При контакте двух твердых тел адгезия очень мала вследствие того, что фактическая площадь их контакта из-за неровностей поверхностей очень мала по отношению ко всей площади прилегания. При контакте двух жидких тел или твердого тела и жидкого адгезия на границе раздела фаз при определенных условиях может быть значительной. Такой же результат достигается при контакте твердых тел в пластичном или эластичном состоянии под высоким давлением. Адгезия определяется работой или сопротивлением разрыву при соответствующей деформации. Если соприкасающиеся поверхности одинаковы, однородны, адгезия переходит в когезию, характеризующую прочность этих тел, силу сцепления их молекул, атомов, ионов. Работа, затрачиваемая против сил сцепления, которые действуют между частицами внутри данного тела, называется работой когезии. У твердых веществ силы когезии значительно больше, чем у жидких, а у газообразных веществ их нет. Когезия обусловливается силами Ван-дер-Ваальса, химическими связями, ковалентными, электровалентными, водородными и др. Адгезионные, как и когезионные свойства вещества обусловлены характером межатомных, межмолекулярных связей, величиной и пространственной структурой их частиц. Когезия клеевой прослойки характеризует ее механические свойства - прочность, жесткость и смачиваемость. Под смачиваемостью понимают способность жидкого клея растекаться по поверхности твердого тела в результате действия сил притяжения между частицами жидкого и твердого вещества. При хорошем смачивании растягивающее усилие распространяется равномерно в клеевом шве, при плохом - напряжения концентрируются в отдельных точках, в которых при незначительных внешних силах происходит разрушение клеевого соединения.
Достаточно высокую адгезию проявляют полярные полимеры. Сцепление между полярными молекулами называется ориентационным взаимодействием. Различают еще межмолекулярные силы взаимодействия, которые проявляют молекулы всех веществ - полярных и неполярных. К ним относятся силы Ван-дер-Ваальса и дисперсионные силы.
Силами Ван-дер-Ваальса называют силы взаимного притяжения (или отталкивания) молекул при их очень тесном контакте.
Дисперсионные силы - это силы взаимного притяжения между молекулами и атомами, действующие на больших расстояниях.
Адгезия обусловлена также различными тягами химического взаимодействия такими, как ионная, ковалентная, семиполярная, водородная связи и др.
В настоящее время не существует единой теории адгезии. Это объясняется многообразием и сложностью процессов, лежащих в основе механизма склеивания. Основные из них следующие:
Механическая теория адгезии . По теории адгезии клеящие вещества принято называть адгезивом, а склеиваемые материалы - субстрактом. Механическая теория склеивания объясняет прочность склеивания способностью клеящего вещества проникать в поры склеивомого материала. Прочность склеивания рассматривается как результат действия механического сцепления отвердевшего клея со склеиваемым материалом. Основные выводы теории адгезии (по Мак-Бену) сводятся к следующему:
В пористых телах прочность склеивания зависит исключительно от прочности пленки, от степени пористости склеиваемого материала. Чем больше открытых пор или чем меньше прочность материала, тем прочность склеивания выше.
Прочность склеивания тем больше, чем меньше толщина клеевой прослойки. Для большинства клеев оптимальная толщина клеевой пленки колеблется от 0,05 до 0,25 мм.
Наименьшим склеивающим действием обладают жидкости, наибольшим - аморфные смолообразные продукты.
Механическая теория адгезии объясняет склеивание только пористых материалов, чем ограничивается возможность ее применения.
Специфическая теория адгезии. Согласно этой теории процесс склеивания рассматривается как проявление поверхностной энергии на границе двух фаз. Установлено, что на силы взаимодействия между склеиваемой поверхностью и поверхностью затвердевающего слоя можно искусственно воздействовать различными поверхностно-активными веществами. Таким образом, специфическая теория адгезии объясняет образование прочной связи между адгезивом и субстрактом специфическими межмолекулярными силами - поверхностным натяжением, адсорбцией или химическими связями.
Адсорбционная теория адгезии. Согласно этой теории адгезия рассматривается как поверхностный процесс, в котором образование прочной связи между адгезивом и субстрактом объясняется действием межмолекулярных сил, т.е. сил Ван-дер-Ваальса. Этими силами определяются и поверхностные явления, в частности адсорбция. Адсорбцией называются свойства поверхностей твердых или жидких тел связывать молекулы другого вещества, принадлежащего к газообразной или жидкой фазам, соприкасающегося с этими поверхностями. Процесс адгезии высокополимеров (по этой теории) делится на две стадии: в первой происходит перемещение (миграция) больших молекул из раствора или расплава к поверхности субстракта при помощи микроброуновского движения; во второй стадии, носящей название сорбции, устанавливается адсорбционное равновесие. При определенных расстояниях (меньше 5А) между молекулами адгезива и субстракта начинают действовать межмолекулярные силы - силы Ван-дер-Ваальса, дисперсионные, индукционные, электростатические и др., приводящие к образованию связей между адгезивом и субстрактом.
Диффузионная теория адгезии. Сущность диффузионной теории адгезии высокополимеров сводится к диффузии цепных молекул или их участков из адгезива в субстракт с образованием между ними прочной связи. Прочность адгезива, построенного из цепных молекул, зависит от длины последних.
Особенность диффузионной теории состоит в том, что она базируется на наиболее характерных свойствах высокомолекулярных соединений - цепочном строении, гибкости молекул и их способности совершать микроброуновское движение.
Если в общем случае способность к диффузии проявляют молекулы адгезива, при нанесении адгезива в виде раствора и при условии, что субстракт при этом способен растворяться в растворе адгезива или набухать, может произойти диффузия молекул субстракта и адгезива.
Взаимная диффузия адгезива и субстракта способствует упрочнению связи между двумя полимерами.
Согласно диффузионной теории на адгезию высокополимеров влияют:
Длительность контакта адгезива и субстракта. Адгезия полимерного адгезива к высокомолекулярному субстракту увеличивается со временем, стремясь к определенному пределу.
Температура прогрева. С увеличением прогрева адгезия возрастает, не стремясь к определенному пределу.
Молекулярный вес адгезива. Адгезия полимера тем выше, чем ниже его молекулярный вес. Однако с уменьшением молекулярного веса адгезива будет падать его когезионная прочность.
Полярность полимеров. В случае полярного субстракта с возрастанием полярного адгезива адгезия уменьшается. Это противоречие объясняется тем, что с увеличением полярности адгезива увеличивается жесткость молекул, следовательно, уменьшается способность диффундировать в субстракт.
Диффузионная теория позволяет понять механизм склеивания взаимно растворимых полимеров, но она не объясняет явлений, происходящих при склеивании многих других материалов - металлов, древесины, стекла и т.п.
Электрическая теория адгезии. Эта теория основывается на явлениях контактной электризации, происходящей при соприкосновении двух диэлектриков или металла с диэлектриком.
При соприкосновении двух поверхностей у поверхности контакта образуется двойной слой, при нарушении контакта - обкладки двойного слоя разъединяются, будучи заряженными электричеством противоположного знака. В образовании двойного слоя могут участвовать как заряженные частицы (ионы, электроны), так и дипольные молекулы, т.е. двойной электрический слой возникает при переходе электронов и ионов, составляющих все тела, из одной фазы в другую. Фазы могут быть твердые, жидкие и газообразные. Иными словами, система адгезив - субстракт отождествляется с конденсатором, на обкладках которого возникает двойной электрический слой. Возникновение этого слоя создает между фазами разность потенциалов.
Таким образом, электрическая теория адгезии выдвигает два основных положения:
Адгезия твердых клеевых пленок обусловливается электростатическим притяжением зарядов двойного электрического слоя (микроконденсатора), образованного на поверхности раздела клеевая пленка - субстракт.
Отрыв клеевой пленки от субстракта в области больших скоростей представляет собой процесс разведения обкладок микроконденсатора до наступления газового разряда.
Химическая теория адгезии. Химическая теория адгезии базируется на том, что прочность соединения многих материалов обусловлена образованием химических связей между адгезивом и субстрактом. Адгезионные и когезионные свойства полимерных веществ в значительной мере зависят от их структуры, химического состава, молекулярного веса, а также от ряда других факторов, определяющих условия формирования клеевого соединения. К этим факторам относятся: наличие в полимерах функциональных групп, расположенных определенным образом, молекулярный вес полимера, причем для каждого типа полимера существует свой оптимальный молекулярный вес, при котором сочетаются высокие адгезивные свойства полимера с достаточной когезивной прочностью. Должно также выполняться требование: полярные материалы надо склеивать полярными клеями, а неполярные - неполярными клеями, поэтому выбор клея должен быть сделан в соответствии с природой склеивания материала.
· Электрорелаксационная теория адгезии. Разработана Н.И. Мос-квитиным. Согласно этой теории твердая адгезионная связь между адгезивом и субстрактом должна объясняться с учетом всех разновидностей химических и межмолекулярных связей. Установлено также, что важным фактором, влияющим на адгезию полимеров, является релаксация напряжений, возникающих как при контакте адгезива и субстракта, так и при деформации соединения во время его эксплуатации.
Релаксация напряжения - это убывание напряжения в материале в процессе деформации и после деформации вплоть до перехода материала в равновесное состояние. Релаксационные процессы, протекающие на границе контакта адгезива и субстракта, характеризуются как процессы, которые стремятся привести контактирующие граничащие макромолекулы из возбужденного состояния в равновесное. Ниже приведены параметры, которые легли в основу электрорелаксационной теории склеивания:
Природа сил взаимодействия на границе контакта тел между контактирующими точками - молекулами, атомами, ионами и функциональными группами. Величина этих сил зависит от строения и состава молекул субстракта и адгезива. Здесь могут наблюдаться различные силы, обусловленные ковалентными, электровалентными связями, ориентационными, индукционными, дисперсионными и другими силами.
Количество точек контакта на границе раздела фаз, приходящихся на единицу истинной площади контакта, т.е. количество контактирующих атомов, ионов, функциональных групп или звеньев микромалекул адгезива и субстракта.
Расстояние между контактирующими точками, участниками цепей полимеризации.
В заключение приведем приближенные значения молярных энергий основных видов связей, кДж/моль:
| Межмолекулярная…………………………………. | 13-33 |
| Водородная…………………………………………. | до 50 |
| Химическая………………………………………… | 110-1050 |
Эти данные хорошо иллюстрируют тот факт, что наиболее слабая связь межмолекулярная, а наиболее сильная - химическая.
Подводя итог вышеописанному, укажем, что единой теории, способной объяснить все возможные случаи адгезии, в настоящее время не существует. Это, несомненно, затрудняет определение путей синтеза новых клеящих материалов, разработку оптимальных режимов склеивания, предсказание возможной прочности клеевых соединений и ряда других важных практических задач. Более того, все чаще высказывается мнение, что создание такой теории адгезии вряд ли возможно.
Контрольные вопросы:
1. Виды и характеристика клеев, применяемых в производстве клееных материалов из древесины.
2. Эксплуатационные, технологические и экономические требования к клеям.
3. Составные части клея и их характеристики.
4. Характеристика и области применения фенолоформальдегидных и карбамидоформальдегидных смол и клеев на их основе Характеристика и области применения.
5. Прочие виды клеев.
6. Современные клеи для производства древесностружечных плит.
7. Способы улучшения свойств клеев.
8. Порядок приготовления клеев.
9. Основные положения теории склеивания.
10. Какие теории склеивания наиболее полно отражают процессы, происходящие при склеивании древесины?
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАНЕРЫ
Одна из характерных черт производства фанеры – относительная стабильность технологического процесса. В мировой практике наиболее установившимся можно считать технологический процесс, изображенный на рис. 9.
Рис. 9 Схема технологического процесса производства фанеры
(поставка сырья – в кряжах)
Этот процесс предусматривает снабжение завода сырьем в кряжах. В настоящее время большинство заводов, изготовляющих фанеру, имеют в своем составе цехи древесностружечных плит, которые могут полностью использовать отходы, образующиеся при раскрое кряжей на чураки. Кроме того, при раскрое кряжей неизбежно получаются укороченные чураки, которые можно перерабатывать на высококачественный шпон малых форматов, пригодный для изготовления из него фанеры любых размеров. Наконец, принятой схемой предусмотрена окорка сырья в кряжах, что значительно удобнее по сравнению с окоркой чураков. Следовательно, эта схема наиболее рациональна с точки зрения комплексного использования высококачественного сырья, каким являются фанерные кряжи.
В технологическом процессе изготовления фанеры возможны следующие изменения:
1. Операция гидротермической обработки кряжей может располагаться после операции их окорки. Такая последовательность позволяет несколько сократить время гидротермической обработки, избавиться от загрязнений бассейнов корой, но осложняет сам процесс отделения коры от древесины (особенно березовой) в зимнее время года. Поэтому окорка сырья до его гидротермической обработки может иметь место только на заводах, перерабатывающих хвойное и ольховое сырье.
2. В случае лущения древесины хвойных пород после операции раскроя ленты шпона на листы может быть предусмотрена подсортировка сырого шпона на заболонный и ядровый. Необходимость этого возникает вследствие большой разницы во влажности листов такого шпона и поэтому требуется их сушка при разных режимах для получения одинаковой конечной влажности.
Подсортировка сырого шпона имеет место и при лущении березовой древесины, содержащей ложное ядро.
3. Технологическим процессом сушка шпона может предусматриваться в ленте сразу же после ее получения на лущильном станке, и тогда раскраиваться будет сухой шпон. Это позволит увеличить выход шпона на 2-3% за счет более точного раскроя ленты на листы.
4. При переработке сырья больших диаметров и, особенно, высокого качества, может оказаться экономически более выгодной вырезка участков ленты шпона, содержащих крупные дефекты. В этом случае из технологического процесса выпадает операция починки шпона и вместо нее добавляется операция ребросклеивания полос шпона в форматные листы. Такой технологический процесс характерен, например, для заводов США, Канады и ряда других стран.
5. В случае применения фенольных смол типа С-1, С-35, СБТ и др. в составе технологического процесса появляется дополнительная операция сушки смолы после ее нанесения на шпон.
6. При изготовлении высококачественной (авиационной) фанеры некоторых марок из технологического процесса выпадает операция нанесения клея, так как листы бакелитовой пленки, применяемой взамен жидкого клея, будут укладываться в пакеты во время сборки.
7. При лущении чураков, особенно имеющих большую сбежистость и кривизну, часть шпона получается в виде коротких и длинных кусков. Поскольку периферийная зона сечения чураков содержит наименьшее количество пороков древесины, переработка кусков в форматные листы экономически себя оправдывает. В этом случае к рассмотренному технологическому процессу добавляются следующие операции: а) длинные куски сушат, прирубают по ширине, подбирают по цвету и текстуре, ребросклеивают в форматные листы, которые затем подвергают сортировке; б) короткие куски прирубают по ширине, прирезают по длине, сушат, ребросклеивают в неформатные листы, которые затем заусовывают и склеивают по длине в форматные листы.
8. Если завод изготовляет большеформатную фанеру, то в приведенном ранее технологическом процессе могут быть некоторые изменения. Так, при отсутствии больших лущильных станков, которые позволяли бы изготовлять цельные наружные слои фанеры, последние можно получить из двух соединенных на ус листов шпона. В этом случае в технологический процесс добавляются операции заусовывания торцовых кромок форматных листов шпона и склеивание их в узкоплитном прессе.
Большеформатная фанера может быть получена также соединением двух листов фанеры на мини-шипы или на ус. В первом случае в технологическом процессе должны быть предусмотрены три операции: формирование на торцовых кромках листов фанеры мини-шипов; нанесение клея на их поверхности; выдержка стыкованных листов под давлением.
Подготовка сырья к лущению
Состав технологического процесса подготовки сырья к лущению и последовательность операций зависят от вида сырья, его состояния и применяемого оборудования. Если сырье поставляется в кряжах, то подготовка их к лущению включает гидротермическую обработку, окорку и раскрой на чураки. При поставке сырья в чураках их гидротермически обрабатывают и окоряют.
Окорка сырья
Кору, содержащую вкрапления песка, удаляют для уменьшения затупления лущильного ножа, предохранения зазора между ножом и прижимной линейкой от забивания лубом и частицами древесины, а также для возможности использования шпона-рванины в производстве древесно-стружечных плит. Окорку выполняют на окорочных станках различного типа (ножевых или с тупыми короснимателями, гидравлических, пневматических) или на лущильных станках упрощенной конструкции. Принцип работы некоторых из указанных станков показан на рис.10.
Рис. 10. Принципиальные схемы работы окорочных станков:
а – удаление коры вращающимися резцами; б – то же, с помощью воды, подаваемой под большим давлением; 1 – окоряемый чурак; 2 – вращающиеся резцы; 3 – винтовой валик для продольного перемещения чурака; 4 – сопла; 5 – рифленый валик, вращающий чурак
На рис. 10, а изображена схема работы роторного окорочного станка. Его режущая головка, представляющая собой кольцо, внутри которого находятся четыре-восемь самоцентрирующихся затупленных короснимателей (r > 0,5 мм), совершающих вращательное движение (n = 200– 500 об/мин). Скорость прохода древесины через ротор и=6–60 м/мин. Станки такого типа могут окаривать кряжи диаметром до 660 мм. Они интересны тем, что отделяют кору от древесины по камбиальному слою, сохраняя нетронутой более ценную для производства фанеры заболонную древесину.
Качество окорки зависит от силы сцепления коры с древесиной: чем выше влажность древесины (W> 50%), температура коры, тем меньше сила сцепления и, следовательно, выше качество окорки.
На рис. 10, б изображена принципиальная схема гидравлического окорочного станка с неподвижными соплами. Вода, отделяющая кору от древесины, подается под давлением 4-8,5 МН/м2. Скорость подачи зависит от диаметра окоряемого сортимента и равна 11-16 м/мин. Диаметр окоряемого чурака может быть 1000 мм и более. Качество окорки гидравлическими окорочными станками очень хорошее, причем исключается возможность повреждения поверхности древесины, правда, расход энергии значительный. Производительность станка 30-90 м3/ч. Для окорки твердых пород древесины, в том числе произрастающих в тропиках, наиболее пригодны роторные и фрезерные окорочные станки.
Часовая производительность роторных окорочных станков определяется по формуле:
, (2) 
где V – объем кряжа (чурака) среднего диаметра, м3;
и – скорость подачи, м/мин;
l – длина кряжа (чурака), м;
Кв – коэффициент использования рабочего времени (0,8-0,85);
К3 – коэффициент загрузки станка, учитывающий межторцовые
разрывы (0,7-0,85).
Обслуживает окорочный станок один рабочий.
Производительность окорочных станков при работе на сырье среднего размера 20-40 м3/ч.
Применение окорки сырья повышает производительность лущильных станков на 4-5%, уменьшает износ лущильных ножей на 15-20%, улучшает качество поверхности шпона.
Разделка сырья на чураки
Фанерное сырье поступает на завод в чураках, кряжах кратной длины и в долготье. Все сырье сортируют по длинам и разделывают на чураки.
Раскрой кряжей может быть групповым и индивидуальным. При групповом раскрое все кряжи независимо от качества раскраивают по длине на многопильных станках по заранее установленной схеме. Данный способ позволяет применить высшую степень автоматизации всего процесса, однако качество вырабатываемых чураков может снижаться.
В производстве фанеры наиболее приемлем индивидуальный раскрой, при котором каждый кряж раскраивают в зависимости от качества древесины и расположения пороков по наиболее выгодной схеме, обеспечивающей максимальный выход чураков при минимальном отпаде древесины и максимальном качественном выходе. Такой раскрой наиболее распространен на действующих предприятиях. Схема индивидуального раскроя: торцевание (по мере необходимости), поперечный раскрой кряжа на заготовки с выпиливанием некондиционной части.
При раскрое чураков в ряде случаев возникают различные дефекты обработки торца (табл.6).
Кряжи распиливают на чураки в зависимости от определенного размера шпона и применяемого оборудования. Качество, размеры и допуски на длину чурака регламентируются ГОСТ 9462-71 «Лесоматериалы круглые лиственных пород. Размеры и технические требования» и ГОСТ 9463-72 «Лесоматериалы круглые хвойных пород».
Общие потери древесины при разделке кряжей на чураки составляют 1 – 3% в зависимости от породы древесины.
Таблица 6
Дата: 2019-02-02, просмотров: 375.
