Вы здесь

Склеивание и фанерование древесины

О ТЕОРИИ СКЛЕИВАНИЯ

Несмотря на широкое распространение склеивания и его практическую ценность, до настоящего времени мало изучены явления, происходящие при склеивании. Отсутствие правильного понимания их затрудняет разработку оптимальной технологии склеивания и иногда приводит к нежелательным результатам.

Некоторые исследователи считают, что в зависимости от структуры склеиваемых материалов возникает два вида адгезии: специфическая и механическая.

Специфическая адгезия возникает при склеивании гладких поверхностей. Она является результатом силы сцепления между пленкой клея и поверхностью материала.

Механическая адгезия возникает при склеивании пористых материалов, таких как древесина. При механической адгезии клеевой раствор, проникая в поры древесины, отвердевает и прочно соединяется с древесиной. По этой теории прочность склеивания зависит исключительно от прочности клеевой пленки и степени пористости склеиваемого материала. Чем больше открытых пор или чем меньше плотность древесины, тем прочнее склеивание.

Сторонником такого объяснения сущности склеивания является английский исследователь Мак-Бейн, который считает, что в пористых телах процесс склеивания представляет собой механическое проникновение клея в поры древесины с образованием твердой пленки, тогда как при склеивании гладких поверхностей (металл и др.) возникает специфическая адгезия, являющаяся в некоторых случаях следствием химической реакции, а в других случаях — адсорбции.

Это объяснение нельзя считать правильным: Мак-Бейн не дал достоверного объяснения причин возникновения специфической адгезии и неверно объяснил механизм склеивания пористых материалов.

Теорией механической адгезии нельзя объяснить сущность склеивания древесины. Проникание клея в поры древесины, являющееся необходимым условием механической адгезии, происходит лишь в том случае, если клей в жидком состоянии смачивает древесину, т. е. если клеевое вещество и древесина притягиваются одно к другому.

Следовательно, склеивание древесины нужно считать результатом специфической адгезии. Пористость поверхности древесины в процессе склеивания играет подчиненную роль, хотя значительно повышает прочность склеивания за счет увеличения площади склеивания и создания дополнительных сил трения при разрушении склейки.

Для прочного склеивания поверхностей древесины специфическая адгезия является весьма важным условием. Клеевое соединение прочно тогда, когда клеем заполнены крупные пустоты клеток, он проник в сосуды межклеточные, межмицеллярные пространства и крепко связался с поверхностью мицелл. Если бы не возникало специфической адгезии, то пленка клея, находящаяся между двумя склеившимися деталями, могла бы отстать.

Микроскопические исследования показали, что клей вследствие усадки не может заполнить всей полости клеток, а образует пустотелые цилиндрики, стенки которых плотно пристают к поверхности клеток древесины. Следовательно, силы сцепления между клеем и древесиной (адгезия) больше сил внутреннего сцепления клея (когезия). Клеевой раствор, смачивающий древесину, проникает сначала во внутренние полости широких клеток, в сосуды, трахеиды, сердцевинные лучи, а затем в узкие полости либриформа и даже в межмицеллярные пространства. Под действием химической реакции, охлаждения или нагревания, в зависимости от марки клея, раствор отвердевает в этих полостях, образуя клеевой мост между склеиваемыми поверхностями.

При затвердевании клея благодаря определенному родству между древесиной и клеем, природа которого (родства) не установлена, происходит концентрация клеевого вещества на внутренних стенках полости клеток и пор с образованием пустот внутри цилиндров клея, чем значительно увеличивается прочность склеивания. Для получения сплошной пленки клея оптимальной толщины и лучшего проникновения клея в древесину склеиваемые детали необходимо подвергать внешнему давлению. Под действием внешнего давления и влагоемкости древесины клей устремляется в открытые полости клеток и поры древесины.

Нет необходимости, чтобы клей проникал на большую глубину. Достаточно прочное клеевое соединение получается в том случае, когда клей остается вблизи клеевой пленки и равномерно распределяется в порах и в волокнах либриформа.

Вследствие недостаточной изученности процесса склеивания твердо не установлена причина возникновения специфической адгезии между клеевой пленкой и склеиваемыми поверхностями. Возможно, что специфическая адгезия возникает вследствие химической реакции сил, поверхностного натяжения, адсорбции или электростатических сил.

О химической природе специфической адгезии, возникающей между адгезивом и склеиваемой поверхностью в процессе склеивания, говорит ряд фактов. Известно, например, что при изменении химической природы желатины путем ее дубления формальдегидом даже при хорошей смачиваемости древесины клеем склеивания не получается. Очевидно, при дублении желатины происходит замена реакционноспособных аминогрупп другими соединениями, и желатина теряет свои клеящие свойства. Согласно этому положению прилипание желатинового клея к древесине и желатины к стеклу В. Я. Курбатов объясняет образованием солеподобных соединений, так как клетчатка и стекло имеют более сильно выраженные кислотные свойства, чем клей и желатина. Сила же прилипания желатины к стеклу и клея к древесине так велика, что разрушение склеенных образцов происходит не по клеевому соединению, а по стеклу и древесине.

Как было сказано выше, необходимым условием склеивания должно быть смачивание склеиваемой поверхности клеем. Смачивание же происходит тогда, когда сила сцепления между клеем и склеиваемой поверхностью больше сил внутреннего сцепления клея; поэтому можно считать, что между склеиваемой поверхностью и клеем имеется родство.

При явлении смачивания возникают силы поверхностного натяжения между клеем и склеиваемой поверхностью; поэтому Ю. М. Гороховский и другие исследователи процесс склеивания рассматривают, как проявление поверхностной энергии на границе раздела двух фаз.

Смачивание склеиваемой поверхности клеем, находящимся в жидком состоянии, необходимо для полного их контакта и вытеснения воздуха со склеиваемой поверхности.

Последние исследования показали, что при достижении полного контакта клея со склеиваемой поверхностью, даже при неполном смачивании поверхности клеем, можно получить высокую прочность склеивания.

В своих работах Б. В. Дерягин и П. П. Кобеко показали количественно, что смачивание поверхности не является необходимым условием высокой адгезии

Сторонниками взглядов на возникновение специфической адгезии от сил адсорбции являются П. П. Кобеко, Д. JI. Талмуд, С. Е. Бресслер и другие исследователи.



Кобеко считает, что специфическая адгезия вызывается адсорбцией клеевого вещества склеиваемой поверхностью. Если молекулы склеиваемой поверхности полярны, то молекулы клеевого вещества обращаются к поверхности и ориентируются на ней своими дипольными концами. Среди общей массы полярных молекул наибольшей специфичностью, в смысле взаимного приставания, обладают диполи, моменты которых имеют противоположный знак, и особенно группы полярных молекул, химически активные одни по отношению к другим.

Адсорбция клеевого вещества поверхностью возникает вследствие неуравновешенного электрического и магнитного поля молекул, расположенных на поверхности. У молекул, расположенных на поверхности, электромагнитные силы, обращенные во внешнюю фазу, не насыщены, и молекулы клеевого вещества могут притягиваться и ориентироваться на склеиваемой поверхности этими силами.

Сторонники взглядов на возникновение специфической адгезии от электростатических сил утверждают следующее:

  • 1.    Адгезия твердых пленок обусловливается электростатическим притяжением зарядов двойного электрического слоя (микро-конденсатора), образованного на поверхности раздела пленка — подкладка.
  • 2.    Отрыв пленки от подкладки в области больших скоростей представляет собой процесс разведения обкладок электроконденсатора до наступления газового разряда.

Как было указано, имеющийся экспериментальный материал о механизме склеивания недостаточен для создания стройной теории склеивания, и поэтому невозможно обоснованно утверждать, что специфическая адгезия, возникающая в данном процессе склеивания, является результатом химической реакции или действия сил поверхностного натяжения, или адсорбции, или действия электростатических сил. По всей вероятности, склеивание материалов является результатом разных явлений, меняющихся в зависимости от вида адгезии, склеиваемого материала и условий склеивания.

У клеящего вещества связь первого слоя с последующим должна быть не менее прочна, чем у первого слоя со склеиваемой поверхностью. В этом случае первый слой ориентированных на поверхности молекул является в то же время слоем, от которого начинают образовываться цепи ориентируемых молекул, простирающихся в глубь массы жидкого или твердого клеящего вещества. Благодаря этому строению возникает значительное статическое трение при сдвиге и стойкость при разрушении. Особенно сильно этот эффект, названный цепным эффектом, должен сказываться в тонких клеевых пленках. Следовательно, прочность клеевого шва зависит от степени прилипания клея к склеиваемой поверхности (адгезии), прочности клея в сухом состоянии (когезии) и толщины клеевой пленки. С уменьшением толщины клеевой пленки прочность клеевого шва увеличивается.

Увеличение прочности склеивания при уменьшении толщины клеевой пленки П. П. Кобеко объясняет тем, что все тела при растяжении разрываются по наиболее слабому месту, т. е. по месту трещин.

В тонких клеевых пленках вероятность нахождения слабых мест значительно меньше, чем в толстых клеевых пленках.

Не исключая явления, отмеченного П. П. Кобеко, следует, нам кажется, заявить, что решающее значение в уменьшении прочности клеевого соединения при увеличении его толщины имеют другие условия. Как было сказано, в тонких клеевых пленках цепной эффект, влияющий на прочность склейки, сказывается значительно сильнее, чем в толстых клеевых пленках. Поэтому молекулы клеевого вещества в тонком слое ориентируются, вызывая тем самым более прочное склеивание вследствие своей полярности. У ориентированных молекул предполагается цепное взаимодействие, притягательные силы которого распространяются на сотни молекулярных диаметров.

С другой стороны, большое значение для прочности склейки имеет то обстоятельство, что в процессе склеивания клеевая пленка высыхает и сокращается в объеме, так как происходит ее усадка. При усадке толстой клеевой пленки в ней возникают значительные упругие напряжения, которые ослабляют клеевое соединение. В тонкой клеевой пленке объемные напряжения играют незначительную роль.

Упругие напряжения в клеевой пленке будут возникать и в тех случаях, когда условия отвердения пленки будут отличаться от условий ее равновесного состояния. Часто клеевая пленка синтетических клеев отвердевает при повышенной температуре (50° и выше).

После прекращения подогрева клеевая пленка будет стремиться достигнуть равновесного состояния, соответствующего другим температурным условиям, тогда как этому препятствуют склеиваемые поверхности, на которых пленка закреплена.

В результате этого в клеевой пленке будут возникать напряжения, причем в более толстой пленке возникнут и более высокие напряжения, чем в тонкой пленке. Следовательно, чем толще клеевая пленка, тем более будет ослаблено клеевое соединение.

Для увеличения прочности склейки следует стремиться к наименьшей толщине клеевой пленки. При склеивании полированных металлических поверхностей особенно сильное возрастание прочности наблюдается при достижении толщины пленки 2,5 — 10-6 см.

Толщина наиболее тонкой клеевой пленки, в свою очередь, зависит от совершенства поверхности склеиваемых материалов. При склеивании шероховатых поверхностей клеевая пленка должна целиком заполнить зазор между склеиваемыми поверхностями и ее нижний предел толщины должен быть ограничен необходимостью иметь непрерывный клеевой слой по всей площади склеивания.

При склеивании строганых поверхностей древесины, имеющих длину волны 3,0—3,5 мм при глубине 0,02 мм, наиболее прочное клеевое соединение получится при толщине клеевой пленки около 0,1 мм.

Для определения влияния толщины клеевой пленки на прочность склейки нами были произведены испытания образцов на скалывание, приготовленных по типу фанерных. Образцы склеивались из ясеневых планок толщиной 3 мм резорциновым, фенольно-формальдегидным и казеиновым клеями пленкой разной толщины. Порядок склеивания и изготовления образцов приведен на рис. 63.

Толщина клеевой пленки регулировалась толщиной прокладок. Результаты испытания графически показаны на рис. 64, по которому видно, что при казеиновом клее толщина клеевой пленки имеет значительно большее влияние на прочность склеивания, чем при резорциновом и фенольно-формальдегидном клее.

Отсюда можно сделать вывод, что для клеев, значительно изменяющих свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое (клеи животного и растительного происхождения и др.), необходимо более тщательно подготавливать склеиваемые поверхности и не допускать толщину клеевой пленки более 0,10—0,15 мм.

Для клеев, мало изменяющих свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое (фенольно-формальдегидные, резорциновые и др.), толщина клеевой пленки и состояние склеиваемых поверхностей оказывают меньшее влияние на прочность склеивания.