Волынский ТКМиП

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

2

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

ã В.Н.Волынский, 2003

3

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.

4

-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).

Рис.1.1. Образцы клееной массивной древеси- ны: а- погонажные изделия, б- реечные щиты, в- детали клееных деревянных конструкций

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.

5

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.

6

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,

ввиде 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-

7

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.

8

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,

9

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