Конструкционные клеи
Клеи для изготовления деревянных конструкций и изделий должны обеспечивать прочность клеевого шва не ниже прочности древесины (шпона) на скалывание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон. Для обеспечения долговечности конструкций и сооружений рекомендуется применять водо- и атмосферостойкие клеи. Строительные детали и изделия, эксплуатируемые внутри отапливаемых помещений, допустимо изготовлять с применением клея средней водостойкости. Клеи представляют собой жидкие композиции требуемой вязкости, содержащие в качестве основного компонента синтетический олигомер (смолу) и различные добавки, которые регулируют технические показатели клеевого состава и конструкционные свойства образуемых ими клеевых соединений.
В группу водо- и атмосферостойких входят фенолформальдегидные клеи горячего и холодного отверждения. Первыми склеивают древесину и другие материалы при нагревании до 120—160 °С, вторыми — при комнатной или несколько повышенной (до 50—70 °С) температуре. Клеи горячего отверждения состоят из жидкой смолы или раствора смолы, а которые при необходимости добавляют ускорители, стабилизаторы, наполнители. Клеи холодного отверждения содержат отвердитель. Ускорителями служат резорцин, резорцин-формальдегидные смолы, гексаметилентетрамин, некоторые окислители (хромпик, перманганат калия), вводимые в количестве 0,2—0,4 мас.ч на 100 мас.ч. фенольной смолы. В качестве наполнителей используют древесную или лигнинную муку, молотые отходы реактопластов (3—5 мас.ч на 100 мас.ч. смолы).
Роль стабилизаторов выполняют спирты, преимущественно многоатомные (этиленгликоль, глицерин). Отвердителями служат органические сульфокислоты: смесь сульфонафтеновых кислот (контакт Петрова), бензолсульфокислота, паратолуол-сульфокислота и др. В технологии клееных деревянных конструкций используют контакт Петрова, который действует мягко, практически не оказывая агрессивного воздействия на древесину. По мере хранения контакта следует контролировать его кислотное число, уменьшающееся при длительном соприкосновении со стенками стальных бочек. Содержание контакта Петрова в клеях холодного отверждения не более 25 мас.ч. на 100 мас.ч смолы. Остальные отвердители — сульфокислоты применяют в виде 70—90%-ного водного раствора, в среднем 20 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы.
Клеи горячего отверждения применяют при изготовлении плитных изделий, панельных конструкций, деталей пола. Холодными клеями склеивают крупногабаритные изделия из досок и брусьев, комбинированные балки. Клеи горячего отверждения отличаются щелочностью, что обеспечивает при растворении достаточно продолжительный срок их хранения и полную безвредность для древесины. Смолы для клеев горячего отверждения содержат мало свободного фенола, что позволяет отнести их к малотоксичным (например, СФЖ-3012, СФЖ-3014). Смолы для клеев холодного отверждения содержат несколько больше свободного фенола, особенно ВИАМ-Б. Смолу СФХ можно считать малотоксичной. В клее на ее основе полностью отсутствуют горючие растворители, имеется стабилизатор.
Жизнеспособность клеев холодного отверждения, т.е. время от момента введения отвердителя до достижения предельно высокой вязкости, недопустимой по условиям сйачивания поверхности, находится в пределах 1,5—3 ч и зависих от температуры в помещении, где производится склейка.
Важнейшими показателями клеев являются вязкость, жизнеспособность, клеящая способность, стойкость к увлажнению, нагреванию, старению. Условную вязкость определяют по времени истечения порции клея из воронки с калиброванным отверстием (вискозиметры ВЗ-4, В-36) и измеряют в секундах. Начальная вязкость находится в прямой зависимости от температуры клея. Так, вязкость фенолформальдегидных клеев при нормальной температуре (18—22 °С) равна 80—100 с, при 46 °С — 40—60 с, а при 10°С — 120—150 с. Для перевода условной вязкости в динамическую 4,65 с истечения клея из отверстия вискозиметра ВЗ-4, наполненного 100 см3 клея, приближенно приравнивают к 1 МПа с. Нормальная вязкость фенолформальдегидных клеев составляет 150—1500 МПа • с. В каждом конкретном случае нормируемая вязкость клея различна: она зависит от впитывающей способности древесины, прилагаемого давления, температуры склеивания, чистоты обработки поверхностей.
Вязкость фенолформальдегидных клеев зависит, кроме того, от возраста смол. Свежеприготовленная смола, только что полученная с завода, образует клей вязкостью 150—450 МПа • с. Долго хранившаяся смола образует высоковязкий клей, который необходимо разбавлять спиртом или ацетоном. Вводить эти растворители допускается в количестве не более 10% массы смолы.
С момента приготовления клея холодного отверждения, т.е. с момента введения в него отвердителя, вязкость возрастает с постепенно увеличивающейся скоростью. Срок, в течение которого клей сохраняет рабочую вязкость, называют жизнеспособностью. При температуре 20 °С жизнеспособность фенолфор-мальдегидных клеев должна быть не ниже 2 ч, что зависит от правильной дозировки отвердителя с учетом его кислотности и температуры воздуха в помещении. При кислотном числе а =80 на 100 мас.ч. смолы требуется вводить определенное количество контакта Петрова.
При значениях кислотного числа, отличающихся более чем на 10% от принятого среднего значения о = 80, количество контакта изменяют пропорционально отношению 80/а. Контакт с кислотным числом более 95 резко сокращает жизнеспособность клея, поэтому его необходимо разводить водой.
Клеящую способность определяют, склеивая данным клеем образцы из древесины дуба или ясеня и затем испытывая их на скалывание по клеевому шву. Влажность древесины должна быть в пределах 7—10%. Режим склеивания должен точно соответствовать паспортным данным клея и требованиям соответствующих инструкций.
Водостойкость клеевых соединений древесины определяют по ГОСТ 17005—82; тепло- и морозостойкость — по ГОСТ 18446—73, стойкость к цикличным температурно-влажностным воздействиям — по ГОСТ 17580—82, атмосферостойкость — по ГОСТ 19100—73. Стойкость соединений на фенолформальде-гидных клеях зависит от правильной дозировки кислого катализатора. Избыток его вредно действует на волокна древесины и повышает хрупкость клеевой прослойки. В то же время преднамеренное занижение дозировки отвердителя приводит к неполному отверждению клея.
Прочность клеевых соединений зависит от свойств отвер-жденной клеевой прослойки (силы сцепления с поверхностью, внутреннего напряжения, жесткости), но в большей степени — от свойств склеиваемой древесины. Прочность клеевой прослойки (когезионная прочность), определяемая растяжением образ-цов-лопаточек толщиной 0,1 —0,2 мм, составляет для фенолформальдегидных клеев 61—62 МПа; прочность клеевого шва древесины дуба, принимаемая за показатель клеящей способности, 15—15,5 МПа; прочность склеивания древесины сосны 9— 9,5 МПа.
Показатели прочности склеивания древесины весьма изменчивы. Кроме породы древесины на склеивание влияет плотность, соотношение ядровой и заболонной частей, процент поздней древесины, смолистость, наличие пороков, влажность до и после склеивания и ряд других факторов. Вариационный коэффициент прочности склеивания древесины составляет 12— 15%. С учетом изменчивости свойств клеевых соединений устанавливают их нормативные расчетные характеристики, которые для соединений древесины сосны на фенольных клеях составляют 6,1—6,3 МПа (скалывание вдоль волокон). Коэффициент однородности при этом колеблется в узких пределах (2,3— 2,73), так как соединения на фенольных клеях разрушаются в основном по древесине.
Длительное (до полугода) действие воды комнатной температуры снижает прочность клеевых соединений примерно на 30%. Для ускоренной оценки водостойкости и скорости старения образцы выдерживают в кипящей воде, при этом прочность по сравнению с выдерживанием в холодной воде снижается на 15—18% и составляет 4,4—4,6 МПа, т.е. примерно половину от прочности в сухом состоянии.
Более прочные и долговечные соединения образуют резорциновые и алкилрезорциновые клеи. Их основу составляют резорциноформальдегидные и алкилрезорциноформальдегидные смолы, отличающиеся повышенным сроком хранения, большей технологичностью и лучшей управляемостью механизмом отверждения. Преимущественное распространение имеют алкилрезорциновые клеи. Смолы отверждаются при введении в них порошкообразного (параформ) или растворенного в воде до 37% (формалин) формальдегида. По условиям реакции соотношение смола:отвердитель должно быть 100:13,5.На практике содержание отвердителя колеблется от 9 до 13,5 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы в зависимости от количества других добавок (наполнителей, модификаторов), а также от температуры склеивания.
В производстве деревянных конструкций и деталей сборных домов используются клеи: резорциновый ФР-12 и алкилре-зорциновые ФР-100 и ДФК/1АМ, выпускаемые комплектно с отвердителем, содержащим до 15% древесной муки для улучшения реологических свойств клея и предотвращения комкования параформа. Клеи содержат 55—60% сухого остатка, имеют вязкость 15—30 с по вискозиметру ВЗ-1, характеризуются слабощелочной реакцией (рН = 7,5—9), жизнеспосбны в течение 1—2 ч (клей ФР-12 — до 4 ч). Жизнеспособность клеев зависит от рН смолы: чем выше рН, тем меньше жизнеспособность, но выше прочность соединений.
Лучшими свойствами обладает клей ФР-12, однако его стоимость высока, а сырье дефицитно. Более доступны алкилре-зорциновые клеи на основе продуктов переработки горючих сланцев ФР-100, ДФК-1АМ. Они имеют несколько меньшую когезионную прочность по сравнению с резорциновым, но вполне достаточную для надежного склеивания конструкций из древесины хвойных пород. Когезионная прочность клеев ФР-12 и ФР-100 составляет соответственно 70 и 62 МПа, модуль упругости 2800 и 2500 МПа, деформации при разрыве 1,3 и 1,4%. Прочность клеевых соединений независимо от породы древесины достигает стабильных значений после 7 сут отверждения при 18—20 °С. Прочность склеивания древесины сосны клеями ФР-12 и ФР-100 соответственно 10,4 и 9,8 МПа, дуба — 16,4 и 15,7 МПа, коэффициент вариации 12,1 —12,5%.
Нормативное сопротивление клеевых соединений древесины сосны при скалывании вдоль волокон составляет для клеев ФР-12 и ФР-100 соответственно 7 и 6,7 МПа. На прочность клеевых соединений, выполненных резорциновым и алкилрезор-циновым клеями, значительно влияют внутренние напряжения. При нормальной относительной влажности воздуха 65% величина внутренних напряжений в соединениях на клеях ФР-12 и ФР-100 достигает 15—16 МПа, т.е. превышает среднюю прочность соединений на скалывание вдоль волокон. Фактически такие напряжения возможны только в материале клеевого слоя, а в клеевом соединении происходит перераспределение напряжений благодаря впитыванию части клея в древесину, повышению ее влажности, улучшению деформационных свойств. В результате внутренние напряжения, действующие в пограничной зоне «клей—древесина», снижаются до 1—2 МПа.
Близкие к резорциновым и алкилрезорциновым клеям свойства имеют более дешевые и менее дефицитные клеи на основе фенолрезорциновых и фенолалкилрезорциновых смол, синтезированных двухстадийным методом. Для склеивания древесины рекомендуются фенолрезорциновый ФРФ-50 и фенолал-килрезорциновый ДФК-14 клеи. Смолы для них ФРФ-50 и ДФК-14 имеют вязкость соответственно 8—13 и 10—30 по вискозиметру ВЗ-1, содержат 3—6 и 4% свободного фенола, жизнеспособны 4—6 и 3—5 ч. Соответствующие клеи получают добавлением к смолам параформальдегида в количестве 8—11,5 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы. Клеящая способность (прочность склеивания древесины дуба) не менее 13 МПа. Соединения обладают повышенной стойкостью к увлажнению, атмосферным воздействиям (см. табл. 5.9) и к циклическому старению при испытании по ГОСТ 17580—82 «Конструкции деревянные клееные Метод определения стойкости клеевых соединений к цикличным температурно-влажностным воздействиям».
Жизнеспособность фенолрезорциновых клеев резко уменьшается при повышении температуры: с 5 ч при 10 °С до 1,5 ч при 20 °С или до 20 мин при 25 °С. Продолжительность склеивания также заметно уменьшается при повышении температуры: с 12 ч при 20 °С до 3—4 ч при 40°С или до 0,5 ч при 60 °С.
Для склеивания конструкций из лиственницы используют клеи фенолрезорцинового типа с повышенной щелочностью, например добавляют в них едкий натр, чтобы частично нейтрализовать действие экстрактивных и смолистых веществ лиственницы. Введение щелочной добавки повышает прочность соединений, но при этом резко уменьшается жизнеспособность клея. Чтобы сохранить ее, уменьшают количество вводимого отверди-теля — параформа. Например, в состав клея на основе смолы ФРФ-50 входят, мас.ч: смола — 100; сухой едкий натр — 2—4; параформ — 10. Полная жизнеспособность клея 90—110 мин.
На качество склеивания древесины лиственницы влияет вязкость клея, которая должна быть повышенной, особенно если древесина влажная. Для повышения вязкости клея ФРФ-50 в смолу вводят наполнители — древесную муку и тонкомолотый гидролизный лигнин. Вязкость клея увеличивается с 50 до 160— 180 с, прочность клеевых соединений сухой древесины лиственницы повышается на 13—16%, а влажной (25%) —на 23—24%. Введение лигнинной муки (7—17%) повышает прочность склеивания лиственницы алкилрезорциновыми клеями ФР-100 и ДФК-1АМ.
Для склеивания древесины лиственницы повышенной влажности можно применять клеи ФР-100, ФР-12, ФРФ-50, наполненные порошком казеина. Эти соединения относятся к группе повышенной водостойкости.
Для склеивания строительных деталей и конструкций, эксплуатируемых внутри помещений с нормальным температур-но-влажностным режимом, используют карбамидные клеи, уступающие по водо- и атмосферостойкости фенольным и резорциновым. Смолы для них — КФ-МТ, КБ-Ф, КФ-БЖ, КФ-Ж. Клеи в основном применяют для паркетных досок, столярных изделий. Карбамидные клеи отверждают горячим и холодным способами. В первом случае отвердителем служит хлористый аммоний (1 — 2%), во втором — щавелевая или лимонная кислота (10—15%). Клеи образуют достаточно прочные соединения, однако их отличает повышенная хрупкость. Для устранения этого недостатка, а также для повышения водостойкости и долговечности смолы для карбамидных клеев или сами клеи модифицируют меламином, фурфуролом, резорцином, водными дисперсиями полимеров и латек сами каучуков.
Наиболее распространены карбамидно-меламиновые клеи. Их устойчивость к температурно-влажностным воздействиям повышается с увеличением содержания меламина (или резорцина). Меламин вводят в смолу в процессе ее синтеза либо добавляют в клей. Для устранения хрупкости клеевых соединений смолы дополнительно модифицируют поливинилацетатной дисперсией. Получаемый по такой технологии карбамидно-меламинополивинилацетатный клей КС-В-СК содержит 65% сухого остатка, 0,8% свободного формальдегида, имеет вязкость 30—50 с по вискозиметру ВЗ-4, характеризуется щелочной реакцией (рН 8,5—9).
В отличие от ранее применявшихся карбамидно-меламино-вых клеев ММС и ММФ клей КС-В-СК лучше отверждается холодным способом, что выгодно для производства строительных конструкций. Для отверждения применяют 10%-ный водный раствор щавелевой кислоты, вводимой в смолу в соотношении 12:100. Отвердителем при горячем склеивании служит хлористый аммоний в сочетании с железоаммонийными квасцами. Введение 3—5 мас.ч. этого соединения на 100 мас.ч. 20%-ного водного раствора хлористого аммония повышает жизнеспособность клея до 5—6 ч и сокращает отверждение до 30—38 с при 100°С. По кратковременной водостойкости клей КС-В-СК приближается к фенольным (после 48 ч склеивания 5,1 МПа, после 3 ч кипячения 4,8 МПа). Водостойкость клея несколько повышается при увеличении количества отвердителя — 10%-ного раствора щавелевой кислоты с 12 до 15 мас.ч. Его когези-онная прочность 57 МПа, модуль упругости 1900 МПа, деформация при разрыве 1,3%. Прочность склеивания древесины сосны 8,2 МПа, клеящая способность 15,3 МПа, вариационный коэффициент прочности 15,6%, нормативное сопротивление клеевых соединений сосны 5 МПа.
При длительном (до полугода) действии воды прочность соединений на клее КС-В-СК снижается более чем на 50% — с 8,2 до 4 МПа, а при циклических ускоренных испытаниях по ГОСТ 17580—82 после 35—45 циклов до 2,3—3 МПа с разрушением по клею на 50—80%. Это ниже, чем у соединений на фенольных клеях, разрушающихся в основном по древесине.
Во внутренней отделке помещений, для встроенной мебели и столярных изделий допустимо применение водно-дисперсионных поливинилацетатных клеев. Их преимущества — полная безвредность и негорючесть, не требуется вводить отвердитель. Клеи разбавляют водой, загущают карбоксиметилцеллюлозой, пластифицируют дибутилфталатом. Основой клея служат не-пластифицированные (Д50М, Д50С, Д50В) и пластифицированные на стадии производства (ДБ48/4н, ДБ47/7с) дисперсии, имеющие около 50% сухого остатка, вязкость 10—40 с, кислотность (рН) 4,5—6. Дисперсии содержат не более 0,5% остаточного мономера и 10—15% дибутилфталата (пластифицированные). Отверждение происходит в результате поглощения воды пористой поверхностью древесины и слипания частиц поливини-лацетата. Соединения на поливинилацетатных клеях неводостойки, нетеплостойки и ползучи под нагрузкой. Этот недостаток отсутствует у дисперсии ПВАД-Ф, модифицированной фе-нольной смолой. При горячем склеивании она образует водостойкие соединения пониженной ползучести.
При необходимости склеивания древесины с металлами, пластмассами, изготовления армированных конструкций применяют эпоксидные клеи ЭПЦ-1, К-153, К-139. Они содержат на 100 мас.ч. эпоксидной смолы ЭД-20 10—20 мас.ч. полиэфирак-рилата МГФ-9 (клей ЭПЦ-1), или 20 мас.ч. тиокола НРБ-2 (клей К-153), или 20 мас.ч. низкомолекулярного каучука СКП-26-1 (клей К-139). Отвердителем служит полиэтиленполиамин (10— 12 мас.ч. на 100 мас.ч. смолы), наполнителем — портландцемент М400 или вибромолотый кварцевый песок, маршалит, фарфоровая мука и т.п. Жизнеспособность эпоксидных клеев 2— 3 ч при условии охлаждения массы (во избежание ее саморазогрева). Когезионная прочность 78—82 МПа, модуль упругости клеевой пленки 3200 МПа. Деформируемость больше, чем у фенольных и резорциновых клеев — 4,8%.
Готовить клеи следует в количестве, не превышающем потребности на 2 ч работы. Смолы разогревают до жидкотекуче-го состояния, затем вводят пластификатор и наполнитель. В последнюю очередь добавляют отвердитель, тщательно перемешивают состав (иногда с охлаждением сосуда) и приступают к работе. Для склеивания древесины с различными материалами (пенополистиролом, асбестоцементом, слоистыми пластиками) применяют эпоксидный клей БОВ-1 холодного отверждения, модифицированный фурфуролоацетоновым мономером ФА. В его состав входит стирол (20 мас.ч.), наполнители (100—200 мас.ч.). Отвердителем служит полиэтиленполиамин.
Полиэфирный клей на основе смолы ПН-1 применяют при склеивании с древесиной стеклопластиков, а также асбестоцемента и других материалов. Для склеивания панельных конструкций и крепления отделочных листовых материалов часто используют каучуковые, эпоксидно-каучуковые и кумаронокау-чуковые клеи.
Деревянные конструкции - Конструкционные клеи
Остались вопросы по теме - "Конструкционные клеи", задайте их на