Тренд на экологизацию затронул все сферы лесной промышленности, не исключая сегмент клеёных материалов и конструкций. Для склеивания производители используют особые составы, которые под давлением проникают в самые глубокие поры древесины, обеспечивая готовым изделиям высокий запас прочности. При правильном выборе клея древесина может остаться «дышащим» материалом, не будет выделять токсины и сохранит эти свойства на протяжении всего жизненного цикла изделия.
OSB, ДВП, МДФ, ДСП, LVL, CLT — этот парад аббревиатур можно объединить понятием «изделия из клеёной древесины». Для каждого вида продукции производители подбирают свой клей, исходя из свойств древесного сырья, технологических особенностей производства, а также конструктивных, эксплуатационных и эстетических характеристик готовых изделий.
Акцент на экологичность: лучше выбрать безвредный материал для склеивания древесины
Однако есть требования, общие для всех клеёв без исключения: хорошее качество склеивания, обеспечивающее высокую прочность клеевого шва, стойкость к температурным, химическим и влажностным воздействиям, надёжность и долговечность. В последнее время производители и пользователи обращают всё больше внимания на ещё одну важную характеристику — экологичность и безопасность используемых материалов. И если к древесине вопросов нет, то клеевые составы, используемые для соединения отдельных деревянных элементов, зачастую вызывают сомнения в их безвредности для человека и окружающей среды.
«Экологическая безопасность используемых материалов и клеёв была и остаётся важным производственным фактором. Она имеет значение как при изготовлении самих древесных материалов из отходов деревообрабатывающей промышленности (МДФ, ОСП, ДСП), так и при изготовлении конструкций из цельной древесины (клеёный брус, мебельный щит, мебель).
Под экологической безопасностью продукции мы понимаем отсутствие её негативного влияния на окружающую среду в процессе изготовления и утилизации, на персонал при производстве и на пользователей в процессе эксплуатации готовых изделий. Соблюдение этих параметров контролируется на всех этапах жизненного цикла продукции.
Именно безопасность при прочих равных условиях (влагостойкость, прочность и другие технические показатели получаемого клеевого шва) будет дополнительно определять возможную область применения клеёных материалов: внутри помещения при отделке и изготовлении мебели, при наружной отделке помещений, в домостроении и других сферах», — перечисляет специалист технической поддержки ООО «Полимер-сбыт» (торговая марка UMACOLL®) Светлана Бурова.
«Разумеется, производители мебельных комплектующих не могут оставаться в стороне от борьбы за экологическую чистоту и безопасность своих изделий. И с каждым годом эта борьба ужесточается. Она охватывает весь цикл жизни мебельного изделия от его «рождения» в процессе производства до «ухода из жизни» в момент утилизации. Например, всё более широкое применение при производстве клеёного бруса и панелей CLT в Европе находят полиуретановые (ПУР) клеи.
Они приходят на смену много лет применявшимся клеям на основе карбамид-формальдегида или меламина. Также популярны ПУР-клеи-расплавы, которые имеют широкий спектр применения, включая приклеивание кромки, облицовывание пластей, окутывание профилей и другие процессы. Они отличаются пониженным содержанием мономера изоцианата, не требуют создания особых условий охраны труда и абсолютно безвредны как для работников производства, так и для пользователей готовой продукции.
С другой стороны, всё более широкое применение находят биокомпоненты в рецептурах клеёв, что делает их более чистыми на этапе производства изделия, его эксплуатации и последующей утилизации», — отмечает генеральный директор Николай Кечаев.
Для справки Перечень вредных химических веществ, выделяемых из мебели, содержится в Техническом регламенте Таможенного союза «О безопасности мебельной продукции» (ТР ТС 025/2012), действующем с 1 июля 2014 года. Требования к древесным плитам, фанере и другим клеёным материалам содержатся в нормативной документации на них и методических указаниях Минздрава РФ «Санитарно-гигиеническая оценка полимерных и полимеросодержащих строительных материалов и конструкций, предназначенных для применения в строительстве и в промышленных зданиях» (МУ 2.1.2.1829-04).
Склейка влажной древесины
При организации массового изготовления клеёных шпал и брусьев могут возникнуть затруднения, связанные с сушкой большого количества пиломатериалов до влажности 15—18%, необходимой для получения прочного клеевого шва при обычной технологии склейки древесины фенолформальдегидным клеем КБ-3. Поэтому была изучена возможность склейки древесины, имеющей повышенную влажность.
Известно, что применяя казеино-цементный клей (КЦ), удаётся склеивать элементы, имеющие влажность до 25%, что было подтверждено и нашим исследованием. Однако склеенные этим клеем элементы оказываются недолговечными в эксплуатационных условиях. Так, опытные клеёные шпалы расклеились через полгода эксплуатации в пути. Поэтому клей КЦ не может быть рекомендован для склейки влажной древесины при изготовлении шпал и брусьев.
Проводились работы по изучению способов склейки влажной древесины фенолформальдегидными клеями. Данная статья служит для ознакомления с видами склейки древесины, поэтому весь процесс исследований не будет описан. Лишь подведем важные итоги: Выводы:
- Установлена возможность склейки древесины, имеющей влажность до 35—40%, клеем КБ-3 при условии прогрева склеиваемых поверхностей контактным способом при температуре 160— 170° в течение 10—20 мин.
- Склейка древесины, имеющей влажность до 40% возможна в случае нанесения на склеиваемые поверхности гипсовой мастики.
- Установлена возможность высушивания в расплавленной сере древесины любой влажности. После склейки клеем КБ-3 высушенной древесины получается прочное клеевое сопряжение.
- После соответствующей проверки и выяснения технико-экономической эффективности разработанные способы склейки влажной древесины смогут быть рекомендованы для применения.
Когда не нужно делать выбор: как выбрать материал для склеивания древесины и не ошибиться
Далеко не все составы подходят для производства клеёных материалов и конструкций, предназначенных для прямого использования человеком. Некоторые клеи содержат много вредных компонентов, и хотя после затвердения большинство из них не выделяют летучих веществ, отдельные ингредиенты имеют долгую окончательную полимеризацию в глубоких слоях древесины. Считать готовый продукт экологичным можно только при строгом соответствии ГОСТу и СанПиНам.
«Качество склеивания чётко регламентировано нормативной документацией, и добросовестные производители не применяют продукты, которые им не соответствуют. Высококачественные клеи должны удовлетворять абсолютно всем действующим нормам и правилам, при этом соответствовать требованиям производителя к влаго- и термостойкости продукции, изготовленной с их применением.
Так что понятия «стойкий» и «экологичный» не являются взаимоисключающими и могут быть свойственны одному продукту. Но следует понимать, что в каждой группе товаров (фанера, ОСП, клеёный брус и т. д.) установлены свои критерии влагостойкости, термостойкости и экологичности», — говорит Светлана Бурова.
Николай Кечаев также уверен, что применение более экологически чистых компонентов не должно идти в ущерб качеству выпускаемой продукции. По его мнению, использование современных безопасных клеёв не снижает устойчивость готовых изделий к воздействию влаги и температуры.
«Новые клеи, создаваемые с учётом более высоких требований к экологической чистоте, должны обеспечивать стабильные технологические свойства. Это может приводить к незначительному удорожанию конкретного клея, но может и вовсе не влиять на его стоимость», — комментирует генеральный директор .
Светлана Бурова подтверждает, что стоимость клеёв нового поколения, в которых минимизировано содержание вредных веществ, может быть выше, чем цена применявшихся ранее. Но производители клеёных изделий готовы платить дороже, ведь соблюдение экологических требований обеспечивает им значительные конкурентные преимущества в сбыте готовой продукции и положительно влияет на имидж компании.
Теории адгезии. Механическая теория склеивания
Наиболее ранней теорией, объясняющей эффект прилипания и склеивания тел, является механическая теория склеивания, развитая Мак-Беном. Прочность склеивания, согласно этой теории, объясняется проникновением жидкого или жидко-вязкого клея в поры склеиваемых поверхностей с последующим его отвердением.
Действительно, большая поверхность, покрываемая клеем (так называемые клеевые замки), форма пор, в которые проникает клей, прочность самого клея и своеобразных перемычек-перешеек, которые составляют стенки пор, обеспечивают высокий эффект склейки.
К сожалению, механическая теория не в состоянии объяснить прочное склеивание относительно гладких поверхностей металлов, стекол, фарфора и т. п. Она также не объясняет, почему гладкие строганые поверхности древесины иногда лучше склеиваются, чем тонковорсистые. Эта теория не принимает во внимание самого главного фактора – природу склеиваемых тел и природу самого клея. Возникла она в то время, когда в качестве склеивающего вещества использовали, как правило, белковые клеи (мездровый, желатин, казеин), а в качестве склеиваемого материала – древесину.
Нет закона — нет резона
В жидком состоянии, до полимеризации, большая часть клеёв, применяемых в производстве клеёных конструкций, относится к первому классу опасности. Проверить это можно, изучив паспорт безопасности на конкретную клеевую систему. Впрочем, это не означает, что токсичные составы на современном российском отсутствуют вовсе.
«К сожалению, на российском рынке химических материалов в целом и клеёв в частности стремление производителей к использованию менее токсичных или вредных материалов далеко от желаемого. Причины кроются как в отсутствии жёсткой законодательной базы, так и в стремлении получить выгоду здесь и сейчас, не думая о будущем.
Большая социальная ответственность за судьбу потребителей продукции, изготовленной с нарушением требований безопасности, могла бы стимулировать промышленность переходить на экологически чистые материалы, если бы это подкреплялось, например, предоставлением налоговых льгот со стороны государства», — считает Николай Кечаев.
«Прямых ограничений на использование клеёв того или иного типа нет, производители ограничены нормами по выделению вредных веществ из готового продукта для различных категорий товаров. Не соответствующие нормам товары просто не будут допущены к реализации.
Поэтому производители при выборе клеевого состава для продукции учитывают возможности её реализации с учётом получаемой категории безопасности», — поясняет специалист техподдержки ООО «Полимерсбыт».
Облицовывание пленками
Облицовывание мебели пленками заключается в следующем. На подготовленную поверхность основы помещают лист пленки. Если пленка не имеет адгезии к основе, то на основу предварительно наносят клей. Поверх пленки кладут металлическую полированную прокладку, а на нее амортизатор из картона или асбестовой ткани. Амортизатор увеличивает срок эксплуатации полированных прокладок и дает возможность более равномерно распределять давление на основу при прессовании. Если надо получить тисненое покрытие, то вместо металлических прокладок используют матрицу из стеклоткани, обладающую антиадгезионными свойствами к пленке. В процессе горячего прессования матрица в зависимости от нанесенного на нее рисунка оставляет на отделанной поверхности тиснение.
Сформированные пакеты загружают в гидравлический пресс и прессуют в течение 8–10 мин при температуре плит пресса 110– 150°С. Удельное давление при прессовании 20–25 кгс/ см2, если приклеивание происходит без применения клеев, и 5–8 кгс/см2 при использовании клеев.
Под знаком CH2O
Пожалуй, самая главная «страшилка» при использовании клеёных материалов и конструкций — наличие в них формальдегида. Он оказывает общетоксическое, канцерогенное и мутагенное воздействие на организм человека, куда попадает в основном в виде паров, которые выделяют новая мебель, некоторые краски и отделочные материалы.
Степень вреда, оказываемого на организм, напрямую зависит от объёма его выделения (эмиссии) и длительности воздействия. Формальдегид имеет свойство накапливаться в некоторых органах, и при систематическом воздействии чувствительность к нему усиливается.
«Однако полностью исключить формальдегид из нашей жизни нельзя. В небольших количествах его вырабатывают живые организмы (он участвует в метаболизме), и даже такой экологичный материал, как древесина, содержит небольшое количество формальдегида (< 0.03 ppm).
Общей тенденцией во всём мире является строгое регламентирование и снижение содержания формальдегида в продукции до естественного, экологичного уровня, при котором организм не подвергается вредному воздействию. Допустимый уровень эмиссии формальдегида из древесных материалов в Европе, США и Японии устанавливают внутренние стандарты: для Европы это классы Е1 и Е2, для Японии — F* – F****, для США — CARB1 и CARB2.
В России также по степени эмиссии формальдегида материалу присваивают класс E1 или Е2. Компания IKEA в своём стандарте IOS-MAT-003 устанавливает класс E0.5 (выделение формальдегида 0,05 ppm), ГОСТ 3916.1 – 2022 также допускает такой класс.
С 2006 года класс E1 обязателен для фанеры и плитных материалов из дерева в Европе (не более 0,124 мг/м3). Такие материалы допускается использовать в производстве бытовой мебели и мебели для общественных помещений, а также изделий, эксплуатируемых внутри жилых комнат», — отмечает Светлана Бурова.
По её мнению, в настоящее время нет необходимости отказываться от формальдегидных клеёв. Само наличие этого вещества в составе изделия пугать не должно, основной лимитирующий фактор в данном случае — его последующая эмиссия в окружающую среду.
В подтверждение этого можно привести ряд современных клеевых продуктов с содержанием формальдегида, экологическая безопасность которых проверена и подтверждена действующими стандартами. Например, это формальдегидные смолы с низким уровнем эмиссии формальдегида (PF, MF, MUF, RF и PRF) или изоцианатные смолы (PMDI).
Представлены на рынке и клеевые продукты без содержания формальдегида — это полиуретановые клеи и клеевые системы ЭПИ (эмульсионный полимер-изоцианат). Учёные продолжают поиски безопасных составов, экспериментируя с рецептурами клеевых композиций, создавая новые сорбенты токсичных веществ и применяя более экологичные исходные компоненты.
Уже найден способ приготовления клея на основе формальдегида с применением легкодоступных алюмосиликатов с жёсткой каркасной структурой синтетического и природного происхождения. Прочность продукции, изготовленной с использованием такого модифицированного алюмосиликатами клея, возрастает по сравнению с изделиями, выполненными с применением традиционной формулы клея.
Николай Кичаев в дополнение к этому отмечает, что в отдельных случаях клеевые составы не только не наносят вреда человеку и природе, но и позволяют снижать объёмы вредных испарений из изделий. Например, такой эффект оказывает покрытие плит ДСП декоративными плёнками и кромками. В качестве таких «барьерных» отделочных материалов также могут выступать грунтовки, шпатлёвки и лаки.
Они позволяют снизить эмиссию формальдегида от 2 до 10 раз. Если изначально в сухой плите содержится 40–100 мг формальдегида на 100 граммов, то после отделки ламинатом эмиссия снижается до 10–18 мг, если отделка выполнена без заделки торцов, а с заделкой — до 2–4 мг. Чтобы снизить токсичность ДСП, применяемой в строительстве, используют формальдегидосвязывающие краски и эмали — благодаря такой отделке токсичные выделения из плит снижаются в 50–60 раз.
Нанесение клея вручную
Клеи, как правило, наносят на одну из склеиваемых поверхностей. Только при склеивании поверхностей, сильно впитывающих клей после нанесения (торцы, полуторцы), применяют двустороннее нанесение.
На рис. 2 показаны приспособления для нанесения клея.
Рис. 2. Приспособление для нанесения клея вручную: а – с верхней ванной; б – с нижней ванной; 1 – ванна; 2 – клей; 3 – рукоятка; 4 – дозирующий валец; 5 – клеенаносящий валец; 6 – регулируемый зазор; 7 – линейка
Приспособление с верхней ванной (рис. 2, а) состоит из ванны 1 с клеем 2, двух металлических вальцов – дозирующего 4 и клеенаносящего 5, рукоятки 3. Клеенаносящий валец облицован мягкой пористой резиной или поролоном. Опоры обоих вальцов закреплены в направляющих, но могут быть передвинуты вверх или вниз, что позволяет регулировать величину зазора 6 между нижними кромками стенок ванночки и поверхностью дозирующего вальца. Таким образом можно изменять количество подаваемого клея. При нанесении клея приспособление держат за рукоятку и прокатывают на поверхности основы.
Приспособление с нижней ванной (рис. 2, б) состоит из ванны 1, клеенаносящего вальца 5 и линейки 7 для съема с вальца излишков клея. Приспособление устанавливается на столе. Для нанесения клея заготовкой проводят по вальцу.
Ещё раз о переработке
Об экологичности клеёных материалов и конструкций важно помнить не только на этапах из производства и эксплуатации, но и когда изделие из клеёной древесины завершает свой жизненный цикл. Самый лучший с точки зрения влияния на окружающую среду сценарий — переработка древесных изделий для вторичного использования. К сожалению, в нашей стране он пока сопряжён с большим количеством трудностей.
Наглядно это продемонстрировал опыт реализации проекта «Новая жизнь старого шкафа», который организовала Ассоциация предприятий мебельной и деревообрабатывающей промышленности России (АМДПР). Его участниками стали и IKEA — единственные на сегодняшний день игроки российского рынка деревообработки, которые предлагают услуги по сбору старой мебели для её последующей переработки.
Разумеется, это ничтожно мало. Но даже если бы перерабатывающих мощностей было больше, для успеха этого мало — необходимо активное вовлечение в цепочку органов власти и населения. Чтобы гражданам было интересно поддерживать цикл переработки древесной продукции, нужны пункты сбора и грамотная логистика. Пока российский ЛПК похвастаться этим не может.
«Компании сами занимаются налаживанием логистических цепочек по поставке вторичной древесины и б/у мебели. То есть проекты IKEA и «Кроношпан» — это по большому счёту внутрикорпоративная инициатива, которую вряд ли можно распространить в качестве алгоритма на Российскую Федерацию в целом. В нашей стране с этим пока большая проблема», — отметил генеральный директор АМДПР Тимур Иртуганов на онлайн-конференции Woodindex-2020 «Инвестиции в ЛПК и ЦБК: точки роста и направления развития».
Кроме того, серьёзными сдерживающими факторами в развитии вторичной переработки деревянных изделий являются отсутствие законодательной базы по этой теме, а также нехватка специализированного оборудования и инвестиций для его приобретения.
Адсорбционная теория
Эта теория рассматривает образование клеевого шва как многостадийный процесс. На первой стадии в результате теплового (броуновского) движения происходит перемещение – миграция больших молекул полимера клея из раствора к поверхности подложки. Второй стадией склеивания, согласно этой теории, является адсорбция. Когда расстояние между молекулами клея и подложки станет меньше 5 А, начнут действовать межмолекулярные силы, которые, как уже отмечалось, могут быть самого различного характера: дисперсионные, индукционные, ориентационные и водородные, с энергией связи от 0,1 ккал/моль (дисперсионные) до 10 ккал/моль (водородные). Третья стадия склеивания – удаление растворителей из раствора клея, повышение когезионной прочности клея, чтобы его когезия достигла адгезии. Если же в качестве клеящего вещества применяют вязкие полимеры, то третьей стадией будет процесс упрочнения полимера.
Адсорбционная теория адгезии получила широкое распространение за границей, хотя ей присущ ряд недостатков. Кроме того, она не учитывает явлений электризации плоскостей адгезии, а также особенностей поведения полимеров, отличающие их от жидкостей и упругих тел.
Электрическая теория адгезии
Теория предложена Б. В. Дерягиным и Н. А. Кротовой (СССР), она основывается на явлениях контактной электризации, происходящей при тесном соприкосновении между диэлектриком и металлом или между двумя диэлектриками.
Система клей – склеиваемый материал, согласно этой теории, отождествляется с конденсатором, а двойной электрический слой, возникающий при контакте двух разнородных поверхностей, – обкладками конденсатора. При отделении клея от поверхности или, что то же самое, разведении обкладок конденсатора возникает разность потенциалов, величина которой возрастает с увеличением зазора между разводимыми до определенного предела поверхностями, когда наступает разряд. Затрачиваемая на разведение поверхностей работа оказывается зависящей от скорости: чем меньше скорость, тем меньше требуется затратить работы на разведение поверхностей, ибо заряды успевают стечь. При быстром разведении поверхностей высокая начальная плотность сохраняется вплоть до наступления газового разряда. Это обеспечивает большое значение работы адгезии, так как действие электростатических сил притяжения преодолевается на сравнительно больших расстояниях.
Что касается причины образования двойного электрического слоя на границе раздела двух поверхностей (клей – склеиваемый материал), то здесь имеются два предположения. В одном случае появление его объясняют адсорбцией клея твердой поверхностью и ориентацией полярных групп клея на этой поверхности. Во втором случае, когда речь идет о склеивании металла, образование этого слоя объясняют переходом электронов в клей. Электрическая теория адгезии не универсальна, так как не может удовлетворительно объяснить образование адгезионной связи между полимерами, близкими до своей природе; не объясняет, почему неполярные полимеры, в которых не образуется двойной электрический слой, все же могут давать достаточно прочную связь.
Следует также указать, что ряд характерных явлений при разрушении склеек, служащих основным доказательством правильности электрической теории адгезии, проявляется лишь в определенных условиях, когда склейки предварительно хорошо высушены. При расслаивании свежеприготовленных склеек электрические заряды не наблюдаются, а прочность склеек все же оказывается достаточно высокой.
