автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Формирование клееных деревянных брусьев с использованием модифицированных связующих

На правах рукописи

ЧАУЗОВ КИРИЛЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БРУСЬЕВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ СВЯЗУЮЩИХ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

11 НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2015

005564900

005564900

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

имени С. М. Кирова»

Научный руководитель: Варанкина Галина Степановна

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Гороховский Александр Григорьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

Каратаев Сергей Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, главный специалист по технологии деревообработки и деревянному домостроению

ООО «Фаэтон»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет»

Защита диссертации состоится « 3 » декабря 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.03 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова» (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЛТУ и на сайте http://spbftu.ru/science/sovet/D21222003/dis03/.

Автореферат разослан «?§» 2015 г.

Ученый секретарь /^Ж)

диссертационного Совета Алексей Романович Бирман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений повышения эффективности деревообрабатывающей промышленности является рациональное использование древесного сырья с целью получения продукции высокого качества. Максимальные объемы переработки древесины характерны для деревянного домостроения и производства мебели.

Многие операции выполняют путем холодного склеивания. В деревянном домостроении это изготовление клееного бруса, большепролетных балок, арок и ферм, столярных изделий.

Для получения прочной, водо- и биостойкой продукции следует уделять повышенное внимание применяемому древесному сырью и связующим.

В настоящее время широкое распространение получают карбамидомелами-ноформальдегидные клеи. Применяемые карбамидомеламиноформальдегидные клеи характеризуются повышенной прочностью и водостойкостью клеевых соединений. Однако есть и недостатки: высокая стоимость, отсутствие отечественного производства, токсичность.

В настоящее время, в связи со сложившейся сложной геополитической обстановкой, санкционной политикой некоторых государств, действующего эмбарго на поставку ряда импортных товаров и услуг, импортозамещение и снижение стоимости клеящих компонентов, создание на их основе низкотоксичной конкурентоспособной клееной продукции, безусловно, актуально.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями процессов склеивания древесины занимались многие известные российские ученые: Азаров В.И., Бирюков В.Г., Варанкина Г.С., Ковальчук JI.M., Кондратьев В.П., Куликов В.А., Лабудин Б.В., Рощина С.И., Серов E.H., Титунин A.A., Угрюмов С.А., Фрейднн A.C., Хрулев В.М., Чубинский А.Н. и другие. Анализ научно-технической литературы показал, что перспективным методом улучшения качества склеивания является модификация существующих клеёв.

Модификация клеёв путем добавления в их состав модификаторов и реак-ционноспособных наполнителей является эффективным способом регулирования их свойств. Применение модификаторов природного происхождения может существенно снизить содержание свободного формальдегида, ускорить процесс склеивания древесины, а так же повысить прочность и водостойкость клеевых соединений.

Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение эффективности процесса склеивания клееных древесных брусьев и брусков путем модификации связующего.

Для реализации поставленной цели следует решить следующие задачи:

1. Обосновать модификатор для лсарба>)1щомеламиноформальдегидной

смолы.

2. Исследовать влияние модификатора на свойства карбамидомеламнно-формальдегидной смолы.

3. Оптимизировать рецептуру модифицированного связующего.

4. Исследовать структуру клеевых соединений.

5. Исследовать физико-механические свойства клееной продукции.

6. Рассчитать экономическую эффективность от внедрения клеевой

композиции.

Научная новизна.

1. Обоснование возможности и целесообразности модификации карбамидо-меламиноформальдегидных клеев карбамидоформальдегидной смолой, содержащей шунгитовые сорбенты.

2. Методика и результаты исследований клеевого соединения на основе нано и микро томографии, позволяющих оценить его структуру и сплошность, толщину и степень проникновения связующего в древесину.

3. Математико-статистические модели, описывающие свойства клеевых композиций и их влияние на прочностные характеристики соединений.

Теоретическая и практическая значимость работы. Научно обоснована и экспериментально подтверждена работоспособность разработанной клеевой композиции. Введение в состав карбамидомеламиноформальдегидной смолы модификатора на основе карбамидоформальдегидной смолы, содержащей шунгитовые сорбенты, позволяет сократить время желатинизации, повысить водостойкость и прочность клеевых соединений, благодаря высокой степени активности шунгита в окислительно-восстановительных процессах.

Исследована структура клеевого соединения и глубина проникновения связующего в древесину, ограниченная для большинства клеев размерами полостей перерезанных трахеид.

Разработаны три рецепта клеевой композиции, определено их влияние на прочность и водостойкость клеевых соединений.

Применение в промышленном производстве полученных результатов позволит: повысить производительность прессового оборудования; частично заместить дорогостоящую импортную карбамидомеламиноформальдегидную смолу; склеивать древесину высокой прочности с большим содержанием натуральных смол (лиственницу), создавая клеевые соединения равной с древесиной прочностью; производить клееную продукцию с длительным сроком эксплуатации, в условиях повышенной влажности окружающей среды.

Методология и методы исследования. Исследования основывались на использовании обоснованных методов и методик научного поиска, современных средств научного проникновения, таких как оптическая микроскопия, компьютерные нано и микро томография, дифференциальный термический анализ. Исследования проводились в лабораториях: «СПбГЛТУ имени С.М. Кирова», «СПбГУ», Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Положения, выносимые на защиту.

1. Способность карбамидоформальдегидных смол, содержащих шунгитовые сорбенты, снижать концентрацию свободных ионов водорода, модифицировать карбамидомеламиноформальдегидные клеи и получать клеевые композиции, обладающие повышенной прочностью.

2. Модификация клеев позволяет получать равнопрочные с древесиной клеевые соединения, в том числе с лиственницей, обладающей высокой прочностью и биостойкостью.

3. Методика иаио и микро томографии для распознавания структуры клеевого соединения, позволяющая определить глубину проникновения клея в древесину и сплошность клеевого слоя.

Степень достоверности. Получение экспериментальных результатов основано на использовании приборов, прошедших метрологическую поверку, применении различных методов тестирования и контроля измерительной системы экспериментальных установок. Воспроизводимость и повторяемость экспериментов оценена путем статистической обработки. Достоверность теоретических решений проверена сравнением (^экспериментальными результатами.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на научно-технических конференциях «Современные проблемы переработки древесины» в 2011-2015 гг. в г. Санкт-Петербург; «Современные материалы и технологии их создания» в 2014 г. в г. Воронеж; «Актуальны проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» в 2015 г. в г. Кострома; на «Петербургском международном лесопромышленном форуме» в 2015 г.; на международных научно-практических конференциях «Sprungbrett» в 2013 г. проходивших в Черногории и Швейцарии.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 1 монография, 10 статей, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях ВАК, получен патент на полезную модель.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыта научная новизна работы, ее значение для науки и практики. Содержатся сведения о структуре и объеме диссертации.

Первый раздел, «Анализ состояние вопроса формирования клееного бруса. Цель и задачи исследования» посвящен сравнительному анализу клеящих смол, предназначенных для склеивания массивной древесины.

Анализ современных синтетических смол показывает, что меламинофор-мальдегидные смолы удовлетворяют требованиям к изготовлению клееных деревянных конструкций. Однако их применение ограничивается высокой стоимостью, дороговизной доставки из дальнего зарубежья.

Одним из направлений улучшения технологических и эксплуатационных свойств традиционных клеев для древесины является их модификация.

На основе анализа состояния вопроса была разработана классификация наполнителей и модификаторов. Использование некоторых из них затруднено вследствие их дефицитности, высокой стоимости и вредного воздействия на человека. Выбор модификатора пал на шунгитовые сорбенты. Их применение обусловлено весомыми положительными аспектами, такими как доступность и низкая стоимость. Доказано, что применение шунгита позволяет повысить прочность и водостойкость клеевых соединений при горячем склеивании фанеры, ускорить процесс склеивания, снизить эмиссию формальдегида, как в связующем, так и в готовой продукции.

Поскольку прочность клеевых соединений на импортном карбамидомелами-ноформальдегидном клее значительно выше прочности древесины сосны и лиственницы, то появляется возможность совместить его с более дешевой отечественной карбамидоформальдегидной смолой, а за счет модификации последней шун-гитами можно снизить негативные эффекты, связанные с возможным снижением водостойкости и повышением токсичности.

В работе предполагается разработать дешевый и эффективный аналог импортной карбамидомеламиноформальдегидной смолы и технологию его применения для создания высокопрочных, водо- и биостойких клееных брусьев с использованием древесины лиственницы.

Во втором разделе. «Методика проведения исследования», приводятся характеристики используемых материалов, методов и средств измерения, применяемого оборудования и приборов, методик проведения экспериментов и обработки их результатов.

Исследования выполнены в лабораторных условиях и прошли производственные испытания. Для определения технологических свойств применяемых связующих (карбамидоформальдегидной (КФ), карбамидомеламиноформальде-гидной (КМФ) смолы, клеевой композиции, содержащей КФ-БЖ с шунгитами и КМФ), способности древесины смачиваться, прочности и водостойкости клеевых соединений использовались стандартные методики. Дифференциально-термический анализ связующих осуществлялся на установке «Термоскан-2».

Для исследования структуры, сплошности и толщины клеевого соединения применялись методы оптической микроскопии с последующей обработкой полученных снимков в программном комплексе «AutoCAD». Для детальной и достоверной оценки применялись методы компьютерной микро- и нанотомографии, с возможностью реконструкции и создания объемной модели исследуемого объекта. Экспериментальные исследования проводили на нанотомографе Bruker Sky Scan 2011 и микро томографе Bruker Sky Scan 1172 в лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета.

Полученные экспериментальные данные одно- и многофакторных экспериментов обработаны методами математической статистики, с использованием программы «MS Excel 2010» с пакетом анализа данных.

В третьем разделе, «Исследования свойств модифицированного клея и обоснование его рецептуры » проведены исследования, направленные на:

- изучение физико-химических и технологических свойств модифицированной шунгитовыми сорбентами карбамидоформальдегидной смолы КФ-БЖ;

- изучение технологических свойств клеевой композиции, полученной при совмещении карбамидомеламиноформальдегидной смолы с модифицированной смолой КФ-БЖ;

- изучение реакционной способности модифицированной шунгитами КФ-БЖ смолы, методом дифференциального термического анализа;

- обоснование оптимальной рецептуры клеевой композиции и технологии склеивания пиломатериалов и клееных брусьев;

- определение эмиссии свободного формальдегида из клееных брусьев, склеенных разработанной клеевой композицией.

При модификации смол и клеев, изменяются их физико-химические и технологические свойства. В этой связи исследованию подлежали вязкость (рис. 1), угол смачивания (рис. 2) и поверхностное натяжение (рис. 3), наполненной шун-гитовыми сорбентами смолы марки КФ-БЖ.

■ 60-70 ■ 70-80 «80-90 иЗД-ЮО ■ 100-110 а 110-120 120-130 130-140 140-150

Рис.1. Зависимость вязкости смолы КФ-БЖ, модифицированной шунгитами, от содержания шунгитов и времени выдержки клея после введения

модификатора.

Результаты исследований описываются уравнениями 1-4.

у = 46,266 + 1,925*! + 5,339*2 , П)

где: у - условная вязкость, с;

X/- содержание шунгитовых сорбентов, 5 < хг < 15 м.ч. *2 — жизнеспособность, 0 < *2 < 24 ч.

Содержание шунгита, м.ч. Рис. 2. Зависимость угла смачивания поверхности древесины от содержания шунгита в модифицированной смоле КФ-БЖ.

у = 44,535 + 5,145*! , (2)

где: */ - содержание шунгитовых сорбентов, 0 < хг < 15 м.ч.

в 35-40 »40-45 «45-50 «50-55 в 55-60

Рис. 3. Зависимость поверхностной энергии модифицированной смолы КФ-БЖ от работы адгезии и количества вводимого модификатора.

у = 23,511 + 2,007ха + 0,133х2 (3)

где: у - поверхностная энергия, мДж/м2;

X/ - содержание шунгитовых сорбентов, 5 < х1 < 15 м.ч.

Xi - работа адгезии, 22,89 < х2 — 53,24 мДж/м2.

у = 324,1 + 19,492*! - 8,504х3 (4)

где: у— угол смачивания, град.;

X/ - содержание шунгита в смоле КФ-БЖ, 5 < х1 < 15 м.ч.;

Хз~ поверхностная энергия, 40 < х2 < 57 мДж/м2;

Для установления рационального содержания шунгитов в модифицированной смоле КФ-БЖ в качестве выходного параметра выбран угол смачивания. Априори известно, что для обеспечения требуемой смачивающей способности угол смачивания должен быть в диапазоне 55-75 град.

При содержании модификатора в клее 11-12 м.ч. обеспечивается требуемое значения угла смачивания - 72 град, и поверхностной энергии клея - 57 мДж/м3.

Следующий этап разработки клеевой композиции - совмещение модифицированной шунгитами КФ-БЖ с карбамидомеламиноформальдегидной смолой. Исследование влияния содержания модифицированной смолы КФ-БЖ на динамическую вязкость и время желатинизации клеевой композиции показывает, что введение модификатора до 14 м.ч. обеспечивает незначительное сокращение времени желатинизации (рис. 4).

Количество вводимой модифицированной КФ-БЖ. м.ч.

Рис. 4. Зависимость времени желатинизации КМФ смолы от количества вводимой модифицированной КФ-БЖ. Максимальное сокращение времени желатинизации клеевой композиции равное 3,9% достигается при содержании в ней 5 м.ч. модифицированной КФ-БЖ. Повышение реакционной способности клеевой композиции подтверждает дифференциальный термический анализ, результат которого представлены на рис. 5.

зо

-40

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Температура, °С

-----------Карбамидомеламнноформальдегидная смола 1249

----- Отвердитель 2579

Модифицированная карбамидоформальдегидная смола -----------Клеевая композиция

Рис. 5. Результаты дифференциального термического анализа Задача оптимизации рецептуры клеевой композиции была решена методом крутого восхождения. На основании предварительно проведенных исследований по влиянию модификатора на технологические свойства клеевой композиции и механические свойства склеенных образцов (рис. 6), обоснованы возможные диапазоны изменения выходных параметров в зависимости от количества модификатора.

Количество вводимого модификатора, м.ч.

—Прочность клеевого соединения, в сухом виде

-Прочность клеевого соединения, после вымачивания в течение 48 ч в

холодной воде

Нормативное значение согласно ГОСТ 20850-84

-Нормативное значение согласно ГОСТ 17005-82, водостойкость средняя Б

Рис.6 Зависимость прочности и водостойкости клеевых соединений от содержания модифицированной КФ-БЖ в клеевой композиции.

Водостойкость клеевого соединения (прочность после вымачивания), с нашей точки зрения, зависит не только от вида клея, но и от свойств собственно древесины. С этой целью в эксперимент по методу крутого восхождения был введен еще один аргумент х, - прочность при скалывании в сухом виде. Определению подлежит количество вводимого модификатора х2, м.ч.

Анализ полученной математико-статистической модели:

у = 2,47 + 0,315*! - 0,019*2 , (2)

где: у - выходной параметр, подлежащий оптимизации - водостойкость клеевого соединения, МПа;

хг прочность клеевого соединения при скалывании вдоль волокон в сухом виде, 5,204 < < 8,259, МПа;

х2 - содержание модифицированной смолы КФ-БЖ, 0 < хг < 100, м.ч. и зависимости (рис.6) показывает, что прочность при скалывании вдоль волокон по клеевому слою для клеевой композиции выше нормативного значения (минимум 6 МПа). Однако показатель водостойкости клеевых соединений снижается при введении модифицированной смолы КФ-БЖ, что объясняется низкой водостойкостью карбамидоформальдегидной смолы - основы модификатора. Показа-

тель водостойкости клеевых соединений клеевой композиции должен быть не менее 3,2 МПа для присвоения ей группы водостойкости не ниже «средняя Б».

Таким образом для склеивания древесины сосны, количество вводимой модифицированной КФ-БЖ может быть принято равным 54 м.ч., при котором будет достигаться прочность клеевого соединения при скалывании вдоль волокон 6,1 МПа; показатель водостойкости 3,4 МПа. При таком содержании модифицированной КФ-БЖ в клеевой композиции не удастся сократить время прессования.

Результаты исследования показывают также, что клеевая композиция обеспечивает равнопрочное клеевое соединение с древесиной сосны, а в некоторых случаях и превосходит се. Это означает, что появляется возможность применения клеевой композиции для склевания более прочной древесины, например лиственницы (раздел 5). При содержании модифицированной смолы КФ-БЖ в клеевой композици ниже 30 м.ч.обеспечивается прочность равная 7,6 МПа и водостойкость - 4,3 МПа. В этой связи в каждом конкретном случае необходимо решать компромисную задачу: либо вводить большее количество модифицированной КФС отечественного производста в целях импортозамещения с классом водостойкости «средняя Б», либо вводить меньшее количество модификатора для повышения класса водостойкости.

Предложенные рецепты клеевой композиции представлены в таблице 1.

Таблица 1

Предлагаемые рецепты клеевой композиции_

№ Наименование Соотношение компонентов,% Назначение Класс водостойкости

КМФ КФ-БЖ Шунгит

1 Рецепт № 1 95 4,555 0,445 Ускорение процесса склеивания Повышенная

2 Рецепт №2 40 54,66 5,34 Импортозамещение КМФ смолы Средняя Б

3 Рецепт №3 70 27,33 2,67 Склеивание лиственницы Повышенная

Известно, что одним из недостатков карбамидоформальдегидных клеев является высокая эмиссия формальдегида. Исследования показали, что содержание в клеевой композиции модифицированной смолы КФ-БЖ с шунгитовыми сорбентами снижает содержание свободного формальдегида, как в приготовленном клее, так и в клееной продукции и составляет не более чем 1,8 мг/100 г абсолютно сухой продукции. В соответствии с этим клееной продукции может быть присвоен класс эмиссии формальдегида - Е 0,5.

Четвертый раздел «Исследование клеевого соединения клееного бруса» направлен на изучение структуры и сплошности клеевых соединений различных клеев. Древесина является капиллярно-пористым телом для которого характерны как специфические, так и механическая теории адгезии. Механические связи появляются в результате проникновения жидкого клея в полости древесины и перехода его в твердое состояние, т.е. имеет место так называемый эффект «гвоздева-ния» - механического взаимодействия двух тел, а увеличение поверхности кон-

такта клея и древесины способствуют росту взаимодействия клея с древесиной на элементарном уровне.

Исследования проводились двумя методами: оптической микроскопией и при помощи компьютерной нано и микро томографии.

На рис. 7 приведено цифровое изображение клеевого соединения клеевой композицией, полученное на оптическом микроскопе.

:

Рис. 7. Цифровое изображение клеевого соединения для определения его толщины, полученное на оптическом микроскопе.

Установлено, что толщина клеевого соединения не равномерна по всей длине исследуемого сортимента и изменяется по длине в диапазоне от 65 до 132 мкм. Выявлено также, что при содержании в клеевой композицией окрашивающих пигментов, например шунгитов, достоверная оценка толщины клеевого соединения затруднена, поскольку в процессе резания нож микротома растирает по формируемой поверхности образца окрашивающие пигменты.

Для исключения влияния таких факторов как разрезание клееных сортиментов и клеевого слоя микротомом, изменения температурно-влажностных условий при вскрытии клеевого соединения исследования проводили методом компьютерной нано и микротомографии.

Исследованию подлежали широко применяемые в деревообрабатывающей промышленности связующие для склеивания массивной древесины: ЭПИ (эмульсионный полимер с изоцианатным отвердителем), ИВА (поливинилацетатная дисперсия), КМФ (карбамидомеламиноформальдегидная смола) и разработанная клеевая композиция (КК).

На рис. 8 представлена гистограмма толщины клеевых соединений различных клеев.

140 120 | 100

1 2 3 4 5 6

Помер наблюдения

Рис. 8 Гистограмма толщин клеевых соединений различных клеев Традиционно принято разделять клеевое соединение на клеевой слой и зону древесины, пропитанную клеем, характеристики которых можно определить по объемным моделям клеевого соединения, представленных на рис.9. Зона древесины, пропитанная клеем, представляет собой вскрытые трахеиды, полости которых заполнены клеем. Эмульсионный полимер-изоцианатный клей глубже проникает в древесину через разрушенные клеточные стенки ранней древесины, увлекаемый влагой, адсорбируемой древесиной. В отличие от клеев на основе КМФ связующих, образующих монолитное клеевое соединение, располагающееся как в полостях перерезанных трахеид, так и между склеиваемыми поверхностями древесины - глобулы молекул ЭПИ клея проникают внутрь полости вскрытых трахеид, рис. 9 а, б; схожее явление проникновения присуще ПВА клею, рис. 9 в. Кар-бамидо-меламиноформальдегидные связующие (на основе клея 1249 и клеевая композиция) проникают только в разрушенные трахеиды на поверхности древесины, образуя толстый клеевой слой между склеиваемыми поверхностями. Клеевые соединения, сформированные этими клеями, являются монолитными. Модифицированный клей обладает большей пористостью, табл. 2, поскольку содержит в себе шунгитовые сорбенты, которые представляют собой кварце-углеродистый каркас из элементарных структурных неплотно упакованных звеньев.

В таблице 2 приведены основные параметры клеевых соединений. Исследуемые клеи удовлетворяют минимальным требованиям по прочности клеевых соединений - 6 МПа, что соответствует прочности массивной древесины сосны плотностью 500 кг/м1 при влажности 12%. Прочность клеевых соединений в сухом виде всех испытуемых клеев не уступает прочности древесины сосны, а в некоторых случаях превосходит ее. На прочность клеевого соединения его толщина, при рекомендуемом расходе клея, не оказывает существенного влияния. Весомыми факторами, влияющими на прочность клеевых соединений, являются размеры зоны древесины пропитанной клеем, ее площадь (площадь контакта) и глубина проникновения клея в древесину, а так же природа самого клея и механизм перехода из жидкого состояния в твердое.

• • ж*'

В Д

Рис.9 Цифровое изображение клеевых соединений а,б - ЭПИ; в - ПВА; г - КМФ; д - КК.

Размеры трахеид сосны и глубина проникновения клея в древесину

Таблица 2

х о. о

р- ^ 3

н ш х

з * §

а и 8

и О- рэ

2 £ ™

а § &

о. с

радиальный

тангенциальный

Вид клея

ПВА ЭПИ КК КМФ

140

350 350 350

Ч 3

£ §

3 X о.

18,66 19,76 40,7 38,72

£С Я

о. и с о.

¡в к

ю >.

15.6 35,72 14,96

21.7

о х ¡г о о. С

6,4

7,9 6,8 7^5

£ 2

к

а

ч о Н

49,84 91,2 67.61 82,12

1,5 9,5 19,4 3,8

1,4

1,3 1,2 5,7

* В числителе приведены размеры трахеид ранней зоны годичного слоя, в знаменателе - поздней.

Для оценки структуры поверхности склеенных сортиментов, структуры клеевого соединения с различным сочетанием пограничных слоев ранней и поздней

древесины, были проведены дополнительные исследования на образцах большого размера. Пример цифрового изображения клеевого соединения на КМФ связующем, с различным сочетанием зон годичного слоя древесины, представлен на рис. 10.

Рис. 10. Влияние плотности контактного слоя древесины на толщину клеевого соединения. Стрелкой указано направление повышения плотности Анализ результатов исследования структуры поверхности древесины перед склеиванием показывает, что ранняя зона древесины подвержена разрушению в процессе резания в большей степени, чем поздняя, рис. 11, что связано с ее меньшей прочностью.

Рис. 11. Структура поверхности древесины сосны, разрушенная режущим инструментом. 1 - поздняя древесина, 2 - ранняя древесина

Толщина клеевого слоя уменьшается по мере приближения к поздней зоне древесины. Его количественное значение зависит от вида связующего, рис. 12

■ КМФ ранняя-ранняя ■ КМФ ранняя-поздняя

КК ранняя-ранняя * КК ранняя-поздняя

Рис. 12. Гистограмма толщины клеевых соединений различных зон древесины.

Пятый раздел «Исследование процесса склеивания бруса из древесины лиственницы» направлен на изучение способности древесины лиственницы сма-

чиваться связующими, а так же прочности и водостойкости клееного лиственничного бруса.

Основной проблемой при изготовлении клееных элементов из древесины лиственницы является сложность формирования клеевых соединений в результате ее специфических свойств: большого различия плотности заболони и ядра, высокого содержания смоляных жирных кислот и камеди.

В связи с этим, отбор сортиментов подлежащих склеиванию осуществлялся в зависимости от их плотности. В исследованиях использовалась клеевая композиция №3.

Результаты выполненных исследований (рис.13) по изучению влияния способности смачиваться в зависимости от плотности древесины, показывают, что при использовании карбамидомеламиноформальдегидного клея с увеличением плотности наблюдается незначительное увеличение краевого угла. При использовании клеевой композиции краевой угол меньше, чем для карбамидомеламино-формальдегидного клея и с увеличением плотности он незначительно снижается, что в свою очередь указывает на улучшение способности к смачиванию. Улучшение смачиваемости можно объяснить низкой вязкостью клеевой композиции (3000 мПа/с) по сравнению с карбамидомеламиноформальдегидным клеем (3700 мПа/с).

= -0,0801х __В

2 + 0,169

¿ = 0,241

{ - 0.0003хг - 0,34 R2 = 0.1

20.958

56х + 179,16 03

450

500 550 600 650 700 750 Плотность древесины лиственницы, кг/м3 Клеевая композиция • КМФ Клеевая композиция---КМФ

800

Рис. 13 Зависимость способности смачиваться от плотности древесины лиственницы.

На основании экспериментальных данных, получена (рис.14.) зависимость прочности при скалывании вдоль волокон от плотности лиственницы. У образцов не подвергшихся вымачиванию, изготовленных как на карбамидомеламинофор-мальдегидном так и на композиционном клее, с увеличением плотности прочность клеевого соединения возрастает в диапазоне от 500 кг/м3 до 700 кг/м3.

750

---КМФ без вымачивания у = 0,0054х + 5,6877; R2 = 0,0478

-Клеевая композиция без вымачивания у — 0.0108х + 3.0936; R2 = 0,2528

-----Клеевая композиция 48 ч холодной воде у = 0.0023* + 4,3661; R2 - 0,015

.........КМФ 48 ч в холодной воде у = 0,0009х I 5,5403; R2 = 0,0028

---КМФ 3 ч кипячения у = -О.ООЗбх + 7.3133; R2 = 0,0578

---Клеевая композиция 3 ч кипячения у = -0,008х + 9,4682; R2 = 0,3129

Рис. 14 Зависимость прочности при скалывании вдоль волокон от плотности древесины лиственницы.

Для образцов, изготовленных на композиционном клее, после вымачивания в холодной воде в течение 48 часов наблюдается незначительное (0,2-0,4 МПа) снижение прочности по сравнению с карбамидомеламиноформальдегидным клеем. Снижение прочности может быть объяснено содержанием в составе композиционного клея относительно неводостойкой карбамидоформальдегидной смолы КФ-БЖ. Однако содержание в клеевой композиции шунгитовых сорбентов компенсирует данный недостаток.

Кипячение образцов показывает, что с увеличением плотности древесины прочность клеевых соединений снижается, причем такая динамика наблюдается для двух типов связующего. Тенденцию снижения прочности можно объяснить недостаточной адсорбцией связующего из-за особенностей микростроения поздней древесины и большого количества содержания натуральных смол у лиственницы, что уменьшает площадь контакта пограничного слоя «клей - древесина».

Клеевая композиция удовлетворяет требованиям стандартов как по прочности при скалывании вдоль волокон (6,2 МПа), так и по требованиям к водостойкости клеевых соединений (3,2 МПа). Клеевому соединению по ГОСТ 17005-82 «Конструкции деревянные клееные. Метод определения водостойкости клеевых соединений» может быть присвоена повышенная группа водостойкости.

В шестом разделе «Обоснование технической и экономической целесообразности исследований » рассчитаны экономические показатели.

Внедрение разработанной клеевой композиции не требуют увеличения производственных площадей, замены или дооснащения технологического оборудования. Необходима незначительная реконструкция емкости для приготовления клея.

Конечный продукт - клееный брус из лиственницы с высокой прочностью, водо- и биостойкостью будет востребован на рынке материалов для деревянного

S 13

¡12 О

§ и

са £ 10 о

2 9

500 550 600 650 700

Плотность древесины лиственницы при влажности 10±2 %, кг/м3

домостроения, за счет своих уникальных свойств и долговечности. Немаловажной особенностью клееного бруса является низкая токсичность (класс эмиссии формальдегида Е 0,5).

В таблице 3 представлен ожидаемый экономический эффект от внедрения клеевой композиции.

Таблица 3

Экономический эффект от внедрения клеевой композиции_

Наименование Стоимость связующего на 1м3, руб. Эффект от внедрения на 1м3, руб. Эффект от внедрения на 1м3,% Себестоимость 1mj клееного 7-слойного лиственничного бруса, руб.

Исходный клей 3690,54 0 0 49 000

Рецепт №1 3608,99 81,55 2,21% 48 918,45

Рецепт №2 2809,82 880,72 23,86% 48 119,28

Рецепт №3 3201,25 489,29 13,26% 48 510,71

* стоимость смолы 1249 и отвердителя 2579 марки Akzo Nobel - 6 €/кг, по курсу ЦБ РФ на

02.06.2015

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность и целесообразность модификации карбамидомеламиноформальдегидных клеев карабмидо-формальдегидной смолой, содержащей шунгитовые сорбенты.

2. Разработанная клеевая композиция обеспечивает равнопрочные с древесиной сосны клеевое соединение и позволяет уменьшить расход дорогостоящей импортной карбамидомеламиноформальдегидной смолы до 40%, при этом прочность продукции при скалывании по клеевому слою в сухом виде соответствует нормативным документам с классом водостойкости «средняя Б».

3. Введение природных сорбентов в состав клеевых композиций на основе карбамидоформальдегидных смол вызывает не только положительный эффект по снижению эмиссии формальдегида, но и негативно влияет на жизнеспособность клеев и их способность смачивать древесину. Для обоснования состава клеевых композиций была решена компромиссная задача, позволяющая получить рецепт клея в зависимости от его назначения и ожидаемых свойств клееной продукции.

4. Исследуемые клеи не проникают в древесину через поры в стенках в соседние неповрежденные трахеиды, а проникают только лишь во вскрытые трахе-иды и трещины, а так же в сердцевинные лучи. Поливинилацетатные и карбами-домеламиноформальдегидные связующие, в том числе модифицированные, образуют клеевое соединение, которые распределяясь в полостях разрушенных трахе-ид, не проникают вглубь древесины. Эмульсионные полимер-изоцианатные клеи глубже проникают в раннюю древесины, упрочняя её и увеличивая площадь контакта между клеем и древесиной, образуют сложную разветвленную структуру клеевого слоя. Толщина клеевого соединения, как правило, равна толщине собственно клеевого слоя плюс два диаметра полости трахеид.

5. Толщина клеевого соединения для выбранных клеев варьирует в диапазоне 27-213 мкм. Наибольшее влияние на глубину проникновения клея в древесину оказывает размер полостей трахеид ранней и поздней древесины, их степень деформации, а так же угол наклона волокон древесины к клеевому слою.

6. Применение в качестве связующего клеевой композиции (рецепт №3) позволяет получить клеевые соединения, которое не уступает прочности при скалывании вдоль волокон массивной древесины лиственницы по сухому и мокрому образцу (при влажности 10±2%). Клеевому соединению на композиционном связующем может быть присвоен повышенный класс водостойкости. Использование древесины лиственницы в сочетании с клеевой композицией позволит создать клееные изделия обладающие высокими физико-механическими характеристиками, повышенной водо- и биостойкостью.

7. Применение в технологическом процессе производства деревянных клееных конструкций разработанной клеевой композиции даст положительный эффект за счет снижения стоимости связующего, ускорения процесса склеивания, при отсутствии капиталовложений на реконструкции и дооснащение оборудования.

8. При изготовлении клееных деревянных конструкций для обеспечения гарантируемых прочностных характеристик следует осуществлять сортировку ла-мелей по плотности.

Анализ результатов работы и выводов позволяют сформулировать направления дальнейших исследований:

- обоснование возможности сокращения времени склеивания путем применения более активных наполнителей (с числом pH =1), склеивания в поле токов высокой частоты.

- обоснование возможности замещения импортного отвердителя растворами слабых кислот или иными отвердителем для карбамидоформальдегидных смол холодного отверждения.

- создание на основании компьютерной нанотомографии математической модели для прогнозирования расхода связующего в зависимости от плотности древесины, угла наклона волокон древесины к склеиваемым поверхностям и прочих переменных факторов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монография:

1. Чубинский А.Н. Физические методы испытаний древесины / А.Н. Чубинский, А.А.Тамбн, Г.С. Варанкина, А.А.Федяев, М.А.Чубинский, В.Л.Швец, К.В. Чау-зов// СПб.: СПбГЛТУ, 2015. - 125 с.

В изданиях рекомендованных ВАК

2. Чаузов К.В. Исследование процесса склеивания древесины лиственницы композиционным клеем [Текст] /К.В.Чаузов, Г.С. Варанкина // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии вып. 208. СПб.: СПбГЛТУ, 2014. — С. 111-121 (№972).

3. Чаузов К.В. Исследование структуры клеевых соединений методом микротомографии [Текст] / Чаузов К.В., Тамби A.A. // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета вып. 103. Краснодар.: КубГАУ, 2014. - С Л -10 (№ 1531).

Авторские свидетельства, патенты

4. Патент на полезную модель 133047 Российская Федерация, МПК

B27G11/00. Установка для нанесения клея на предназначенные для склеивания поверхности древесных заготовок / Тамби А.А.,Чубинский А.Н., Варанкина Г.С., Шимкевич Ю.А., Чаузов К.В. //Патентообладатель Санкт-Петербургский лесотех-ничесий университет им. С.М. Кирова: опубл. 10 октября 2013 г. В прочих изданиях

5. Чаузов К.В. Анализ литературных источников по снижению токсичности. Современные проблемы переработки древесины. [Текст] / К.В.Чаузов // Международная научно-практическая конференция/ СПб.: СПбГЛТУ, 2012. - С. 73-77.

6. Чаузов К.В. Методы ускорения процесса склеивания в производстве деревянных клееных конструкций. [Текст] / Г.С.Варанкина, К.В.Чаузов // Современные проблемы переработки древесины. Международная научно-практическая конференция/ СПб.: СПбГЛТУ, 2013. - С. 110-114.

7. Chauzov К. Investigation on Gluing Larch Wood by Modified Glue. Development and modernization of production [Текст] / К. Chauzov, G. Varankina //International conference on production engineering. Budva, Crna Gora: Bihac University. - 2013,- P. 737-743.

8. Чубинский A.H. Систематизация факторов, влияющих на разрушение клеевых соединений. Современные проблемы переработки древесины[Текст]/ А.Н. Чубинский, А.А.Тамби, В.С.Медов, К.В.Чаузов, В.И.Дегтярева // Материалы Международной научно-практической конференции СПб.: СПбГЛТУ, 2014. - С. 13-16.

9. Варанкина Г.С. Классификация модификаторов и наполнителей карбамидо- и фенолоформальдегидных смол и клеев [Текст]/ Г.С.Варанкина, А.Н.Чубинский, К.В.Чаузов // Современные проблемы переработки древесины. Материалы Международной научно-практической конференции. СПб.: СПбГЛТУ, 2014 - С. 30-36.

10. Чаузов К.В. Получение водостойких клеевых соединений на основе карбами-домеламиноформальдегидной смолы [Текст]/ Чаузов К.В.// Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка. Сыктывкар. СПбГЛТУ, СЛИ, 2014. - С. 211-213.

11. Тамби A.A. Исследование клеевых соединений методом компьютерной микротомографии [Текст]/ А.А.Тамби, К.В.Чаузов, К.В. Дзюба, А.Н. Чубинский // Актуальные направления научных исследованийХХ1 века: теория и практика» Сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции 16-17 октября 2014 года, Россия, Воронеж. ВГЛТА. 2014. - № 4 часть 3 (9-3) С. 275-279.

12. Чаузов К.В. Свойства клееного бруса из древесины лиственницы на модифицированном связующем/ К.В. Чаузов, М.А.Чубинский, H.A. Шумякова, Г.С. Варанкина, Чубинский А.Н. // [Текст] Современные проблемы переработки древесины. Материалы научно-практической конференции. СПб.: СПбГЛТУ, 2015. - С. 55-60.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д 212.220.03 или прислать отзыв на автореферат в трёх экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Подписано в печать 16.10.2015. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 13552Ь.

Отпечатано с готового оригннал-макета, предоставленного автором, в Типографии Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14