2.3. Технология клееных материалов и плит

Изучение данного раздела дисциплины целесообразно начать со знакомства с классификацией клееных материалов и плит. Основными видами клееной слоистой древесины являются фанера и древесные слоистые пластики. Фанерная продукция подразделяется на фанеру общего назначения и специальные виды фанеры, такие как фанера авиационная, бакелизированная, декоративная, композиционная, карбофан. Качественные характеристики различных видов фанеры и области их применения описаны в [14, 15, 16].

К древесным плитным материалам из измельченной древесины относят древесностружечные (ДСтП) и древесноволокнистые плиты (ДВП, МДФ), ориентированные стружечные плиты (ОСП), цементно- и гипсостружечные плиты. Классификация и свойства плит подробно описаны в [17] стр. 6–48.

Клеи являются важнейшим компонентом клееных древесных материалов. При производстве клееных композитных материалов на основе древесины наиболее часто используются жидкие термореактивные клеи синтетического происхождения, в частности клеи на основе карбамидоформальдегидных, фенолоформальдегидных и меламиноформальдегидных смол.

Основными достоинствами клеев на основе карбамидоформальдегидных смол являются их низкая стоимость, высокая прочность получаемого клеевого слоя, малое время отверждения. Недостатками – ограничен­ная водо- и теплостойкость, хруп­кость клеево­го шва, большая усадка клея. Материалы, склеенные с использованием карбамидоформальдегидных клеев, ввиду малой атмосферостойкости в основном эксплуатируют в помещениях. В сравнении с карбамидоформальдегидными, фенолформальдегидные клеи обладают более высокой стойкостью к действию воды и тепла, однако они токсичнее и имеют большую продолжительность отверждения. Подробно марки клеев, их свойства и способы модификации описаны в [18] на стр. 5–10, 36–62.

Технология лущеного шпона и фанеры общего назначения описана в [14, 15, 18]. Технологический процесс производства лущеного шпона включает следующие основные операции:

– доставка и хранение сырья;

– раскрой кряжей на чураки;

– окорка сырья;

– гидротермическая обработка сырья;

– лущение чураков;

– раскрой ленты шпона на форматные листы и отбор кускового делового шпона;

– сушка шпона;

– сортировка;

– ребросклеивание делового кускового шпона;

– починка листов шпона;

– маркировка.

Сырьем для изготовления лущеного шпона являются круглые лесоматериалы 1-го и 2-го сортов с диаметром для лиственных пород не менее 16 см, для хвойных – не менее 18 см. Наиболее широко используемой породой является береза. К достоинствам этой породы относятся малая сбежистость, однородность структуры.

Сырье на предприятие доставляют в кряжах. Кряжем называют отрезок нижней, комлевой части ствола с длиной, кратной длине чураков. Чурак – короткомерный круглый сортимент (отрезок кряжа), длина которого соответствует размерам, необходимым для обработки на лущильных станках.

Доставка сырья на склад может осуществляться сухопутным (автомобильным или железнодорожным) либо водным транспортом. При хранении кряжей на складе свыше 3 суток в летнее время, необходимо принять меры по предотвращению поражения древесины деревоокрашивающими грибами. Методы защиты фанерного сырья описаны в [13], [18] стр. 72–74.

Для распиловки кряжей на чураки используют круглопильные балансирные станки, поперечно-пильные станки с возвратно-поступательными движениями пилы или цепные пилы. Окорка сырья может производиться как на специально для этой цели предназначенных окорочных станках, так и на лущильном станке. Окорка на лущильном станке нежелательна, т. к. абразивные вещества, содержащиеся в коре (песок), вызывают затупление лущильного ножа.

Гидротермическая обработка сырья (ГТО) проводится для повышения пластичности древесины и предотвращения растрескивания шпона в процессе лущения. Гидротермическая обработка может проводится двумя способами: провариванием в варочных бассейнах либо пропариванием в парильных ямах или автоклавах. При производстве лущеного шпона чаще используется проваривание.

Оптимальная температура сырья после ГТО составляет 20–40ºС для мягколиственных пород и 40–50°С – для хвойных. Проваривание может производиться по мягким либо жестким режимам. Температура воды при использовании мягкого режима составляет 35–45°С. Достоинством такого прогрева является равномерный нагрев древесины по всему объему кряжа (чурака) и, как следствие, высокое качество шпона. Температура воды в бассейне при жестком режиме обработки находится в диапазоне 70–90°С. Это позволяет сократить время прогрева и, соответственно, увеличить производительность варочных бассейнов, однако из-за неравномерного распределения температуры по сечению чурака качество шпона снижается.

Гидротермическая обработка может проводиться как до, так и после разделки кряжей на чураки. Оборудование, используемое для гидротермической обработки кряжей и чураков, описано в [3] на стр. 58–75, [11] на стр. 66–72.

Лущение чураков производят на лущильных станках. Конструкции и принцип действия лущильный станков описаны в [19] стр. 472–484, технические характеристики станков приведены в [18] стр. 87. Схема лущения показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Лущение чурака: 1 – чурак; 2 – нож; 3 – прижимная линейка; 4 – лента шпона

Прижимная линейка служит для обжима шпона. Давление линейки на шпон в зоне резания позволяет уменьшить опасность его растрескивания. Обжим осуществляется за счет того, что просвет между кромкой линейки и ножом устанавливается меньше толщины шпона. Вместо прижимной линейки может использоваться вращающийся прижимной ролик. Использование ролика исключает забивание зазора шпоном.

Качество шпона существенно зависит от угловых параметров ножа и линейки и способа их установки по отношению к чураку. Требования к этим параметрам приведены в [18] на стр. 84–85.

При лущении получают следующие виды продукции в порядке их выхода из чурака: шпон-рванина, кусковой шпон, непрерывная лента форматного шпона с шириной, равной длине чурака, карандаш. Шпон-рванина представляет собой отходы, образующиеся при оцилиндровке сырья. На ее долю шпона-рванины приходится 20–28% от общего объема чурака. Количество рванины зависит от сбега, кривизны чурака, степени отклонения формы его сечения от правильного круга. Объем зоны кускового шпона составляет 4–7%. Куски шпона, длина которых достигает половины длины чурака, а ширина – более 150 мм называются короткими деловыми кусками. Куски, длина которых равна длине чурака, а ширина более 150 мм называются длинными деловыми кусками. Выход форматного шпона составляет 57–59%. Карандаш, как и рванина, является отходом. Диаметр карандаша зависит от диаметра малого шпинделя лущильного станка, глубины прогрева чурака при тепловой обработке и составляет 65–90 мм. Доля карандаша в чураке 15–17%.

Процент выхода делового шпона из чурака в значительной степени зависит от правильности выполнения центрирования при его установке в лущильном станке. Операция центрирования заключается в нахождении оптимальной (экономической) оси чурака и совмещении ее с осью вращения шпинделей.

Прием ленты шпона из лущильного станка может осуществляться двумя способами:

1) лента шпона, выходящая из лущильного станка, сворачивается в рулон. Этот метод применяется при лущении сырья больших диаметров;

2) лента шпона от лущильного станка поступает на конвейер-накопитель, где создается запас шпона. Для увеличения вместимости приемного конвейера и сокращения его длины может использоваться укладка ленты шпона петлями с помощью петлеукладчика, либо установка конвейеров-накопителей в несколько этажей.

Раскрой ленты шпона на форматные листы чаще всего осуществляется с использованием форматных ножниц гильотинного типа, либо роторных ножниц.

Сушка шпона до влажности 6–8% производится в специальных сушилках. С конструкцией и техническими характеристиками сушилок можно ознакомится в [18] стр. 97–106.

После сушки шпон сортируют в зависимости от наличия сортообразующих пороков, к которым относятся сучки, трещины, грибные окраски, ложное ядро, прорость, шероховатость, ворсистость, горбатость, и т. п. Шпон подразделяют на пять сортов: E (элита), I, II, III, IV – для лиственных пород; E_х (элита), I_х, II_х, III_x, IV_х – для хвойных пород.

Операция починки предназначена для повышения качества шпона. Она заключается в устранении обнаруженных дефектов – сучков, трещин. Трещины стягиваются гуммированной лентой или скобами. Участки шпона, содержащие сучки, вырубаются на шпонопочиночном станке, который устанавливает на их место вставки из здоровой древесины. Вставка крепится в листе с помощью клея либо за счет натяга (для этого размеры вставки должны на 0,1–0,2 мм превышать размеры отверстия).

Ребросклеиванием называется операция по соединению полос делового кускового шпона в форматные листы. Ребросклеивание можно проводить следующими способами: клеевой лентой на бумажной основе; синтетической нитью, покрытой термопластичным клеем с нанесением нити зигзагообразно на стык; точечным нанесением капель клея на стык либо стыковым склеиванием кромок, обработанных клеем.

Оборудование, применяемое для починки и ребросклеивания, описано в [18] стр. 107–117, [19] стр. 488–495.

Сведения, указываемые при маркировке шпона, включают его породу, сорт, размеры. Длина шпона по стандарту может составлять 800–3750 мм с градацией 100 мм. Ширина – 150–750 с градацией 50 мм и 800–3750 с градацией 100 мм. Стандартная толщина шпона из лиственных пород: 0,55; 0,75; 0,95; 1,15 и от 1,25 до 4,00 мм с градацией 0,25 мм. Толщина шпона хвойных пород: от 1,2 до 4,0 с градацией 0,40 мм и от 4,0 до 6,5 с градацией 0,50 мм.

Основной областью применения лущеного шпона является производство фанеры. Технологический процесс изготовления фанеры общего назначения включает следующие операции:

– нанесение клея на шпон;

– сборка пакетов;

– холодная подпрессовка пакетов;

– склеивание шпона в фанеру;

– охлаждение фанеры;

– форматная обрезка фанеры;

– шлифование фанеры;

– починка фанеры;

– маркировка, упаковка.

В фанерном производстве могут использоваться следующие способы нанесения клея на шпон:

– вальцевый способ;

– способ налива;

– способ экструзии;

– способ распыления.

Конструкция и марки клеенаносящих станков описаны в [18] стр. 119–122.

Достоинством вальцевого нанесения является простота и удобство эксплуатации клеенаносящего станка. Клей наносится сразу на обе поверхности шпона. Недостаток вальцевого способа заключается в неравномерности толщины наносимого слоя клея, особенно при значительных колебаниях шероховатости шпона. Способ также непригоден для нанесения высоковязких клеев, прилипающих к вальцам.

Существенным преимуществом клееналивных станков является отсутствие необходимости в их перенастройке при изменении толщины шпона. Скорость подачи шпона и производительность станка выше, чем при нанесении клея вальцевым способом. Недостатком является то, что из-за интенсивной циркуляции клея в станке из него испаряется растворитель. Способом налива нельзя наносить клей с вязкостью более 100 с по ВЗ-4.

Экструзию (выдавливание) применяют при нанесении высоковязких клеев. Недостатком метода распыления являются большие потери клея.

Основными требованиями при нанесении клея являются строгое соблюдение норм расхода клея и равномерность толщины наносимого слоя. Расход клея при склеивании фанеры общего назначения холодным способом составляет 120–200 г/м², при горячем способе склеивания – 95–130 г/м².

При компоновке листов шпона в пакеты для последующего склеивания в фанеру следует учитывать:

– фанера считается сделанной из той породы, из которой изготовлены ее наружные слои;

– для наружных слоев фанеры может использоваться шпон любого сорта, для внутренних слоев как правило используют шпон I, II или III сорта;

– пакет желательно составлять из шпона стандартных толщин;

– толщина готового листа фанеры всегда меньше толщины пакета на величину упрессовки;

– пакет желательно формировать из нечетного числа листов шпона;

– сборка пакетов должна производиться с соблюдением правил симметрии.

Правило симметрии означает, что в листе фанеры симметрично располо­женные по отношению к центральной плоскости листы шпона должны иметь одинаковую влажность, толщину и направление волокон, должны быть изготов­лены из древесины одной породы и своими лучшими поверхностями обращены наружу будущего листа фанеры. Несоблюдение правила симметрии при формировании пакета приводит к короблению готовой фанеры ввиду ее неравномерной упрессовки.

Целью операции холодной подпрессовки является обеспечение транспортной прочности пакетов (уменьшение смещения слоев шпона друг относительно друга), уменьшение толщины пакетов, повышение равномерности распределения клея. Удаление воздуха из промежутков между листами шпона позволяет увеличить продолжительность хранения пакетов перед склеиванием в горячем прессе. Подпрессовка существенно снижает количество таких дефектов склеивания как слабая кромка, слабый угол, просачивание клея. Операцию подпрессовки как правило выполняют в одноэтажных прессах, причем одновременно подпрессовывается стопа из 20–60 пакетов. Давление подпрессовки составляет 1,0–1,5 МПа. Продолжительность подпрессовки 6–10 мин.

В фанерном производстве в основном используют горячий способ склеивания, позволяющий обеспечить минимальную продолжительность прессования и, соответственно, высокую производительность пресса.

Прессы для склеивания фанеры классифицируют:

– по этажности (одно и многоэтажные);

– характеру работы (периодического или непрерывного действия);

– виду привода (гидравлические, пневматические, механические);

– виду элементов, передающих давление (с жесткими плитами, гусеницами, роликами, лентами);

– виду теплоносителя (с обогревом паром, горячей водой, электричеством или токами высокой частоты, минеральными жидкостями).

Наиболее распространенным оборудованием являются многоэтажные гидравлические пресса с плитами, обогреваемыми паром либо минеральным маслом.

Склеиваемые пакеты могут загружаться в пресс по одному либо по несколько штук в каждом промежутке пресса. Загрузка по несколько пакетов практикуется для тонкой (до 6 мм) фанеры и позволяет повысить производительность оборудования. При склеивании фанеры по одному листу в промежутке качество склеивания получается выше за счет более равномерного прогрева пакета по толщине, одинаковой влажности и упрессовки его слоев.

Цикл прессования при ручной загрузке и выгрузке фанеры складывается из следующих операций: подачи пакетов к прессу, загрузки пакетов в пресс, смыкания плит пресса, подъема давления, выдержки фанеры под давлением, снижения давления и размыкания плит пресса, выгрузки готовой фанеры из пресса. Диаграмма прессования фанеры показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Диаграмма изменения давления при прессовании фанеры

Время загрузки пакетов в пресс должно быть минимальным, т. к. в противном случае возможно преждевременное отверждение клея в ближайшем к горячей плите клеевом слое. Это может привести к снижению прочности фанеры и ее короблению. Снижение давления обычно проводят в два этапа. Сначала его быстро (приблизительно за 15 с) снижают до величины, примерно равной давлению пара, обогревающего плиты пресса. Затем процесс сброса давления замедляется. Это необходимо для предотвращения разрыва клеевых швов готовой фанеры парами, образующимися при вскипании содержащейся в пакете жидкости. Продолжительность второго периода снятия давления приведена в таблице 18 приложения.

Понятие режима склеивания включает:

– температуру плит пресса;

– рабочее давление;

– продолжительность прессования.

Режимы склеивания фанеры общего назначения приведены в таблицах 14–16 приложения.

К дефектам, получающимся при склеивании фанеры, относятся: коробление, местное расслоение (пузыри), слабые углы, слабая кромка, просачивание клея, трещины, загрязнение наружных слоев, разнотолщинность, выпавшие вставки. Причиной расслоения может быть несоблюдение норм расхода клея, неравномерный или недостаточный прогрев плит пресса, недостаточное удельное давление или его колебания в процессе склеивания, неравномерность распределения удельного давления, недостаточная продолжительность прессования, подсыхание клея до загрузки пакетов в пресс, применение шпона повышенной влажности. Частой причиной образования пузырей является также недостаточно плавное снижение давления. Причиной расклеивания углов и кромок могут быть: износ краев и углов плит, сдвиг листов при загрузке в пресс, недостаточное нанесение клея по краям внутренних слоев, подсыхание краев листа с нанесенным клеевым слоем. Просачивание клея является следствием использования маловязкого клея, а также превышения норм его расхода.

После выгрузки из пресса фанеру охлаждают до температуры 40–50ºС в веерных или конвейерных охладителях. Продолжительность охлаждения составляет 4–7 мин. Обрезка фанеры до стандартных размеров проводится с использованием круглопильных форматно-обрезных станков. Шлифование выполняют на цилиндровых или широколенточных шлифовальных станках. Починка фанеры заключается в устранении дефектов склеивания. Трещины заделывают вставками или замазкой. Слабые углы и пузыри исправляют разделением слоев, введением между ними клея и запрессовкой в винтовом прессе. Отверстия от выпавших сучков заделывают вставками.

Условное обозначение фанеры должно включать: наименование продукции, породу древесины наружных слоев, марку, сорт, степень механической обработки, класс эмиссии, размеры, указание стандарта.

Технологический процесс производства древесностружечных плит (ДСтП) описан в [17], [20] стр. 45–126. Принцип действия основного технологического оборудования описан в [19] стр. 506–536.

Технологический процесс ДСтП включает следующие операции:

– измельчение древесного сырья в стружку;

– сушка стружки;

– сортировка стружки;

– смешивание стружки со связующим (осмоление);

– формирование стружечного ковра;

– раскрой стружечного ковра на стружечные брикеты;

– холодная подпрессовка;

– горячее прессование;

– охлаждение;

– форматная обрезка плит;

– шлифование плит;

– маркировка, упаковка.

Режим прессования древесностружечной плиты: температура плит пресса 150–190ºС, давление прессования 1,8–2,5 МПа, время выдержки под давлением 0,25–0,45 мин/мм толщины готовой плиты. После окончания выдержки давление снижается ступенчато либо плавно для предотвращения повреждения готовой плиты при выходе парогазовой смеси, образовавшейся при нагревании стружечного брикета.

Диаграмма прессования ДСтП показана на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Диаграмма изменения давления при прессовании ДСтП

Технология и оборудование производства древесноволокнистых плит описаны в [17].

По особенностям проведения операции формирования волокнистого ковра выделяют два основных способа производства плит ДВП – сухой и мокрый. При производстве ДВП мокрым способом древесноволокнистый ковер формируется из волокнистой массы, смешанной с водой, методом налива на сетчатом транспортере. Вода, которая используется для транспортировки волокна, удаляется из ковра через ячейки транспортера в процессе подпрессовки и горячего прессования. При мокром способе получаются плиты односторонней гладкости. Обратная поверхность плиты – рифленая, т. к. на ней  остается отпечаток сетки транспортера. Технология производства мокрым способом не позволяет получать толстые плиты ДВП.

При использовании сухого способа производства волокнистая масса перед формированием ковра сушится до влажности 6–12%. Ковер формируется на стальной ленте транспортера методом насыпания. Сухой способ позволяет получать плиты двусторонней гладкости.

МДФ (MDF – Medium Density Fibreboard) – древесноволокнистая плита средней плотности сухого способа производства. Технологический процесс производства МДФ непрерывным способом включает следующие основные операции:

– прием, складирование и подготовка древесного сырья;

– окорка сырья;

– измельчение древесины в технологическую щепу;

– сортировка щепы;

– промывка щепы для удаления посторонних включений (грязи, песка);

– пропарка щепы насыщенным паром и ее истирание в древесные волокна в дефибраторе (рафинере);

– сушка древесноволокнистой массы;

– пневмосортировка волокна с целью удаления пучков волокон и крупной фракции;

– приготовление проклеивающих составов (клея);

– проклеивание древесноволокнистой массы;

– формирование волокнистого ковра;

– подпрессовка;

– горячее прессование;

– раскрой ленты МДФ на отдельные плиты;

– охлаждение плит;

– шлифование плит;

– складирование.

Производство строганого шпона описано в [18] стр. 181–192. Конструкции шпонострогальных станков приведены в [19] стр. 499–506. Технологический процесс включает следующие операции:

– доставка сырья на склад;

– поперечный раскрой сырья;

– продольный раскрой сырья на ванчесы;

– гидротермическая обработка ванчесов;

– снятие с ванчесов остатков коры;

– строгание шпона на шпонострогальном станке;

– сушка шпона;

– сортирование;

– маркировка.

С технологией производства гнутоклееных заготовок можно ознакомиться в [18] стр. 145–148 .

Производство клееного конструкционного бруса, клееных щитов и столярных плит описано в [18] стр. 214–254 .