Новости и акции

Новый прайс-лист за Декабрь 2024г. Уже готов к загрузке на сайте! »»

Еще один наш заказчик (Пермский Край) получил лицензию по карантинному фитосанитарному обеззараживанию древесины. »»

читать другие новости »

Подписка на новости

Влияние структуры древесных композитов и фанеры и на их прочность и долговечность
Главная » Технологии » Стройматериалы из дерева, пиломатериалы

Фанера и древесные композиты отличаются сложной структурой и составом, что и определяет их несущую и деформационную способность. Широкий диапазон прочностных свойств позволяет использовать древесные композиты как в отделочных изделиях (ДСП, ДВП), так и в ограждающих и несущих конструкциях (древесина цельного и клееного сечения, фанера).

Было установлено, что для древесины и материалов на ее основе резко проявляется температурно-временная зависимость прочности и ползучести.

В связи с этим для прогнозирования долговечности фанеры древесных композитов необходимо использовать термофлуктуационную концепцию разрушения и деформирования твердых тел, в которой рассматривается тепловое движение атомов как решающий фактор процесса механического разрушения и деформирования, а роль нагрузки проявляется в уменьшении энергии связей. Указанная концепция позволяет, кроме нагрузки, действующей на конструкции и изделия, учитывать влияние температуры и времени их действия, а также особенности структуры, состава и наличие дополнительных факторов (старения, атмосферных воздействий и агрессивных сред).

Для разработки единой методики прогнозирования долговечности древесных композитов (цельной и клееной древесины, фанеры, ламината, ДСП и ДВП) необходимо проследить влияние структуры и состава на механизм их разрушения и потенциальный срок их эксплуатации. С этой целью были проведены длительные испытания в режиме заданных постоянных напряжений и температур. В результате получены экспериментальные зависимости, описывающие процессы разрушения и деформирования в координатах логарифм долговечности (t) от напряжений (s) при вариации заданных постоянных температур.

Из опытов видно, что при разрушении классический вид зависимости, т. е прямой пучок, характерен для композитных материалов с хаотически расположенным наполнителем высокой дисперсности. При уменьшении размера наполнителя происходит переход зависимости: вначале к параллельным прямым (древесные плиты с мелкой стружкой), затем к обратному пучку (ДВП). Такое поведение композитов, по-видимому, связано с ориентационными процессами при прессовании плит. Зависимость в виде обратного пучка характерна и для волокнистых непрерывно армированных материалов, т. е. древесины. Данный факт также объясняется ее ориентацией. Однако при модифицировании древесины наблюдается переход зависимости от обратного пучка к прямому, что говорит о повышении стабильности работы материала.

Для материалов, имеющих слоистое строение, характерен сложный механизм разрушения. Так, фанера по-разному работает в интервале больших и малых напряжений. Соответственно толщина фанеры также влияет на механизм разрушения. Влагостойкая фанера 15 мм имеет значение долговечности большее, чем, например, у фанеры 4 мм. При испытании ламината было обнаружено, что его верхний слой, т. е. полимерная пленка, включается в работу только при 60 градусах. При этом для обоих материалов зависимости принимают вид прямого пучка. А вот для клееной древесины характерно изменение вида зависимости при повышенных температурах (> 40 С). При этом в области низких температур определяющим при разрушении является древесина, что подтверждается видом зависимости: она аналогична зависимости для цельной древесины. Наличие же клеевой прослойки начинает проявляться только при повышенных температурах. При этом вид полученной зависимости аналогичен зависимости для модифицированной древесины.

При деформировании древесина ведет себя несколько иначе: зависимость принимает вид прямого пучка. Это указывает на то, что ориентация в данном случае не определяет характер работы материала. Аналогичные зависимости для древесно-полимерных композитов при разрушении и деформировании одинаковы. С позиции термофлуктуационной концепции, представленные зависимости, описываются логарифмическими уравнениями.

Физические и эмпирические константы, входящие в уравнения, определяются графоаналитическим способом. На их величину оказывают влияние различные факторы: структура материала, размеры наполнителя, его дисперсность и качество, вид нагрузки, а также направление её действия, наличие концентратора напряжений, агрессивные и климатические воздействия. Подробный анализ изложен в работе Киселевой О. А. Физические основы работоспособности строительных материалов из древесины. В качестве примера там приведены величины констант для фанеры ФК, фанеры ФСФ, ДСП, МДФ и других материалов на основе древесины и фенолоформальдегидной смолы при поперечном изгибе.

Аналогичные результаты были получены и для древесных композитов на основе других вяжущих (эпоксидной смолы, битума). Зависимости для большинства исследованных эпоксидревесных композитов, наполненных асбофрикционными отходами и пенополистирольной крошкой, представляют собой прямые пучки и описываются уравнением. Для некоторых композитов зависимость принимает сложный характер: при малых напряжениях линии сходятся в «прямой пучок», а при больших образуют параллели.

В процессе эксплуатации материал подвергается различным внешним воздействиям (УФ-облучению, тепловому старению, жидким агрессивным средам, в том числе и воде), которые данная концепция также позволяет учитывать при прогнозировании прочности и долговечности.

В процессе эксплуатации под действием УФ-облучения и повышенных температур происходит старение фанеры, МДФ, ДСП, приводящее к изменению структуры материала, которое можно выявить с помощью дилатометрических кривых.

Как показали испытания, после длительного теплового воздействия (термостарения) и УФ-облучения у древесных пластиков не меняется вид дилатометрических кривых, т. е. их структура остается стабильной. Однако после термостарения (в течение 200 ч) у ДСП существенно падает коэффициент линейного термического расширения (в 4 раза), что указывает на заметное увеличение его жесткости, связанное с доотверждением или деструкцией фенолоформальдегидной смолы. После УФ-облучения коэффициент линейного термического расширения древесных пластиков практически не меняется, что указывает на их высокую стойкость к фотостарению. По понятным причинам фанера с большим количеством шпона более стойка к фотостарению, так фанера 30 мм обладает лучшими характеристиками, чем фанера 8 мм.

Нарушение связей в композитных материалах проявляется и в закономерностях набухания. Так, для фанеры и древесных композитов после термо- и фотостарения характер зависимостей сохраняется, однако относительная величина набухания уменьшается, что можно объяснить изменениям количества связей. Таким образом, после термо- и фото старения макроструктура древесных композитов, определяемая заполнителем, сохраняется, однако происходит разрушение или образование новых связей в смоле.

Влияние старения по-разному сказывается на прочности и долговечности древесных материалов. При тепловом старении прочность древесины цельного и клееного сечения снижается незначительно; прочность древесностружечных и древесноволокнистых существенно падает, а фанеры растет. Наибольшее падение прочности наблюдается у древесноволокнистых плит. При УФ-облучении прочность натуральной древесины увеличивается на 30 %. На модифицированную парафином древесину УФ-облучение также действует положительно, а на модифицированную полимерами отрицательно. Следует отметить, что на эпоксидревесные композиты термо- и фотостарение не оказывает отрицательного влияния.

В отличие от прочности для всех исследованных древесных композитов под воздействием термо- и фотостарения происходит повышение твердости, что дополнительно подтверждает факт старения связующего.

Влияние старения на долговечность фанеры и древесных композитов учитывается с помощью поправок, величины которых были получены эксперементально. Здесь же приведены данные и по учету влияния некоторых климатических воздействий (многократного замораживания-оттаивания, колебания влажности и температуры).

Ранее было показано, что наиболее опасным для древесины и материалов на ее основе является наличие жидкой среды, приводящей к набуханию и снижению механических характеристик. Закономерности набухания древесных материалов также можно рассмотреть с позиции кинетической концепции и описать уравнением Аррениуса.

Избавиться от негативного действия воды на фанеру и другие древесные материалы можно, используя следующие способы: 1 – модификацию; 2 – использование защитных пленок; 3 – использование водостойкого связующего или водостойкого наполнителя, примером может служить фанера ФСФ или фанера повышенной водостойкости; 4 – увеличением количества связующего.

Первый способ получил широкое применение для повышения водостойкости древесины. В качестве модификаторов были использованы эмукрил М и С, акротам AS 01, эмульсар 257 М, эмульсия 252, керосин, сера и парафин. Оптимальная длительность пропитки древесины составила для серы 30 мин при 130 ºС, парафина – 1 ч при 60 ºС, керосина 7 сут, мономеров – 3 сут. Образцы, пропитанные мономерами, после пропитки подвергались термообработке при температуре 80 ºС в течение 10 ч. Физико-механические характеристики модифицированой древесины были тщательно изучены.

Из опытов видно, что модификация способствует повышению модуля упругости и прочности древесины и фанеры при поперечном изгибе. Причем наиболее высоких значений прочность достигает при использовании эмукрила. При сжатии и скалывании прочность модифицированной древесины и фанеры ниже, чем натуральной. Исключение составляет парафин (при использовании которого прочность при скалывании увеличилась в 1,2 раза) и акратам (прочность при сжатии увеличилась в 1,15 раза). При кратковременном действии воды (менее 2 ч) водопоглощение и набухание модифицированной древесины ниже, чем у натуральной. Однако при ее длительном воздействии низкие значения водопоглощения и набухания сохраняются только для древесины, модифицированной парафином, эмукрилом и акратамом. Для прогнозирования долговечности модифицированной древесины по экспериментальным данным определены поправки, позволяющие учитывать вид модификатора на долговечность древесины.

Для получения водостойких древесных композитов в качестве связующего были выбраны эпоксидная смола и битум, а в качестве наполнителя — древесина, асбофрикционные отходы, резиновая и пенополистирольная крошка. При подборе оптимальных составов варьировались следующие параметры: соотношение количества связующего и наполнителя, а также соотношение самих наполнителей в сложных композитах. Подбор состава осуществлялся по физическим (плотность, разбухание и водопоглощение) и механическим (прочность при изгибе и сжатии, пенетрация) характеристикам.

Введение АФО в качестве второго наполнителя приводит к снижению водопоглощения и набухания композита, а также к увеличению его прочности и плотности, которая может достигать 1070 кг/м3

При введении в эпоксидревесный композит резиновой крошки водопоглощение и набухание также снижаются. Однако при большом содержании резиновой крошки прочность композита падает.

Древеснобитумные композиты обладают низким водопоглощением и набуханием, однако их недостатком является низкая прочность. Для повышения механических характеристик композита в битум добавлялся полимер, в частности эпоксидная смола.

Повысить водостойкость существующих древесных композитов можно путем использования защитного покрытия, играющего роль обоймы, ограничивая тем самым доступ воды.

С этой целью (для уменьшения разрушающего действия влажной среды) в качестве покрытия ДСП можно использовать высоконаполненную композицию на основе эпоксидной смолы с добавлением АФО.

Дата публикации: 30.04.2012