Повышение формоустойчивости щитовых изделий из древесины с использованием эластичных клеевых композиций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Макаренко, Алла Викторовна

• Макаренко, Алла Викторовна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макаренко, Алла Викторовна

Введение

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Обзор и анализ конструкций щитовых изделий

1.2 Факторы, обуславливающие возникновение внутренних напряжений в паркетных щитах

1.3 Анализ способов обеспечения стабильности размеров древесины при переменных температурно-влажностных условиях

1.4 Анализ способов повышения эластичности клеевых соединений

1.5 Выводы 38 1.5 Цель и задачи исследования

Глава 2 Теоретическая разработка исследуемого вопроса

2.1 Разработка математической модели возникновения напряжений в паркетном щите

2.2 Обоснование толщины клеевой прослойки 48 Выводы

Глава 3 Методика исследования

3.1 Исследования геометрических характеристик торцовых поверхностей древесины

3.2 Определение объема впадин микронеровностей

3.3 Определение предела прочности и модуля упругости клеевых пленок

3.4 Определение усадки клея

3.5 Разработка математических регрессионных зависимостей

Глава 4 Результаты экспериментов

4.1 Исследование геометрических характеристик торцовых поверхностей древесины

4.2 Определение объема впадин микронеровностей и толщины клеевой прослойки

4.3 Исследование влияния рецептуры на свойства клеевых композиций 80 Выводы

4.4 Многокритериальная оптимизация клеевой композиции

Глава 5 Технико-экономическая эффективность внедрения научной разработки в производстве 100 Основные выводы и рекомендации 104 Библиографический список 106 Приложение 1. Результаты расчетов параметров параграммой МаКЖгк! 117 Приложение 2 Расчетные и экспериментальные кривые опорной поверхности 131 Акты замеров прогибов щитовых деталей на ОАО «Графская кухня»

Протокол производственных испытаний комбинированного клея

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение формоустойчивости щитовых изделий из древесины с использованием эластичных клеевых композиций»

Актуальность темы. Основными и наиболее распространенными формообразующими конструктивным элементом изделий из древесины в настоящее время являются щитовые детали. Номенклатура изделий, включающих в свой состав щитовые детали, чрезвычайно разнообразна. В первую очередь это щитовые паркетные изделия, корпусная мебель, щитовые двери, стеновые панели и т.п. Качество этих изделий определяется качеством изготовления щитовых деталей, составляющих конструкцию, поэтому к ним предъявляют высокие требования по формоустойчивости и прочности.

Согласно правилам конструирования изделий из древесины детали изделий следует конструировать так, чтобы неизбежные изменения их размеров и формы при эксплуатации были минимальными. Это условие достигается применением клееных конструкций.

Одними из наиболее распространенных конструкциями щитов являются щиты, склеенные из реек из массивной древесины по кромке. Для обеспечения формоустойчивости щита рейки изготавливают с соотношением сторон сечения 1:1,5. При этом для уменьшения коробления используют короткие делянки, стыки которых располагаются по длине щита вразбежку. Кроме того делянки подбирают по расположению годовых слоев, делают обвязку щита рамкой, устанавливают шпонки. Часто щиты делают переклеенной конструкции путем склеивания нескольких тонких щитов пластями с перекрестным расположением волокон древесины в смежных слоях. Такие щиты наиболее формоустойчивы и прочны, но сложны в изготовлении. Широкое распространение получили щиты, изготовленные из столярной плиты, а также щиты рамочной конструкции с ячеисто-реберными или сотовым заполнением, обклеенные с обеих сторон древес-но-волокнистой плитой. Такие конструкции широко используют при изготовлении дверных полотен.

Широкой гаммой клееных конструкций щитов представлены паркетные изделия.

В производстве мебели в настоящее время в преобладающем большинстве все щитовые детали изготавливают из древесностружечных плит или МДФ, которые обладают относительно изотропными свойствами.

Несмотря на все принимаемые меры, коробление в настоящее время является, пожалуй, самым распространенным к непредсказуемым дефектом при изготовлении щитовых деталей.

Причин, вызывающих коробление щитов, множество однако в основе всех их лежит нарушение симметричности щита относительно оси, проходящий через центр сечения параллельно пласти. Ассиметрия может быть вызвана конструкцией щита, разными упруго-пластическими свойствами материалов, применяемых при изготовлении щита, а также технологическими факторами. Обеспечить абсолютную симметричность щита практически невозможно, поэтому коробление на сегодняшний день остается основным дефектом в производстве изделий из древесины.

Целью настоящего исследования является повышение формо-устойчивости щитовых изделий из древесины путем использования при их склеивания эластичных клеевых композиций.

Объектом исследования является технология склеивания щитовых изделий из древесины.

Методика исследований. Поставленные задачи решались посредством теоретических и экспериментальных исследований. Методика исследований соответствовала действующим стандартам и общепринятой в деревообработке. Экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с использованием стандартных прикладных программ для современного персонального компьютера. При проведении экспериментальных исследований использовался униформротатабедьный план и методы многокритериальной оптимизации.

Научная новизна работы.

• Разработана математическая модель коробления под действием внутренних напряжений в паркетном щите, учитывающая возможность отслаивания лицевого слоя от основания по периметру щита.

• Разработана геометрическая модель торцевых поверхностей древесины, отличающаяся использованием параметров, определяющих ее адекватность реальной поверхности и дано математическое описание ее микропрофиля.

• Предложены формулы для расчета объема впадин микронеровностей поверхности древесины и усредненной толщины клеевой прослойки. 7

• Получены регрессионные уравнения зависимости реологических и прочностных показателей композиционных клеев от количества вводимых пластификаторов и наполнителей и определена оптимальная рецептура клея.

Значимость для теории и практики.

• Предложен математический аппарат для определения величины прогиба щита под действием усушки древесины и усадки клеевой прослойки, а также усредненной толщины клеевой прослойки

• Подобраны пластификатор и наполнитель, а также их оптимальные соотношения, обеспечивающие повышение формоустойчивости щитов.

Положения выносимые на защиту.

• Математический аппарат численного расчета величины прогиба щита под действием напряжений, возникающих от усушки лицевого покрытия и усадки клея.

• Математические зависимости, определяющие условия, исключающие отслаивание лицевого слоя от основания по периметру щита.

• Геометрическая модель торцевой поверхности древесины и математическое описание ее микропрофиля для определения толщины клеевой прослойки.

• Уравнения зависимости прочностных и реологических показателей от рецептуры клея.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается адекватностью математических моделей, относительной погрешностью результатов экспериментов, не превышающей 5 %, совпадением результатов, полученных теоретическими расчетами и экспериментальным путем.

Апробация работы. Научные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических семинарах кафедр древесиноведения и механической технологии древесины ВГЛТА; на международной научно-технической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего математического образования по проблемам ускоренного воспроизводства использования и модификации древесины» (Воронеж, 2004); на Всероссийской научно-технической конференции (Москва, 2004); на ежегодных научно-практических конференциях ВГЛТА 2001-2005 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из которых 5 в соавторстве.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 99 страницах машинописного текста. Работа содержит 34 рисунка, 14 таблиц, список использованной литературы из 87 наименований.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Макаренко, Алла Викторовна

Основные выводы и рекомедации

Одним из наиболее распространенных дефектов щитовых изделий является коробление, вызванное асимметричностью конструкции и внутренними напряжениями, возникающими при склеивании.

Установлено, что формоустойчивость щитов в значительной мере зависит от модуля упругости клеевой прослойки, ее толщины и степени усадки при отвердении клея. Толщина клеевой прослойки зависит от геометрических характеристик микропрофиля поверхности склеиваемых материалов.

В результате проведенных исследований установлено:

• микрогеометрия профиля поверхности склеиваемых деталей описывается уравнениями кубической параболы;

• экспериментальным путем получены кривые опорной поверхности и определены коэффициенты уравнений для торцовых поверхностей древесины дуба, березы и осины;

• определены оптимальные значения толщины клеевой прослойки при склеивании паркетных щитов с лицевым покрытием из торцовых плашек;

• предложен в качестве пластификатора карбамидоформальдегид-ной смолы дибутилсебацинат и изучено его влияние на модуль упругости, усадку и прочность клеевых пленок;

• путем многокритериальной оптимизации определено оптимальное соотношение компонентов композиционного клея при использовании в качестве пластификатора поливинилацетатной дисперсии и дибутилсебаци-ната, а в качестве наполнителя гипса и монтмориллонита;

• проведены производственные испытания клеевой композиции и определен ожидаемый экономический эффект от внедрения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макаренко, Алла Викторовна, 2005 год

1. Справочник мебельщика. Конструкции и функциональные размеры. Материалы. Технологии производства Текст. / под ред. к.т.н. В. П. Бухтиярова. М. : Лесная промышленность. 1985. - 182 с.

2. Данилов, В. В. Луценко В.Д. Покрытия полов из древесины и древесных материалов Текст. /ВНИПИЭИлеспром. М., 1986. - 44 с. -Обзор, информ.

3. Гольдман И.А. Технология и оборудование паркетного производства Текст. — М.: Лесная промышленность. 1974. 124 с.

4. Соловов А.М. Состояние производства паркетных покрытий в СССР и за рубежом Текст. /ВНИПИЭИлеспром. М., 1978. - 61 е.: Обзор.

5. Развитие производства однослойных паркетных щитов. Экс-пресс-информ.: Отеч. произ.опыт. Текст. - М.: ВНИПИЭИлеспром, 1985. -32 с.

6. Захаров E.H. Оборудование и технология производства паркетных покрытий //Механическая обработка древесины; Экспресс-информ. Текст. / ВНИПИЭИлеспром. М., 1974. - 8 с.

7. Справочник по древесиноведению, лесоматериалам и деревянным конструкциям. Текст. М.; Гослесбумиздат, 1959. - 320 с.

8. A.C. 400681, Кл. Е 04fl5/04, В 27 м3/04. Способ изготовления паркетного щита. /О.С. Бабков, P.A. Квитайшвили, A.C. Муджирн. Опубл. 01. 10. 1973, Бюл. №40. - 2с.

9. Филонов A.A., Тарасова А.И., Чернышев А.Н. Паркет из низкосортной модифицированной древесины Текст. // Сб. тезисов докл. на ме-ждунар. симпоз. Позрань, 1993. с. 152.

10. Филонов A.A., Глазков С.С. Покрытия для пола из низкосортной древесины Текст. / ЦНТИ; Воронеж, 1997, 2 е.; Инф.л. -№335-97.

11. Филонов A.A. Использование маломерной древесины в производстве паркетных щитов и точенных изделий. Текст. Воронеж: ВГЛТА, 1998. 120 с.

12. Боровиков A.M., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. Текст. -М.: Лесная промышленность. 1989. 296 с.

13. Петровский B.C., Филонов A.A. Форомоустойчивость паркетных щитов с лицевым покрытием из торцовых плашек. Текст. // Вестник Центрально-Черноземного отделения наук о лесе РАЕН и ВГЛТА. — 1998. №1.

14. Гончаров H.A., Башинский В.Ю., Буглай Б.М. Технология изделий из древесины: Учебник для вузов. Текст. 2-е изд. - М.: Лесн. пром-сть, 1990.-528 с.

15. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов. Текст. М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 224 с.16Харук Е.В. Проницаемость древесины жидкостями и газами. Текст. Новосибирск: Наука, 1976. - 190 с.

16. Клеи и процесс склеивания древесины. B.C. Мурзин Текст. Воронеж. лесотехн. ин-т. Воронеж, 1993. 88 с.

17. Физико-химические основы процессов склеивания и прилипания. Текст. Москвитин Н.И. "Лесная промышленность", 1964. — 248 с.

18. Хрулев В.М. Прочность клеевых соединений. Текст. М.: Стройиздат, 1973.-81 с.

19. Хрулев В.М. Долговечность клеевых соединений древесины. Текст. -М.: Гослесбумиздат, 1962.- 158 с.

20. ГОСТ 24329-80. Древесина модифицированная. Способы модифицирования. Текст. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 7 с.

21. Шамаев В.А. Технология и оборудование химико-механического модифицирования древесины карбамидом.: Дис. на соиск. учен. степ, д-ра техн. наук. Воронеж, 1995.-318 с.

22. Bender F. Dimensional stabilization of wood. Ottawa, 1964. - 186 p.

23. Borgan K. The effekt of water repellents on the dimensional stability of. // Norsk skogint, 1961. 15. - p. 507-521.

24. Szamajew W. Niektore aspekty stabilizacje drewna sciesnianego // Modifikacja drewna: Materialy na VI Simposium naukowe. — Rydnyza — 1987. s. 324-329.

25. Szamajew W. Modifikacja drewna samopressovaniem / Modifikacja drewna 89. Poznan. - 1989. - s.287-293.

26. A.C. 74350 СССР, МКИ В 27 К 3/02. Способ снижения гигроскопичности древесины / Изумрудова Г.В., Генель С.В. (СССР). — 4 с.

27. Шутов Г.М., Михайлова М.В., Легчилова Г.Д. Получение трудносгораемой и атмосферостойкой древесины Текст. // Технол. и оборуд. за-гот. и перераб. древ.: Респ. сб. научн. тр. Минск, 1990, - №2. - с.95-97.

28. Роуэнс К.А., Гуибис Л.К. Особенности свойств модифицированной древесины Текст. // Зинатне. Рига. - 1983. - 207 с.

29. Проблемы модификации древесины, перспективы производства и применения в народном хозяйстве Текст. // Полымя. Минск, 1979. - с. 34.

30. Шутов Г.М. Модифицирование древесины термохимическим способом Текст. // Бел НИИНТИ. Минск, 1982. - 60 с.

31. Берсенев A.n. Влияние термической обработки плит из древесины частиц в петролатуме: Сб. науч. тр. Текст. /Уральский лесотехн. ин-т; -Свердловск, 1972. Вып. 26. - с. 18.

32. Золднерс Ю.А. Полимеризация мономеров в структуре древесины Текст. // Теоретические аспекты модифицирования древесины: Тез. док. всесоюз. научн. конф. Рига, 1983. - с. 23-26.

33. Викров Ю.В. К вопросу о модификации древесины фенолоселер-тами. Текст. Сб. науч.тр. // Пластификация и модификация древесины. -Рига, 1970.

34. Шутов Г.М. Современное состояние проблемы модификации древесины. Текст. -Минск.: Бел НИИНТИ, 1979.-38 с.

35. Холькин Ю.В., Шутов Г.М., Эрдман М.Е. Древеснопластические материалы на основе полимеров фуранового типа. Текст. // Деревообрабатывающая пром-сть 1972. - №2. - с. 12-14.

36. Seborg R.M., Stamm A.J. Staipak // Mechanical Engineering. 1945. -67.-p. 25-91.

37. A.C. 70700 СССР МКИ В 27 JI 5/00. Способ пропитки древесины /Генель C.B. (СССР). 4 с.

38. Barnnes Н.М., Choong Е.Т. Mollhenny R.S. Several vapr chemical treatments for dimensional stabilization of wood // Forest Prod. J/ 1969. -V.19. - №3. — p.35-39.

39. Taschenbuch cler Hoeztechnologie. VEB, Leipzig, -887 s.

40. Филонов A.A. и др. Модификация низкосортной древесины отходами нефтехимии Текст. / A.A. Филонов, С.С. Глазков, А.И. Тарасова, С.С. Никулин //Тезисы докл. на междунар. конф. Томск. - 1995, - с. 35.

41. Филонов A.A., Глазков С.С., Томин A.A. Модификация низкосортной древесины хвойных пород с целью рекуперации тонкомерных отходов Текст. //Сб. науч. тр. Воронеж. - 1996, - с. 76-80.

42. Филонов A.A. и др. Повышение формоустойчивостидревесины хвойных пород Текст. / A.A. Филонов, А.И. Тарасова, С.С. Глазков, С.С. Седых //Лесной журнал. 1994, - №4. - с. 108-110.

43. Филонов A.A., Глазков С.С. Покрытия для пола из низкосортной древесины Текст. //ЦНТИ. Воронеж. - 1997, - 2 е.: Инф. л. - №335-97.

44. Филонов A.A. Влияние начальной влажности древесины на качество ее пропитки олигомерами. Текст. / Тезисы докл. на Всеросс. конф. -Воронеж. 1998, -с. 138.

45. Иванов Ю.М., Ленарский Л.О., Ковальчук Л.М. Прочность и напряжения клеевых соединений древесины. Текст. М.: Лесная пром-сть, 1984.- 160с.

46. Иванов Ю.М. Прочность и напряжения клеевых соединений древесины. Текст. -М.: Лесная пром-сть, 1973.

47. Ковальчук Л.М. Производство деревянных клееных конструкций. Текст. ИЗД. 2-е перераб. И дополн. М.: Лесн. про-сть, 1987. -248с.

48. Темкина Р.З. Синтетические клеи в деревообработке. Текст. 2-е изд., М.: "Лесная промышленность", 1971. 288с.

49. Клеи и процесс склеивания древесины: Учеб. Пособие Текст. /B.C. Мурзин; Воронеж, лесотехн. ин-т. Воронеж, 1993. 89 с.

50. Жуков В.П. Технология склеивания древесины. Учебное пособие Текст. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981, 80с.

51. Справочник по клеям Текст. / Составители Айрапетян Л.Х., Заика В.Д., Елецкая Л.Д., Яншина Л.А. Л.: Химия, 1980. - 340с.,ил.

52. Ткачева O.A., Бельчинская Л.И., Филонов A.A. Влияние глинистого минерала на содержание свободного формальдегида и физико-химического свойства карбамидоформальдегидных клеев Текст. // Сб. науч. тр. Воронеж, ВГЛТА. - 2000. - с. 73-75.

53. Ткачева O.A., Филонов A.A., Бельчинская Л.И. Карбамидофор-мальдегидный клей для приклеивания паркетных щитов Текст. // Тезисы докл. на наунно-практич. семенаре. М. - 2002, - с. 27.

54. Бельчинская Л.И., Лавлинская О.В. Перспективные наполнители карбамидоформальдегидных клеев для изготовления экологически чистой фанеры. Текст. // Сб. науч. тр. Воронеж, ВГЛТА. - 2000. - с. 130.

55. Лавлинская О.В. и др. Влияние различных наполнителей на свойства фанеры на карбамидоформальдегидных клеях. Текст. /Мат.лы науч.-техн. конф. Воронеж. - ВГЛТА, 2001. - 305 с.

56. Хрулев В.М. Прочность клеевых соединений. Текст. М.: Стройиздат, 1973.-81 с.

57. Чубинский А.Н. Формирование клеевых соединений древесины. Текст. С.-Петербург, 1992.- 163 с.

58. Пушков А.И., Червинский В.А., Мурзин B.C. склеивание древесины в притык.: Сб. механическая технология древесины. Текст. М. -ВНИПИЭИлеспром, 1973., вып.2-с.12.

59. Мурзин B.C., Червинский В.А. Склеивание кусковых отходов ДСтП.: Сб.мебель. Текст. М. - ВНИПИЭИлеспром, 1974., вып. 6. - с. 18.

60. Мурзин B.C., Червинский В.А. Клеевые композиции технология торцового сращевания отрезков древесины и ДСтП. Текст. // Сб. науч. тр. -Минск, 1974.-с. 48.

61. Способ получения КФ модифицированной смолы. /Пат. 2161855. С 08812/40. Россия мкк7. Опубл. 22.12.2000г.

62. Клей для древесных материалов. / SU167822. C09J161/24./ СССР. Опубл. 23.09.91г.

63. Богарова Е.Е., Дувакина Н.И., Карбамидные смолы модифицированные синтетическим латексом. Текст. / Сн. Пет. Технал. Ин-т. СПб. 1992.-9с.

64. Грубман Ю.В., Мазина Г.Р., Штейнберг С.А., Тематический обзор. Клеи на основе латексов Текст. М.: ЦНИИИТЭ нефтехим, 1984. - 72 с.

65. Адлер Ю.П. Теория эксперимента: прошлое, настоящее, будущее Текст. / Ю.П. Адлер, Ю.В. Грановский, Е.В. Маркова. М.: Знание, 1982. -64 с.

66. Пижурин A.A. Основы моделирования и оптимизации процессов деревообработки Текст. /A.A. Пижурин, М.С. Розенблит. М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 296 с.

67. Пижурин A.A. Исследование процессов деревообработки Текст. /A.A. Пижурин, М.С. Розенблит. М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 232 с.

68. Хрулев В.М., Арисланов О.Н. Технология склеивания модифицированной древесины. Текст. /Минлесбумпром СССР. М., 1984. - 34 с. -(Механическая обработка древесины: Обзор.информ.; Вып.1).

69. Шутов Г.М. Современное состояние проблемы модифицирования древесины. Текст. -Минск.: БелНИИНТИ, 1979.-38с.

70. Хрулев В.М., Склеивание древесины, модифицированной фурфу-ролацетоновым мономером ФА.: Сб.науч.тр. Текст. /Пластификация и модификация древесины. Рига.: Знание, 1970. - 256.262 с.

71. A.A. Филонов, Фактическая площадь контакта и объем поверхности при облицовке древесностружечных плит термопластами. Текст. // Лесной журнал, №4, 1974г. С.87.92.

72. A.A. Филонов, Влияние режима облицовывания древесностружечных плит на объем впадин микронеровностей. Текст. / Деревообрабатывающая промышленность, №11, М.: «Лесная промышленность» 1974 г. С.6.9.

73. Филонов A.A., Михайлов H.A. Некоторые вопросы технологии и конструирования изделий из древесины. Текст. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1978.-34 с.

74. Гарин В.А., Михайлов H.A. Технология изделий из древесины: Учеб. пособие. Текст. Воронеж: Изд-во ВГУ. 1985. - с. 94.

75. Краткая химическая энциклопедия Том 4. Текст. М. : «Советская энциклопедия». 1965. - 1182 с.

76. Краткая химическая энциклопедия Том 2. Текст. М. : «Советская энциклопедия». 1965. - 1216 с.

77. Филонов A.A., Макаренко A.B. Проблемы паркетного производства. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 2 Текст. / Науч. ред. В.А. Пашарников Ф. Воронеж: Воронежская государственная лесотехническая академия 2004. С. 290-294.

78. Макаренко A.B. Использование дибутилсебацината для повышения формоустойчивости щитовых деталей. Деревообрабатывающая промышленность. Текст. №3 2005г.-С. 19-20

79. Макаренко A.B. Влияние рецептуры на прочность клеевых пленок Технология и оборудование деревообработки в XXI веке. Сборник нуач.тр. Текст. /Науч. ред. В.А. Шамаев Воронеж: Воронежская государственная лесотехническая академия 2005. С. 89-90

80. А. В. Макаренко Оптимизация состава клеевой композиции Сборник нуач.тр. Текст. /Науч. ред. Петровского B.C. Воронеж: Воронежская государственная лесотехническая академия 2005.

81. X := data Y := data n := rows (data)

82. Enter degree of polynomial to fit:k:= 3

83. Number of data points: n= 10z:= regress(X, Y,k)

84. Polynomial fitting function:fit(x) := interp(z, X, Y,x)c := submatrix(z,3,Iength(z) 1,0,0)1. Coefficients:cT = (0.0425 -0.620872 3.177448 -1.592852)1. Y mean(Y))0.9991441. Degrees of freedom:n-k-1 = 61. Plots

85. Polynomial Regression ofYon X0 1 +++• X-Ydata1.ast-squares fit

86. Расчет для образца дуба после пиления01 0.0302 0.0803 0.1504 0.2505 0.3806 0.5307 0.6808 0.809 0.91 1