Краткие теоретические сведения. Вязкость – один из основных показателей, определяющих возможность применения смол для различных условий склеивания

Вязкость – один из основных показателей, определяющих возможность применения смол для различных условий склеивания. Свойство жидкости оказывать сопротивление при перемещении ее слоев относительно друг друга называют вязкостью. Вязкость жидкости есть мера ее текучести, она зависит от сцепления между молекулами. Существуют понятия динамическая, кинематическая и условная вязкость.

Динамическая вязкость является абсолютным показателем. Динамическая вязкость показывает, какую силу надо приложить для преодоления сопротивления трения двух слоев жидкости, движущихся с относительной скоростью 1 м/с, имеющих поверхность 1 м² и отстоящих один от другого на расстоянии 1 м.

При движении слоев жидкости возникает сила

 

F = -ηs∂v/∂l, (8.1)

 

где η – коэффициент внутреннего трения (абсолютная вязкость), Па∙с;

s – площадь соприкосновения двух слоев жидкости, на которую действует

сила, м²;

∂v/∂l – градиент скорости, приходящийся на единицу расстояния между

двумя слоями жидкости, с^-1.

 

Единицы измерения динамической вязкости η в различных системах единиц приведены в табл. 8.5. Вязкость воды при температуре 20,5 °с составляет 0,01 П, т. е. 1 сП (сантипуаз).

 

Таблица 8.5

Система единиц	Название единицы	Обозначение единицы
СГС	пуаз	1 П = 1 г/см∙с
СИ	паскаль-секунда	1 Па∙с = 10 П

 

Вязкость смолы η, мПа∙с (миллипаскаль-секунда) вычисляют по формуле

 

η = Сτρ²⁰, (8.2)

 

где С – постоянная вискозиметра, мм²/с² (сСт/с);

τ – среднее арифметическое результатов замеров времени истечения смолы

из вискозиметра, с;

ρ²⁰ – плотность смолы при температуре 20 °С, г/см³.

В гидродинамике используют понятие кинематическая вязкость. Кинематическая вязкость ν, м²/с есть отношение динамической вязкости жидкости η, Па∙с к ее плотности:

 

ν = η / ρ, (8.3)

 

где ρ – плотность жидкости, кг/м³.

 

В технической литературе за единицу кинематической вязкости ν принимают 1 Ст (стокс) или 1 сСт (сантистокс):

1 Ст = 10^-4 м²/с = 1 см²/с; 1 сСт = 10^-2 Ст.

Для технологических целей чаще используют понятие условная вязкость. Условная вязкость смолы – это время ее истечения τ, с из вискозиметра через отверстие определенного диаметра.

В процессе изготовления КФС условная вязкость определяется по окончании конденсации в кислой среде, в процессе вакуум-сушки и после нее.

Для КФС показатель условная вязкость определяется по вискозиметрам типа ВЗ-246 (ВЗ-4), см. рис. 8.2, или по ВЗ-1, см. рис. 8.3; для ФФС марок СФЖ-3013, СФЖ-3014 условная вязкость определяется по вискозиметрам типа ВЗ-246 (ВЗ-4). Для ФФС марок СФЖ-3016, СФЖ-3024 динамическая или кинематическая вязкость (через время истечения смолы) определяется по вискозиметрам типа ВПЖ, см. рис. 8.4. Подбирают капиллярные вискозиметры типа ВПЖ по времени истечения: чтобы время истечения смолы было не менее 80 и не более 300 с.

 

а б

Рис. 8.2. Вискозиметр ВЗ-246:

а – воронка в разрезе; б – внешний вид

 

 

а б

 

Рис. 8.3. Вискозиметр ВЗ-1:

а – воронка в разрезе; б – внешний вид

 

 

а б

Рис. 8.4. Вискозиметр ВПЖ:

а – в разрезе; б – внешний вид

 

Вискозиметр ВЗ-246 имеет сменные сопла разного диаметра. Нормируется условная вязкость по ВЗ-246 (ВЗ-4) с соплом диаметром 4 мм, по ВЗ-1 с соплом диаметром 5, 4 мм. Условную вязкость по вискозиметру ВЗ-246 с соплом диаметром 6 мм производители КФС должны проверять периодически один раз в 10 дней (согласно ГОСТ 14231–88).

Вязкость КФС зависит от рН среды в процессе ее синтеза, от количества содержащихся в смоле сухих веществ, от условий хранения и применения. С повышением степени поликонденсации и снижением рН смолы вязкость ее увеличивается. Процесс отверждения по механизму поликонденсации происходит с постоянным нарастанием вязкости до точки гелеобразования. Вязкость смолы уменьшается при повышении ее температуры. Экспериментальные данные по определению условной вязкости смолы КФ-О при разной температуре приведены в табл. 8.6.

Таблица 8.6

Зависимость вязкости смолы КФ-О от температуры

Температура, °С
Вязкость по ВЗ-4, с

 

При хранении КФС медленно углубляется процесс ее поликонденсации, при этом вязкость смолы возрастает. При этом изменяются и другие показатели смолы – содержание свободного формальдегида, растворимость в воде, значение рН. По ГОСТ 14231–88 допускается увеличение норм условной вязкости при хранении: по ВЗ-246 (ВЗ-4) для КФ-МТ(Ф) до 180 с; для КФ-Б – не более чем до 200 с.

При добавке в смолу отвердителя вязкость ее медленно растет. Однако при использовании смолы с большим сроком хранения при добавлении отвердителя вязкость может уменьшиться за счет влияния эффекта перемешивания на разрушение образующихся при хранении связей. При длительном хранении КФС в результате углубления поликонденсации формируются структуры разной устойчивости, увеличивающие вязкость. В процессе перемешивания смолы некоторые из структур могут разрушаться, и вязкость при этом может несколько уменьшаться.

Хлористый аммоний, введенный в смолу, реагирует со свободным формальдегидом с выделением соляной кислоты (см. лаб. работу № 1). Кроме снижения рН среды, при взаимодействии хлористого аммония со смолой выделяется тепло, вследствие чего ускоряется реакция поликонденсации. В результате этого вязкость клея увеличивается, а через некоторое время наступает его желатинизация.

Время, в течение которого после добавки отвердителя можно использовать клеевой состав, называется его жизнеспособностью. Желательно, чтобы жизнеспособность клея была приблизительно равна продолжительности рабочей смены. Время, в течение которого смола пригодна для использования по всем показателям, и главным образом по вязкости, характеризует ее стабильность при хранении. Применение формалина с большим содержанием железа, а также карбамида с избыточным содержанием аммиака является причиной образования нестойких смол, быстро густеющих при хранении. Вязкость смол, синтезируемых с большим избытком формальдегида, растет медленнее, но они являются более токсичными.

Гарантийный срок хранения КФС два месяца со дня изготовления. Значительное удлинение срока хранения КФС (до трех-четырех месяцев) достигается введением в состав КФС стабилизирующих веществ. В качестве стабилизаторов могут использоваться многоатомные спирты – этиленгликоль, диэтиленгликоль, этиловый спирт, ацетон и др. Этиленгликоль и диэтиленгликоль при этом тормозят процесс отверждения клеев на основе КФС. Этиловый спирт и ацетон, повышая стойкость смолы при хранении, не замедляют процесса отверждения связующего. Совмещение КФС со спиртами позволяет также улучшить их адгезионные свойства и повысить морозостойкость.

Вязкость ФФС также зависит от температуры и продолжительности хранения. Хранение при температуре 20 °С увеличивает стабильность смолы. Однако после двух месяцев хранения вязкость ФФС начинает резко нарастать, при этом снижается содержание свободного фенола и формальдегида, т. е. углубляется процесс поликонденсации смолы.

Требования к вязкости клеящих смол зависят от вида производимой продукции. В производстве фанеры и облицовывании шпоном деталей мебельных изделий применяют клеи вязкостью 60…150 с по ВЗ-4. Вязкость клея регулируется для снижения его впитывания в древесину, уменьшения проникновения клея через наружные слои шпона, уменьшения усадки, увеличения эластичности клеевого слоя и снижения внутренних напряжений в отвержденном клеевом слое, вызванных усадкой.

Для увеличения вязкости используют наполнители – инертные (каолин и т. п.) или активные (карбоксиметилцеллюлозу). При использовании в качестве наполнителя карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) вводить ее в клей следует не менее чем за 8 ч до переработки клея. Это необходимо для предотвращения чрезмерного роста вязкости, т. к. КМЦ очень сильно набухает в воде.

Связующие для изготовления древесно-стружечных плит(ДСтП) должны иметь более низкую вязкость. Это требование вызвано необходимостью при осмолении древесной стружки равномерно распределить малое количество связующего на большой пощади поверхности.

При осмолении стружки в высокооборотных смесителях вязкость клея должна быть не более 35 с. При использовании низкооборотных смесителей вязкость связующего не должна превышать 25 с. После изготовления смолы она имеет вязкость 30…90 с. При смешивании смолы с раствором отвердителя ее вязкость снижается.