Процессы, протекающие при склеивании древесины

Одно из обязательных условий получения прочного клеевого соединения — наличие у клея высоких адгезионных свойств. По этого недостаточно. После создания необходимого контакта между древесиной и клеем последний должен быть переведен из жидкой фазы в твердую, в новом состоянии он должен обладать необходимыми прочностными свойствами (когезионной прочностью) и не изменять их под действием растворителей. Выполнение последнего условия создает возможность получения водостойких клеевых соединений.
Синтетические клеи, применяемые для склеивания древесины, получают на основе реакции поликонденсации. При взаимодействии фенола с формальдегидом образуются низкомолекулярные продукты — резолы, в стадии А их структура линейная или разветвленная.

Затем эти продукты переходят в стадию В и называются резитолами, имеющими редкую пространственную сетку.

Конечная стадия, процесса — стадия С — образование резитов, т. е. полимеров, имеющих частую пространственную сетку.

Образование у полимеров поперечных химических связей (пространственных структур) может происходить под действием тепла или введения в них отвердителей. Фенольная смола в стадии А может быть как в жидком, так и в твердом виде, но она обладает свойством плавкости и растворимости. В частности, она способна растворяться в щелочи, воде, ацетоне, спирте. Молекулярная масса смолы средняя. Свойства ее в этой стадии нестабильны.
В стадии В смола представляет собой продукт частичного превращения. И хотя она имеет пространственную структуру, число поперечных связей у нее невелико. Поэтому она не растворяется в обычных растворителях, а в ацетоне способна несколько набухать. При нагревании она размягчается. Характерна ее способность хорошо проводить тепло и электричество.
В стадии С смола представляет собой продукт полного превращения. Отверждение смолы делает ее неплавкой, нерастворимой и химически инертной. Молекулярная масса смолы большая. Электричество и тепло она проводит очень плохо.
Следует отметить отсутствие четких границ между указанными стадиями. Так, в первой фазе образуется смесь преимущественно резола с резитолом, во второй — резола, резитола и резита и в третьей — резитола и резита. Аналогичная картина имеет место при отверждении карбамидо- и меламиноформальдегидных клеев. В результате протекания химических реакций между цепями молекул образуются поперечные связи. Они возникают как при взаимодействии между собой только метилольных групп (СН2ОН), так и метилольных групп с атомами водорода амидо-(NНСО) и аминогрупп (NH2).
Как и фенольные смолы, эти клеи могут находиться в стадиях А, В и С. Переход из одной стадии в другую сопровождается изменением всех физико-химических свойств клея. В стадии А клей растворим в воде с образованием вязких или пастообразных продуктов. При переходе в стадию В происходит частичное отщепление воды с образованием продуктов желатино- или пастообразного вида, нерастворимых в воде и спирте, но содержащих еще значительное количество воды. Состояние клея в этой стадии называют резиноподобным. В стадии С карбамидоформальдегидные клеи становятся твердыми, нерастворимыми в холодной воде, но не стойкими к действию как холодной, так и горячей воды. Следовательно, клеевое соединение на феноло- или меламиноформальдегидном клее будет иметь повышенную водостойкость, на карбамидоформальдегидном клее — среднюю.
Если склеиваемый материал, например пакет шпона, зажатый между двумя плитами, подвергается нагреву, этот процесс сопровождается движением в нем влаги и некоторым его уплотнением. За счет абсорбирования из клея некоторого количества влаги влажность склеиваемого пакета больше начальной. В зависимости от породы древесины, вида синтетического клея и его концентрации, расхода клея, начальной влажности шпона и других факторов она может быть равна 7—16 %. При дальнейшем нагреве температура различных точек поперечного сечения пакета изменяется во времени.

В серединной зоне пакета, из которой влага практически не может свободно испаряться и, при определенных условиях, находится там в виде перегретой пароводяной смеси, температура все время повышается, приближаясь к температуре плит пресса. Но при этом скорость нарастания температуры в наружных и внутренних слоях серединной зоны пакета различна. За счет градиента температуры между этими слоями нагретая влага движется в сторону внутренних слоев, что в какой-то мере ускоряет их нагрев. Что касается краевой зоны пакета, из которой влага испаряется практически свободно, то температура в ней несколько ниже, чем в серединной зоне. При этом чем меньше внешнее давление на склеиваемый пакет, больше паропроницаемость древесины и выше температура плит пресса, тем больше ширина этой зоны. Так протекает нагрев склеиваемого пакета, зажатого между плитами пресса.
Если снять внешнее давление на пакет и тем самым прекратить подвод тепла к нему, положение резко меняется. Перегретая пароводяная смесь, находящаяся внутри серединной зоны пакета, за счет создания градиента влажности и температуры по его толщине немедленно перейдет в парообразное состояние и начнет быстро двигаться к наружным поверхностям пакета и испаряться, в атмосферу. В зависимости от вида синтетического клея, начальной влажности пакета шпона и температуры нагревателя пресса влажность пакета в этот период может понизиться на 2—6 %. При этом конечная влажность наружных слоев пакета будет все же ниже влажности внутренних его слоев.
Таким образом, можно отметить два важных момента: а) понижение температуры краевой зоны пакета, из которого влага имеет возможность испаряться; б) возможность снижения влажности склеиваемого пакета при снятии внешнего давления на него. Первый момент нужно учитывать при построении режимов склеивания, второй - при выборе временной схемы снижения внешнего давления на склеиваемый пакет.
Поскольку деформативность древесины, содержащей определенное количество влаги, усиливается под действием подводимого к ней тепла, при склеивании пакетов под давлением в начальный период будет иметь место ее интенсивное уплотнение, а затем — стабилизация приданной ей деформации. Увеличение при этом фактической площади контакта между клеем и древесиной будет положительно сказываться на адгезионной прочности клеевых соединений. Следует помнить, однако, что затухание деформации древесины должно закончиться до окончания процесса формирования клеевых связей, так как иначе это может привести к частичному их разрушению и снижению прочности склеивания. Уплотнение древесины в процессе ее склеивания, благотворно влияя на физико-механические свойства, приводит одновременно к уменьшению полезного объема изготовляемого продукта, не всегда желательному (как, например, при изготовлении фанеры).
При склеивании древесины появляется вероятность возникновения в клеевом соединении внутренних напряжений. Причины их весьма разнообразны, поэтому остановимся только на главных из них.
Внутренние напряжения могут быть вызваны усадкой клея, изменением влажности древесины и ее линейных размеров, а также различием термических коэффициентов клея и склеиваемого материала. Поскольку усадка клея начинается с момента перехода его в отвержденное состояние, когда между ним и древесиной устанавливается адгезионная связь, препятствующая свободному изменению его объема, в клее неизбежно возникают внутренние нормальные и касательные напряжения. Величина последних в значительной мере определяется состоянием склеиваемых поверхностей и толщиной клеевого слоя. Наличие на склеиваемых поверхностях макро- и микронеровностей — причина колебания толщины образуемых между ними клеевых слоев, вследствие чего и усадка клея в различных их точках будет различной. При невозможности свободного сближения склеиваемых поверхностей это неизбежно вызывает появление внутренних напряжений. Величина их будет тем больше, чем толще клеевые слои и больше неравномерность их толщины. Что касается имеющихся на склеиваемых поверхностях шпона выступов, то, будучи в разрыхленном состоянии, они легко пропитываются клеем, выполняя роль своеобразного наполнителя, который, возможно, снижает образующиеся напряжения и способствует более равномерному их распределению в клеевом слое.
Аналогичен механизм возникновения внутренних напряжений от изменения влажности древесины. Начальная влажность древесины, с учетом того, что для ее склеивания используют клеи, содержащие значительное количество воды, может заметно отличаться от влажности готового продукта. Поскольку горячее склеивание сопровождается испарением определенного количества влаги, неизбежны и изменения линейных размеров древесины как в процессе, так и после образования адгезионной связи. Поэтому, как и при усадке клея, изменение влажности древесины приводит к образованию внутренних напряжений.
Наконец, различие термических коэффициентов линейного расширения древесины и клея служит причиной образования на границе их раздела касательных внутренних напряжений при горячем склеивании. Но эти напряжения становятся заметными по величине главным образом в период охлаждения сформированного клеевого соединения. Особенно они опасны при склеивании разнородных по своим свойствам материалов, как это имеет место, например, при изготовлении гофрированной фанеры, облицованной металлом.
Конечно, не исключена возможность при определенных условиях частичной релаксации (затухания) внутренних напряжений в период последующей эксплуатации склеенного материала. Но для обеспечения максимальной долговечности клеевых соединений при выборе клеев и разработке режимов склеивания следует принимать все меры, которые могут способствовать снижению внутренних напряжений