Перенос вещества при склеивании древесины

В процессе склеивания имеют место два массообменных процесса: адсорбция и сушка. Известно, что адсорбция твердым телом жидкости сопровождается взаимодействием контактирующих веществ, приводящим к их сцеплению (соединению). Смачивание поверхности субстрата жидким связующим, как одна из характеристик адсорбции, – важное условие формирования качественного клеевого соединения, так как характеризует возможность поглощения древесиной раствора клея, взаимодействие между микрочастицами контактирующих веществ в результате адсорбции, а также способность адгезива распределяться по подложке. Удовлетворительное протекание адсорбционных явлений способствует сближению молекул связующего и древесины, что, в свою очередь, при достижении определенных расстояний (0,5 нм) между микрочастицами вызывает действие сил Ван-дер-Ваальса, а также способствует образованию химических связей.

Количественная оценка энергии взаимодействия древесины и жидкости может быть дана на основании равенства Юнга:

g₁₃ = g₁₂ + g₂₃ × cosa,                                  (1.1)              

 или, что то же самое:

                                       s₁₃ = s₁₂ + s₂₃ × cosa,                                (1.2)

где g₁₃, g₁₂, g₂₃ –– свободная поверхностная энергия твердого тела на границе с воздухом, на границе раздела твердой и жидкой фаз, жидкости на границе с воздухом, соответственно; s₁₃, s₁₂, s₂₃ – поверхностное натяжение в тех же состояниях; α – угол смачивания (краевой угол). Подставив в известное уравнение Дюпре:  

                     W _a = g₁₃+ g₂₃ - g_12,                        (1.3)

значение g₁₃ , получим уравнение Юнга для определения работы адгезии:

  W _a = g₂₃ (1+ cosa),                     (1.4)

С точки зрения термодинамики, работа адгезии W _а в равновесном состоянии равна работе изотермического образования поверхностей жидкости и твердого тела на границе с воздухом, исключая работу на их разъединение.

Самопроизвольное полное смачивание имеет место, когда угол равен 0, а cos α = 1, тогда:

                                                W _a = 2 g₂₃.                                        (1.5)

Это значит, что работа адгезии равна удвоенному значению поверхностного натяжения жидкости, которая способна распределяться (растекаться) по поверхности твердого тела.

Анализ условий распределения органических жидкостей на поверхности аналогичных тел, к которым относятся древесина и клеи, широко используемые в деревообработке, позволил Зисману установить, что растекание и смачивание в нормальных условиях без активации (механической, тепловой, химической) возможны при условии:

                                                 g₁₃ > g₂₃.                                           (1.6)

Это значит, что поверхность древесины хорошо смачивается теми жидкостями, у которых поверхностное натяжение меньше, чем у нее.

Известно, что поверхностная энергия древесины несколько ниже, чем у карбамидо- и фенолоформальдегидных смол. Угол смачивания у этих связующих в нормальных условиях может достигать 90°, что отрицательно влияет на смачиваемость древесины клеем. Исследование связи между поверхностным натяжением фенолоформальдегидных смол и прочностью фанеры показало, что с увеличением свободной поверхностной энергии качество склеивания падает в результате ухудшения смачиваемости древесины связующим (рис. 1.6).

Улучшение условий смачивания достигается путем активации системы нагревом при горячем склеивании (это одна из причин бóльшей прочности фанеры, склеенной горячим способом по сравнению с холодным). Можно также предположить, что высокое качество склеивания при нагреве клеевого соединения достигается благодаря устранению адсорбированного слоя влаги между древесиной и клеем.

Отрицательное влияние на способность клея смачивать древесину могут оказывать модификаторы и наполнители клеев  (рис. 1.7).

Результаты выполненных в СпбЛТА  исследований показали (табл. 1.1), что поверхностное натяжение, σ_кр, у древесины березы, осины, сосны составляет в среднем от 40 до 50 мН/м.  

Таблица 1.1