Технология склеивания строганых пиломатериалов с использованием ультразвуковой диагностики

Актуальность темы

Образование клеевых соединений — сложный физико-химический процесс взаимодействия древесины со связующим, зависящий как от свойств древесины, так и клея. Высокие требования, предъявляемые к несущим конструкционным элементам, требуют от производителей не только обоснованного выбора вида клея и обеспечения условий склеивания, но и подбора пиломатериалов по плотности, изменяющейся в широком диапазоне в стволе дерева и существенно влияющей на физико-механические свойства древесины и конструкций на ее основе.

Определение плотности древесины на стадии сортировки сухих пиломатериалов или ламелей перед склеиванием позволит получать клееные материалы требуемой прочности и биостойкости. Для реализации технологии селективного подхода к склеиванию клееных брусков и брусьев необходим метод, позволяющий в режиме реального времени в процессе обработки регистрировать изменение плотности древесины по объему всей ламели. Использование традиционного метода определения плотности по массе ламели позволяет определить ее среднее значение, которое по длине сортимента может оказаться ниже критического значения, что приведет к изготовлению дефектной продукции.

В процессе изготовления клееных деревянных конструкций вследствие нарушения технологии их изготовления могут образовываться скрытые не-проклееные места, способные привести к разрушению всей конструкции. Диагностика несплошности клеевых соединений также представляется перспективной как в качестве контроля на производстве, так и непосредственно на месте эксплуатации.

Поэтому разработка технологии склеивания, включающей ультразвуковую диагностику и пиломатериалов, и готовой продукции, представляется актуальной.

Цель работы. Повышение качества клееных деревянных конструкций путем входной диагностики плотности древесины и сплошности клеевых соединений в процессе их производства.

Объектом исследования являются клееные сортименты из цельной древесины.

Предметом исследования являются процессы формирования клееных древесных материалов и методы оценки их прочности.

Научной новизной обладают:

1. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности использования акустических неразрушающих методов контроля для оценки прочности клеевых соединений и диагностики внутренних дефектов.

2. Методика сплошного неразрушающего контроля плотности древесины и сплошности клеевых соединений, учитывающая возможное смещение сигнала, вызванное строением древесины.

3. Математико-статистические модели процессов склеивания древесины, описывающие в том числе влияние плотности древесины на прочность клеевых соединений.

Достоверность выдвинутых гипотез, выводов и рекомендаций обеспечена современными методами и средствами научного проникновения, включая ультразвуковую диагностику, микроскопию, обоснованными допущениями и упрощениями при разработке математических моделей, подтверждением адекватности моделейрезультатами экспериментальных лабораторных и производственных исследований. Используемые при проведении экспериментов приборы и оборудование соответствовали необходимой точности для проведения испытаний.

Теоретическая и практическая значимость работы. Подтверждено, что плотность древесины существенно влияет на ее прочность и установлено влияние плотности на прочность клеевых соединений. Определено влияние вида клея на прочность клеевых соединений и биостойкость клееных конструкций. Установлен характер разрушения клеевых соединений древесины разной плотности.

Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования временного теневого метода акустического неразрушающего контроля для прогнозирования прочности клеевых соединений и амплитудного теневого метода неразрушающего контроля для диагностики внутренних дефектов в клееных деревянных конструкциях.

Обоснованы параметры использования ультразвуковых дефектоскопов при проведении диагностики плотности древесины перед склеиванием, а также даны рекомендации по определению параметров ультразвуковых устройств для выявления наличия внутренних дефектов в клееных деревянных конструкциях.

Установлена специфика ультразвуковой диагностики древесины, вызванная ее строением.

Применение в промышленном производстве полученных результатов позволит:

1. Повысить качество формирования клеевых соединений древесины различного функционального назначения путем сортировки ламелей перед склеиванием по плотности.

2. Определять внутренние скрытые дефекты, направляя не соответствующие для несущих элементов ламели в производство продукции иного функционального назначения.

Теоретические, методические и информационные основы исследования. Теоретическую основу исследований составили базовые положения теории адгезии, науки о древесине, теоретические положения неразрушаю-щих акустических методов контроля.

Исследования проводились на основе системного подхода с использованием современных методов и средств научного поиска, планирования опытов и обработки результатов.

Информационную базу исследований составили: патентная информация, материалы научных исследований ведущих специалистов, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, собственные научные исследования, материалы, представленные в сети Интернет.

Основные научные и практические результаты, полученные лично автором:

• теоретически и экспериментально обоснованы методика и средства ультразвуковой диагностики плотности древесины и сплошности клеевых соединенийдоказана необходимость учета смещения ультразвукового импульса в зависимости от направления волокон древесины, изменяющего траекторию движения ультразвукового импульсаопределено влияние плотности древесины на ее прочность и прочность клеевых соединений с использованием воднодисперсионных и полиме-ризоцианатных клеев;

• установлено влияние вида клея на биостойкость клееных конструкций;

• разработана классификация факторов, оказывающих влияние на качество формирования клеевых соединений;

• разработаны математико-статистические модели процесса склеивания цельной древесины.

Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете имени С. М. Кирова на кафедре технологии лесопиления и сушки древесины. Исследования по ультразвуковой диагностике проводились в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 7 международных и российских научных конференциях и симпозиумах в 2007, 2009 — 2011 гг. При поддержке Правительства Санкт-Петербурга выполнено.

3 проекта: «Повышение качества формирования клеевых соединений древесины», 2009 г.- «Исследование влияния плотности древесины на прочность клеевых соединений при использовании воднодисперсионных и изоцианат-ных клеев», 2010 г.- «Прогнозирование прочности клеевых соединений цельной древесины», 2011 г. Промышленная проверка результатов исследований проведена на ООО «ДОЗ Технопарк — Сосново» и ЗАО «КРОНА».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен Патент РФ на полезную модель № 104 584 «Клееный строительный брус».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, библиографического списка из 92 наименований, содержит 130 страниц основного текста, 43 рисунка, 27 таблиц, 7 приложений.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Плотность древесины оказывает существенное влияние на прочность клеевых соединений при склеивании, и носит линейный характер, как и у цельной, при этом усилие и характер разрушения во многом зависит от вида клея. Эмульсионные полимер-изоцианатные клеи в отличие от поливинил-ацетатных лучше поглощаются древесиной, создавая зону пропитанную клеем древесины с равномерно распределенной плотностью, упрочняют поверхностные разрушенные при механической обработке слои, позволяя получать клеевые соединения требуемой прочности при скалывании у древесины плотностью от 450 кг/м и выше.

2. Влияние плотности древесины на прочность ее клеевых соединений подтверждается также и снижением краевого угла смачивания при увеличении плотности.

3. Зависимости между плотностью древесины и ее биостойкостью, плотностью древесины и прочностью ее склеивания, характер влияния вида клея на прочность склеивания древесины и способность клееного бруса сопротивляться воздействию дереворазрушающих грибов, позволяют предположить, что эмульсионные полимер-изоцианатные клеи, вступая в большем объеме (по сравнению с поливинилацетатными) в химическую связь с древесиной, образуют более прочные клеевые соединения, создавая в зоне древесины, пропитанной клеем, вещества с повышенной биостойкостью.

4. ЭПИ клеи более устойчивы к изменению условий склеивания и расходу клея и способны формировать прочные клеевые соединения даже при минимальных значениях параметров в исследуемом диапазоне в отличие от ПВА клеев.

5. Рекомендуемые условия склеивания клееных брусков и брусьев: на.

3 2.

ЭПИ клее: плотность древесины свыше 450 кг/м, расход клея 300 — 350 г/м, давление прессования 0,8 1,0 МПана ПВА клее: плотность древесины.

3 2 свыше 475 кг/м, расход клея 120 140 г/м, давление прессования 0,8 1,0 МПа.

6. Разработанные методики прогнозирования прочности клеевых соединений на стадии сортировки пиломатериалов перед склеиванием и диагностики наличия несплошного клеевого соединения и внутренних скрытых дефектов в готовых клееных конструкциях дают возможность прогнозировать качество будущей продукции. Применение временного теневого метода акустического контроля при частоте импульса 2,5 МГц позволяет определить плотность древесины и провести селективную сортировку пиломатериалов, подлежащих склеиванию, в зависимости от дальнейшего функционального назначения клееных сортиментов, при этом критерием оценки является скорость прохождения ультразвука. При скорости прохождения ультразвука через пиломатериалы ниже 1100 м/с возможно образование клеевых соединений ненадлежащего качества при использовании ПВА и ЭПИ клеев.

7. Установлено существенное отличие прохождения ультразвукового импульса через древесину, связанное с ее направлением волокон по отношению к вертикали, соединяющей излучатель и приемник. Определена зависимость угла смещения ультразвукового импульса от направления волокон древесины.

8. Использование амплитудного теневого метода акустического контроля позволяет определять несплошность клеевого соединения или наличия внутренних пустот, таких, как трещины, сколы, вырывы. Критерием оценки в этом методе является падение шумового давления, при этом частота импульса и уровень шумового давления без дефектов зависит от плотности КДК.

Проведенные исследования подтверждают необходимость обоснованного выбора клея и проведения сортировки пиломатериалов, подлежащих склеиванию, по плотности древесины в зависимости от дальнейшего функционального назначения клееной продукции. Применение ультразвуковых неразрушаю-щих методов контроля экономически целесообразно.