Термодинамические показатели поверхности древесины

Порода древесины	Термодинамические показатели подложки
	Критическое поверхностное натяжение σкр, мН/м	Работа адгезии W а, мДж/м^2	Поверхностное натяжение σ23, мН/м
Березовый шпон: – без ложного ядра	41,5 41,2	83,1 82,5	62,2 61,9
– с ложным ядром	44,5 46,5	84,5 96,8	65,3 62,0
Осиновый шпон	43,9 44,7	94,6 90,7	39,3 39,8
Сосновый шпон	47,6 49,4	88,3 89,4	57,6 58,3
Сосновые пиломатериалы: – радиальные	49,8	99,8	51,6
– полурадиальные	50,0	100,1	51,7
– тангенциальные	51,6	–	–

Примечание. В числителе приведены показатели для лицевой стороны шпона, в знаменателе – для оборотной.

 

 

 

Рис. 1.6. Влияние поверхностного натяжения связующего на прочность клеевого соединения фанеры при скалывании

 

 

 

 

 

Рис. 1.7. Зависимость поверхностного натяжения смолы СФЖ-3013 от количества и размера частиц алюмосиликатов

 

Положительное влияние на поглощение древесиной связующего и скорость его отверждения, оказывает и способность древесины к избирательной адсорбции влаги, увлекающей за собой молекулы клея. Этот эффект широко используется в практике склеивания шпона на операции подготовки клеевого слоя к склеиванию, позволяющего достичь требуемой вязкости адгезива непосредственно перед пьезотермообработкой.

Вышеизложенное подтверждает известное положение об ограниченности молекулярно-адсорбционной теории адгезии, не способной в полной мере объяснить причины прочной связи адгезива и подложки. Однако, поглощение клея древесиной увеличивает площадь контакта, способствует сближению молекул, создает условия для их взаимодействия. А интенсивное поглощение подложкой влаги из клея повышает вязкость последнего, что благотворно влияет на когезионную прочность связующего и скорость его отверждения.

При нанесении жидкого раствора клея на шпон, вследствие избирательности адсорбции, вода, содержащаяся в связующем, активно поглощается подложкой и проникает вглубь ее, благодаря капиллярно-порис- той структуре древесины и особенностям ее взаимодействия в сухом состоянии с влагой. Это приводит к послойному изменению концентрации раствора клея и переносу вещества в пределах жидкой фазы. Частично вместе с влагой перемещается в поры древесины и собственно клей. Массопередача между твердой и жидкой фазами складывается из массоотдачи внутри жидкой фазы и переноса последней в твердом теле. Перенос связующего в неподвижном слое древесины представляет собой неустановившийся процесс с переменной послойной концентрацией.

При горячем прессовании массообменные процессы существенно изменяются, так как происходит отверждение клея, изменяется значение коэффициентов диффузии в связи с изменением плотности, температуры и давления, имеют место химические реакции, изменяющие свойства фаз и сопровождающиеся выделением побочных продуктов.

В результате массообменных процессов на каждом из этапов связующее проникает вглубь древесины, увеличивая площадь контакта склеиваемых листов шпона. Глубина проникновения клея в подложку существенным образом влияет на качество клеевого соединения, поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее.

 

Древесина, как материал, подлежащий склеиванию, представляет собой неоднородную, пористую, деформируемую среду, взаимодействующую с жидкостью (клеем). При ее пьезообработке в сухом виде полости играют пассивную роль, и описание деформации в первом приближении возможно уравнениями теории упругости.

 

1.4. Парогазообразование в склеиваемом материале

 

При склеивании фанеры и древесностружечных плит в процессе горячего прессования в пакете имеют место массообменные потоки. Одним из них является парогазовый поток, образующийся в результате: испарения влаги, содержащейся в древесине и клее; выделения газообразных продуктов при отверждении связующего и взаимодействия клея и древесины; образования газообразных продуктов от пьезотермической обработки древесины; перемещения воздуха, содержащегося в порах древесины. На величину избыточного парогазового давления и условия образования парогазовой смеси оказывают влияние также уплотнение пакета и отверждение связующего. Уплотнение древесины приводит к уменьшению объема пор и вытеснению из них газообразной фракции, а также снижает парогазопроводность шпона. Отверждение связующего ухудшает проницаемость древесины парогазовой смесью.

При нанесении на шпон клея последний равномерно распределяется по поверхности, заполняя имеющиеся в ней пустоты. Однако, вследствие высокой вязкости связующего его проникновение в полость клеток и микротрещины в древесине затруднено. Кроме того, на поверхности шпона могут быть места, на которых не произошло смачивание древесины клеем по ряду причин: старение поверхности, наличие экстрактивных веществ и натуральных смол, и др.

Древесина, при нанесении клея на ее поверхность, начинает интенсивно поглощать влагу из связующего. В результате увеличиваются вязкость клея и влажность поверхностного слоя шпона.

В начале пьезотермической обработки в результате нагрева вязкость клея в первый момент времени снижается, и благодаря импульсу давления происходит внедрение связующего в полости на поверхности древесины. Исследования фанеры в области клеевого слоя с помощью сканирующего электронного микроскопа показали, что сплошного клеевого слоя между двумя листами шпона нет. Поверхностные слои шпона, пропитанные клеем, контактируют непосредственно друг с другом. Однако, вероятность наличия пустот, не заполненных клеем, велика. Образование пустот и их количество зависят от многих факторов: пористости древесины, шероховатости поверхности шпона, способности клея смачивать древесину, вязкости связующего, режимов прессования и других и носит вероятностный характер. По мере нагрева пакета шпона в результате тепло- и массообмена в пустотах накапливается парогазовая смесь. Количество парогазовой смеси в объеме, ее давление и температура непостоянны во времени, зависят от многих факторов, и их изменение также случайно.

К основным факторам, определяющим количество и давление парогазовой смеси в единичном объеме полости, относят:

– влажность шпона;

– концентрацию клея (от нее зависит количество влаги, внесенной со связующим в древесину);

– вид клея (от него зависит количество выделяющихся газообразных продуктов);

– породу древесины, в том числе ее плотность и пористость (объем пор в единице объема древесины), паро- и газопроницаемость;

– температуру прессования;

– давление прессования;

– продолжительность пьезотермической обработки.

Известные методики определения избыточного давления парогазовой смеси не учитывают деформирование пакета шпона в процессе склеивания и вызванное им уменьшение объема пор, что, на наш взгляд, приводит к существенной ошибке. Общепринятая диаграмма изменения давления прессования с двухступенчатым его снижением, при котором начало второго этапа соответствует давлению 0,35–0,4 МПа, не всегда позволяет существенно уменьшить вероятность разрушения фанеры.

Знание законов деформирования склеиваемого пакета шпона и изменения его вязкоупругих характеристик необходимы для установления параметров режимов прессования, обеспечивающих получение материала с заданными физико-механическими свойствами (плотностью, прочностью, водостойкостью и др.).