Ускорение процесса склеивания

При склеивании древесины холодным способом выдержка ее под давлением может составлять 3—12 ч, вследствие чего производительность применяемого клеильного оборудования оказывается очень низкой, с целью ее повышения, снижения труда затрат, уменьшения производственных площадей и снижения в конечном итоге себестоимости изготовляемых изделий необходимо стремиться к ускорению процесса склеивания. Это может быть достигнуто различными способами. Предварительно следует указать, что нельзя смешивать продолжительность нагрева каких-либо сортиментов с продолжительностью их склеивания. В настоящее время нет аналитического решения последней задачи, которое в своей основе базировалось бы на правильных исходных предпосылках и учитывало не только размерные и теплофизические характеристики склеиваемого материала, но и явления отверждения клея. Поэтому сейчас чаще всего используют различные эмпирические зависимости, апробированные на практике. Как указывалось ранее, для определения продолжительности склеивания можно использовать графоаналитический метод, изложенный ранее.

Остановимся кратко на характеристике некоторых способов.
I. Способы, основанные на использовании тепловой энергии. Прежде, всего укажем, что оптимальным следует считать такой нагрев, при котором температура распределяется и изменяется равномерно по всему объему нагреваемого тела, а время нагрева — минимальное.
1) Кондуктивный нагрев. При этом способе основную роль играет теплопроводность материала, но нагрев может сопровождаться и тепловым излучением. Температура внутри тела, помещенного между двумя нагревателями, распределена неравномерно: она больше в зонах, прилегающих к нагревателям, и меньше в середине пакета. Изменение температуры во времени также неравномерно, вследствие чего данный способ предпочтительнее применять для нагрева пакетов толщиной 3—20 мм. С ростом толщины склеиваемых заготовок температуру нагревателя следует снижать во избежание термической деструкции клея в слоях, расположенных близко к нагревателям.
Способ реализован в клеильных прессах, применяемых для склеивания пакетов из шпона или массивных заготовок. Примером применения кондуктивного нагрева для быстрого склеивания заготовок служит способ, основанный на использовании тепла, аккумулированного одной из заготовок при ее предварительном нагреве. При этом одна из заготовок контактирует с нагревательной плитой, имеющей температуру около 250°С, в течение 2 мин. На вторую поверхность предварительно наносят быстроотверждающийся клей. После быстрого соединения заготовок аккумулированное первой заготовкой тепло переводит клей в отвержденное состояние за 0,5—6 мин. Заготовки должны иметь толщину не менее 10—15 мм и влажность 8—10 %. Отличительная черта способа — независимость продолжительности склеивания от размеров заготовок. Рассмотренный способ реализован в станках для склеивания ламелей клееных конструкций (размером 50х150х18000 мм).
2) Радиационный нагрев. Основан на поглощении материалом инфракрасных (ПК) лучей, излучаемых нагретым телом. Теплота нагреваемому объему передается также за счет теплопроводности и конвекции. ИК-лучи занимают промежуточное положение между радиоволнами и световыми лучами. Длина волны их колеблется от 400 до 0,76 мкм. Они обладают свойством проникать на некоторую глубину в материал. Так, в древесину они проникают на глубину до 2 мм в зависимости от ее породы и влажности. В результате этого в материале создается аномальное распределение температуры: на некоторой глубине температура оказывается несколько выше, чем на поверхности материала.
Количество энергии, излучаемой единицей поверхности (м2) нагретого тела в секунду, или светимость тела, определяется по формуле

Если поверхности двух рассматриваемых тел параллельны друг другу, то F представляет собой физическую поверхность.
Продолжительность нагрева зависит от мощности излучателя, его расположения по отношению к нагреваемому объекту и размеров последнего. Так, продолжительность нагрева заготовок толщиной около 15 мм может составлять 30—90. мин. Поскольку глубина проникновения ИК-лучей в древесину сравнительно мала, данный способ целесообразно использовать только для нагрева тонких пакетов.
Источником инфракрасных лучей может быть любое нагретое тело. Если используется тепловая энергия, источником их получения могут служить металлические или керамические экраны (панели), нагреваемые газовым пламенем или отработанной горючей газовой смесью, имеющей температуру на излучаемой поверхности 300—500, а в некоторых случаях и до 1800°С. Указанные излучатели относятся к группе «темных».
3) Конвективный нагрев. Основан на конвекции жидкости или газа у поверхности заготовки (блока) и перемещении теплоты по объему материала посредством теплопроводности. Процесс сопровождается тепловым излучением и используется при нагреве склеиваемых заготовок сложной конфигурации и прямолинейных блоков (балок) больших размеров. Реализуется способ путем помещения в камеру запрессовочного устройства вместе с зажатым в него склеиваемым материалом. Температура циркулирующего в камере воздуха 50—100 °С. При изготовлении прямолинейных балок применение данного способа возможно для отверждения клея только в краевых зонах пакета на глубину до 10 мм, чего достаточно для обеспечения их транспортной прочности. Например, если используется клей на основе смолы СФЖ-309, продолжительность выдержки пакета в камере, мин, при t = 75...150°С может быть определена из выражения

Практическое применение конвективный нагрев склеиваемых заготовок находит также при сборке громоздких узлов на стапелях и стендах. При этом желательно, чтобы скорость подаваемого по шлангу горячего воздуха была близка к 7—10 м/с.
II. Способы, основанные на использовании электрической энергии.
1) Кондуктивный нагрев. Специфическим примером использования электрической энергии для кондуктивного нагрева склеиваемых заготовок являются электрические контактные нагреватели, быстрый нагрев которых достигается пропусканием по ним электрического тока напряжением до 12 В и силой до 500 А. Они могут быть в виде сплошных металлических полос толщиной 0,1—0,5 мм и шириной 5—100 мм, изготовляемых из листовой трансформаторной или нержавеющей стали, латуни: и других подобных металлов. Расход электроэнергии при использовании таких нагревателей не превышает 0,3— 0,35 кВт-ч/м-2. Для нагрева заготовок, имеющих значительную площадь, можно использовать листовые нагреватели конструкции ЦПИИСКа. Указанные нагреватели применяют для ускорения процесса облицовывания, изготовления гнутоклееных заготовок и др.
2) Радиационный нагрев. Источником инфракрасных лучей при использовании электрической энергии могут быть трубчатые излучатели (ТЭПы) мощностью до 2 кВт, имеющие температуру на поверхности 300—750°С. Их размещают в фокусах, параболических отражателей, чем обеспечивают равномерность, лучистого потока. Ресурс этих устройств, относящихся к группе «темных» излучателей, доведен сейчас до 20 000 ч.
Из группы «светлых» излучателей укажем на кварцевые трубчатые мощностью до 2500 Вт, позволяющие создавать интенсивность излучения до 62 кВт-ч/м2 и кратковременно — до 1600 кВт-ч/м2. Ввиду малой их инерционности они удобны для прерывистой подачи энергии. Для этой же цели возможно применение ламп накаливания с параболическими посеребренными колбами мощностью 250—500 Вт.
3) Облучение пучком быстрых электронов. Отверждение клея может быть достигнуто без нагрева при воздействии на него пучком быстрых электронов. Если в карбамидоформальдегидную смолу добавить четыреххлористый углерод, то под воздействием ионизирующего излучения происходит разрыв связей С—С1, нейтрализация ионов хлора гидроксильным радикалом и образование хлористого водорода, способного снижать рН до пределов, обеспечивающих ускоренное отверждение клея, при этом степень отверждения будет зависеть от состава клеевой композиции, дозы облучения и некоторых других параметров. Как показывают результаты исследования, сокращение в несколько раз продолжительности отверждения наблюдается в случае применения карбамидного клея, модифицированного ПВАД при соотношении 70 : 30, и введения на 100 мае. ч. такого клея 15 мае. ч. четыреххлористого углерода. Мощность дозы облучения должна быть 3,4 Мрад/с при скорости подачи облучаемого материала 10 м/мин. Для радиационно-химической обработки применяют ускоритель «Электрон-Ш» энергией 400— 600 кэВ. Данный способ может быть применен при облицовывании ДСтП бумагой. Использование данного способа в случае облицовывания заготовок строганым шпоном связано с трудностью создания необходимого давления на облицовываемый материал в момент его облучения. Кроме того, стоимость ускорителей электронов еще относительно высокая.
4) Воздействие на склеиваемый материал электромагнитным полем. При помещении диэлектрика между пластинами конденсатора, к которым подведен ток высокой частоты, на молекулы древесины и клея начинают действовать силы, стремящиеся переместить их в соответствии с изменением направления поля. При этом поворот молекул отстает от внешнего поля на некоторый угол, носящий название угла потерь. Величина угла поворота молекул и число поворотов характеризуют скорость превращения электрической энергии в теплоту как результат трения молекул друг о друга.
Таким образом, главной причиной нагрева материала в поле ТВЧ является различного рода поляризация молекул диэлектрика — дипольная, структурная, ионная и тому подобная, обусловленная их поворотом.
Эффективность нагрева зависит и от положения электродов по отношению к клеевым слоям: лучший вариант — при котором силовые линии поля располагаются вдоль плоскости клеевых слоев. Удельная мощность, Вт/м3, выделяемая в единице объема нагреваемого материала, определяется выражением

где f — частота электрического поля, Гц; Е — напряженность электрического тюля в материале, В/м; ε — диэлектрическая проницаемость материала; tgδ — тангенс угла потерь материала.
Анализ формулы (9) показывает, что интенсивность нагрева в поле ТВЧ зависит от свойств поля — его напряженности Е и частоты f и электрофизических свойств нагреваемого материала — ε и tgδ. Именно этим данный способ нагрева выгодно отличается от других способов, при которых решающую роль играет теплопроводность материала.
Важно и то обстоятельство, что значения фактора потерь (εtgδ) древесины и клея резко различны, особенно когда последний находится в жидком состоянии (до отверждения). Это и является причиной избирательного нагрева клея. 

По мере отверждения клея избирательность его нагрева заметно снижается.
Интенсивность нагрева материала при Е = const можно изменять за счет изменения частоты поля f. Нижний предел частоты диктуется желаемой интенсивностью нагрева, обычно он не менее 3—5 МГц, а верхний предел зависит от допустимой неравномерности нагрева (не более 5%). Увеличение частоты электрического поля приводит к уменьшению длины волны и усилению неравномерности нагрева за счет стоячих волн. Повышать интенсивность нагрева за счет увеличения напряженности электрического поля не следует, так как это может привести к электрическим пробоям и порче склеиваемого материала.
Следует указать на необходимость согласования мощности, которую может поглотить склеиваемый материал, с мощностью, подводимой к электродам. Если такого согласования добиться не удается, коэффициент полезного действия контура генератора резко снижается, что ухудшает экономический эффект применения ТВЧ для ускорения процесса склеивания. Что касается клеев, то для возможности их использования при склеивании древесины в поле ТВЧ они должны иметь высокий фактор потерь (εtgδ), высокую стойкость к дугообразованию и максимальную скорость отверждения. Учитывая, что карбамид более стабильный диэлектрик по сравнению с фенолом, а клеи из него имеют более высокую концентрацию и более низкую температуру отверждения, предпочтение отдают карбамидоформальдегидным клеям.

Использование ТВЧ как средства интенсификации процесса склеивания позволяет по сравнению с другими способами нагрева сократить продолжительность склеивания во много раз. Но применение данного способа тормозится высокой стоимостью генераторов и сложностью их настройки. Наиболее часто употребляемые модели генераторов: ВЧП-1/40; ВЧГ2-4/27; ВЧГ4-4/27; ВЧГЗ-60/13.
5) Воздействие на клеевой слой током промышленной частоты. Клеевой слой можно нагреть, включив его в цепь, по которой протекает электрический ток промышленной частоты. Для этого необходимо повысить электропроводность клея добавлением в него углеродноволокнистого наполнителя (типа гралена) в количестве 0,5—1% массы клея. Продолжительность перемешивания клея с граленом не должна превышать 15—20 мин. При применении клея на основе смолы СФЖ-3016 концентрацией 60—65 % и вязкостью 0,5—0,8 Па*с, содержащего 17 мас. ч. отвердителя на 100 мае. ч. смолы и гралена в количестве 0,75 %, режим склеивания должен быть следующим:

В процессе работы необходимо регулировать электрическое сопротивление, так как иначе клей может перегреться и произойдет его тепловая деструкция.
применение указанного режима при склеивании образцов из древесины сосны позволяет обеспечить предел прочности при скалывании 6,5—7,8 МПа. Электрический ток к клеевому слою подводится с помощью медных проволочных электродов толщиной 0,15—0,25 мм. Если в качестве клея применяется бакелитовая пленка, то, поместив между двумя ее слоями алюминиевую фольгу или металлическую сетку и пропустив по ней электрический ток, можно добиться нагрева клеевого слоя до t = 130...140°С за 15—12 мин. Подведенная удельная мощность при этом должна быть порядка 0,7 Вт/см2 и давление р = 0,85...1,4 МПа. По данный способ сравнительно дорог и его целесообразно применять при нагреве сортиментов большого сечения. Нагрев клея с помощью тока промышленной частоты удобен для случая склеивания заготовок на зубчатый шип. Электрический ток к клеевым слоям подводится двумя плоскими электродами, располагаемыми с двух сторон заготовки перпендикулярно клеевым слоям. Контакт клея с электродами обеспечивается благодаря выжиманию его избытков из соединения. Давление электродов на заготовку должно быть 0,2—0,4 МПа. Условия и режим склеивания зубчатых соединений следующий:

После окончания электронагрева интенсивное доотверждение клея за счет аккумулированной заготовкой теплоты и нарастания прочности соединения происходит в течение первых 10—15 мин.
III. Способы, основанные на использовании химической энергии. Здесь следует указать на два возможных способа.
1) Раздельное нанесение смолы и отвердителя на подлежащие склеиванию поверхности. Такой технологический прием позволяет использовать более сильный отвердитель или наносить его на одну из поверхностей в увеличенном количестве. После соединения поверхностей реакция отверждения клея при этих условиях будет протекать значительно быстрее и, следовательно, продолжительность выдержки склеиваемых заготовок под давлением сократится. Оговоримся, что достигнуть таким путем максимальной прочности соединения не удается, но она может быть достаточной для возможности последующей механической обработки без опасения за целостность соединения, при последующей свободной выдержке будет иметь место нарастание прочности соединения.
Описанный прием может быть применен при склеивании заготовок как фенолоформальдегидным, так и карбамидоформальдегидным клеем. В частности, при использовании карбамидного клея на одну из поверхностей можно наносить 10 %-ный водный раствор щавелевой кислоты в количестве 60—70 г/м2, а на вторую — смолу в количестве до 200 г/м2. Продолжительность склеивания, например, при использовании смолы КФ-Б будет около 30 мин. Обязательное условие при этом способе — ограничение продолжительности сборки заготовки 2 мин.
2) Нанесение на каждую из склеиваемых поверхностей различных клеев. Если на одну из подлежащих склеиванию поверхностей нанести карбамидоформальдегидный клей (например, КФ-Б), а на вторую — фенолоформальдегидный (например, СФЖ-3016), то при массном соотношении их 1:3 будет иметь место быстрое отверждение клеевой композиции за счет воздействия на карбамидоформальдегидный клей более сильного отвердителя фенолоформальдегидного клея, требуемая пропорция между разными клеями может быть выдержана путем регулирования расхода каждого клея. Например, карбамидоформальдегидный клей следует наносить на одну поверхность в количестве 100 г/м2, а на вторую поверхность — фенолоформальдегидный клей в количестве 300 г/м2. Режим работы с указанной композицией должен быть таким:

Следует, однако, помнить, что водостойкость клеевого соединения будет определяться клеем, имеющим меньшую водостойкость