Термопластичный клей –

«разъёмность» неразъёмных соединений.

 ©   Н.Н.Матвиенко  март 2005

Традиционный критерий, который применяют к клеевым соединениям в производстве изделий из древесины – прочность монтажа. Однако, в последствии, при эксплуатации таких конструкций   и их ремонте, порой требуется нечто совсем противоположное – разобрать: чтоб  помыть, почистить, подкрасить, удалить и заменить повреждённые  элементы.  И не только при эксплуатации.

Например при строительстве лодок из дерева широко распространена так называемая временная фиксация склеиваемых деталей. Наряду со струбцинами, клиньями и прочим, доски и брусья нередко стягивают между собой гвоздями или шурупами, которые после затвердевания клея подлежат удалению. Вот это самое удаление шурупов  на самом деле оказывается затруднительным, а то и невозможным вовсе. Клей прихватывает  резьбу шурупа, в результате при попытке вывернуть его, никакого усилия оказывается не достаточно. Срываются шлицы, ломаются отвёртки и биты.  От чрезмерных перегрузок интенсивно изнашивается электоринструмент. Иногда, шуруп просто ломается в месте посадки, его головка обламывается, и тогда извлечение его  сопровождается  значительным разрушением скрепленных деталей.

Конечно, опытные судостроители стараются всячески избегать применения металлических метизов, предпочитая по старинке ставить детали  дубовые нагеля. Но иногда такое просто невозможно. И кроме того, в ряде случаев действительно необходимо, что б целая деталь , например привальный брус, крепилась на клею без всяких  метизов. Любые дополнительные отверстия в борту в районе привальника, они не безопасны для самого судна, а те метизы, что в такие места завинчивают – небезопасны для того кто к нему швартуется.. Но такова уж роль этого предмета - менять его приходится гораздо чаще чем хотелось бы.

Мне долго не давала покоя эта проблема,  каждая застрявшая железяка напоминала о ней. Но помог случай

Как то раз один мой приятель , продавец товаров для домашних животных и декоративных птиц, попросил сколотить ему несколько скворечников. «Несколько», как потом выяснилось сотен. Он предложил неплохую цену, и я принял заказ. Тем более, что в тот момент в строительстве лодки «А12» случился очередной затык. (Проект, созданный товарищем Д.А.Курбатовым – это вообще сплошные затыки. Но о нём  отдельно)

Изготовления такого количества скворечников не могло идти традиционным способом, поскольку назначались  крайне сжатые сроки. Да я и сам не хотел растягивать это удовольствие на недели. Были серьёзный перечень различных ограничений по применяемым материалам. Как и  на лодках, категорически запрещалось использование  металлического крепежа, а заменяющие его клеи должны быть инертны, не ядовиты, без запаха. Не допускалось так же, чтобы клей имел природное органическое происхождение – у зверьков он вызывает аппетит и домик, соответственно, быстро приходит в негодность.

В перечисленные ограничения, на первый взгляд  вписывалась только эпоксидная смола. Но я посчитал слишком дорогой роскошью тратить эпоксидку на домики для хомячков, и попробовал применить термопластичный столярный клей BOSH.

Раньше я слышал о существовании пластизольных клеев, на основе дисперсий поливинилхлорида . Лет 20 назад они были разработаны для авиационной промышленности. Их применение на поточном сборочном производстве заметно ускорило технологию, поскольку осуществлялось с простым инструментом, а схватывание клея было очень быстрым. Затем его стали применять в книгоиздательстве, для брощюрирования толстых журналов без скрепок. Потом такой клей появился в быту. Сперва им сваривали листы линолиума. Клеили тарные ящики. Частенько его можно встретить внутри радиоаппаратуры, холодильников, детских игрушек  и прочее. 

Решил попробовать и я.

Результат воодушевил. Соединения  деревянных деталей получались прочными, а крайне незначительное время полно затвердевания клея – всего 2-3 минуты, существенно ускорило работу.

Но случилось так, что пара домиков у меня вышла неудачными.  Дефекты были невелики – где-то стенки состыковались неровно, где-то крышки неплотно прилегали. Выбрасывать готовую вещь из-за таких пустяков было жалко, но клей - есть клей, разборке-сборке такие соединения не подлежали.  И тогда, решив, что терять всё равно нечего, я попытался расплавить  стыки, направив на них струю горячего воздуха. Вооружившись тепловой пушкой, дающей температуру струи от 250 до 640^оС, я так и сделал. От нагрева клей не только «отпустил» прихваченные детали, но в последствии, после повторного затвердевания, соединил их ещё крепче. Очевидно,  разогретые горячим воздухом поры древесины, глубже пропитались капроном, и соединение стало крепче.   Покончив со скворечниками, я решил подробно изучить возможности этой технологии

Первое, что меня интересовало, разумеется прочность клеевого соединения. Изготовив несколько различных образцов, я подверг их статическим испытаниям.

Разрыв  бруска, склеенного вдоль слоёв.

В первой серии тестов, испытаниям подвергались бруски из кедра, ели, сосны, ясеня и вишни, а так же сочетаний этих видов древесины между собой. Нагрузка наращивалась плавно. В качестве источника нагрузки использовался рычажный автомобильный домкрат, к которому образцы подвешивались попарно. (так быстрее). Измерение усилий как правило не производилось, поскольку интересовало не их абсолютное значение, а лишь вопрос: что сломается раньше: дерево или клей? Ответ, когда он есть, видно и без динамометра  Сопряжение склеиваемых деталей осуществлялось с параллельным и перпендикулярным расположением слоёв, а так же «в разбежку». Клей наносился на холодные детали и с предварительным прогревом склеиваемых поверхностей электрофеном. После отвержения клея, половина образцов нагружалась до полного разрушения. Другая половина  расклеивалась, путём повторного нагрева шва горячим воздухом, затем склеивалась вновь, и так же нагружалась до полного разрушения. Для получения достоверной статистики, каждый вид клеевого соединения и способ склейки испытывался на 6 идентичных образцах (по 3 пары). А всего таких испытаний было выполнено без малого четыре сотни.

В итоге  установлено : в абсолютном  большинстве случаев прочность клеевого стыка была выше прочности самой древесины. Частота «отклеиваний», когда образцы разрушались именно по стыку, зависела  в большей степени от прогрева склеиваемых соединений, и практически никак не была связана с свойствами самих материалов.

Итоговые данные приведены в таблице 1.

Далее, была проведена вторая серия испытаний, где  я решил выяснить: в какой степени усилие сжатия, прилагаемое к стыку в процессе  отвержения клея влияет на его прочность. Проводить такие испытания для холодных стыков было невозможно, поскольку клей схватывается в течении 10-15 секунд. Если же поверхности первоначально были прогреты до температуры 100-120^оС, то после нанесения клея, ещё оставалось некоторое время для того чтобы класть образцы под груз.  По этой причине в данной сери испытаний нагрузке разрушения были подвергнуты только 180 образцов.

Усилия сжатия во всех испытаниях было одинаковым и составляло 5 кг/см². Как и в первом случае, качественно картина не изменилась, в целом прочность  клеевого соединения немного возросла.

Результаты  приведены в таблице 2.

 В третей серии испытаний меня интересовала морозостойкость клеевого шва. И поскольку дело было зимой, провести такой тест не составило особого труда. Заготовленные заранее образцы ,выдерживались двое суток на улице, при температуре –15÷18^оС, после чего подвергались разрушению. Образцы на которых испытывалась нагрузочная способность шва, после его «склейки-расклейки-склейки», выдерживались на морозе 4 суток.

Испытанию подвергалось 180 образцов.

В итоге было установлено, что понижение температуры образцов, приводит к незначительному снижению прочности стыка. Однако при повторном склеивании, это ухудшение становится почти незаметным.

Результаты теста приведены в таблице 3.

 Наконец, в четвёртой, последней серии испытаний, я решил установить  влияние эффекта Баушингера на термопластичный клей в стыках деревянных деталей.  Речь идёт об известном эффекте некоторого снижения прочности «на растяжение»,  наблюдающееся в результате предшествующей деформации «сжатия». У ряда конструкционных материалов, прежде всего сталей и алюминиево-магниевых сплавов этот эффект весьма велик.  В некоторых, снижение пределов текучести против первоначального составляет от 15-30% (у сталей) до 40-50% (сплавы магния). Корпуса маломерных судов  по своему прямому назначению подвержены знакопеременным нагрузкам (волнение, качка, удары о причальные сооружения и прочее). Как правило, это плавно-наростяющие нагрузки. Они  не приводят к усталостному разрушению корпусных конструкция, но перепады величин и направлений нагрузок  случаются значительными, из-за чего металл начинает «течь»:  сквозь обшивку корпуса выпирают шпангоуты,  вспучивается палуба искривляются валопроводы гребных винтов и т.д. Иногда металл ослабевает настолько, что без малейших признаков усталости, абсолютно новые корпуса судов разламываются пополам. У древесины , обладающей сложной пористой структурой, этот эффект не наблюдается, поэтому деревянные корпуса не теряют первоначальной формы. Но конструкционные пластики и синтетические, клеи так же как и металлы подвержены этому пороку, хотя и в меньшей степени (для полиэфирных смол эффект Баушингера колеблется в пределаз 3-5%.).

В этой серии испытаний, я подвергал склеенные образцы , двукратному сжатию , прилагая усилие  450-500 кг/см² (предел деформации деревянной части образцов) с интервалом в 5 минут. Последнее сжатие было кратковременным (до 5 с), и после этого к образцам сразу же прикладывалась растягивающая нагрузка. Как и в предыдущих случаях испытанию было подвергнуто 180 образцов. Итоги испытаний представлены в таблице 4.

Как видно из таблицы, эффект Баушингера проявляется. Но  при «повторном склеивании», его действие заметно  в гораздо меньшей степени.

На этом первый этап прочностных испытаний был завершён. Никаких неожиданных открытий он не принёс, в целом лишь подтвердив то, что  было понятно и так: клей крепкий и для большинства общих применений вполне пригоден.

На следующем этапе предстояло выяснить  влагостойкость клей, его способность работать при повышенных температурах и в агрессивных средах, эквивалентных морскому воздуху.

Влагостойкость

Специально изготовленные для этого образцы имели большую площадь контакта, чтобы создать дополнительные напряжения сдвига внутри клеевого шва.

Для проверки водостойкости в обычных условиях  была проведена пятая серия экспериментов - 180 образцов. Из различных видов древесины были вырезаны  диски диаметром 1 ½ “  с отверстием посредине, и склеены между собой попарно  плоскими гранями. Перед нанесения клея поверхности образцов прогревались горячим воздухом. После склеивания на период полного затвердевания половинки сдавливались струбцинами. Готовые образцы были помещены в сосуд с морской водой.

По истечении двух суток они были оттуда извлечены подвергнуты полному разрушение путём нанесения расклинивающего удара стамеской в клеевой стык.  Ни один из образцов не раскололся точно по стыку. И хотя примерно в 30% случаев  всё-таки  имели места оголения колея, во всех без исключениях образцах, трещины и разрушения прошли по телу деревянных деталей.

В шестой серии испытаний предстояло проверить конструкционную стойкость клея к повышенным температурам, в пределах рекомендуемых изготовителем..  Здесь я не предвидел ничего неожиданного,  поэтому ограничился 15-ю образцами, по одному для каждого сочетание древесины Изготовленные по технологии , описанной выше, они были на двое суток помещены в термос с горячей водой , с температурой в начале испытаний 75^оС и в конце 48^оС. Как и в 5-й серии, по извлечении из воды, они были подвергнуты разрушению. Результат тот же.

В седьмой серии условия испытаний были ужесточены. Как известно водостойкость деревянных клееных конструкций, предназначенных к применению в судостроении должна соответствовать критерию “Water  and Boil Proof” – устойчивость к намоканию и кипячению. Мне было известно, что клей приобретает текучесть в диапазоне температур от 120 до 160^оС. Автоматика термопистолетов для нанесения клей настроена на температуру 200^оС. Но насколько ухудшатся его свойства  на границе кипения воды  в 100^оС мне было неизвестно. Для получения ответа, в этой серии испытаний  я изготовили 30 образцов, по 2 для каждого сочетания древесины. Все они были подвергнуты кипячению в морской воде в течении 1 часа. После этого половина из них была подвергнута разрушению сразу, а вторая, через 2 часа после остывания и высыхания. 

В итоге было установлено, что в горячем состоянии нагрузочная способность значительно снизилась. Ни один из образцов правда не «разварился», как это случается , например, с «водостойкой» фанерой марки ФК, но с приложением расклинивающей нагрузки, из  15 мокрых образцов, по стыку не разрушился только 1.

Однако из других 15 образцов, тех , что были просушены , и подвержены разрушению через 2 часа, наоборот: не только не развалилось ни одного стыка, но и площадь клеевых проплешин резко уменьшилась. Что дало мне повод предположить – дополнительный прогрев деревянных деталей, даже если таковой происходи в морской воде, скорее всего приводит только к упрочнению клеевого соединения, собранного с применением термопластичного клея.

В последней восьмой серии испытаний, я поставил задачу смоделировать условия теплового разрушения деевянных конструкция, собранных на термоплатичном клее.  Деревянные детали должны были или рассыпаться или расплавиться или сгореть при нагревании  их выше температуры пластификации клея, причём такое разрушение должно было наступить без приложения внешних нагрузок.

Для обеспечения  равномерного прогрева клеевого слоя , образцы размачивались в морской воде и помещались в СВЧ печь, где их температура постепенно доводилась до 150^оС. Всего было изготовлено 45 образцов по 3 для каждого сочетания древесины.  Все они были разрушены – «расклеились» , в пределах температур от 110^оС (ясень-ясень) до 137^оС (кедр-вишня).

Примечательно однако, что после просушки и повторной склейки стыков путём прогрева их горячим воздухом, прочность  стыков несколько возросла.

Вывод этого этапа испытаний следующий:

Термопластичные клеи не могут быть рекомендованы как полноценные заменители водостойких реактопластов (резорцин или эпоксидные смолы). Однако для ряда приложений, там где, например, используются клеи типа полиуретановых или ПВА, они имеют вполне сопоставимые характеристики. Специфическим свойством термопластичных клеев, является  постепенная в ход эксплуатации, улучшение прочностных свойств («тренировка») соединений на их основе, особенно существенное под воздействием повышенной температуры и нагрузок. На мой взгляд это объясняется тем, что при нагревании  клей продолжает проникать в поры древесины, вовлекая в процесс «разгрузки» стыка всё более глубокие слои.

Сделав такие выводы, я начал смело применять термопластичный клей для крепления заглушек головок шурупов, деревянных нагелей, реек палубного настила и прочих нагруженных, но малоответственных мест

Это не только ускорило строительные работы, но и что более важно, облегчило ремонт лодок. Ведь теперь, для демонтажа деталей вполне достаточно  простого нагрева их горячим воздухом, а для последующей постановки на прежнее место новые порции клея не требовались вовсе.

Технологичность разъёмных соединений

Перед тем как завершить исследование, я попытался проверить возможность использования клея в раъёмных соединениях в сочетании с метизами.

Встречаются два типа таких соединений:

-         разъёмные соединения в общепринятом понимании этого слова, подлежащие без особых затруднений многократной сборке-разборке

-         соединения, которые можно назвать лишь условно-разьёмными, поскольку помимо метизов они скрепляются клеями, герметиками, мастиками и прочим вяжущими веществами, что делает их разборку невозможной без частичного разрушения деталей или узлов.

Первый тип, в большинстве случаев собирается «на сухую», т.е. безо всяких склеивающих веществ. Нагрузка в таких соединениях целиком ложится на метизы (болты, шурупы, шпильки). Что само по себе создаёт проблемы. Во первых, для повышения несущей способности винтов их следует завинчивать как можно туже,. А во вторых, уже в процессе работы, под нагрузкой, резьбы осаживаются и прихватывают винты настолько, что их извлечение при разборке становится серьёзной проблемой.

В условно-разъёмных соединениях, всё в принципе так же, только «прихватывание» резьб усугубляется проникающим из стыков клеем. Впрочем, если клей туда и не попадает, его работу делает коррозия. Она разъёдает металл, делая его шероховатым, и спаивает с деревом не хуже клея.

При некотором опыте работы с термоплатичными клеями стало прорисовываться решение задачи.

Чтобы выполнить набор таких противоречивых требований, как прочность и простота разборки,  очевидно требуется ввести что-то в зону контакта шурупа и дерева. Некую прослойку, способную разделять и изолировать два этих разных материала, когда надо держать, а когда надо – отпускать. При этом такая прослойка должна, препятствовуя их схватыванию с клеем, выдавившимся из стыков между деревянными деталями.

Понятно, что в качестве такой прослойки лучше всего подходит именно термопластичный клей.

Технология такова.

Перед началом сборки, соединяемые детали фиксируются каким-то образом между собой, и в них просверливаются отверстия под шурупы.  Диаметр таких отверстий делается заведомо больше принятых в традиционных технологиях.

Так например, если для латунных шурупов диаметром 4 мм рекомендуется сверлить отверстие 3,2-3, 4 мм (с учётом твёрдости древесины), то при сборке с клеем, надо сверлить фактически размер-в-размер, т.е. те же 4 мм. Шуруп в такое отверстие будет входить легко. После этого, если монтаж идёт на «сухую», то фактически сразу мжно приступать к установке шурупов. Если предполагается клеевой стык, то надо снять временную фиксацию, смазать стыкуемые поверхности клеем и сложить их вместе, но не сдавливать, чтобы клей не пош1л в отверстия.

Перед установкой шурупов, при помощи пистолета, в только что высверленные отверстия задавливается горячий клей.

И тут же, пока он не остыл , вгоняется шуруп. Некоторые соединения, я пробовал собирать «молотком» (так почему-то на Руси привычнее). Удивительно, но они держали так же крепко, как и те, что завинчивались как положено отвёрткой. И даже лучше. Дело в том, что при медленном завинчивании, шуруп, работая своей резьбой словно шнек, успевает «выкачать», часть расплавленного клея из канала. И соединения получается рыхлым. А от быстро нараставшего избыточного давления, развиваемого во время удара молотком, клей вытечь не успевал и заполнял все поры. Но я бы всё-таки воздержался рекомендовать «молотковую» сборку, поскольку всегда имеется опасность, что разогретая клеевая масса пойдёт в стык между деталями, что не всегда хорошо. Лучше просто пользоваться электро-винтовёртом, ставя его регулятор на максимальную скорость, а муфту на минимальное усилие.

Что бы теперь такое соединение разобрать, надо действовать в обратном порядке. Приложить к месту стыка избыточное усилие (обычно хватает нескольких ударов молотком) Затем шуруп надо разогреть. Это делается при помощи электропаяльника. 

Латунные шурупы диаметром 4 мм и длинной 50 мм, разогреваются электропаяльником мощностью 200 Вт в течении 3 минут. Причём, не зависимо от температуры окружающей среды – хоть на улице, хоть на морозе. Вокруг шурупа дерево, а оно прекрасный теплоизолятор. Так что металл греется быстро.

При температуре выше 150^оС клей плавится и превращается в смазку,  в которой шуруп вращается без особых усилий. Затем наступает очередь отвёртки. Впрочем, усилия вывинчивания столь  невелики, что если жало паяльника заточить определённым образом, то выкручивать шурупы можно прямо им. Это заметно ускоряет работу, да и головки шурупов не так портятся.

При работе на улице, на корпусе или палубе лодки, я часто применял беспроводной газовый паяльник . Простая и очень полезная штука, работает на зажигалочном газе. Приборчик размером с перочинный нож, удобно держать в руке, приводится в «боевое» положение в считанные секунды, и послы отключения так же быстро остывает. К моему паяльнику комплектуются разные насадки, делающие его при случае и газовой горелкой с пламенем в 1000^оС, и просто удобным инструментом для вывинчивания шурупов.

[ Домашняя ] [ Вверх ]

© 2004 "NatalyBoatYard" Vladivostok    Дата изменения: 03.10.2005

Телефон  (4232) 987 619  Факс  (4232) 436 026    clamp@ntboat.com   Почтовый адрес Владивосток, Мыс Кунгасный 4.а