новая папка 2 / 45419

	3					1			2		1		3				4

Рис. 2.2. Схема сборки пакета для прессования: 1 — фанерный образец; 2 — площадка склеивания; 3 — прокладка; 4 — поддон

Образцы закрывают сверху вторым металлическим поддоном и прессуют при температуре 120…180°С (задается преподавателем), давлении 2,0 МПа в течение 5,5 мин. Манометрическое давление прессования (Рман) рассчитывают по формуле

Pман	Pуд	Sнак	1,15	,	(2.2)
		S пл

где Руд — удельное давление, МПа; Sнак — площадь площадок склеивания и прокладок, см2; Sпл — площадь плунжера, 270 см3; 1,15 — коэффициент запаса.

После кондиционирования не менее суток образцы испытывают на сдвиг при растяжении, закрепляя концы пар образцов в зажимах универсальной испытательной машины. Для обеспечения соосности при испытании в зажимы вкладывают подкладки толщиной, равной толщине приме-

няемой фанеры.
Прочность при сдвиге σсдв	вычисляют с точностью до 0,1 МПа по
формуле
сдв =		Рmax	,	(2.3)
		S

где Рmах — разрушающая нагрузка, Н; S — площадь склеивания, м2.

По результатам испытания строят график в координатах: удельный расход связующего, г/м2 — прочность при сдвиге клеевого шва, МПа.

Провести анализ полученных результатов и сделать письменный вывод о влиянии расхода смолы и еѐ концентрации на прочность клеевого соединения.

Вопросы к коллоквиуму

1.Основные теории адгезии.

2.Схема клеевого соединения.

3.Связующие вещества в производстве ДСП. Нормы расхода по слоям.

11

4.Распределение связующего по поверхности древесных частиц.

5.Зависимость прочности ДСП от степени осмоления древесных частиц.

Рекомендуемая литература

1.Леонович А. А. Физико-химические основы образования древесных плит. СПб.:

Химиздат, 2003. 192 с.

2.Шварцман Г. М., Шедро Д. А. Производство древесностружечных плит. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 320 с.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМАЧИВАНИЯ, РАСТЕКАНИЯ И РАБОТЫ АДГЕЗИИ СВЯЗУЮЩЕГО К ДРЕВЕСНОЙ ПОДЛОЖКЕ

В производстве ДСП на древесные частицы наносят жидкое связующее, которое распределяется по поверхности стружки не сплошным слоем, а в виде отдельных капель. Большую роль при приготовлении стружечноклеевой смеси играют физические явления смачивания и растекания раствора смолы.

Условия смачивания и растекания жидкости по поверхности любого твердого тела определяются действующими когезионными и адгезионными силами и свободной энергией поверхностей трехфазной системы твердое тело — жидкость— газ. Действие сил в этой системе можно проследить на примере капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела

(рис. 3.1).

Жидкость

Твердое тело

Рис. 3.1. Действие сил поверхностного натяжения на каплю жидкости на поверхности твердого тела

В точке 0 тангенциально к межфазным поверхностям действуют следующие силы: свободная поверхностная энергия или эквивалентное ей поверхностное натяжение твердого тела на границе твердое тело — газ (вектор тг) стремится растянуть каплю; в обратном направлении действует свободная поверхностная энергия на границе твердое тело — жидкость (вектор тж); И, наконец, свободная поверхностная энергия жидкости на границе с газом также стремится удержать каплю. Вектор этой силы жг

12

направлен по касательной к поверхности капли и образует с поверхностью твердого тела угол (тета), который условно измеряют со стороны жидкости и называют краевым углом смачивания.

Если капля жидкости после нанесения на поверхность твердого тела не растекается под действием сил поверхностного натяжения и занимает устойчивое положение, наблюдается равновесие системы сил.

Условие равновесия системы:

тг = тж + жг cos θ.		(3.1)
Из распределения сил, представленных на рис. 3.1, видно, что расте-
кание жидкости улучшается с повышением	тг и понижением	тж и жг.
Величина краевого угла смачивания	может количественно характе-

ризовать способность жидкости растекаться и смачивать поверхность твердого тела и при известном значении поверхностного натяжения жидкости позволяет определить адгезию между твердым телом и жидкостью. Работа адгезии характеризуется энергией, которую необходимо затратить для разделения двух фаз, находящихся в контакте.

При разделении фаз вместо одной границы раздела твердое тело — жидкость возникают две новых поверхности раздела твердое тело — газ и жидкость — газ. Работа адгезии в этом случае будет равна разности между суммой свободных поверхностных энергий возникших поверхностей раздела и свободной поверхностной энергии на границе твердое тело — жидкость и определяется по формуле Дюпре:

Wтж = тг + жг – тж .

(3.2)

Подставив в формулу значение тг из условия равновесия капли на поверхности твердого тела, получаем известное уравнение Юнга:

Wтж =	жг (1 + cos θ).	(3.3)
При постоянном значении	жг адгезия жидкости к твердому телу и,

следовательно, смачивание твердого тела характеризуются величиной

краевого угла . Чем меньше краевой угол	, тем больше адгезия жидкости
к твердому телу и лучше растекание.
При краевом угле , равном нулю, cos	= 1, а Wтж = 2 жг, т. е. адгезия

жидкости к твердому телу равна когезии жидкости. В этом случае происходит полное смачивание поверхности и растекание жидкости. Условно можно считать, что тело в той или иной мере смачивается, когда угол острый (рис. 3.1) и cos > 0. При краевом угле больше 90° можно говорить о несмачивании поверхности жидкостью.

13

Цель работы:

— определение значения краевого угла смачивания и поверхностного натяжения связующего к древесной подложке.

Определение краевого угла смачивания связующего на древесной и стеклянной подложках

Материалы и оборудование

Смола карбамидоформальдегидная товарной концентрации; древесный шпон; стеклянная пластина; микроскоп стереоскопический МБС-2; катетометр RFUESS; стеклянные стаканы вместимостью 25...50 см3; весы с погрешностью взвешивания до 0,1 г; пипетка вместимостью 5 см3 с ценой деления 0,1 см3; микропипетка для капли вместимостью 0,03 см3.

Порядок проведения работы

В стеклянном стакане взвешивают 10 г смолы. К смоле добавляют рассчитанное количество воды для доведения ее концентрации до 40...65% (концентрация задается преподавателем).

Древесный шпон выравнивают и с помощью кнопок закрепляют на древесной подложке, на шпон наносят микропипеткой каплю смолы объемом 0,03 см3. Через 2 мин после нанесения измеряют диаметр капли вдоль и поперек волокон подложки с помощью микроскопа и высоту капли с помощью катетометра.

Тангенс краевого угла смачивания рассчитывают по формуле

	tg др		4dh		,	(3.4)
		( d 2	4h2 )

где — краевой угол смачивания, град.; d — диаметр капли, мм; h — высота капли, мм.

Находят площадь капли (Sк) по формуле площади эллипса:

Sк =

r1 r2,

(3.5)

где r1 — малый радиус эллипса, мм; r2 — большой радиус эллипса, мм. Результаты испытания представляют в виде графиков изменения Sк, d,

h и др вдоль и поперек волокон образца при трех концентрациях смолы. Аналогично определяют краевой угол смачивания смолы на стеклянной

пластине ( ст).

Провести анализ полученных результатов и сделать письменный вывод о влиянии концентрации смолы на смачивание и растекание еѐ по древесной и стеклянной подложкам.

14

Определение поверхностного натяжения связующего и адгезии его к древесной подложке

Материалы и оборудование

Смола карбамидоформальдегидная; ареометр для жидкостей с плотностью 1100...1250 кг/м3; вискозиметр капиллярного типа ВПЖ-4 с известным диаметром капилляра; катетометр RFUESS; стеклянный цилиндр вместимостью 200 см3; стеклянный стакан вместимостью 100...200 см3.

Порядок проведения работы

В стеклянном стакане вместимостью 200 см3 взвешивают 100 г товарной смолы известной концентрации, добавляют рассчитанное количество воды для доведения ее концентрации до уровня, принятого при определении краевого угла смачивания. Полученный раствор смолы переливают в стеклянный цилиндр. В жидкость в цилиндре осторожно опускают ареометр, не выпуская его из рук до тех пор, пока не станет очевидно, что он плавает. Ареометр должен находиться в центре цилиндра и не касаться стенок и дна цилиндра.

Отсчѐт плотности проводят по делениям шкалы ареометра. Деление, против которого установился верхний мениск жидкости, характеризует величину плотности. После определения ареометр обливают водой и вытирают.

Метод определения поверхностного натяжения жидкости на границе с воздухом основан на эффекте поднятия жидкости в капилляре. Испытания проводят в капиллярном вискозиметре, имеющем широкую и капиллярную трубки. Вискозиметр закрепляют в штативе строго вертикально, через широкую трубку заливают анализируемый раствор смолы в количестве, необходимом для заполнения капилляра на среднем уровне. За счет силы капиллярного поднятия жидкость в капилляре устанавливается на более высоком положении, чем в широкой трубке.

Разность уровней жидкости в капилляре и широкой трубке измеряют с помощью катетометра. Отсчет ведут как от верхней части мениска в капилляре, так и от его краѐв, соприкасающихся со стеклом. Измеряют положение плоской поверхности в широкой трубке, верхней части мениска и точки соприкосновения мениска со стенкой капилляра. В результате получают разность уровней между верхней точкой мениска и плоской поверхностью (ho) и между верхней точкой и краем мениска ( h). Истинное значение поднятия жидкости в капилляре в мм рассчитывают по формуле

h = h0	+	h	.	(3.6)
	3

По окончании работы вискозиметр необходимо промыть несколько раз бензином, затем петролейным эфиром. После растворителя промыть

15

водой и залить не менее чем на 5…6 часов хромовой смесью. После этого вискозиметр промывают дистиллированной водой и сушат.

Значение поверхностного натяжения ( жг) определяют по формуле, Н/м:

	жг	r	см h g	,	(3.7)
		2	cos θст
	где r — радиус капилляра, м;	см — плотность смолы, кг/м3; h — высота

поднятия жидкости в капилляре, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; ст — краевой угол смачивания смолы на стекле, град.

По согласованию с преподавателем вместо ст можно в уравнение (3.7) поставить полученное значение др.

Значение работы адгезии (Wтж) для поверхности раздела древесина — связующее рассчитывают для поверхности контакта площадью 1 м2 (S) по формуле, Дж/м2:

	Wтж	жг	(1 cos	др ).	(3.8)
	S

Результаты испытания представляют в виде графиков изменения Wтж при трех значениях концентрации смолы, затем производят оценку погрешности опытов.

Полученные значения работы адгезии используют для расчета теоретической прочности клеевых соединений, изготовленных в ходе предыдущей лабораторной работы.

По данным табл. 3.1 находят площадь древесины, покрытой связующим, при удельном расходе его, принятом при изготовлении клеевых швов.

Т а б л и ц а 3 . 1

Степень покрытия древесины связующим при дискретном нанесении его на площадки склеивания

Удельный расход связующего, г/м2	Площадь древесины, покрытая связующим, %
1	3,3
2	7,8
4	15,3
6	22,4

Теоретическую прочность клеевого соединения (			теор) определяют так:
теор	Кs Wтж	,	(3.9)
	100 S

16

где KS — доля древесины, покрытая связующим, %.

Сравнивают значения расчетной и фактической прочности клеевых соединений при различных расходах связующего, определяют коэффициент добротности (Q) по формуле, %

Q	факт	100	.	(3.10)

теор

Провести анализ полученных результатов и сделать письменные выводы

—о влиянии концентрации смолы на поверхностное натяжение и адгезию еѐ к древесине;

—о причине отличия теоретической прочности клеевых соединений древесины от фактической.

Вопросы к коллоквиуму

1.Удельная свободная поверхностная энергия.

2.Явление смачивания и растекания связующего по подложке.

3.Природа поверхностного натяжения жидкости.

4.Определение работы адгезии с использованием уравнения Дюпре–

Юнга.

Рекомендуемая литература

1. Леонович А. А. Физико-химические основы образования древесных плит. СПб.:

Химиздат, 2003. 192 с.

2. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Справочник / А. А. Абрамзон, Л. Е. Боброва, Л. П. Зайченко и др. Л.: Химия, 1984. 392 с.

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСНОЙ СТРУЖКИ И УДЕЛЬНОГО РАСХОДА СВЯЗУЮЩЕГО В ПРОИЗВОДСТВЕ ДСП

Для качественного склеивания частиц при изготовлении ДСП большое значение имеет расход связующего на единицу их поверхности. Площадь поверхности стружки зависит от ее фракционного состава и размеров частиц отдельных фракций. При изготовлении стружки невозможно получить древесные частицы одинаковых размеров, поэтому для характеристики стружки пользуются понятием ее фракционного состава. Фракционный состав обусловлен распределением частиц по группам размеров и показывает долю каждой группы в процентах по отношению к общей массе

17

стружки. Размер частиц данной фракции характеризуется средними размерами по длине, ширине, толщине и номером фракции. Номер фракции, например, 5/3 означает, что ее частицы прошли через сито с диаметром отверстий 5 мм и задержались на сите с диаметром отверстий 3 мм.

ДСП производят из специально изготовленных древесных частиц, имеющих различные размеры для наружных и внутреннего слоев плиты. Требования, предъявляемые к стружкам для формирования разных слоев плиты, приведены в табл. 4.1.

				Т а б л и ц а 4 . 1
Средние значения размеров древесных частиц
	для формирования слоев ДСП
	Значение параметров, мм
Параметры	для наружных слоев плит			для внутреннего
	с мелкоструктурной	с обычной		слоя плит всех
	поверхностью	поверхностью		марок
Толщина, мм, не более	0,25	0,40		0,80
Ширина, мм, не более	1,5	2		10
Длина, мм, не более	5	20		30

Цель работы:

—определить фракционный состав древесных частиц и линейные размеры стружек отдельных фракций;

—сделать вывод о том, в каком слое плиты можно использовать анализируемую стружку;

—определить удельный расход связующего для этой стружки.

Материалы и оборудование

Древесная стружка; весы с погрешностью взвешивания до 0,1 г; ситоанализатор; набор сит с диаметром отверстий 10, 7, 5, 3, 2, 1 и 0,5 мм; металлическая линейка с ценой деления 1 мм; микроскоп МБС-2; толщиномер с ценой деления 0,1 мм; микрометр с ценой деления 0,01 мм.

Порядок проведения работы

Определение фракционного состава стружки проводят на ситоанализаторе. Устанавливают набор сит в ситоанализатор колонкой одно на другое, начиная с меньшего размера, взвешивают 50 г стружки и засыпают ее на верхнее сито с диаметром 10 мм. Время фракционирования 30 мин.

После фракционирования частицы с каждого сита и нижнего поддона отдельно взвешивают, и массу каждой фракции выражают в процентах от общей навески.

18

Из каждой фракции отбирают методом квартования 30…50 древесных частиц, у которых замеряют длину, ширину и толщину. Длину и толщину частиц фракций –/10…5/3 определяют с помощью металлической линейки и толщиномера соответственно. Длину частиц меньших фракций и ширину частиц всех фракций определяют с помощью микроскопа МБС-2, а толщину частиц фракций 3/2…0,5/0 — с помощью микрометра.

Обработка результатов испытаний, определение расчетных величин

Средние арифметические значения фракционного состава стружки и размеров частиц отдельных фракций вносят в табл. 4.2.

				Т а б л и ц а 4 . 2
Фракционный состав и размеры частиц по фракциям
	и в целом по стружке
Размер ячеек сит,	Фракционный		Размеры частиц, мм
мм	состав, %	длина		ширина		толщина
–/10
10/7
7/5
5/3
3/2
2/1
1/0,5
0,5/0
Средние размеры
стружки

Рассчитывают значения средних размеров стружки:

n fk lk ;

n

n fk hk ,

l

b

fk bk ; h

(4.1)

k

1

k

1

k 1

где l , b , h — средняя длина, ширина, толщина стружки, мм;

fk — доля k

фракции; lk ,bk ,hk — длина, ширина, толщина частиц k фракции; n — чис-

ло фракций древесных частиц.

Средние размеры стружки сравнивают с требованиями табл. 4.1, делают вывод о назначении исследуемого материала в производстве ДСП.

Рассчитывают значения условной поверхности древесных частиц одной фракции. Для этого принимают, что частица имеет форму параллелепипеда, м2/кг:

103 2 ( l		b		l	h		b h )
Sk		k	k		k	k	k k		,	(4.2)
		äð	lk	bk		hk
										19

где Sk — условная площадь частиц k фракции, м2/кг; ρдр — плотность древесины при абсолютной влажности W, кг/м3.

Значения плотности древесины при влажности 12 % основных пород, произрастающих в России (умеренная зона) и применяемых в производстве ДСП, приведена в табл. 4.3.

Т а б л и ц а 4 . 3

Средние значения плотности древесины при влажности 12%

Порода	ρ, кг/м3
Сосна обыкновенная	505
Ель	445
Береза	640
Ольха	525
Осина	495

Плотность древесины при влажности от 0 до 30% рассчитывают по следующим формулам, кг/м3:

	— для березы	ρW	0,975	12	(100 W )		,	(4.3)
			100		0,6 W

	— для остальных пород		0,946 12		(100 W )		.	(4.4)
		W		100	0,5 W
	Условную поверхность стружки определяют по формуле, м2 /кг:
	S	n fk Sk .						(4.5)
	k	1

Расчет удельного расхода связующего в производстве ДСП проводят на основании полученных данных условной поверхности стружки и величины расхода связующего при изготовлении плит, приведенных в табл. 4.4.

Ρуд	10		,	(4.6)
		S

где Руд — удельный расход связующего, г / м2; Р — расход абс. сухого связующего по отношению к массе абс. сухой стружки (по данным табл. 4.4), %.

20