автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Исследование адгезионного взаимодействия жидкого клея с древесиной

У ]

/1 ч

ч/

V

/ V/

3

Министерство общего и профессионального образования РФ

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 674.093.26

с4й

Крнворотова Анна Ивановна ^

ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКОГО КЛЕЯ С ДРЕВЕСИНОЙ

05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение.

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1999

Содержание

Введение.........................................................................................6

1. Состояние вопроса и задачи исследования.............................9

1.1. Теоретические предпосылки анализа процесса формирования адгезионного контакта жидкий клей-древесина............9

1.2. Основные закономерности явления смачивания и его влияние на процесс формирования адгезионного взаимодействия жидкий клей-древесина..........................................................................12

1.3. Явление липкости. Методы исследования.....................25

1.4. Цели и задачи исследования...........................................32

2. Исследование влияния термодинамических и реологических свойств смол и клеев на основные закономерности процесса формирования адгезионного контакта жидкий клей-древесина..........35

2.1. Методика исследований..................................................35

2.1.1. Определение краевого угла смачивания................35

2.1.2. Применяемые материалы и реактивы....................36

2.1.3. Определение основных физико-химических свойств смол...........................................................................................37

2.1.4. Математическая обработка результатов эксперимента...........................................................................................37

2.2. Исследование процесса смачивания поверхности шпона .....................................................................................................38

2.3. Изменение содержания сухих веществ карбамидо- и феноло-формальдегидной смолах после нанесения на шпон...........................41

2.4. Зависимость краевого угла смачивания от различных технологических факторов.....................................................................44

Выводы........................................................................................50

3. Исследование влияния термодинамических и реологических

свойств смол и клеев на показатель липкости..........................................52

3.1. Методика исследований......................................................52

3.1.1. Определение показателя липкости карбамидо- и фенолоформальдегидной смол..................................................................52

3.1.2. Определение поверхностного натяжения исследуемых жидкостей.........................................................................55

3.1.3. Фракционирование карбамидоформальдегидных смол.........................................................................................................57

3.1.4. Применяемые материалы и реактивы........................58

3.2. Зависимость показателя липкости карбамидо- и фенолоформальдегидной смол от вязкости и концентрации...............59

3.3. Зависимость показателя липкости от содержания ассоциатов в карбамидоформальдегидной смоле.................................66

3.4. Зависимость показателя липкости от величины поверхностного натяжения смол...........................................................68

Выводы............................................................................................74

4. Исследование зависимости когезионной прочности жидких смол в клеевом слое от основных технологических факторов...............77

4.1. Методика исследований......................................................77

4.1.1. Определение когезионной прочности смол и клеев

в клеевом слое............................................................................................77

4.1.2. Применяемые материалы............................................77

4.1.3. Планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных.......................................................................79

4.2. Зависимость когезионной прочности феноло- и карбамидоформальдегидных смол в клеевом слое от основных технологических факторов.........................................................................84

4.3. Зависимость когезионной прочности карбамида- и фенолоформальдегидных смол в клеевом слое от величины показателя липкости...................................................................................98

Выводы..........................................................................................101

5. Исследование возможности идентификации различных марок и партий смол по показателю липкости......................................103

5.1.Методика исследований.....................................................103

5.1.1. Применяемые материалы..........................................103

5.1.2. Дисперсионный анализ экспериментальных данных...................................................................................................103

5.1.3. Предварительная статистическая оценка погрешности и воспроизводимости предлагаемого метода

контроля липкости....................................................................................105

5.2. Исследование липкости карбамидо- и фенолоформальдегидных смол различных марок и партий...............................106

5.3. Результаты предварительной оценки погрешности и воспроизводимости предлагаемого метода контроля липкости............107

6. Обоснование условий, параметров реализации и приборное оформление метода определения липкости........................108

6.1. Методика исследований....................................................108

6.1.1. Применяемые материалы..........................................108

6.2. Исследование показателя липкости от продолжительности открытой и закрытой выдержки..............................................................108

6.3. Исследование зависимости показателя липкости от толщины клеевого слоя и разрушающей нагрузки................................110

6.4. Критерий оценки показателя липкости, порядок и условия реализации предлагаемого метода..........................................................ИЗ

7. Расчет экономической эффективности предлагаемого метода

контроля липкости клеев в производстве фанеры.................................119

Основные выводы.........................................................................123

Список использованных источников.......................................... 125

Приложения:

Приложение 1................................................................................144

Приложение 2................................................................................148

Приложение 3................................................................................165

Приложение 4................................................................................191

Приложение 5................................................................................198

Введение

Широкое применение технологии склеивания в деревообрабатывающей промышленности способствует расширению ассортимента продукции народнохозяйственного значения, повышению ее качества, рациональному и комплексному использованию древесины.

При склеивании древесины протекают сложные физические и химические процессы, результатом которых является установление адгезионного взаимодействия в системе клей-древесина и последующее увеличение когезионной прочности клея и, соответственно, прочности клеевых соединений. Несмотря на то, что природа явлений адгезии и когезии одинакова, процесс формирования клеевых соединений древесины объясняется различными исследователями по-разному. Связано это со сложностью изучения явлений адгезии и когезии в соединениях древесины. Поэтому механизм формирования клеевых соединений часто характеризуется лишь качественно на основе косвенных показателей, что не позволяет достоверно оценить характер и степень влияния технологических факторов, а также свойств клея и древесины на прочность клеевых соединений.

Дальнейшее совершенствование технологий склеивания древесины, повышение эксплуатационных и экологических свойств клееных древесных материалов, поиск новых видов клеев и оптимизация их рецептов являются актуальными задачами, которые нельзя решить без глубокого изучения фундаментальных вопросов, касающихся явлений адгезии и когезии.

Формирование адгезионного контакта жидкий клей-древесина является первым обязательным этапом образования прочных и долговечных клеевых соединений. Поэтому исследование процессов протекающих на этом этапе имеет большое значение, как в области теории склеивания, так и для технологических целей.

Таким образом, была сформулирована следующая цель работы: исследовать влияние физических, физико-химических и основных технологических факторов на особенности адгезионного взаимодействия жидкий клей -древесина, разработать и научно обосновать метод контроля липкости синтетических смол и клеев в производстве фанеры и ДСтП

Исследования, результаты которых приведены в диссертационной работе, выполнялись в соответствии с федеральной программой «Комплексное использование лесов Сибири» по теме «Теоретические основы и экспериментальные исследования материалов и композитов с заданными свойствами в условиях неистощительного использования лесных ресурсов Сибири и Дальнего Востока» (код ГРНТИ 66.29.03, 67.09.55), направление «Моделирование и оптимизация процессов механохимической обработки древесины и модифицирования клеевых рецептур для композитов».

Научная новизна работы заключается в экспериментальном исследовании и теоретическом обосновании влияния основных физических, физико-химических свойств водорастворимых смол и древесины, а также ряда технологических факторов на процесс формирования адгезионного контакта жидкий клей -древесина. Результаты исследований закладывают научные основы для совершенствования режимов синтеза смол, разработки новых рецептур клеев и связующих, оптимизации режимов холодной под-

прессовки фанеры и ДСтП.

Установлено, что особенности формирования адгезионного контакта для карбамидоформальдегидных смол обусловлены их полидисперсной структурой.

Впервые установлена зависимость между условным показателем липкости и когезионной прочностью жидких карбамиде- и фенолофор-мальдегидных смол в клеевом слое.

Разработан способ определения степени конденсации карбамидоформальдегидных смол по соотношению частиц коллоидных размеров и крупных ассоциатов.

Разработан и научно обоснован метод контроля липкости синтетических смол и клеев в производстве фанеры и ДСтП.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты являются научной основой для повышения эффективности склеивания древесных композиционных материалов, в том числе фанеры и ДСтП. Условный показатель липкости предлагается внести в качестве регламентируемого или справочного в ТУ на смолы для производства фанеры и ДСтП бесподдонным способом. Разработанный метод и прибор контроля липкости может быть использован и испольауется для отработки режимов синтеза карбамидо- и фенолоформальдегидных смол, состава клеев и связующих, технологических режимов холодной подпрессовки.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- термодинамическая концепция смачивания в ее строгом виде имеет ограниченные возможности при описании процесса адгезионного взаимодействия системы клей-древесина;

- условный показатель липкости может служить достаточно надежным критерием оценки пригодности смол и клеев для производства фанеры и ДСтП с использованием технологической операции холодной подпрессовки;

- на продолжительность достижения номинальной площади адгезионного контакта жидкого клея с древесиной существенно влияют термодинамические характеристики клея и древесины, в том числе краевой угол смачивания и поверхностное натяжение;

- когезионная прочность жидких карбамидоформальдегидных смол в клеевом слое древесины определяется прочностью связей между молекулами различных ассоциатов.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Теоретические предпосылки анализа процесса формирования адгезионного контакта жидкий клей-древесина

При формировании клеевых соединений пакета шпона протекают физические и химические процессы, результатом которых является увеличение прочности клеевых соединений. В зависимости от их характера можно выделить три основные стадии формирования клеевых соединений [23,60,114,119,120].

На первой, с момента нанесения клея, происходит образование молекулярного межфазного контакта с одновременным ростом разветвленности макромолекул. Когезионная прочность клея, находящегося в жидком* состоянии, составляет доли МПа. Продолжительность первой стадии, в основном, определяется процессами поглощения древесиной влаги из клеевого слоя, растекания, смачивания, заполнение макронеровностей, микрореологического затекания клея в перерезанную клеточную структуру древесины.

Вторая стадия протекает уже с образованием сетчатой структуры клея, в результате чего быстро увеличивается его когезионная прочность и прочность соединения.

В течение третьей стадии, уже после операции горячего прессования, когезионная прочность клея продолжает медленно повышаться за счет увеличения плотности пространственной сетки. Рост прочности системы клей-древесина продолжается до тех пор, пока когезионная прочность клея не превысит когезионную прочность древесины или межфазного слоя.

Образование молекулярного межфазного контакта на первой стадии формирования клеевого соединения считают основной предпосылкой для реализации адгезионного взаимодействия. Опубликовано много работ по

* Жидкое - вязкотекучее состояние [38]

изучению процессов протекающих на первой стадии формирования клеевых соединений [11,14,21,26,123]. Несмотря на то, что природа явления адгезии одинакова, процессы формирования клеевых соединений древесины в них объясняются с разных позиций. Связано это со сложностью изучения явления адгезии в соединениях клея и древесины. Поэтому часто механизм формирования клеевых соединений характеризуется лишь качественно, на основе косвенных показателей, что не позволяет достоверно оценить характер и степень влияния технологических факторов, а также свойств клея и древесины на прочность клеевых соединений.

Из четырех основных теорий, предложенных для описания явления адгезии, - механической, диффузионной, электронной и адсорбционной, процесс образования адгезионного контакта жидкий клей-древесина чаще всего рассматривается с позиции адсорбционной концепции адгезии [18,97,122, 160,180].

В этом случае адгезия рассматривается как результат молекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата. Для того чтобы это взаимодействие могло проявиться, необходимо сближение молекул и атомов адгезива и субстрата на малые расстояния (менее 0,5 нм). Это имеет место при смачивании субстрата жидким адгезивом. При выполнении условия смачивания устраняются препятствия к проявлению сил взаимодействия и прочность адгезионной связи определяется интенсивностью тех сил, которые реализуются в конкретной системе [15,47,70].

Таким образом, решающую роль в процессе образования адгезионного соединения играют последовательно протекающие стадии формирования площади контакта (макропроцесс) и взаимодействия контактирующих поверхностей (микропроцесс). Теория формирования площади контакта описывает процессы самопроизвольного или вынужденного течения вязких жидкостей с учетом смачивания, растекания, капиллярного заполнения и т.д. [15,47,71].

Смачивание - явление взаимодействия поверхности твердого тела с жидкостью, приводящее к растеканию или «стягиванию» последней [60]. Первые работы по изучению смачивания древесины относятся к 1945 году [149].

При смачивании твердого тела жидкость образует определенный краевой угол в, рис. 1.1. Состояние механического равновесия капли на поверхности определяется соотношением Дюпре-Юнга [38]

атг = ажт+ажгсо*в> '(и>

где сг ,<т ,<х„._ - поверхностные натяжения на границе раздела,

11 /К1 Ж1

соответственно, между твердым телом и внешней средой, твердым телом и жидкостью, жидкостью и внешней средой (воздухом).

отг /г\ в °жт

///У/ /*?////

Рис. 1.1. Капля жидкости на поверхности твердого тела.

Условие равновесия жидкого клея на поверхности субстрата в этом случае выражают уравнением:

соъв

атг ажт

а

(1.2)

жг

При этом термодинамическая работа адгезии выражается как:

(1.3)

Простота теоретического обоснования и экспериментального определения о ив способствовала тому, что многие авторы в своих работах приводят зависимости между термодинамической работой адгезии 1¥а и прочностью клеевых соединений древесины [41,97,122,165]. Ими не учитывается

то, что прочность клеевых соединений - силовая характеристика, а работа адгезии - энергетическая. Прочность клеевых соединений в первую очередь зависит от величины неупругих деформаций тел, величины и концентрации напряжений в клеевом шве, наличия дефектов на границе раздела между ад-гезивом и твердым телом и т.д. Соответственно, результаты испытания клеевых соединений древесины известными методами оказываются мало приемлемы для получения теоретически значимой информации. Кроме того, клеевые соединения древесины практически не разрушаются по границе клей-субстрат и, следовательно, при их разрушении не преодолеваются межмолекулярные силы обуславливающие адгезию. Поэтому любая трактовка адгезионных явлений, основанная на уравнении Дюпре-Юнга, не может считаться достаточно обоснованной. Такой подход оправдан для простейших модельных систем, поверхность которых не ослаблена влиянием побочных эффектов.

Но учет процессов смачивания в рамках молекулярной теории адгезии необходим, та�