АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНЫХ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ НАПРАВЛЕНИЕМ ВОЛОКОН

 

Криворотова А.И., Цахилова Е.С. (СибГТУ, г. Красноярск, РФ)

 

One of the most perspective directions in European the countries and the USA become constructional materials from an interline interval with a parallel arrangement of the fibres, named LVL. LVL has a number of advantages in comparison with traditional building materials. In article the data of researches of properties LVL from a birch interline interval is presented.

 

ЛВЛ или LVL (Laminated Veneer Lumber или брус на основе клееного шпона) - это брус, являющийся высокопрочным конструкционным и отделочным материалом, изготовленным по технологии склейки нескольких слоев шпона с параллельным расположением волокон.

Конструкционные материалы из LVL могут быть изготовлены с различными заранее заданными механическими характеристиками. Это достигается за счет комбинирования направлений волокон в слоях конечного продукта.

При параллельном расположении волокон полученный брус обладает большей гибкостью, а добавление перпендикулярно расположенных слоев значительно увеличивает жесткость материала.

Технология производства LVL сходна с технологией производства фанеры. Для производства используется лущеный шпон хвойных и лиственных пород древесины толщиной от 2,5 до 3,2 мм. В качестве клеевой основы в производстве LVL используют фенолоформальдегидную смолу, которая обеспечивает высокую прочность склеивания и повышенную водостойкость LVL, а также предохраняет его от гниения и поражения насекомыми. Прессование осуществляется в прессах непрерывного действия, поэтому длина плиты может быть до 18000 мм. Ширина заготовок – от  80  до 1800 мм, а толщина – от 21 до 75 мм. Но, несмотря на сходство технологий производства фанеры и LVL, эти процессы имеют существенные различия. При производстве фанеры волокна соседних слоев шпона расположены перпендикулярно друг другу, а при производстве LVL - параллельно. В результате получается однородный бездефектный материал.

По данным различных исследований прочность LVL выше, чем у клееного бруса или у обычных пиломатериалов. Средние показатели прочности и показатели на изгиб значительно лучше, чем у цельной древесины. Расчетные данные показывают, что LVL выгодно отличается по ряду показателей по сравнению с обработанными пиломатериалами высокого класса. Так, модуль упругости (жесткости) LVL на 10% выше, чем у массивной ели, прочность при изгибе и на излом выше, на 50%. Такие высокие показатели обеспечены отсутствием дефектов в структуре материала, вызванных естественными пороками древесины.

По уровню показателя эмиссии формальдегида LVL относится к классу E1. Фенолоформальдегидная смола не окисляется и обладает повышенной стойкостью к возгоранию, вследствие чего LVL в течение продолжительного времени сохраняет несущие способности при пожаре.
LVL обладает уникальным соотношением прочностных и весовых показателей по сравнению с традиционными строительными материалами (металлом, железобетоном, массивной древесиной, клееным брусом). Допустимые нагрузки на изгиб и растяжение вдоль волокон превышают аналогичные показатели пиломатериалов. LVL не хуже массивной древесины по величинам теплоизоляционных и акустических показателей, его легко обрабатывать в условиях производства и на строительных площадках, эксплуатировать во влажных условиях на открытом воздухе. Из LVL не сложно изготавливать криволинейные изделия и элементы отделки любых радиусов изгиба, а простота и надежность соединения элементов LVL, осуществляемых обычными способами (с применением болтов, металлических пластин, скоб, шпилек, шурупов, гвоздей, обвязок и т. д.) делает его хорошим строительным материалом. Применение: для несущих конструкций жилых, общественных и промышленных зданий, изготовления многоразовой опалубки, столярно-строительных изделий (окон, дверей, лестниц) и отделки интерьеров.

Проведенный аналитический обзор показал, что большинство имеющихся данных относятся к производству LVL в европейских странах и США, в России производство подобных материалов находится начальном этапе развития. В связи с этим  исследования в этой  области  представляют значительный интерес.

Прочность готового LVL зависит от множества факторов. К основным из них относится: режим прессования, толщина готового LVL, толщина шпона.

Оптимальный режим прессования клееных материалов с параллельным направлением волокон повышенной толщины определяли в соответствии с В³ планом.

На рисунках 1 - 4 представлены зависимости предела прочности рассматриваемого материала при статическом изгибе от режима прессования для фенолоформальдегидной смолы марки СФЖ-3013. Оценку исследуемых факторов проводили по графической интерпретации уравнения регрессии и графикам эффектов факторов и их взаимодействий.   

Как видно из представленных зависимостей с  увеличением температуры, давления и удельной продолжительности прессования, предел прочности при статическом изгибе LVL увеличивается. Если оценивать  эффекты совместного влияния факторов на прочность LVL, можно отметить что изменение температуры прессования от 110 до 170 °С оказывает на прочность значительно большее влияние при верхнем уровне варьирования давления и удельной продолжительности прессования. Таким образом, оптимальным режимом прессования для клееных материалов на основе фенолоформальдегидных смол является: удельное давление прессования – 1,8 МПа; температура прессования – 170 °С; удельная продолжительность выдержки – 1,6 мин/мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - График эффектов факторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

σ_изг = 89,43+5,3t+4,6Р+7,4τ+1,56t²+2,06Р²-1,93τ²-0,12tР–0,62Рτ +3,62tτ

 

Рисунок 2 - График эффектов факторов

 

В таблице 1 приведены результаты испытаний основных физико-механических свойств LVL для различных  толщин. Как видно из приведенных данных, с увеличением толщины готового материала наблюдается увеличение прочности при статическом изгибе. Аналогичная зависимость наблюдается при рассмотрении предела прочности при скалывании по клеевому слою.

В таблице 2 приведены результаты исследований прочностных характеристик клееного материала с параллельным направлением волокон от толщины шпона используемого для формирования пакета. В качестве исследуемой толщины готового материала выбрано среднее значение из вышеизложенных данных. Толщина LVL  S=50 мм.

 

Таблица 1  - Результаты испытания LVL  различной толщины

 

Таблица 2  – Результаты испытания LVL при  различной толщине шпона

Толщина шпона	Предел прочности при статическом изгибе, МПа	Предел прочности при скалывании по клеевому слою, МПа
1,25	78,30	1,02
2,50	116,30	1,36
2,75	112,00	1,33
3,00	109,40	1,29
3,25	106,10	1,28
4,00	106,90	1,27

 

Границы изменения толщины шпона выбраны исходя из параметров, предлагаемых для производства LVL в зарубежных технологиях. По результатам анализа литературы выбрана толщина шпона от 2,5 до 3,25 мм и минимальная толщина шпона равная 1,25 мм и максимальная толщина для березового шпона равная 4,0 мм. Как видно из представленных данных прочность материала на статический изгиб и скалывание по клеевому слою на основе фенолоформальдегидных смол в диапазоне изменения толщины шпона от 2,5 до 3,25 мм отличаются незначительно. В тоже время при использовании при склеивании шпона минимальной и максимальной толщины наблюдается резкое снижение прочности. Вероятнее  всего это связано с прочностью самого шпона. При  максимальной толщине шпона его прочность оказывается меньше прочности клеевого соединения и наблюдается разрушение материала по древесине (при испытании на скалывание по клеевому слою). При минимальной толщине шпона разрушение происходит, наоборот, по клеевому слою. Вероятно, в связи с образованием так называемого «голодного склеивания», когда наносимый клей ввиду низкой толщины шпона и его гладкой поверхности быстро впитывается в древесину. Таким образом, для получения высоких прочностных показателей клееной продукции с параллельным направлением волокон оптимально использовать шпон толщиной от 2,5 до 3,25 мм согласно действующим стандартам на лиственный шпон.