Волынский В.Н. Технология клееных материалов. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ

В.Н. ВОЛЫНСКИЙ

ТЕХНОЛОГИЯ

КЛЕЕНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

2003

В.Н. Волынский

ТЕХНОЛОГИЯ

КЛЕЕНЫХ МАТЕРИАЛОВ

(Учебное пособие)

Рекомендовано Министерством образова-

ния Российской Федерации в качестве

учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по спе-

циальности "Технология деревообработки"

Архангельск

2003

ББК 37.130 + 37.134

В70

УДК (674.213:624.011.14)

Волынский В.Н. Технология клееных материалов: Учебное пособие для вузов.

(2-е изд., исправленное и дополненное). Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн.

ун-та, 2003. 280 с.

В пособии обобщен и систематизирован материал, накопленный в нашей стране

и за рубежом в области технологии использования клеев и производства клееных

материалов из шпона и массивной древесины. Приведены справочные материа-

лы для выполнения технологических расчетов.

Предназначено для студентов лесотехнических специальностей вузов. Может

быть полезно инженерно - техническим работникам фанерных и столярно-

мебельных производств.

Илл. 143. Табл. 173. Библиогр. 29 назв.

ISBN 5-261-00095-5

 В.Н.Волынский, 2003

Необходимость издания пособия по данной тематике связана с большими из-

менениями в мире синтетических клеев, с появлением принципиально новых

связующих, клеильного оборудования и технологических приемов склеивания.

Без операций склеивания невозможно производство фанеры, плит, мебели, сто-

лярно-строительных изделий, многих товаров народного потребления. Особую

актуальность проблемам, рассматриваемым в данном пособии, придает резко

возросший спрос на мебель из массивной древесины, в основе которой лежат

клееные реечные щиты.

В пособии рассматриваются основные марки отечественных и импортных

клеев, используемых во всех областях деревообработки. Указана химическая

природа клеев, приведены основные показатели и методы их определения, пре-

имущества и недостатки, области применения связующих. Рассмотрены техно-

логия и оборудование для производства шпона (в том числе строганого) и фа-

нерной продукции. Значительное место уделено склеиванию массивной древе-

сины по длине, толщине и ширине в производстве самых разнообразных мате-

риалов и изделий из древесины.

Уделено внимание выполнению важнейших технологических расчетов, свя-

занных с производством клееной продукции из шпона и массивной древесины -

определению необходимых объемов сырья и материалов, вторичных ресурсов,

расчету производительности оборудования, составляющих себестоимости клее-

ных материалов и пр. Показаны варианты организации рабочих мест для различ-

ного оборудования.

Пособие будет полезно всем работникам фанерных и столярно-мебельных

производств, а также тем, кто занимается проектированием новых или реконст-

рукцией действующих цехов и участков по производству клееной продукции из

древесины.

Во втором издании исправлены замеченные недостатки, добавлены новые ил-

люстрации, а также дана новая информация по клеям, процессам склеивания и

клеильному оборудованию, появившаяся за истекшие 4 года.

Введение

Роль склеивания в деревообработке невозможно переоценить. Область приме-

нения данной технологической операции довольно обширна:

- получение нового продукта из качественного сырья;

- получение нового продукта из низкокачественного и маломерного сырья;

- облицовывание материалов с целью улучшения их эстетического вида и повы-

шения прочности;

- получение крупногабаритных изделий;

- ремонт и реставрация изделий.

Клееные древесные материалы можно классифицировать с учетом использо-

ванного сырья.

1) Клееная массивная древесина. Сюда относятся материалы и изделия, изго-

товленные из пиломатериалов и заготовок. Это клееные погонажные изделия,

где использовано склеивание только по длине маломерных пиломатериалов,

например клееные доски пола, доски обшивки (так называемая вагонка), плин-

тусы и т.п. (рис.1.1,а). К более сложным материалам из массивной древесины

относятся клееные реечные щиты, где применено склеивание по ширине реек,

предварительно склеенных или не склееннных по длине (рис.1.1,б). В случае

склеивания пиломатериалов по длине, ширине и толщине получают детали

клееных строительных элементов весьма больших размеров - сечением до 500 х

2000 мм и длиной до 50 м (рис.1.1,в).

2) Клееная слоистая древесина. В основе этого материала лежит лущеный

шпон толщиной обычно от 0,6 до 2-3 мм. Из него изготовляют фанеру и фанер-

ные плиты, древеснослоистые пластики, гнуто- и плоскоклееные детали из

шпона.

3) Клееные материалы из измельченной древесины. Сюда относятся древес-

ностружечные и древесноволокнистые плиты, изделия из прессмасс.

4) Клееная комбинированная древесина. Это материалы, где могут объеди-

няться, например, массивная и слоистая древесина, образуя столярную плиту,

или измельченная и слоистая древесина, образуя обычный мебельный щит.

Рис.1.1. Образцы клееной массивной древес

и-

ны: а- погонажные изделия, б- реечные щиты,

в- детали клееных деревянных конструкций

Примечание [СВ1]:

Страни-

ца: 1

Глава 1. Клеи и процессы склеивания

До начала ХХ века промышленное значение клеев и склеивания было невели-

ко. В столярно-мебельном производстве использовались в основном клеи живот-

ного и растительного происхождения. Толчком к совершенствованию клеев яви-

лось развитие фанерной промышленности и разработка водостойких видов фа-

неры. Патент на способ получения водостойкого синтетического клея получил в

1907 году английский химик Л.Бакеленд, а русский ученый Г.С.Петров в 1912

году впервые осуществил реакцию отверждения такого клея при комнатной тем-

пературе. В начале тридцатых годов в нашей стране началось серийное произ-

водство синтетических смол и клеев на их основе. Сегодня химическая про-

мышленность выпускает большой ассортимент синтетических смол для самых

различных целей, в том числе для склеивания, отделки, получения пластмасс,

пропитки и т.д.

1.1. Классификация клеев для древесины

Все многообразие клеев, используемых в деревообрабатывающей промыш-

ленности, можно классифицировать по таким признакам:

1) По происхождению:

- животного происхождения (мездровый, казеиновый, костный, альбуминовый,

рыбный);

- растительного происхождения (крахмальный, или декстриновый, нитроцел-

люлозный);

- минеральные клеи (силикатный, битумный, цементный);

- синтетические клеи.

2) По составу: одно- и многокомпонентные клеи.

3) По способу получения (для синтетических клеев):

- поликонденсационные, когда в результате реакции двух или более компо-

нентов получают новое высокомолекулярное вещество и низкомолекулярные

продукты, которые затем удаляются и делают реакцию необратимой; Реакцию

поликонденсации можно упрощенно изобразить в таком виде: А + Б = АБ +

н.м.п. Здесь А и Б исходные низкомолекулярные продукты, способные реагиро-

вать друг с другом и давать высокомолекулярный продукт АБ; н.м.п. – низко-

молекулярные продукты, обычно вода и некоторые газы.

- полимеризационные клеи, получаемые в результате реакции полимеризации,

когда мономер последовательно превращается в высоковязкий олигомер (веще-

ство средней молекулярной массы), а затем в твердый полимер за счет удлине-

ния молекул и усложнения их структуры (например, получение полиэтилена из

этилена, поливинилацетата из винилацетата и т.п.)

4) По отношению к теплу:

- термореактивные, которые при повышении температуры сначала плавятся, а

затем необратимо отверждаются;

- термопластичные, которые при нагревании плавятся и остаются жидкими, а

при остывании снова переходят в твердое состояние.

Обычно поликонденсационные клеи являются термореактивными, а поли-

конденсационные – термопластичными.

5) По водостойкости: низкой, средней и высокой водостойкости, эксплуати-

руемые соответственно в комнатных, наружных защищенных или атмосферных

условиях.

6) По виду растворителя: водо- и спирторастворимые, с органическими рас-

творителями.

7) По внешнему виду: жидкие, пастообразные, пленочные, порошкообразные,

в виде гранул.

Синтетические клеи в значительной степени вытеснили из промышленности

клеи природного происхождения в силу следующих преимуществ: дешевизна

исходных продуктов, использование непищевого сырья, практическая неис-

черпаемость сырья, возможность широкого регулирования свойств клеев, высо-

кая скорость отверждения и малый расход клея. Вместе с тем есть области при-

менения, где клеи природного происхождения остаются вне конкуренции,

обычно по экологическим соображениям.

К клеям для древесины предъявляют целый ряд требований, подчас проти-

воречащих друг другу. Эти требования можно разделить на такие группы:

А) Эксплуатационные - способность склеивать и прочно удерживать склеен-

ные материалы. Первое свойство оценивается понятием адгезии, то есть спо-

собности прилипать, а второе - понятием когезии, то есть собственной прочно-

сти клеевого шва. Клеи должны обладать этими двумя свойствами для того,

чтобы удерживать материалы за счет сил адгезии и обладать достаточной проч-

ностью за счет высокой когезии клеевого шва. К эксплуатационным требовани-

ям относятся также водостойкость и атмосферостойкость клеевых соединений,

долговечность клеевых швов.

Б) Технологические - удобство приготовления и нанесения клея. Сюда следу-

ет отнести оптимальную вязкость свежеприготовленного клея, достаточный

срок жизнеспособности клея после введения отвердителя, высокую скорость

отверждения, возможность очистки оборудования (низкая адгезия к металлу),

длительный срок хранения клеев.

В) Экономические - малый расход клея, низкая стоимость сырья, простота

приготовления клея.

Г) Экологические - нетоксичность синтетических смол и других компонентов

клеев, малая коррозионная опасность клеев.

Г) Специальные - диэлектрическая проницаемость (при склеивании в поле

высокой частоты), прозрачность клеевого шва, бензо- и маслостойкость и неко-

торые другие.

1.2. Основные компоненты и способы регулирования свойств

синтетических клеев

Основной частью клея является синтетическая смола, то есть смесь высо-

комолекулярных продуктов, способных при определенных условиях к отвер-

ждению. Кроме смолы в клее могут быть следующие компоненты.

- Отвердитель для ускорения процесса отверждения, особенно при комнатной

температуре. Для кислоотверждаемых смол это, как правило, кислоты типа мо-

лочной, щавелевой и т.п. Для резорциновых смол - щелочные отвердители, ко-

торые более благоприятны по отношению к древесине и клеенаносящему обо-

рудованию.

- Растворитель для регулирования вязкости клея и удлинения срока его при-

годности. Основную массу связующих в деревообработке составляют водорас-

творимые смолы, в мебельной промышленности находят использование орга-

нические растворители, в фанерном производстве - метанол для пропиточных

смол.

- Наполнитель для снижения усадки клея, его удешевления и регулирования

некоторых его свойств. Сюда относится широкий класс материалов, обычно в

виде порошков - мел, тальк, гипс, древесная и пшеничная мука и т.п.

- Пластификатор для уменьшения хрупкости клеевого шва. Это вещества,

обеспечивающие скольжение молекул в отвердевшем шве относительно друг

друга - дибутилфталат, себацинат и др.

- Стабилизатор для удлинения срока хранения смолы. Для кислоотверждае-

мых смол стабилизатором может служить ацетон.

- Антисептики для повышения биостойкости клеевого шва. Особенно важно

введение антисептиков для белковых клеев, подверженных загниванию. На-

пример, для казеиновых клеев таковым является известь.

- Антипирены для повышения огнестойкости клееной продукции.

- Гидрофобные добавки для получения водоотталкивающих свойств плит, на-

пример парафиновая эмульсия для связующих, используемых в производстве

стружечных плит.

- Вспенивающие добавки для увеличения объема клея и снижения его расхода.

При нанесении клея методом экструзии применяют поверхностно-активные

вещества (ПАВ), например альбумин.

На предприятия, не имеющие собственного производства синтетических

смол, могут поступать клеи с добавкой необходимых компонентов, но без отвер-

дителя. На месте использования клеев имеются богатые возможности для регу-

лирования их свойств в нужном направлении. Способами регулирования

свойств клеев являются их наполнение, пластификация и модификация.

Наполнение клеев может дать следующие эффекты: увеличить вязкость клея,

уменьшить проникновение клея в поры древесины, снизить усадку клея, по-

высить прочность клеевого шва, изменить деформационные свойства клеевого

шва и снизить внутренние напряжения в клеевом соединении.

Наполнители можно разделить на органические и неорганические. К первым

относятся древесная мука, пшеничная или ржаная мука, крахмал, лигнин. Они

хорошо разбухают в воде и снижают внутренние напряжения в клеевом соеди-

нении. Неорганическими наполнителями являются каолин, мел, асбест, гипс,

сажа и др. Они не растворяются и не набухают в воде, поэтому вязкость клея ме-

няют слабо, зато хорошо закрывают поры древесины, увеличивают твердость и

хрупкость клеевого шва.

Наполнители разделяют также на инертные и активные. Активные улучшают

клеящие свойства полимера, упрочняют шов, повышают его модуль упругости

(крахмал, мука, диоксид титана). Инертные наполнители не изменяют свойств

клея (мел, каолин, тальк), а только заполняют объем клеевого шва и поры древе-

сины.

По структуре наполнители делятся на тонкодисперсные и волокнистые (ас-

бест). Тонкодисперсные с поперечным размером частиц 1-20 мкм меньше осаж-

даются и активно увеличивают вязкость клея. Количество наполнителя колеб-

лется в широких пределах - от 0,5 до 40 %. Их вводят в готовый клей за не-

сколько часов до его использования.

Пластифицирование выполняют с целью снижения твердости и хрупкости

клеевых швов, что способствует их долговечности, снижает затупление режуще-

го инструмента при обработке клееной продукции. Пластификатор должен со-

вмещаться с клеевым раствором и не ухудшать его адгезионные свойства.

Обычно эффективность пластификатора заключается в гибкости его молекул,

которые располагаются между молекулами основного полимера и увеличивают

его подвижность (межструктурная пластификация). Содержание пластификатора

невелико, до 1 %. Пластификаторами являются такие вещества, как глицерин,

дибутилфталат, сахара и др. Пластифицирующее действие оказывают и наполни-

тели, содержащие клейковину.

У поливинилацетатных клеев пластификатор вводится непосредственно в

дисперсию. Он придает клеевому шву необходимую пластичность, но одновре-

менно ухудшает такой показатель, как морозостойкость.

Модификацией называют направленное изменение свойств клея. Обычно

это делается путем добавки в основной клей какого-либо другого клея, со-

вместимого с ним. Например, модификация фенольного клея возможна добавкой

каучука, который повышает теплостойкость и эластичность клеевого шва. Кар-

бамидные клеи можно модифицировать латексами, ПВА, фенолом и др. компо-

нентами, а также воздействуя на него ультразвуком. При продолжительности

обработки 15-30 мин время желатинизации сокращается на 15-35 %, снижается

вязкость смолы в 1,8 - 4,7 раза, содержание свободного формальдегида уменьша-

ется вдвое, а прочность фанеры при скалывании по клеевому слою возрастает

на 13 - 40%.

Известен также способ механической модификации карбамидных смол. Свя-

зующее подвергается обработке на дезинтеграционной установке (центрифуге)

при скорости 120 м/с. В результате этого вязкость клея снижается в 10-40 раз,

сокращается время отверждения и улучшается структура клеевого шва. Эти

эффекты объясняются тем, что механическое воздействие разрушает глобулы,

состоящие из высокомолекулярной части в низкомолекулярной оболочке. Поте-

ря гидратной оболочки способствует реакции поликонденсации и формирова-

нию развитой трехмерной структуры клеевого шва.

1.3. Основные типы клеев, применяемых в деревообработке

В табл.1.1. дан краткий обзор клеев для древесины. Таблица может помочь в

выборе типа клея для конкретной продукции. Более подробные сведения о клеях

даны в последующих разделах данной главы.

В 1994 году половина всего мирового производства термореактивных смол

приходилась на формальдегидные смолы. Основными производителями их были

США, Япония, Германия, Россия. В России в деревообработке используется

примерно 85% выпуска карбамидных смол и только 15% фенолоформальдегид-

ных. Непрерывный синтез смол производится на 17 химических предприятиях,

а периодический - на 39 деревообрабатывающих. Всего в России имеются мощ-

ности по производству синтетических смол в объёме 712,5 тыс. т (1996 г.), а ко-

эффициент использования мощности предприятий колеблется от 38 до 85%.

1.1. Обзор свойств клеев для древесины

Тип клея Отверди-

тель

Механизм

отвержде-

ния

Преиму-

щества

Недостатки Область

применения

Карбамидо-

формальде-

гидный

(КФ)

Щавелевая

кислота

для хо-

лодного

отвержде-

ния или

хлористый

аммоний

для горя-

чего от-

верждения

Поликон-

денсация

Низкая стоимость

клеев, высокая

прочность соеди-

нений,

малое время го-

рячего отвер-

ждения

Ограничен-

ная водо- и

теп лостой-

кость, хруп-

кость клеево-

го шва,

большая

усадка клея,

коррозион-

ность шва

Производство

рядовой фане-

ры для внут-

ренних работ,

стружечных

плит, обли-

цовка мебель-

ных щитов

Феноло-

фор-

мальдегид-

ный горя-

чего от-

верждения

(СФЖ)

Без отвер-

дителя

Поликон-

денсация

Высокая водо- и

атмос феростой-

кость клееной

продукции

Высокая ток

сичность, ма-

лая скорость

отверждения

Производство

водостойкой

фанеры и дре-

веснослоис-

тых пластиков

Феноло-

фор-

мальдегид-

ный хо-

лодного

отвержде-

ния

Бензо-

сульфо-

кислоты

(БСК)

Поликон-

денсация

Высокая водо- и

атмос феростой-

кость клееной

продукции

Токсичность

смолы и от-

вердителя,

малая ско-

рость отвер-

ждения, ма-

лый сухой

остаток

Производство

деталей клее-

ных деревян-

ных конструк-

ций

Фенолоре-

зорцино-

формаль-

дегидный

(ФРФ)

Парафор-

мальдегид

с древес-

ной мукой

Поликон-

денсация

То же, наличие

щелочного от-

вердителя

Высокая

стоимость,

большое

время отвер-

ждения

То же

Поливи-

нил-

ацетатный

(ПВА)

Без отвер-

дителя

Удаление

воды и уг-

лубление

полимери-

зации

Простота исполь-

зования, малое

время холодного

отверждения, вы-

сокая пластич-

ность шва, боль-

шой срок хране-

ния клеев.

Низкая водо-

и теплостой-

кость шва,

ползучесть

под нагруз-

кой

Производство

реечных щи-

тов, облицовка

ДСтП синте-

тическими ма-

териалами,

производство

мебели

Клеи - рас-

плавы

Без отвер-

дителя

Охлажде-

ние рас-

плава

Отсутствие рас-

творителей, боль-

шой срок хране-

ния, экологиче-

Низкая водо-

и теплостой-

кость швов,

невысокая

Облицовка

кромок стру-

жечных плит

пластиком,