесины. Технология склеивания упрощается, если вместо послойного нанесения клея БФ-2 применять гото­вые пленочные феноло-формальдегидные клеи.

Для склеивания древесины с конструкционными и от­делочными пластиками применяют разнообразные клея­щие средства. Так, в результате экспериментальных ис­следований найдено, что стеклопластики с древесиной могут склеиваться полиэфирными клеями, например на основе смолы ПН-1 с добавкой тиксотропных наполни­телей. Отделочные пластики приклеивают феноло-фор — мальдегидными и карбамидными клеями особым спосо­бом— так называемое склеивание с раздельным нане­сением отвердителя [19]. Для наклеивания на древесину поливинилхлоридных пленок и алюминиевой фольги ис­пользуют каучуковый клей 88-Н.