Факторы, влияющие на качество склеивания

Состояние склеиваемой поверхности

 

При нанесении жидкого клея на древесину обязательным условием склеивания является смачивание поверхности. Для улучшения смачивания следует снижать вязкость клея, повышать его температуру и тщательно очищать поверхность от пыли и других загрязнений. Время от подготовки поверхности к склеиванию не должно превышать 4–8 часов, так как под действием различных факторов окружающей среды происходит старение поверхности древесины, и способность к смачиванию ухудшается. Смачивание является первым и необходимым условием склеивания, так как обеспечивает формирование межмолекулярного контакта жидкого клея и древесины.  

При нанесении клея на древесину происходит ее увлажнение. Влага из клея проникает в древесину, из-за чего происходит разбухание подложки. Увлажнение древесины может быть значительным. Например, при толщине шпона 1,5 мм на 1 м² наносится примерно 120 г клея на каждую сторону листа. Если считать, что половина всей влаги впитывается в древесину, то при концентрации клея 50 % (что типично для фенолоформальдегидных клеев) влажность шпона увеличится на 15 %. 

Состояние склеиваемых поверхностей характеризуется величиной микро- и макронеровностей, имеющихся на поверхности древесины, чистотой этих поверхностей, влажностью и температурой древесины. Высота микронеровностей зависит от способа обработки поверхностей, режима резания, состояния оборудования и режущего инструмента, анатомического строения древесины и т. д. При этом прочность клеевых соединений снижается с ростом микронеровностей, что связано с ухудшением заполнения впадин неровностей клеем (нарушением непрерывности клеевого слоя) и ростом усадочных напряжений, вызываемых неоднородностью толщины клеевого слоя. Техническими условиями оговаривается допустимая шероховатость поверхностей, подлежащих склеиванию.  Не меньшее влияние на качество клеевого соединения оказывают также макронеровности.

 На прочность склеивания влияет и чистота поверхностей. Поскольку в воздухе производственных помещений практически всегда находятся влага, двуокись углерода, сероводород, микроорганизмы и пыль, а из древесины при ее сушке выделяются экстрактивные вещества и возможно попадание масла от станков, на древесине образуется инактивированный слой, ухудшающий адгезию клея к древесине. Попадание пыли нежелательно и потому, что она закрывает вскрытые сосуды и микротрещины и тем самым уменьшает полезную площадь контакта клея с древесиной [13,14]. 

Большое влияние на прочность склеивания древесины оказывает ее начальная влажность. При излишне низкой начальной влажности происходит следующее: 

– увеличивается поглощение древесиной растворителя, что повышает вязкость клея и снижает его смачивающую способность, затрудняя перенос клея на смежную поверхность; 

– уменьшается деформативность древесины и ухудшается контактирование ее с клеем;

– увеличивается влажность поверхностных слоев древесины за счет интенсивного поглощения влаги из клея, вследствие чего возрастают внутренние напряжения в клеевом слое;

При излишне высокой начальной влажности происходит следующее:

 - снижается вязкость нанесенного слоя, создается опасность образования прерывистого клеевого слоя и замедляется процесс отверждения клея;

– влажность готовой фанеры выше допустимой нормы, а последующая сушка приводит к образованию в фанере внутренних напряжений;

– избыточная влага может быть причиной тепловой деструкции клея при горячем склеивании древесины. При назначении начальной влажности древесины следует учитывать также возможные условия эксплуатации клеевых соединений. 

Начальная температура древесины оказывает влияние на вязкость клея, наносимого на ее поверхность, а также на степень его поглощения древесиной. Если древесина имеет повышенную температуру, вязкость клея вследствие усиления теплового движения молекул несколько снижается. Это способствует установлению лучшего контакта между клеем и древесиной, а также улучшает перенос клея с одной поверхности на другую при сжатии пакета. Если температура клея меньше температуры древесины, усиливается диффузия клея в древесину, что происходит вследствие охлаждения воздуха, находящегося во вскрытых сосудах и микротрещинах древесины, и образования в них вакуума. До определённого предела это может быть полезным с точки зрения увеличения фактической площади контакта между клеем и древесиной. Но есть опасность, что при очень малом расходе клея слой будет прерывистым, вследствие чего прочность клеевого соединения снизится.

Температура древесины должна быть равна температуре помещения, при этом минимальной рабочей температурой в цехах клеёной продукции нужно считать 15 ^оС. Неравенство температур древесины и воздуха порождает процесс высушивания или увлажнения поверхности древесины, что приведёт к появлению внутренних напряжений и покоробленности заготовок. 

Поэтому всегда желательным является выдерживание склеиваемого материала в цехе в течение времени, достаточного для выравнивания температуры.

 

Состояние клея

 

Состояние клея определяется его концентрацией, вязкостью, температурой. Для получения сплошного (непористого) клеевого слоя, имеющего высокую когезионную прочность, из него предварительно должен быть удален растворитель. При склеивании древесины, являющейся капиллярно - пористым материалом, часть содержащегося в клее растворителя поглощается древесиной, а некоторая часть испаряется в атмосферу во время открытой выдержки. Количество поглощаемого древесиной растворителя зависит от начальной концентрации клея, оказывая заметное влияние на качество продукции. Так, при низкой начальной концентрации клея количество поглощаемого древесиной растворителя увеличивается, что приводит к повышению влажности готового продукта. Если при дальнейшей эксплуатации его влажность понизится, это повлечет за собой снижение прочности клеевых соединений по причине возникновения в нем значительных внутренних напряжений. 

Следует помнить влияние концентрации на вязкость клея: при прочих равных условиях клей более низкой концентрации имеет и более низкую вязкость. Поэтому необходимо обязательно учитывать начальную концентрацию клея. 

Одна из характеристик клея – его вязкость, оказывающая существенное влияние на качество клеевого соединения. От начального значения вязкости клея зависят: способность клея смачивать склеиваемые поверхности и растекаться по ним; степень поглощения древесиной растворителя; скорость отверждения клея. Если смачивание недостаточно хорошее, между клеем и древесиной могут остаться пустоты, микрополости, уменьшающие площадь контакта, вследствие чего не образуется сплошного клеевого слоя и понижается прочность клеевого соединения. Эти места служат также очагами концентрации напряжений, ослабляющих прочность клеевого соединения. С этой точки зрения, целесообразно применение клея пониженной вязкости. Однако при необходимости уменьшения поглощения древесиной растворителя из клея надо применять более вязкие клеи. Кроме того, поскольку вязкость клея есть функция глубины его поликонденсации, т. е. молекулярной массы, продолжительность отверждения клея тем меньше, чем выше его вязкость.

 Следовательно, применение клея повышенной вязкости создает возможность некоторого ускорения процесса склеивания или, например, снижения температуры по толщине и тем самым повышает качество их склеивания. Все указанные обстоятельства требуют выбора такого клея, который имеет оптимальную вязкость. Изменение начальной вязкости имеющегося клея в ту или иную сторону при необходимости может быть достигнуто введением в клей наполнителя, вспениванием клея, изменением температуры клея, разведением смолы повышенной вязкости свежеприготовленной низковязкой смолой. Если два первых пункта используют для повышения вязкости клея, то два последних – для ее снижения.

 Вязкость некоторых клеев может быть уменьшена введением в них дополнительного количества растворителя, но это не всегда желательно вследствие снижения при этом концентрации клея. Вязкость клея, нанесенного на поверхность древесины, при необходимости может быть повышена выдержкой покрытых клеем поверхностей. В первый период открытой выдержки растворитель довольно быстро испаряется из поверхностных слоев клея, и начинается диффузия его из внутренних слоев к поверхности. При этом не следует стремиться к быстрому удалению растворителя, так как на поверхности может образоваться твердая пленка, что тормозит процесс дальнейшего удаления растворителя в атмосферу. Оставление растворителя в клее нежелательно по причине образования пористого клеевого слоя и снижения в конечном итоге когезионной его прочности.

Излишне длительная открытая выдержка может привести к недопустимому повышению вязкости клея вследствие уменьшения гибкости цепей молекул (структурирования под действием отвердителя) и снижения смачивающей способности клея. После соединения склеиваемых поверхностей процесс нарастания вязкости клея продолжается, но протекает он со значительно меньшей интенсивностью, только за счет поглощения растворителя древесиной. Длительность выдержки существенно влияет на качество склеивания. Так, при одностороннем нанесении клея излишняя выдержка может ухудшить перенос клея на вторую поверхность. При недостаточной выдержке в клее может остаться избыток влаги. Выдержка намазанных клеем листов шпона перед запрессовкой широко применяется в практике изготовления фанеры. По мере удаления растворителя из клея процесс ориентации молекул их активными точками к склеиваемой поверхности замедляется, отрицательно сказываясь на адгезионной прочности. Введение в технологический процесс операции подпрессовывания собранных пакетов при производстве фанеры позволяет отказаться от открытой выдержки намазанных клеем листов шпона. 

 С увеличением температуры клея, наносимого на древесину, улучшается смачивание последней. Однако ввиду небольшой толщины наносимого слоя этот эффект проявляется слабо. Кроме того, предварительный подогрев, например, термореактивного клея опасен из-за возможного сокращения его жизнеспособности. Повышение температуры термопластичного клея снижает его вязкость, позволяя удлинить возможное время сборки пакетов. 

Расход клея оказывает влияние на качество клеевого соединения. При очень малом расходе клеевой слой может быть прерывистым и перенос клея на вторую поверхность неполным, что неизбежно снизит прочность клеевого соединения (непроклей). При явно увеличенном расходе клея образуется утолщенный клеевой слой, в котором могут возникать значительные внутренние напряжения, являющиеся причиной образования в нем микротрещин. Также слишком большой расход клея вызывает появление пузырей (при склеивании шпона). 

 Прочность клеевого соединения значительно увеличивается с уменьшением толщины слоя. Теоретически считается достаточной толщина клеевого слоя в одну молекулу. 

Оптимальный расход клея определяется анатомическим строением древесины, состоянием склеиваемых поверхностей, вязкостью клея, температурой, при которой ведется склеивание. При нанесении клея на поверхности, имеющие большие микронеровности, также требуется увеличивать его расход. С повышением температуры, при которой производится склеивание, расход клея может быть меньшим, так как снижается вязкость клея и улучшается смачивание им древесины. 

 

Отверждение клея

 

После создания необходимого контакта между древесиной и клеем последний должен быть переведен из жидкой фазы в твердую. В новом состоянии он должен обладать необходимыми прочностными свойствами (когезионной прочностью) и не изменять их под действием растворителей. Выполнение последнего условия создает возможность получения водостойких клеевых соединений. Синтетические клеи, применяемые для склеивания древесины, получают на основе реакции поликонденсации. При взаимодействии фенола с формальдегидом образуются низкомолекулярные продукты – резолы. В стадии А их структура линейная или разветвленная. 

Затем эти продукты переходят в стадию В и называются резитолами, имеющими редкую пространственную сетку. Конечная стадия процесса – стадия С – образование резитов, т. е. полимеров, имеющих частую пространственную сетку. Образование у полимеров поперечных химических связей (пространственных структур) может происходить под действием тепла или введения в них отвердителей. Фенольная смола в стадии А может быть как в жидком, так и в твердом виде, но она обладает свойством плавкости и растворимости. Свойства смолы в этой стадии нестабильны. В стадии В смола представляет собой продукт частичного превращения. И хотя она имеет пространственную структуру, число поперечных связей у нее невелико. Поэтому она не растворяется в обычных растворителях, а в ацетоне способна несколько набухать. При нагревании она размягчается. В стадии С смола представляет собой продукт полного превращения. Отверждение смолы делает ее неплавкой, нерастворимой и химически инертной. Молекулярная масса смолы большая. Следует отметить отсутствие четких границ между указанными стадиями. Так, в первой фазе образуется смесь преимущественно резола с резитолом, во второй – резола, резитола и резита и в третьей – резитола и резита. Аналогичная картина имеет место при отверждении карбамидоформальдегидных и карбамидомеламиноформальдегидных клеев. Как и фенолформальдегидные, эти клеи могут находиться в стадиях А, В и С. Переход из одной стадии в другую сопровождается изменением всех физико-химических свойств клея. В стадии А клей растворим в воде с образованием вязких или пастообразных продуктов. При переходе в стадию В происходит частичное отщепление воды с образованием продуктов желатино- или пастообразного вида, не растворимых в воде и спирте, но содержащих еще значительное количество воды. Состояние клея в этой стадии называют резиноподобным. В стадии С карбамидоформальдегидные клеи становятся твердыми, не растворимыми в воде, но нестойкими к действию как холодной, так и горячей воды. Следовательно, клеевое соединение на фенолформальдегидных или меламиноформальдегидных клеях будет иметь повышенную водостойкость, на основе карбамидоформальдегидных клеев – среднюю. Если склеиваемый материал, например пакет шпона, зажатый между двумя плитами, подвергается нагреву, этот процесс сопровождается движением в нем влаги и некоторым его уплотнением. За счет абсорбирования из клея некоторого количества влаги влажность склеиваемого пакета больше начальной. В зависимости от породы древесины, вида клея и его концентрации, расхода клея, начальной влажности шпона и других факторов она может быть равна 7–16 %. При дальнейшем нагреве температура различных точек поперечного сечения пакета изменяется во времени. 

В серединной зоне пакета, из которого влага практически не может свободно испаряться и, при определенных условиях, находится там в виде перегретой пароводяной смеси, температура повышается, приближаясь к температуре плит пресса. Но при этом скорость нагрева в наружных и внутренних слоях серединной зоны пакета различна. За счёт градиента температуры между этими слоями нагретая влага движется в сторону внутренних слоёв, что в какой - то мере ускоряет их нагрев. В краевой зоне пакета, из которой влага испаряется практически свободно, то температура в ней несколько ниже, чем в серединной зоне. При этом, чем меньше внешнее давление на склеиваемый пакет, больше паропроницаемость древесины и выше температура плит пресса, тем больше ширина этой зоны. Так протекает нагрев склеиваемого пакета, зажатого между плитами пресса. Если снять внешнее давление на пакет и тем самым прекратить подвод тепла к нему, положение резко меняется. Перегретая пароводяная смесь, находящаяся внутри серединной зоны пакета, за счет градиента влажности и температуры по его толщине переходит в парообразное состояние и двигается к наружным поверхностям пакета. Конечная влажность наружных слоев пакета будет ниже влажности внутренних его слоев. 

Таким образом, можно отметить два важных момента:

– понижение температуры краевой зоны пакета, из которого влага имеет возможность испаряться;

– возможность снижения влажности склеиваемого пакета при снятии внешнего давления. Первое необходимо учитывать при построении режимов склеивания, второе – при выборе схемы продолжительности снижения внешнего усилия на склеиваемый пакет. Поскольку деформативность древесины, содержащей определенное количество влаги, усиливается под воздействием подводимого к ней тепла, при склеивании пакетов под давлением в начальный период будет иметь место интенсивное ее уплотнение, а затем – стабилизация приданной ей деформации. Увеличение при этом фактической площади контакта между клеем и древесиной будет положительно сказываться на адгезионной прочности клеевых соединений. 

Уплотнение древесины в процессе ее склеивания, благотворно влияя на физико - механические свойства, приводит одновременно к уменьшению полезного объема изготовляемого продукта, не всегда желательному (как, например, при изготовлении фанеры). 

 При склеивании древесины в клеевом соединении образуются внутренние напряжения. Причины их весьма разнообразны. Внутренние напряжения могут быть вызваны усадкой клея, изменением линейных размеров древесины. 

Поскольку усадка клея начинается с момента перехода его в отвержденное состояние, когда между ним и древесиной устанавливается адгезионная связь, препятствующая свободному изменению его объема, в клее неизбежно возникают внутренние нормальные и касательные напряжения. Величина последних в значительной мере определяется состоянием склеиваемых поверхностей и толщиной клеевого слоя. Наличие на склеиваемых поверхностях макро- и микронеровностей является причиной неравномерной толщины образуемых между ними клеевых слоев, вследствие чего и усадка клея в различных их точках будет разной. При невозможности свободного сближения склеиваемых поверхностей это неизбежно вызывает появление внутренних напряжений. Величина их будет тем больше, чем толще клеевые слои и больше неравномерность их толщины. Что касается имеющихся на склеиваемых поверхностях шпона микронеровностей, то древесина будучи капиллярно пористым материалом, легко пропитывается клеем, выполняя роль своеобразного наполнителя, который снижает образующиеся напряжения и способствует более равномерному их распределению в клеевом слое.

Начальная влажность древесины, с учетом того, что для ее склеивания используют клеи, содержащие значительное количество воды, может заметно отличаться от влажности готового продукта. Поскольку горячее склеивание сопровождается испарением определенного количества влаги, неизбежны и изменения линейных размеров древесины, как в процессе, так и после образования адгезионной связи. Поэтому, как и при усадке клея, изменение влажности древесины приводит к образованию внутренних напряжений. Коэффициенты линейного расширения древесины и клея служат причиной образования на границе их раздела касательных внутренних напряжений при горячем склеивании. Но эти напряжения становятся заметными по величине главным образом в период охлаждения сформированного клеевого соединения. Особенно они опасны при склеивании разнородных по своим свойствам материалов. Усадка клеевого слоя способствует появлению внутренних напряжений.

Усадка тесно связана с концентрацией клеев, так как содержание сухого остатка фактически показывает долю клеевого слоя в общем объеме жидкого клея. В большей мере усадке подвержены феноло - и карбамидоформальдегидные клеи. Поскольку усадка происходит в стеснённых условиях, то она неизбежно вызывает внутренние напряжения в клеевом соединении (внутренними называют напряжения, не вызванные внешними силами). Усадка порождает касательные напряжения в клеевом соединении, величина которых зависит не только от её величины, но и в значительной мере от упругих характеристик клеевого слоя.