Реферат: Глебов И. Т. Оборудование для склеивания древесины

Глебов И.Т. Оборудование для склеивания древесины. Екатеринбург: УГЛТУ, 2010. –170 с.


1. Связующие и клеи 1.1. Общие сведения. Основные понятия и определения
В производстве столярно-мебельных изделий детали соединяются между собой главным образом посредством клея.

Клеевые соединения имеют ряд преимуществ перед механическим креплением:

– с помощью клеевого соединения можно легко создать из обычного или маломерного материала монолитные конструкции любых форм и размеров;

– клееные конструкции менее подвержены деформациям, чем конструкции, изготовленные из цельной древесины;

– клеевые соединения не утяжеляют конструкцию, обладают высокой прочностью;

– соединение посредством клея во многих случаях представляет собой единственно возможный вид соединения материалов (облицовывание шпоном).

Сущность склеивания состоит в том, что нанесенный на поверхность древесины клей проникает в поры и межклеточные пространства, затвердевает там и, таким образом, как бы сшивает склеиваемые поверхности большим числом тончайших нитей [1].

По физическому состоянию клей представляет собой жидкости различной вязкости (жидкие мономеры, растворы, суспензии и эмульсии), пленки, порошки или гранулы, расплавляемые перед применением или наносимые на горячие поверхности.

Клей по ГОСТ 15813-72 [2] представляет собой вещество, обладающее свойством при нанесении его на соединяемые поверхности при определенных условиях образовывать прочный слой, скрепляющий их.

Связующим называется высокомолекулярное органическое вещество (полимер), обладающее способностью при воздействии тепла и давления соединять поверхности древесины, предварительно смазанные этим веществом [1].

Понятие “связующее” идентично понятию “клей”. Традиционно сложилось так, что в производствах, связанных с соединением измельченных частиц и тонких слоев древесины, пользуются понятием “связующее”, а при склеивании деталей из массивной древесины – понятием “клей”.

Клей – это простая или сложная композиция (состав). Основой клея служат полимер животного происхождения (глютин, казеин, альбумин), растительного происхождения или синтетические смолы. Эти вещества обладают свойством адгезии к склеиваемым поверхностям и способностью образовывать прочные пленки [3].

^ Клеи бывают:

– животные или белковые (глютиновые, казеиновые, альбуминовые);

– растительные (на основе жмыхов масляничных и бобовых растений, природных смол, натурального каучука, крахмала, декстрина);

– минеральные (силикатные, асфальтовые, битумные).

– синтетические клеи на основе синтетических смол, которые получают из простых веществ в результате сложных химических процессов.

^ Клеи должны отвечать следующим требованиям:

– прочно склеивать;

– быть удобными в применении;

– иметь большую жизнеспособность, т.е обладать длительным сроком хранения;

– быть водостойким (для изделий, работающих в условиях высокой влажности);

– быть биостойким (сопротивляться разрушительной деятельности микроорганизмов): не разрушать волокна древесины и не изменять ее естественной окраски;

– быть сравнительно дешевыми;

– не вызывать затупления режущих инструментов при обработке материалов;

– быть безвредным для человеческого организма и не воспламеняться.

По реакционной способности клеи могут быть
термореактивные (необратимые) и термопластичные (обратимые).

^ Термореактивные клеи под влиянием теплоты и катализатора переходят из жидкого состояния в твердое, нерастворимое и необратимое состояние (смолы резольные, мочевинные и меламиновые).

Термопластичные клеи способны под влиянием теплоты расплавляться, а после охлаждения вновь затвердевать, не изменяя химического состава. При последующем нагревании такие клеи снова расплавляются, например мездровый и костный клеи, новолачные смолы, клеи «расплав».

Клеи состоят из нескольких компонентов: основного клеевого вещества, растворителя и добавок: отвердителя, наполнителя, пластификатора, стабилизатора, антисептика, гидрофобных добавок, вспенивающих веществ, которые в композициях имеют различное назначение.

Растворители – это жидкости, которые обеспечивают определенную консистенцию и содержание в клее сухих веществ. К ним относятся вода, спирты, бензин, этилацетат и др.

Клееобразователями называют вещества, способствующие переходу клеевых веществ в коллоидный раствор. Это известь и щелочи для белковых клеев.

Отвердители – это вещества, ускоряющие реакцию поликонденсации синтетических смол, то есть процесс их перехода в нерастворимое состояние (слабые кислоты, хлористый аммоний и т.д.).

Наполнители применяются для повышения вязкости клея, уменьшения его расхода и снижения усадки клеевого слоя. В качестве наполнителя используют муку (древесную, пшеничную, ржаную и др.) и порошки (мел, гипс, сажа, цемент и др.).

Пластификаторы (глицерин, диэтиленгликоль, дибутилфталат и др.) применяются в клеевых растворах синтетических смол для придания пластичности клеевому шву и снижения его хрупкости.

Стабилизаторами называют вещества (ацетон, этиловый спирт и др.), которые вводят в клеевой раствор на базе синтетических смол в экстремальных ситуациях для продления его жизнеспособности и сохранения уже приготовленного клея. Они сохраняют заданную концентрацию клея.

Дубители, придающие клею водоупорность (уротропин, формалин, медные соли).

Антисептиками называют вещества, применяемые для придания клеям биостойкости по отношению к грибам и плесени. Антисептиками могут быть пентохлорфенолят натрия, фтористый натрий, фенол, крезол, формалин и др.

Антипирены обеспечивают склеенным материалам повышенную огнестойкость. Это бура, фосфорнокислый аммоний.

Гидрофобные добавки, например, парафин, церезин используют для повышения водостойкости древесностружечных плит.

^ Вспенивающие вещества (пылевидный альбумин) применяют для получения клеевой пены на основе карбамидоформальдегидных смол с целью снижения расхода клея.

Одним из качественных показателей клея является его жизнеспособность. ^ Жизнеспособность клея – это время, в течение которого клей пригоден для нанесения на склеиваемые поверхности. Жизнеспособность клеев достигает 3…4 ч. Основным способом повышения жизнеспособности клея является его охлаждение.
^ 1.2. Глютиновые клеи
По виду сырья, из которого делаются глютиновые клеи, различают клей костный, мездровый и рыбий. Выпускается клей в виде плиток, гранул, хлопьев или чешуек. Клей незаменим при реставрации мебели.

Глютиновые клеи называют животными или коллагеновыми.
Их клеящие свойства определяются свойством животного белка – коллагена. Коллаген – это белок, образующийся в связках, сухожилиях и других соединительных тканях организма животных. Коллаген присутствует в коже, костях, хрящах.

Вырабатывают его из мездры (подкожного слоя шкур животных), из обрезков сырых шкур и отходов кожевенных и кожсырьевых заводов, а также из очищенных и обезжиренных костей животных, рогов, копыт.

Эти клеи применяют для склеивания деревянных деталей,
эксплуатируемых внутри отапливаемых помещений и не подвергающихся воздействию влаги, в абразивном и спичечном производстве.

Глютиновые клеи в воде сильно набухают. Мездровый клей поглощает воды в 6 – 10, костный в 3–7 раз больше своей массы.

При нагревании до температуры 30°С клей начинает размягчаться, а затем плавится и превращается в мягкую липкую студнеобразную массу и при более высоких температурах переходит в раствор. При продолжительном нагревании под действием высокой температуры (свыше 100С) глютин распадается на более простые углеводы, которые не обладают клеящими свойствами.

При склеивании в процессе отверждения происходит удаление влаги из клеевого раствора, что вызывает усадку клея до 50 – 80% от первоначальной массы.

Клеевой раствор наносят толщиной 0,08—0,15 мм.

При температуре воздуха более 30°С и влажности 80% клеевое соединение разрушается.

^ Клей мездровый (ГОСТ 3252—80) подразделяется на следующие виды: твердый (плиточный, чешуйчатый, стружковый, дробленый, гранулированный) и галерту. В зависимости от физико-химических свойств клей подразделяют на марки: КМЭ (экстра), КМВ (высший сорт), КМ-1, КМ-2 и КМ-3 (цифры указывают номер сорта).

При приготовлении клея плитки дробятся и замачиваются в воде в пропорциях, необходимых для получения клея. Через 8…16 часов полученную массу нагревают до температуры 60…70°С и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. Готовый клей используют при температуре 40°С.

После нанесения клея на поверхность древесины и смыкания заготовок клеевой слой охлаждается и превращается в студнеобразную массу, а затем при высыхании становится твердым. Механическая прочность склеенных заготовок очень высока, однако глютиновые клеи совершенно не водостойки. Под воздействием влажного воздуха клеевой шов набухает и теряет прочность.

^ Клей костный (ГОСТ 2067—80) выпускается плитками, дробленым, гранулированным, чешуйчатым, галертой (клеевой студень).

Мездровый клей обладает высокой вязкостью, которая может вызвать разрыв древесины по волокнам после склеивания. В связи с этим целесообразно применять смесь мездрового клея с костным (последний в чистом виде обладает хрупкостью).

Рекомендуют следующие концентрации клеев:

– для склеивания на гладкую фугу клеевой раствор должен включать мездрового клея 35…40%, костного … 45—55%;

– для облицовывания деталей шпоном нужен клеевой раствор с 40…45% мездрового клея и 52…55% костного;

– для склеивания твердых и ценных пород древесины рекомендуется применять мездровый клей с добавлением в него 20...40% костного клея, а для склеивания мягких пород – костный, с добавлением в него 20...40% мездрового клея.

Смешивают клеи после того, как они разбухнут и станут однородными.

В клей следует вводить антисептик. В качестве антисептиков обычно применяют пентахлорфенолят натрия в виде водного раствора, который добавляют в клей в количестве 3% от массы сухого клея, или препарат «Этоний», вводимый в виде порошка в количестве 2% от массы сухого клея.

Чтобы предотвратить загнивание клея, в момент его приготовления добавляют 2,5 г фенола на 1 кг сухого клея.

^ Рыбий (осетровый) клей, получают из плавательных пузырей и плавников рыб осетровых пород. Этот клей является лучшим по качеству, но он дорогой и дефицитный. Его применяют при особо ответственных работах: реставрации уникальной мебели, инкрустации, золочении, реставрации росписей.
^ 1.3. Казеиновые клеи
Основным компонентом клея служит казеин, который получают путем обезжиривания измельченного творога. Различают клеи порошкообразные и жидко смешиваемые.

В состав порошкообразного клея сорта Экстра входят следующие компоненты (в массовых частях): казеин 1-го сорта – 50, казеин 2-го сорта – 50, известь (пушонка) – 27, фтористый натрий – 12, медный купорос – 0,5, керосин – 2,0 [3]. Клей в порошкообразном состоянии может храниться длительное время.

Для получения рабочего клеевого раствора порошок смешивают с водой в соотношении 1:1,7…1:2,3. Перемешивание порошка с водой производят в течение 40…60 мин. В это время происходит набухание казеина, растворение извести и завершается реакция между казеином и известью с образованием клеящего вещества казеината кальция.

Порошкообразный казеиновый клей обеспечивает получение прочного, водостойкого клеевого соединения и может применяться в производстве столярных изделий.
^ 1.4. Альбуминовые клеи
При выпаривании (сушке) крови получают кристаллический или пылевидный альбумин.

Для приготовления клея альбумин замачивают в воде в соотношении 1:5 (кристаллический) или 1:2 (пылевидный альбумин) и выдерживают при температуре 20°С в течение 1,5…2 часов при тщательном перемешивании. Затем в раствор добавляют воду, доводя ее соотношение до 1:9, и 10% гашеной извести. Клеевую массу подогревают до 28…30°С и перемешивают в течение 1…1,5 часов.

Жизнеспособность альбуминовых клеев достигает 24 часов, их клеящая способность и водостойкость высокие.
^ 1.5. Синтетические клеи
Клеи из синтетических смол по сравнению с другими видами клеев обладают рядом существенных технических и экономических преимуществ.
Преимущества эти таковы:

– клеи абсолютно водостойки и грибостойки;

– склеивание получается более прочным;

– способы приготовления клея просты по выполнению и непродолжительны по времени;

– режимы склеивания несложны и почти стандартно одинаковы;

– выдержки перед запрессовкой могут быть довольно длительными;

– выдержка под прессом требует немного времени, а при подогревании запрессованного материала она может быть еще уменьшена;

– выдержка склеенного материала после запрессовки сравнительно невелика и нужна только для полного схватывания клея;

– увлажнения древесины по клеевому шву при склеивании не происходит или оно очень незначительно.

Однако клеи из синтетических смол имеют недостатки:

– мала рабочая жизнеспособность большинства клеев (некоторое увеличение жизнеспособности клея достигается его охлаждением в процессе приготовления и при работе с ним);

– при склеивании некоторыми смоляными клеями необходимо применять высокую температуру (до 160°) и довольно высокое давление;

– некоторые клеи обратимы, т. е. обладают свойством размягчаться и даже плавиться при нагревании (обратимость смоляных клеев уменьшают введением в их состав отвердителей - керосинового контакта Петрова, щавелевой кислоты);

– водостойкость карбамидных клеев уменьшается под действием горячей воды;

– смоляные клеи токсичны (ядовиты).

^ Карбамидоформальдегидные клеи. Карбамидоформальдегидные клеи обеспечивают достаточную прочность соединений при повышенной хрупкости и ограниченной влагоустойчивости. Они широко применяются в производстве фанеры, мебели, столярно-строительных и других изделий, которые эксплуатируются внутри помещений в нормальных температурно-влажностных условиях.

Основа клея – фенолоформальдегидные смолы, выпускаемые по ГОСТ 14231-88 [4]. Марки смол: КФ-МТ (малотоксичная), КФ-Б (быстрого отверждения), КФ-БЖ (быстрого отверждения с повышенной жизнеспособностью), КФ-Ж (с повышенной жизнеспособностью).

На отдельных предприятиях для ребросклеивания шпона, изготовления гнутоклееных мебельных заготовок в поле токов высокой частоты и ускоренного склеивания холодным способом находит применение смола М-70.

Для получения клея в смолу вводят отвердитель: щавелевую или ортофосфорную кислоту для клеев холодного отверждения (табл. 1) или хлористый аммоний для клеев горячего отверждения.

Таблица 1

Отвердители для клеев холодного склеивания



Смола


Отвердитель

Доза отвердителя, мас.ч. на 100 мас.ч. смолы

М-70

М-70


КФ-Ж


^ КФ-Б, КФ-БЖ

Хлористый аммоний ……………….

Раствор кислоты (5%) щавелевой или ортофосфорной ……………….

Раствор кислоты (10%) щавелевой или ортофосфорной ……………….

Раствор кислоты (5%) щавелевой или ортофосфорной …………………

1


4…7


5…10


3…5


В производстве слоистой клееной продукции широко используют многокомпонентные клеи, содержащие еще модифицирующие добавки-наполнители, пенообразователи, пластификаторы.

^ Фенолоформальдегидные клеи. Основой клеев являются фенолоформальдегидные смолы, представляющие однородную жидкость с цветом, изменяющимся от красновато-коричневого до темно-вишневого. Смолы водостойкие и атмосферостойкие.

Смолы горячего отверждения не требуют введения специального отвердителя. Время их отверждения изменяется от 30 с при 170°С до 100…200 с при температуре 100°С.

К фенолоформальдегидным смолам горячего отверждения относятся смолы марок СФЖ-3011, СФЖ-3012, СФЖ-3013, СФЖ-3014, СФЖ-3015, СФЖ-3016. Смолы марок СФЖ-3013 и СФЖ-3014 отверждаются примерно в 2 раза быстрее, чем смола марки СФЖ-3011, поэтому их относят к быстроотверждающимся.

Для отверждения фенолоформальдегидных смол при комнатной или несколько повышенной температуре (до 50…80°С) в них вводят отвердители – керосиновый контакт или нафталинсульфокислоту. Наполнителем может быть древесная или лигнинная мука. Состав некоторых клеев приведен в табл. 2.

Таблица 2

Составы фенолоформальдегидных клеев холодного отверждения


Компоненты клея

Количество мас.ч. для вариантов

1

2

3

4

5

6

7

Смола СФЖ-309

100

-

-

-

-

-

-

Смола СФЖ-3016

-

100

-

-

-

-

-

Смола СФЖ-3015

-

-

100

-

-

-

-

Смола ВИАМ Ф-9

-

-

-

100

100

100

100

Лигнинная мука

-

-

-

4…8

4…8

-

4…8

Древесная мука

-

-

3…5

-

-

3…5

-

Контакт Петрова

18… 25

18… 25

20… 25

-

-

-

20… 25

Бетанафталинсульфо-кислота

-

-

-

25

25

25

-


^ Резорциновые клеи. Резорциновые клеи обеспечивают наиболее долговечные соединения деревянных деталей и характеризуются высокой технологичностью. Главным их недостатком является большая стоимость. Основой клея служит резорциновая смола ФР-12.

Проблема дефицитности и значительной дороговизны кристаллического резорцина, из которого производится резорциновая смола, разрешается путем замены его алкилрезорцинами. На их основе получается алкилрезорциновая смола марок ФР-100 и ДФК-1АМ. Обеспеченность сырьем и более низкая стоимость обусловили широкое применение этих смол.

Алкилрезорциновые клеи имеют несколько меньшую когезионную прочность по сравнению с резорциновыми клеями и рекомендуются для склеивания заготовок из древесины сосны, ели и других мягких пород. Прочность самих соединений достигает прочности дуба, бука.

Для склеивания древесины выпускаются также смолы фенолорезорциновая марки ФР-50 и фенолоалкилрезорциновая марки ДФК-14.

Для приготовления клеев резорциновой группы используют параформ в качестве отвердителя и древесную муку в соотношении 85:15, которые вводят в количестве 13,5 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы марок ФР12, ФР100, ФРФ50 или в количестве 10…15 мас. ч. на 100 мас. ч. смолы марок ДФК-1АМ, ДФК-14.

Меламиноформальдегидные клеи соединяют в себе положительные качества карбамидоформальдегидных и фенолоформальдегидных клеев. Они обладают высокой водо-, свето-, тепло-, химической стойкостью. Они имеют небольшую продолжительность желатинизации при температуре 100°С, дают бесцветный клеевой шов, обладают меньшей, чем фенолоформальдегидные клеи, токсичностью. Однако они очень дороги и практически не применяются.

Клей может быть одно- или двухкомпонентным.

При склеивании смолой марки МС фанеры, без введения отвердителя, требуется подсушка клеевого слоя. При введении отвердителя (0,5…0,7% хлористого аммония) подсушка необязательна.

Карбамидомеламиноформальдегидный клей на основе смолы марки ММС отличается высокой водостойкостью по сравнению с карбамидным клеем и в то же время более дешевый, чем меламиновый. Клеи применяются для склеивания в поле токов высокой частоты, для получения фанеры повышенной водостойкости.

^ Поливинилацетатные клеи. Клеи применяются для склеивания деталей мебели и столярных изделий, не подверженных действию воды и эксплуатируемых при статической нагрузке. Их основным преимуществом является полная безвредность и негорючесть при переработке, поскольку они представляют собой водную дисперсию поливинилацетата. Они технологичны вследствие малой вязкости, хотя сухой остаток составляет около 50%. Для повышения вязкости в них добавляют загустители – водорастворимые препараты целлюлозы.

Промышленность выпускает несколько марок поливинилацетатной эмульсии (ГОСТ 18992-80): Д50М, Д50С, Д50В, ДБ48/4Н, ДБ47/7С и др. Эти клеи однокомпонентные. Введения отвердителей в них не требуется.

^ Эпоксидные клеи. Клеи применяются для склеивания древесины с металлами. При этом используют клеи холодного отверждения, модифицированные для снижения вязкости, хрупкости и других нежелательных свойств. К ним относятся клеи ЭПЦ-1, К-153, К-139. Они содержат на 100 мас. ч. эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-88) 10…20 мас.ч. полиэфиркрилата МСФ-9, а также жидкие каучуки (20 мас. ч. тиокола НРБ-2 в клее К-153 и 20 мас. ч. каучука СКП-26-1 в клее К-139). Отверждение клеев производится полиэтиленполиаминами. Наполнителями служит портландцемент М-400 или вибромолотый кварцевый песок.
^ 1.6. Каучуковые клеи
Каучуковый клей представляет собой раствор каучука или резиновой смеси в органических растворителях. Отечественная промышленность производит большое количество каучуковых клеев, например марок ЛНТ, 88-М и др.

Клеи этого типа нельзя применять в конструкциях, подвергающихся значительным статическим нагрузкам, при которых эластичный клеевой шов вызывает ползучесть соединения. Для снижения ползучести клеевой шов упрочняют гвоздями или шурупами.
1.7. Клеи-расплавы
Термопластичные клеи-расплавы на основе синтетических смол получили в деревообрабатывающей промышленности широкое распространение. Создание автоматических линий потребовало сокращения циклов склеивания до нескольких секунд, что невозможно при применении клеев, содержащих растворители.

Клеи-расплавы при нагревании становятся жидкими и текучими, а при охлаждении быстро переходят в твердое состояние. Они водостойки, практически безвредны, не загрязняют окружающую среду, неогнеопасны.

Однако они имеют небольшую теплостойкость (около 150°С) и ограниченную прочность. В связи с этим применение клеев-расплавов целесообразно и экономически оправдано в тех случаях, где особенно важны их преимущества.

Для облицовывания кромок мебельных щитов ВПКТИМ разработано несколько марок клеев-расплавов специального назначения: клеи ТКР-4, ТКР-6 предназначены для облицовывания кромок шпоном и декоративным бумажно-слоистым пластиком, ТКР-5 – для облицовывания кромок декоративными пленками на бумажной основе, ТКП – для облицовывания кромок поливинилхлоридными пленками. Их рабочая температура 180…210°С.

Для выполнения сборочно-монтажных работ в мебельном производстве при точечном ребросклеивании шпона, соединении древесины, пеноуретана, мебельных тканей, губчатой резины, пенополистирола и других материалов применяют клеи марок ТКМ и ГИПК-143 с рабочей температурой 160…170°С и временем выдержки при склеивании 12…60 с.

Клеи-расплавы выпускаются в виде гранул, плиток, листов.
^ 1.8. Пленочные клеи
Пленочными называют клеи, состоящие из бумажного полотна, пропитанного с одной или обеих сторон смоляным или белковым клеем и затем высушенного.

^ Бакелитовая пленка – это пленочный клей, приготовленный на основе фенолоформальдегидных пропиточных смол С-50, СБС-1 и сульфатной бумаги массой 18…22 г/м2. После пропитки бумаги полотно сушат в сушильной камере. В процессе сушки из пленки удаляется влага и частично летучие вещества. Поликонденсация клея при этом углубляется, но он сохраняет клеящие свойства, растворимость и способность плавиться при повышенной температуре. Применяют бакелитовую пленку для склеивания авиационной и декоративной фанеры.

Клеевые пленки на основе меламиноформальдегидных пропиточных смол широко применяются при ламинировании древесных плит и фанеры. Они обеспечивают получение прозрачных покрытий с высокой стойкостью к истиранию, водостойкостью, стойкостью к органическим растворителям, разбавленным кислотам и щелочам.

^ Карбамидные пленки, полученные на основе карбамидоформальдегидных пропиточных смол, применяются для склеивания и прозрачной отделки изделий.

Гуммированная лента – это пленочный клей на основе бумаги, про-питанной с одной стороны мездровым клеем.


Контрольные вопросы и задания

1. Правда ли, что “связующее” и “клей ”– идентичные понятия?

2. Назовите перечень компонентов, входящих в состав клеев.

3. Что такое жизнеспособность клея?

4. Назовите основные белковые и синтетические клеи.

5. Назовите марки отечественных клеев-расплавов.

6. Как получают пленочные клеи?