книги из ГПНТБ / Применение электронагрева при склеивании древесины

симального значения tg В достигает в диапазоне 5 Мгц, снижаясь в полтора раза в диапазонах 0,5 и 50 Мгц.

Наименьшие затраты мощности наблюдаются при склеивании древесины мягких пород (сосна, ель, тополь). Для твердых пород (ясень, бук) расход мощности возрастает примерно на одну треть, а древесина с высоким содержанием масличных веществ (тик) плохо склеивается в поле токов .высокой частоты.

Поверхность древесины должна быть ровной, чтобы склеивае­ мые поверхности прилегали точно и клей лежал ровным слоем.

При склеивании фанеры и других прессованных материалов очень важно не допускать загрязнений, особенно жировых, и дре­

весной пыли.

Если поверхности склеиваемых деталей выгнуты или искрив­ лены, то соединение при прижиме будет неудовлетворительным и

торцы могут быть непрямоугольными по всей их длине. Неправиль­

ная форма торцов и ребер может послужить причиной неравномер­

ного распределения клея и вызвать даже образование «раковин».

Поскольку клей обладает хорошей электропроводимостью, а древесина является плохим проводником, то при наличии «раковин» возникает необходимость в более высоком напряжении на электро­ дах, что может привести к образованию дуги. Нужно также, чтобы и шпон имел достаточно равномерную толщину, так как наличие «раковин» в слое клея понизило бы, как сказано выше, напряжение и, следовательно, температуру.

Механическая обработка деталей должна быть закончена не

менее чем за 8 час. до склеивания. Этим предотвращается их после­ дующее коробление. Не рекомендуется также шлифовать детали

перед склеиванием, потому что отшлифованные поверхности плохо схватываются клеем.

Резко неоднородная древесина не может быть использована для склеивания в поле токов высокой частоты, так как смоляные «кар­ машки», сучки и т. п. могут прогреваться сильнее общей массы дре­ весины вплоть до обугливания.

Не рекомендуется также склеивать в высокочастотном поле дре­ весину с неравномерной влажностью, а также и узлы из древесины разных сортов со значительной разницей диэлектрических свойств.

Металлические включения в древесине недопустимы: они явля­

ются местами концентрации энергии и неустранимых прожогов.

Клеи для склеивания древесины

вэлектрическом поле токов высокой частоты

Внастоящее время для склеивания различных изделий из дре­ весины применяются наиболее распространенные клеи, известные

под названием синтетических смоляных. Они представляют собой

смесь некоторых химических веществ, находящихся в неустойчивом

состоянии.

Кним относятся клеи феноло-формальдегидные, мочевино-фор-

мальдегидные, крезоло-формальдегидные, ксилено-формальдегид-

ные, резорцино-формальдегидные и меламино-формальдегидные. Применяются также клеи животного происхождения: казеиновые, альбуминовые и др.

Значения диэлектрической постоянной е некоторых синтетиче­ ских клеев приводятся ниже.

Компоненты клея, прореагировав определенным образом между собой, образуют сиропообразную жидкость. Этот сироп затем выпа­ ривают, чтобы придать раствору определенную вязкость. Обработка выпаренного раствора может быть продолжена дальше. В этом слу­ чае раствор сушат в распылительной сушилке, в которой он превра­ щается в порошок. При использовании клея в порошок добавляют воду.

Клей, предназначенный для высокочастотного склеивания, дол­ жен хорошо нагреваться в поле токов высокой частоты без опасно­ сти искрообразования и при незначительном расходе мощности для его затвердевания. Кроме того, необходимо, чтобы он был долговеч­ ным. Эти требования должны быть согласованы, так как продолжи­ тельная пригодность клея к употреблению обусловливает соответ­ ственно высокий расход мощности. Клей, для затвердевания кото­

рого требуется небольшое количество энергии токов высокой

частоты, обычно проявляет большую склонность к искрообразованию, особенно в тех случаях, когда энергия концентрируется на клеевом шве. Если требуется прогреть всю деталь (поперечный нагрев), то электрические свойства клея меньше влияют на продол­

жительность прессования.

Клеи из синтетических смол, способные выдерживать как дей­ ствие нагрева, так и влаги, термореактивны. Это означает, что клее­ вой раствор (смола, смешанная с отвердителем) будет полимеризи­ роваться в более короткий промежуток времени при условии, если его будут нагревать. Чем выше температура нагрева, тем быстрее

протекает реакция полимеризации.

Идеальным, с точки зрения применения токов высокой частоты,

является такой клей, который очень долго сохраняет свое обычное жидкое состояние при нормальной температуре и быстро схваты­ вается при нагреве.

Клей в виде жидкости реагирует очень медленно. Для того

чтобы он полностью затвердел, необходимо много месяцев или даже лет. Через несколько месяцев он становится настолько густым, что его использовать уже невозможно. В целях ускорения этой реакции

в клей добавляют отвердитель (катализатор, ускоряющий химиче­ скую реакцию полимеризации в период схватывания клея). В зави­

симости от его состава клеевой раствор делается пригодным

20

к использованию в течение времени, изменяющегося в пределах от

нескольких минут до многих часов. Но клеевой раствор с более дли­

тельным сроком пригодности к использованию требует и более дли­ тельного времени на его полимеризацию при той же температуре. При данной повышенной температуре нагрева период полимериза­ ции является почти пропорциональным сроку пригодности клеевого раствора к использованию, и поэтому в практике применения клеев

обычно идут на компромисс между сроком пригодности клеевого

раствора к использованию и временем полимеризации.

Отвердитель, примешиваемый к клеевому раствору из синтети­ ческих смол, может быть или кислотою или солью, образующей кислоту, которая вступает в реакцию со свободным формальдеги­ дом раствора, понижая pH смеси и тем самым вызывая полимери­

зацию.

При склеивании в холодном или горячем прессе очень важны только химические свойства отвердителя. При склеивании с помо­ щью токов высокой частоты, кроме того, важны его электрические свойства. Сам клей является нейтральным, и электрические свойства определяются исключительно отвердителем, который вместе с водой,

содержащейся в клее, образует электролит. Электрические свойства его могут быть изменены, например, при добавлении солей.

Таким образом, для высокочастотного склеивания применяют не все кислоты, поэтому при использовании неподходящей кислоты клей может обугливаться и даже возгораться. О кислотообразующих солях следует сказать, что некоторые из них дают лучшую реакцию при воздействии токов высокой частоты, чем другие, и поэтому в практике работы необходимо руководствоваться указаниями по этому вопросу как изготовителя клея, так и изготовителя генерато­ ров токов высокой частоты.

Во многих случаях одинаковая комбинация смолы и отвердителя может быть применена во всех цехах предприятия без необходимо­ сти внесения каких бы то ни было изменений в технологический про­ цесс, что позволяет использовать для всех операций склеивания один и тот же клеевой раствор. Это имеет то преимущество, что не может возникнуть опасности применения клеевого раствора неправильного состава при склеивании деталей с нагревом токами высокой частоты.

Кислотообразующие соли при обычных условиях являются

слишком быстродействующими, в результате чего срок пригодности

клея с момента его приготовления очень небольшой. Поэтому в клей

вводят вторую добавку, которая действует как замедлитель. Коли­ чество этой добавки определяет скорость схватывания, а также про­

должительность пригодности клея к употреблению с момента его приготовления. После добавления в клей определенного количества отвердителя содержание кислоты в растворе будет оптимальным с точки зрения схватывания.

Если применяется несоответствующий вид отвердителя, то коли­ чество кислотообразующей соли будет недостаточным для образова­ ния требуемого количества кислоты, вследствие чего увеличится

21

продолжительность схватывания. Поэтому очень важно, чтобы в клей вводилось точное количество отвердителя.

До недавнего времени в клей добавляли только жидкие отвер­ дители. Однако вскоре было установлено, что использование порош­ кообразных отвердителей имеет ряд преимуществ, так как при нагреве схватывание клея с порошковым отвердителем происходит быстрее, чем с жидким.

В табл. I приводятся сравнительные показатели одного и того же клея с жидким и порошкообразным отвердителем одинакового химического состава.

Из табл. 2 видно, что при повышении температуры клея время его отверждения значительно сокращается.

22

Иногда для склеивания с диэлектрическим нагревом применяют клеи холодного отверждения. Эти клеи при более высокой темпера­ туре отверждаются очень быстро, и поэтому можно применять частичный нагрев, при котором затвердевают только определенные участки клеевого соединения, а остальные участки затвердевают без обогрева с последующим выдерживанием вне пресса. Приемлемыми являются и клеи, которые отверждаются при температуре несколько ниже 100°, так как пар, образующийся при 100°, и выделяющиеся газы увеличивают пенистость клея, уменьшают прочность соедине­ ния и во время селективного обогрева в этом случае возможно появ­

ление несклеенных участков.

При использовании клеев, нагреваемых до температуры выше

100°, древесина должна находиться под давлением до тех пор, пока соединение не охладится ниже этой температуры.

Выпускают клей двух главных видов: один — для близко сопри­ касающихся склеиваемых поверхностей, т. е. для образования тонких клеевых пленок, и другой — для сборочного склеивания изделий, т. е.

для образования толстой клеевой пленки. Последний вид клея обла­ дает свойством, благодаря которому клеевая пленка не растрески­ вается и поэтому образует прочное клеевое соединение даже в том случае, если пленка, полученная при холодной полимеризации,

имеет толщину 1,27 мм.

Когда же применяют нагрев токами высокой частоты, клеи, образующие толстые клеевые пленки, дают качество склеивания,

которое не превышает качества склеивания более дешевыми клеями, образующими тонкие клеевые пленки. Быстрая полимеризация повы­ шает их температуру до уровня, превышающего точку кипения содержащейся в них воды, что обусловливает образование пенистой клеевой пленки, которая обладает очень малой прочностью. Поэтому неоправданной является надежда на то, что за счет применения клеев, образующих толстую клеевую пленку, при сборочном склеи­ вании плохо обработанных или неправильно подогнанных деталей в случае применения нагрев» токами высокой частоты можно полу­ чить удовлетворительное качество склеивания.

Вообще не следует увлекаться толстыми клеевыми пленками:

прочность клеевого шва снижается, так как в тонких пленках веро­ ятность нахождения слабых мест (трещин) значительно меньше, а

при усадке толстых клеевых пленок, происходящей при полимериза­ ции клея, появляются значительные внутренние напряжения, ослаб­ ляющие клеевой слой.

Оптимальным следует считать такое нанесение клея, при кото­ ром целиком заполняются все зазоры, вызванные шероховатостью сопрягаемых поверхностей, и по всей площади склеивания получает­ ся непрерывный клеевой слой.

Следует отметить, что в определенных случаях полезно исполь­

зовать различные рецептуры клеевого состава в зависимости от породы склеиваемой древесины и даже ее толщины. Расход клея должен составлять около 150 г на 1 jw2 склеиваемой поверхности.

23

Желательно, чтобы количество клея не превышало 250 г!м2, так как при его избытке увеличивается продолжительность нагревания,

повышается себестоимость и появляется необходимость более часто чистить оборудование. Во всех случаях лучше применять более вяз­ кие (т. е. содержащие меньше воды) виды клея, чем те, которые

используются для обычного склеивания в холодном или нагретом

состоянии. Цена такого клея более высокая, однако время нагрева­ ния сокращается и уменьшается опасность образования дуги.

Братиславский лесной научно-исследовательский институт про­ вел испытания, чтобы определить подходящий способ нанесения клея умакол С и отвердителя. Было установлено, что при диэлек­

трическом нагреве можно использовать следующие составы клея­ щей смолы и отвердителя:

умакол С с отвердителем — хлористым аммонием (концентра­ ция 23%) в соотношении 10 : 1, нанесенный на обе склеиваемые

поверхности;

та же смесь, нанесенная только на одну поверхность; умакол С с кристаллическим хлористым аммонием в количе­

стве 6—15%, нанесенный на одну или на две склеиваемые поверх­ ности;

умакол С, нанесенный на одну склеиваемую поверхность, и

отвердитель — хлористый аммоний концентрацией 23%, нанесенный на другую склеиваемую поверхность и предварительно высушенный на ней.

Если от быстрого нагрева клея вязкость его значительно сни­

жается, то перед сопряжением склеиваемых поверхностей, необхо­ димо нанесенный слой клея подсушить, чтобы его вязкость повыси­ лась до степени прилипания к пальцам.

При температуре около 20° такое состояние клея умакол С достигается за 15—20 мин. При использовании этого клея с кри­ сталлическим отвердителем (хлористый аммоний) вязкость нанесен­ ного слоя можно уменьшить, а в некоторых случаях клеевые поверх­ ности можно соединить сразу же после нанесения клея.

В Англии выпускают специальные марки отвердителя, который можно наносить отдельно при склеивании с нагревом токами высо­ кой частоты. Этот отвердитель дает хорошие результаты и значи­ тельно сокращает период схватывания клея.

Однако раздаются голоса против применения раздельного нане­ сения клеевого раствора и быстродействующего отвердителя, так как подобные отвердители обычно являются сильными кислотами. Эти кислоты наносят на большую площадь поверхностей, чем та, которая покрыта клеевым раствором, что обусловливает образование

хранения на складе, эти излишки кислоты могут вызвать коррозию, например в деталях радиоприемника.

Отмечают также, что при склеивании в поле токов высокой частоты, непосредственно перед началом затвердения или во время

24

его начинается искрение через отвердитель, в результате чего нано­ сятся повреждения и возникает необходимость удалять ту древесину,

на которую попала кислота отвердителя.

Иногда случается, что часть склеиваемых поверхностей плохо прижата друг к другу, в результате чего на полированной поверхно­ сти обнаруживается тонкая линия клеевого раствора. Так как клее­ вой раствор обыкновенно имеет светлую окраску, то эта линия клея становится видимой как белая полоска вдоль линии склейки сосед­ них деталей, что является весьма неприятным дефектом. Чтобы избе­ жать этого, клеевой раствор можно подкрасить анилиновой краской,

придающей ему оттенок, сходный с тоном окраски готового изделия.

Кроме того, если имеется опасность «пробития» клея или выхода клеевого раствора на поверхность облицовочной фанеры во время

фанерования, применение подкрашенного клеевого раствора может оказать значительную помощь при выполнении работ в отделочном цехе. Краситель не влияет ни на прочность клеевой пленки, ни на реакцию при нагреве токами высокой частоты. Таким образом, спо­ соб подкраски клея дает значительные преимущества при весьма незначительных дополнительных расходах.

Нагрев токами высокой частоты вызывает полимеризацию клея, но при нагреве клеевой раствор не может переместиться по склеивае­ мой поверхности в те места, где его недостаточно. Поэтому необхо­ димо, чтобы склеиваемые поверхности древесины были надежно при­ жаты друг к другу до того, как будет включен ток высокой частоты, иначе клей полимеризуется, находясь только на одной стороне клее­ вого соединения. Если возникают какие-либо неполадки при обра­ зовании клеевого соединения, например при склеивании ящика, то можно рекомендовать хороший и легкий способ определения при­ чины этого. Склеиваемый ящик нужно собрать обычным способом

в шаблоне, но вместо включения тока высокой частоты следует

вынуть ящик из шаблона, разобрать на детали и удостовериться в том, что все клеевые стыки находились в шаблоне под воздействием давления. Это легко обнаружить, так как, если часть клеевого раст­

вора перешла с одной склеиваемой детали на другую на всех поверх­ ностях клеевого стыка, значит склеиваемые детали были прижаты в. шаблоне друг к другу, если же нет, то склеиваемые детали не были достаточно сильно прижаты в шаблоне.

В заключение отметим существенные физико-химические свой­ ства некоторых клеев.

Мочевино-формальдегидные клеи холодного и горячего отверж­ дения водоупорны.

Феноло-формальдегидные клеи не только водоупорны, но и стойки к воздействию некоторых химически активных веществ; имеют

темную окраску; склонны к дугообразованию, что затрудняет их

применение при параллельном высокочастотном нагреве.

Меламино-формальдегидные клеи хорошо склеивают в поле то­ ков высокой частоты, бесцветны, водоупорны, жаростойки, не подвер­ гаются разрушению плесенью и некоторыми агрессивными средами.

25

В отличие от этих клеев резорцино-формальдегидные обладают интенсивной темно-красной окраской, что является их недостатком.

Однако они не требуют применения кислого катализатора — в этом их преимущество перед мочевинными клеями.

Сжатие деталей при склеивании

Чтобы при склеивании с нагревом токами высокой частоты полу­ чить наилучшие результаты, склеиваемые поверхности должны нахо­

диться под воздействием достаточно большой силы сжатия или дав­

ления. Плотный прижим склеиваемых поверхностей исключает воз­ можность образования толстой клеевой прослойки и местных пустот, способствует равномерному распределению клея и его адгезии (про­ никновению в древесину). Если давление будет недостаточно высо­ ким, то при быстром нагреве в поле токов высокой частоты клеевой раствор начнет кипеть, выделяя газы и пары и образуя пенистую клеевую пленку, которая может оказаться недостаточно прочной.

Если склеиваемые поверхности сильно сжаты и находятся под

давлением, то точка кипения воды в клеевом слое тоже повышается.

Но это дает возможность склеивать без вспенивания, так как точка кипения воды в клеевом растворе повышается за счет увеличения давления, которое должно иметь такую величину, чтобы клей мог

полимеризироваться до достижения точки кипения.

Чрезмерное давление, помимо образования потеков клея в ре­ зультате его выжимания из стыков изделия, вызывает смятие и раз­

рушение волокон древесины. Клеевые потеки в лучшем случае ухуд­ шают декоративные качества изделия, в худшем же случае являют­ ся причиной замедления процесса склеивания (из-за перераспреде­ ления напряжения), искрения и дугообразования.

Минимальное давление, которое испытывает клеевой шов при склеивании изделий из древесины мягких пород, должно быть 1,75— 2,5 кг/см2. Для древесины твердых пород это давление нужно увели­

тивном случае вследствие перегрева будет происходить вспенивание клея.

Общая величина давления, необходимого для сборки изделия, вычисляется следующим образом: площадь изделия, которая дол­ жна находиться под давлением, умножается на величину потребного удельного давления. Если площадь равняется 645 см2, а удельное давление — 1,76 кг/см2, то общая величина необходимого давления составит 1135 кг. Такое давление легко может быть получено от поршня пневматического или гидравлического цилиндра. Если длина боковой стенки ящика 457 мм, а ширина полосы склеивания 9,5 мм,

то площадь склеивания будет равна 43,4 см2. Таким образом, при удельном давлении 1,76 кг!см2 необходимая сила давления будет равняться примерно 76 кг, а такое давление может быть получено от эксцентрика или коленчатой струбцины.

26

Когда возникает необходимость применять высокое давление,

оно легко и плавно может быть создано поршнями гидравлических цилиндров. При этом потребность в производственной площади мала.

Скорость передвижения поршней сравнительно небольшая, что дает возможность прикладывать давление к склеиваемому изделию плав­

Давление гидравлических цилиндров регулируется более легко, чем пневматических. При склеивании изделий, имеющих различную величину площади склеивания, каждый раз приходится регулировать

общую величину давления. У рабочего должна быть таблица, в ко­

торой были бы указаны величины давления, необходимого при склеи­ вании в каждом конкретном случае, что обеспечит правильный выбор величины давления. Если принимать только максимальное значение, это приведет к созданию чрезмерного давления, в результате в ряде случаев клеевой шов будет рыхлым.

Большая часть обычно применяемых методов получения давле­ ния заключается в использовании пневматических цилиндров, кото­ рые снабжаются сжатым воздухом от центрального компрессора предприятия. Силу давления таких цилиндров можно легко и эконо­ мично изменять в пределах от нуля до максимума, включая редук­ ционный клапан в подводящий трубопровод. Как только клапан управления оказывается открытым, вошедший в цилиндр сжатый воздух развивает полную силу давления на поршень. В результате он с большой скоростью передвигается вперед до тех пор, пока не дойдет до собираемого изделия, которое получает от него сильный толчок. Один из способов устранения быстрого передвижения пор­ шня — помещение в трубопровод, подводящий сжатый воздух,

ограничителя, который уменьшал бы количество поступающего в цилиндр воздуха, хотя окончательная сила давления оставалась бы такою же, как будто никакого ограничителя и не существует. /Гйже при установке этого ограничителя добиться полной остановки или прекращения движения поршня невозможно.

Применение воздушных, масляных и г. п. демпферов сущест­ венно усложняет конструкцию, требует много места и большей

частью замедляет процесс снятия давления, т. е. снижает общую производительность. Но в тех случаях, когда необходимо быстро приложить давление, следует применять пневматические цилиндры.

При другом способе использования сжатого воздуха его нака­ чивают в трубы, например в прорезиненный шланг. В статическом

положении шлангу под действием нажимного бруска, притягивае­

мого на место пружинами, придается плоская форма. Как только впустят сжатый воздух, шланг в поперечном сечении стремится при­

нять форму окружности, но получает противодействие этому со сто­ роны нажимного приспособления, воздействующего на собираемое

27

изделие, которое требует приложения к нему давления, как показано на рис. 13.

Основной недостаток этого способа заключается в том, что вели­ чина возможного передвижения оказывается ограниченной и что, чем больше величина передвижения, тем меньше сила давления,

2 — шланг; 3 — неподвижная деталь

которая может быть получена от такого устройства. В табл. 3 при­ ведены давления для различных величин передвижения на каждые 25,4 пог. мм длины шлангов разных диаметров. В условиях экспе­ римента толщина стенок шлангов была равной 6,4 мм, а давление сжатого воздуха — 5,6 кг!см2.

Таблица 3

Из таблицы следует, что сила давления при увеличении пути передвижения уменьшается до тех пор, пока последний не сделается равным наружному диаметру шланга, когда сила давления стано­ вится равной нулю. На каждом участке длины шланга общая сила

28