ДК 624.072.33.011            Левинский Ю.Б., Савельев В.В. Савина В.В.

                                               (УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ) levinskyi@bk.ru

                                               (Тюменская гос. с/х академия, РФ)                                               

Гнутье древесины, предварительно пластифицированной в высокочастотных полях

Пластификация древесины путем обработки и насыщения ее различными химически активными продуктами широко применяется в производстве многих видов изделий, так как является наиболее эффективным и хорошо опробованным методом регулирования свойств  материала со столь сложной физико-механической и биологической структурой. Как известно, повысить пластичность древесины можно  ее нагреванием в определенном термовлажностном состоянии самой среды и заготовок, подвергаемых модификации. Все это делается для того, чтобы получить в итоге такой древесный материал, который мог бы сохранить целостность своей структуры при значительных деформациях, ударных нагрузках, резании и т.п. Особенно важной оказывается эта проблема при изготовлении гнутоклееных деталей, заготовок и конструкций различного назначения. Как правило, применяют гнутье блока заготовок непосредственно в процессе склеивания тонких пластин (лущеный шпон, пластины – ламели из ценной древесины). При этом плиты формовочного пресса следует нагревать до  высокой температуры, чтобы получить больший эффект пластификации древесины, но в то же время необходимо  исключить термодеструкцию клея. В случаях, когда изготавливают конструкции большого сечения из ламелей значительной толщины (25мм и более), то необходимо обеспечивать выполнение следующих условий:

·        повысить пластичность используемых материалов (клея и древесины);

·        не использовать слишком малые по величине радиусы изгиба, или профилирования конструкций и деталей, их составляющих;

·        до сборки и склеивания производить предварительное гнутье заготовок и фиксировать полученную форму по максимуму.

Лучшим материалом для гнутья являются заготовки, в которых годичные слои расположены перпендикулярно к плоскости изгиба (радиальная распиловка). Для большой эластичности, а, следовательно, податливости древесины в процессе гнутья, заготовки подвергают гидротермической обработке – провариванию или пропариванию в воде. Например, для древесины сосны были рекомендованы следующие условия обработки [ 1 ]: пропаривание при температуре воды 90 – 100 ºС 10, 20, 45 и 60 минут соответственно для толщины 6, 10, 15 и 20мм, и начальной влажности древесины более 30%. Если принять температуру водной среды 60º, то продолжительность обработки возрастает в 1,5 – 2 раза, а при tв = 15º - в 15 – 20 раз. После сушки и фиксации заданной при гнутье формы получается достаточно качественная заготовка, не имеющая резко выраженных дефектов и следов разрешения древесины. Упругость ее будет зависеть от толщины материала, содержания влаги, температуры и продолжительности гнутья. На схеме (рис. 1) показано, что при усушке или разбухании будет изменяться и радиус кривизны R, причем, если это происходит в составе неоднослойной клееной конструкции, например, арки или фермы, то следует ожидать  появления в ней значительных внутренних напряжений, способствующих снижению прочности клеевых соединений. Такое состояние можно прогнозировать по условиям эксплуатации изделий и заранее проводить гнутье до оптимальных параметров профилирования, например на 10 – 20% уменьшая радиус кривизны. Так, при радиальной усушке в 1% угол между концами изменится на 1%, а при разбухании – будет обратная картина.

Пластификации древесины с целью ее последующего гнутья можно достичь относительно простыми способами такими, как пропитка растворами карбамида, щелочей и т.п. При этом достигается достаточно высокая деформативность древесины,  что является крайне необходимым при получении изогнутых форм различных деталей. Тем не менее, в условиях нашей задачи этот путь не всегда эффективен и технологичен.

Если конечным продуктом являются криволинейные балки или конструкционные заготовки для столярно-строительных  изделий, то необходимо обеспечить следующее:

·        оптимальный уровень влажности древесины под склеивание  определенными  клеевыми составами;

·        высокую чистоту (в т.ч. и химическую) поверхности склеиваемых заготовок и предрасположенность ее к качественной адгезии при контакте с клеем и в процессе его отверждения;

·        максимальное сохранение природного потенциала физико-механических свойств древесины, в частности, прочности при различных видах нагружений;

·        удобство в работе с материалами на всех этапах изготовления несущих гнутоклееных конструкций любого масштаба.

В любом случае целенаправленное деформирование древесного материала требует учитывать структуру древесины  и характеристики силовых воздействий. Во – первых, значительно различаются сопротивления сжатию и растяжению вдоль волокон (примерно вдвое). Во-вторых, надежность растягиваемых элементов древесины может оказаться невысокой, т.к. при этом виде нагружений проявляется смятие и скалывание вдоль волокон, что характеризуется весьма малыми сопротивлениями. Причем, скалывание встречается как в чистом виде, так и в сопровождении  растяжения или сжатия при изгибе. Физико-механические показатели древесины очень изменчивы и по некоторым данным вариации составляют от 8 до 35%  [ 1 ]. Это обусловлено совокупностью влияния многих факторов, и,  прежде всего, строением и состоянием самого материала. Например, величина сопротивления древесины разрушению в зависимости от ее влажности рассчитываются по формуле:

      где R15 – сопротивление при влажности 15%, МПа;

             Rw – сопротивление при фактическом значении влажности W, МПа;

              α –  коэффициент, зависящий от вида сопротивления и породы

                     древесины (табл. 1)

Значения коэффициента α                   Таблица 1

Характеристика механического воздействия

α

Растяжение вдоль волокон

0,01-0,02

Сжатие

0,04-0,05

Статический изгиб

0,03-0,04

Скалывание вдоль волокон

0,03

Ударная твердость

0,015-0,02

Следует учитывать, что сопротивление древесины, насыщенной влагой, составляет 55-70% от сопротивления при влажности 15%. В дополнение к этому для древесины характерен эффект «ползучести», который проявляется даже при температуре жилого помещения, но особенно - в условиях нагрева и переменной влажности. На этом явлении и комплексном прогнозировании поведения древесины должен выстраиваться метод эффективного гнутья заготовок, то есть их профилирования со значительной кривизной и без разрушения самой структуры древесины. В естественных условиях эксплуатации деревянных конструкций руководствуются понятием предела долговременного сопротивления, кривой длительного сопротивления (рис. 2) или диаграммой изменения прогиба во времени.

Температурное воздействие на древесину при прессовании и создание  определенных условий пластификации за счет природных компонентов самой древесины переводят ее в материал с весьма высокими механическими показателями, фактически - в древесный пластик.  Такие продукты являются наиболее яркими примерами термической пластификации и гидролизных преобразований древесины. Однако, данный метод не может быть применен для дополнительного гнутья заготовок и закрепления получаемой формы по ряду технико-технологических причин.

Стабилизация формы деревянных заготовок для гнутоклееных конструкций – это, прежде всего, стабилизация заданной структуры древесины. Например, облагораживание древесины, предложенное немецкими специалистами и представленной на рынке под товарным знаком «Platо»  предлагает три стадии процесса [ 2 ]:

·        специальную гидротермическую обработку, так называемую «влажно-тепловая деструкцию»;

·        сушку заготовок;

·        восстановление твердой формы

Эти операции сопровождаются сложным комплексом преобразований в материале – от вымывания определенной доли гемицеллюлозы и лигнина и появления значительного количества реакционноактивных молекул до сушки и необратимой полимеризации. В результате такой обработки достигается следующее:

·        пиломатериалы, заготовки и конструкции из них даже в очень изменчивой среде сохраняют собственную влажность ~ 18% и заданную форму;

·        прочность «облагороженной» древесины значительно возрастает, а долговечность в условиях строительной эксплуатации составляет не менее 15-25 лет

Изделия из такой древесины («Plato-Holz») – это окна, двери, лестницы, элементы конструкций и т.п. Для нас данная тема интересна тем, что при специальной гидролизно-термолизной обработке можно вдвое уменьшить усушку и набухание древесины, достичь стабильности влажности эксплуатируемых конструкций. При влажности воздуха в 60%  равновесная влажность обработанных заготовок составит 8%, а  в предельно насыщенной среде -  не превысит 18%.

На основании проведенного анализа научных и технических разработок определены главные направления исследований по технологии клееных профильных конструкций с предварительным гнутьем заготовок, а именно:

·        изучение способов пластификации и спецобработки древесины, обеспечивающих качественное гнутье древесины;

·        исследование факторов, влияющих на формоустойчивость, прочность и напряженное состояние изогнутых криволинейных несущих конструкций;

·        склеивание предварительно изогнутых деталей в конструкции столярно – строительного назначения.

Традиционный способ гнутья древесины – пропаривание заготовок и сушка в изогнутом состоянии до влажности 8-12 %. Проведенные опыты на образцах сосны подтвердили, что пластификация древесины при нагревании ее в воде с температурой 80-90º вполне удовлетворительна, если изгиб заготовок умеренный, а структура древесины однородная (без пороков, дефектов, косослоя и т.п.) однако, сушка заготовок сопровождается целым рядом проблем, а именно:

·        процесс удаления влаги достаточно длительный;

·        при сушке возникает много дефектов, тем более, что заготовки находятся в изогнутом напряженном состоянии;

·        операции по подготовке древесины к гнутью (прогрев древесины острым водяным паром или специальными химическими веществами) трудоемкие и долговременные.

Проведенные в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии (ТГСА) экспериментальные исследования способа сухой пластификации древесины токами высокой частоты показали, что физико-механическое состояние можно изменить хотя бы в той мере, которая обеспечивает достаточно качественное  гнутье заготовок. Удельно-колебательная мощность нагрева 1800-2200мГц, а мощность из расчета на объем древесины – 70-80Вт/см3. При использовании промышленной установки ТВЧ Винзилинского ДСК температура 85-88ºС достигалась через 12мин (энергоколебательная мощность – 1600мГц), а микроволновой печи (энергоемкость 800-2400мГц) – за 2-3мин. Результаты испытаний для сосновых заготовок радиальной и полурадиальной распиловки приведены в таблице. Влажность древесины до начала прогрева 26…40%, после – 12…20%.

     Группирование образцов по влажности для каждой серии исследований производилось по определенной схеме с учетом условий эксперимента и применяемых установок. Оценкой качества подготовки древесины к процессу гнутья служил  результат деформирования деталей в специальном профилирующем прессе и соответственно появление или отсутствие в них разрушений.

По результатам теоретических изысканий и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1.     Прогрев древесины до состояния пластичности, необходимой для механического гнутья, в установках ТВЧ и СВЧ возможен и более производителен, чем при  гидротермической обработке.

2.     Для получения гнутых профилей из заготовок, прошедших сухую тепловую обработку в высокочастотных полях, необходимо проводить прессование в установках с теплоизолированными  элементами (матрица и пуансон) и сразу же после пластификации, не допуская охлаждения древесины.

3.     Оптимальной является влажность древесины 25-30%, но при условии уменьшения ее до уровня 10-14% к концу процесса пластификации, т.к. в дальнейшем предлагается склеивание заготовок.

4.     Годичные слои, определяющие направленность волокон древесины, должны при прессовании (изгибе) заготовок располагаться параллельно плоскости изгиба.

5.     Предварительно изогнутые детали (ламели) с зафиксированной дугой прогиба обеспечивают получение профильных клееных конструкций высокой устойчивости и прочности.

Литература:

1.     Дерево - строительный материал. Основные показатели физической, химической и биологической прочности, огнестойкости и механической крепости дерева. Н. Матер. ΙΙ всесоюз. конфер. по        дерев. конструкциям. - Ст. №1. под ред. Г.Г. Карлсена. М – Л, 1936, 196 с.

2.     Окна из стабилизированной древесины  прослужат дольше          Бауэлементе – Бау. Интернациональ, вып.10, 2001, 23-25с.