چهار نوع از رزین های تجاری شامل پلی ونیل استات (P.VA) ملامین اوره فرمالدئید (MVF) اوره فرمالدئید (UF) و ملامین فرمالدئید (MF) مورد استفاده قرار گرفتند در ساخت تیرهای روکش لایه ای (LVL) با روکش های تهیه شده از چوب تبریزی در آزمایشگاه برطبق استانداردها (D1037, D906, D5456)و ASTM در آزمایشگاه خواص فیزیکی و خواص مکانیکی مورد ارزیابی قرار گرفت.

مقاومت چسبندگی داخلی، برش کششی و مقاومت برش قیچی شدن block shear، نمونه های LVL ها با تسریع کننده های آزمایش مانند آب جوش و شرایط خیس کردن نمونه ها و تکرار آنها انجام شد. خواص مقاومتی تیرهای لایه ای (LVL) تهیه شده  از گونه صنوبر و با اتصال چسب پلی  ونیل استات با اتصال عرضی بهبود یافته بود و قابل مقایسه بود با چسب های ترموست، این مطالعه بطور واضح نشان می دهد که چسب پلی ونیل استات می تواند استفاده شود در ساخت تیرهای لایه ای (LVL) با خواص قابل قبول.

مقدمه

تیرهای لایه ای (LVL) بطور قابل قبولی از نظر تنوع و جزابیت مقایسه می شوند با چوب. به عنوان مثال افزایش پایداری در ابعاد، یکنواختی و بزرگی قدرت مکانیکی، بهبود توزیع خواهی تنشی، کاهش هزینه تولید، دسترسی به ابعاد بزرگ و جذابیت ظاهری از ویژگیهای تیرهای لایه ای (LVL) می باشد.

گونه های که مورد مصرف قرار می گیرند در ساخت LVL عبارتند از : افرا، دوگلاس فر، صنوبر Yellow poplar .

صنوبر Yellow poplar گونه ای سخت چوب با دانسیته پائین است که در شمال آمریکا فراوان می باشد، و مشخصاتی نظیر : دانسیته پائین، نرم، شکننده، کم دوام و به آسانی ماشین کاری می شود و بطور عمومی استفاده می شود برای ساخت اثاثیه، مبلمان، روکش و ساخت پالت. چندین گزارش و مطالعه خواص مهندسی، گونه صنوبر را مورد بررسی قرار داده است و پیشنهاد برای کاربرد این گونه در ساخت کابینت های آشپزخانه و لایه های کف سازی را مورد تأیید قرار داد.

بیشتر تیرها لایه ای LVL با روکش صنوبر از زمین فنل فرمالدئید برای تولید استفاده می کرد و گزارش از خواص  ساخته شده با چسب های ترموپلاستیک قبلاً گزارش نشده بود. هدف از این تحقیق بررسی ارزیابی خواص آزمایشگاهی LVL های ساخته شده به ضخامت 10 میلی متر با استفاده از چسبهای ترموپلاستیک و چسبهای آمینو است. از مهمترین فواید و خصوصیات تیرهای لایه ای با استفاده از چسب های ترموپلاستیک عبارتند از : هزینه تولید پائین، نسبت به چسب های ترموست و عدم استفاده از فرمالدئید.

زیرا محصولاتی که ساخته می شوند ممکن است داخل ساختمان استفاده شوند و عدم استفاده از فرمالدئید از ویژگی های مهم این تیرهای لایه ای می باشد.

2- مواد و روش ها

1-2- روکش های چوبی

بیست سال قبل درختان صنوبر حاصل از جنگل های در میشیگان پس از قطع به طول 8/1 متر پوست کنی و بصورت لوله بری روکش های به ضخامت 2/0 ± 1/3 میلیمتر تهیه می شود. ابعاد کوره های خشکنی 50 × 600 سانتی متر بود و استفاده می شود. برای ساخت   LVLهای سه لایه در آزمایشگاه ها و مقدار رطوبت روکش ها 1 ± 77% بود.

2-2- چسب

چهار نوع چسبی که خریداری شد برای مصرف عبارتند از : پلی ونیل استات، ملامین فرمالدئید، اوره فرمالدئید و ملامین اوره فرمالدئید.

اوره فرمالدئید و ملامین اوره فرمالدئید بصورت پودر بود و ملامین فرمالدئید بصورت مایع و چسب های پلی ونیل استات به صورت امولسیون. در جدول شماره 1 خواص چهار نوع چسب مصرفی آورده شده است.

3-2- فرایند تولید

یک روش چسب زنی استفاده از برسهای دستی بود که بر روی یک سطح روکش با برس چسب زده می شود. وزن روکش قبل از چسب زنی و بعد از چسب زنی محاسبه می شود تا مقدار چسب هر لایه معین گردد. برای تهیه سه لایه، دو خط چسب زنی بر روی روکش ها چسب می زدند. و روش دیگر به مدت دو دقیقه چسب بر روی روکش ها اسپری می شود این روش ها برای تهیهLVL به ضخامت 1 ± 10 میلیمتر بود. فرایند پرس توسط دو غلطک استیل پانل ها عبور می کردند. و میکرو پروسسور کنترل می کرد. دمائی غلطک ها را و پارامترهای تولید در جدول شماره 1 آورده شده است.

4-2- روشهای تست

تست های خواص فیزیکی و مکانیکی طبق (D1037, D906, D5456 (2008))انجام شد. خصوصیات LVL ها مانند : دانسیته، مقدار رطوبت، جذب آب  (WA)، واکشیدگی ضخامت (TS)، مدول گسیختگی (MOR) ، مدول الاستیسیته  (MOE)، سختی سطوح، مقاومت چسبندگی در روش(IB) مقاومت تنش برشی (TSS) و کشش برشی  (BSS)تعیین شدن.

IB و TSS و BSS تستهای بودند که روی نمونه ها به طور مداوم دوره ای تکرار شد عمل خیساندن در آب و تسریع کردن آب جوش.

1-4-2- دانسیته

بیست نمونه به ابعاد 50/8 × 50/8 × 9/5 میلیمتر از دو پانل مورد استفاده قرار گرفت برای تعیین دانسیته و درصد رطوبت تعیین شدند.

 

2-4-2- جذب آب (WA) و واکشیدگی ضخامت(TS)

ابعاد نمونه ها 112 × 78 × 9/5 میلیمتر مورد استفاده قرار گرفت برای آزمون های WA  و TS نمونه ها بدون آببندی شدن بودند و قوطه ور زیر آب در سطح 25 میلی متر سطح آب و درجه حرارت 23 ± 3 درجه سانتیگراد. اطلاعات مربوط به واکشیدگی ضخامت ثبت شد در یک کامپیوتر که کنترل می کرد (LVDT) را. دقت اندازه گیری 5/2 میکرومتر بود. زمان آزمون 2 ساعت و 244 ساعت اجراء شد.

3-4-2- خواص خمش Flexural properties

سه دوره تست طبق (D5456-06) روی نمونه های به طول 152 میلیمتر پهنا 25 میلیمتر و ضخامت 5/99 میلیمتر انجام شد. برای هر نوع LVL هشت نمونه مورد آزمایش قرار گرفت. فاصله دهانه 15 و اندکی کمتر از میزان پیشنهاد شده ??? مربوط به طول پانل ها بود. اما اثر استفاده کم دهانه در خواص خمشی معلوم نیست.

j– شرایط سیکل خیساندن در آب

یکی از سیکل های خیساندن شامل قراردادن در آب با درجه حرارت 22 درجه برای 24 ساعت و سپس خشک کردن در دمای داخل اتاق به مدت 24 ساعت. نمونه خشک شده در کوره در دمای 60 ± 2 درجه به مدت 244 ساعت و نمونه های کوره را سپس در مکانی با دمای 21 درجه و رطوبت نسبی 655% تا ثابت شدن وزن نگه داری می کنند. سه دوره خیساندن و خشک کردن در جریان کلی به مدت 72 ساعت انجام می پذیرد. تا نمونه ها آماده برای آزمایشها شود.

jj– شرایط تسریع کردن با آب جوش

نمونه های قوطه ور در آب سرد برای مدت دو ساعت درون آب جوش انتقال و نگه داری شدند. بعد از دو ساعت جوشیدن نمونه ها درون آب سرد با دمای 27 ± 2 درجه سانتی گراد انتقال یافتند. و خشک شدن در مدت 24 ساعت در دمای داخلی اتاق نمونه های خشک شده در هوای آزاد «دمای اتاق» درون کوره با دمای 60 ± 2درجه سانتی گراد در مدت 24 ساعت قرار گرفتند و پس از آن در شرایط محیطی 21 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 65% تا ثابت شدن وزن نمونه قرار گرفتند. این اعمال قبل از آزمونهای BSS و IB انجام می شود.

3- نتایج تحقیق

1-3- خصوصیات فیزیکی

خصوصیات و موارد مصرف چسب ها متفاوت می باشد. چسب ها استفاده می شوند به صورت متفاوت در ساخت تخته های LVL به عنوان مثال از چسب ملامین فرمالدئید استفاده می شود برای اتصال تخته های LVL .

1-1-3- دانسیته پروفیل تخته ها

میانگین میزان دانسیته نمونه ها در شرایط دمای 21 ± 2 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی  %65 ± 5در لیست شماره 2 آورده شده است. میزان دانسیته  LVLها بین 550-590 کیلوگرم بر مترمکعب و میزان دانسیته روکش ها 490 ± 20 کیلوگرم بر مترمکعب و درصد رطوبت تعادل 10 ± 2 درصد بود.

دانسیته LVL های ساخته شده بیشتر بود نسبت به دانسیته روش گونه مصرف شده. دلیل این اختلاف دانسیته، کاهش حجم در طی پرس و همچنین سهم دانسیته بالای چسب موردمصرف می تواند باشد.

دانسیته LVL با چسب پلی ونیل استات %12 بیشتر از روکش مصرفی و به میزان 14 درصد بیشتر از LVL با اتصال چسب اوره فرمالدئید و 18 درصد بیشتر از ملامین فرمالدئید 20 درصد بیشتر ازLVL ها با اتصال چسب ملامین اوره فرمالدئید بوده. این افزایش به نوع چسب و دانسیته اول چسب مربوط بوده است و در جدول شماره 1 آورده شده است.

بنابراین سهم دانسیته چسب در افزایش دانسیته LVL غیرقابل چشم پوشی می باشد. و این پارامترها را در ساخت و تولید LVL ها باید در نظر گرفت.

دانسیته پروفیل های نمونه ها  : نشان می دهد تفاوت بین دانسیته پروفیل ها و رابطه آنها با چسب مصرفی در هر پروفیل را. دانسیته چسب کامپوزیت های چوبی به عملکرد چسب ها که شامل میزان سرعت گیرایی و دانسیته اولیه چسب مصرفی و فرآیند پرس که شامل فشار پرس، درجه حرارت و زمان پرس می باشد بستگی دارد.

رابطه بین میزان ماکزیمم دانسیته چسب در LVL ها مورد مطالعه قرار گرفت :

میزان بالای دانسیته اولیه چسب های ملامین اوره فرمالدئید می تواند باعث بالارفتن دانسیته LVL های ساخته شده با این چسب شود و پائین بودن وزن مخصوص اولیه چسب پلی ونیل استات نسبت به MUF می تواند باعث تولید LVL های با دانسیته پائین تر می گردد.

2-1-3- جذب آب واکشیدگی ضخامت (WA)

یک پارامتر مهم در تولیدات محصولات چوبی دوام کارهای ساخته شده می باشد.

در لیست شماره 2 (table 2) میزان جذب آب بعد از دو ساعت و 24 ساعت خیساندن آورده شده است. مقدار جذب آب LVL های ساخته شده با چهار چسب مورد آزمایش مطابق با اطلاعات زیر می باشد.

– چسب پلی ونیل استات %19±1

– چسب ملامین فرمالدئید %21

– ملامین اوره فرمالدئید %27±1

– اوره فرمالدئید %33

مقدار واکشیدگی ضخامت (TS) بعد از دو ساعت قرار گرفتن در آب نمونه های LVL با پلی ونیل استات و ملامین اوره فرمالدئید و ملامین فرمالدئید عملکردی شبیه یکدیگر داشته و نسبت آنها کمتر از اوره فرمالدئید بود. در شکل شماره 2 (Fiy2) این مقایسه جالب بین چهار چسب مصرفی در ساخت نمونه های مورد آزمایش نشان داده شده است. فشارهای درونی به صورت نیروهای ذخیره شده در کامپوزیت ها شناخته شده اند که این فشارهای درونی در طی زمان گرم شدن در زیر پرس و در جهت ضخامت دیده می شود. فشارهای درونی هنگامی آزاد می شوند که کامپوزیت های چوبی در ارتباط با رطوبت یا آب قرار بگیرند.

اگر مقاومت نیروی چسبندگی بین چسب و نیروی پیوستگی بین چسب و چوب به اندازه کافی قوی نباشد به طور مقابل تأثیر بر روی نیروی واکشیدگی می گذارد (Swell Force)

کامپوزیتهای چوبی که ساخته می شوند با چسب اوره فرمالدئید میزان تورم آنها در مقابل جذب آب از سایر چسب های دیگر که آزمایش شده اند بالاتر است و این عمکرد در شکل 3 نشان داده شده است بین چهار چسب مورد استفاده در ساخت LVL ها.

طبق شکل شماره 3 بیشتر درصد تغییر  TSبرای چسب اوره فرمالدئید و بعد از آن برای چسب ملامین اوره فرمالدئید و کمترین تورم در مقابل جذب آب مربوط به چسب پلی ونیل استات ثبت شده است. در ضمن این آزمایش جایگاه چسب ملامین فرمالدئید نیز جایگاهی مناسب می باشد.

یک رابطه خطی بین جذب آب و تورم ضخامت وجود دارد که عبارتند از :

TS نمونه های ساخته شده آزمایشگاهی در غوطه وری کوتاه مدت و برای 24 ساعت در درجه حرارت اتاق وابسته بود میزان TS به مقدار جذب آب نمونه ها.

2-3- خواص مقاومتی

1-2-3- مدول گسیختگی و مدول الاستیسیته

میانگین مقاومتهای الاستیسیته و مدول گسیختگی در جدول 2 و شکل 4 برای LVL های ساخته شده با چهار چسب مورد مصرف قرار گرفته شده آورده شده است.

میزان مقاومت خمشی و سایر خصوصیات چوب صنوبر در جدول شماره 2 آورده شده که در این تحقیق دانسیته LVL ساخته شده با چسب ملامین اوره فرمالدئید MUF=590±20 کیلوگرم بر مترمکعب و سبکترین دانسیته برای LVL اتصال چسب پلی ونیل استات PVA=550±30 کیلوگرم بر مترمکعب. بیشترین مقاومت خمشی (MOR) مربوط به ملامین اوره فرمالدئید MUF=104/7±7/9مگا پاسکال و ضعیف ترین مربوط به PVA=97/3±6/8 مگا پاسکال و مدول گسیختگی چوب صنوبر 70 مگا پاسکال ثبت شده است. بیشترین مدول الاستیسیته مربوط به ساخت LVL با چسب اوره فرمالدئید U گیگا پاسکال و مدول الاستیسیته پلی UF=9/7±0/4ونیل استات از سایر چسبها کمتر به مقدار 8/5±0/5 گیگا پاسکال بوده است.

و نتیجه حاصل شده نشان می دهد که مدول گسیختگی تخته های LVL به مقدار 40 تا 50 درصد بیشتر از چوب صنوبر می باشد. و بعضی از خواص LVL ها می تواند بهبود یابد نسبت به خواص چوب صنوبر میزان مدول گسیختگی در LVL های ساخته شده با اتصال چسب فنول فرمالدئید PF در گزارشات نسبت به سایر چسب ها از همه کمتر گزارش شده است در این مطالعه.

میانگین مدول الاستیسیته LVL های ساخته شده با چسب های ترموست اکثراً شبیه یکدیگر بوده و مقدار آن 9/5±1 گیگا پاسکال و نسبت آنها بالاتر بود به چسب های ترموپلاستیک 8/5±0/5 گیگا پاسکال، از اساس و نوع چسب ها مشخص می شود که LVLهای ساخته شده با رزین ترموپلاستیک دارای سختی کمتری می باشد و شکل پذیری آنها نسبت به LVL های ساخته شده با رزین های ترموست بیشتر است.

2-2-3- سختی سطح

در جدول شماره 2 میزان سختی سطح چوب صنوبر و LVL های ساخته شده با گونه صنوبر و چسب های MF، MUF، UF، P.VA آورده شده است.

LVL های ساخته شده از صنوبر با اتصال چسب ملامین فرمالدئید میزان سختی سطح بالائی را دارا می باشند (MF=2/4mpa) و ملامین اوره فرمالدئید از نظر سختی سطح (MUF=1/4mpa) نسبت به اوره و پلی ونیل استات بیشتر است.

3-2-3- مقاومت برش کششی TSS

مقاومت برش کششی تهیه می کند اطلاعات مهمی را در مورد توانائی چسب های چوب مقدار مقاومت برش کششی LVL های ساخته شده با صنوبر و چهار چسب مختلف در جدول شماره 2 آورده شده است. مقدار تست TSS در شرایط خشک شدن در هوای آزاد تغییرات آن بین 2/3-2/8 مگاپاسکال بعد از شرایط تصریح کننده های مقاومت برش کششی پلی ونیل استات و ملامین فرمالدئید کاهش یافته پلی ونیل 19% و ملامین فرمالدئید حدود%50 اوره فرمالدئید نشان داده کاهش 722 درصدی را.

چسب های پلی ونیل استات با اتصال ارزی و ملامین فرمالدئید بهترین مقاومت چسبندگی بعد از شرایط آب جوش را دارد و قدرتمند هستند در اتصال بین دو سطح این چسب ها حساسیت پائینی دارند نسبت به آب. چسب های اوره و ملامین و ملامین اوره فرمالدئید مقاومت کمی در مقابل آب جوش می دهند گزارش از اتصال با چسب پلی ونیل استات در ساخت LVL ها نشان می دهد عملکرد خوبی را در مقابل خیساندن در آب و آب جوش این چسب دارد.

4-2-3- مقاومت برشی بلوک BSS

میانگین مقدار BSS برای LVL های ساخته شده با صنوبر در جدول شماره 2 آورده شده است مقدار BSS شرایط نمونه ها شبیه یکدیگر است. اگرچه کاهش نسبتاً قابل ملاحظه ای دارد BSS برای چسبهای اوره و ملامین اوره فرمالدئید وقتی که آزمایشات با استفاده از تصریح کننده ها (آب جوش) و شرایط دوره ای (آب سرد و خشک کردن در سه نوبت)

فرمول

کاملاً آشکار و واضح است که استفاده چسبهای UF و MUF برای ساخت و تولید LVL به منظور کاربرد در خارج ساختمان یا مکانهایی که ممکن است در ارتباط با آب و رطوبت باشد. این دو چسب مناسب نیستند مانند کف سازی ساختمان. در صورتیکه چسبهای پلی ونیل استات با اتصال ارزی و ملامین فرمالدئید پیشنهاد می شود برای استفاده.

5-2-3- مقاومت نیروی درونی (IB)

مقاومت نیروی درونی لایه های کامپوزیت های چوبی هست یک خصوصیت مهم که استفاده می شود برای مشخص کردن کارائی اتصال چسبها.

مقدار مقاومت نیروی درونی (IB) نمونه های LVL های ساخته شده با استفاده از چهار چسب مصرفی در شکل 55 آورده شده است. این اعداد بعد از شرایط هوا خشک و سیکل و شرایط تصریح کننده ها جمع آوری شده است.

هر چهار نوع چسب استفاده شده نشان دادن مقاومت خوبی را در آزمایش مقاومت به آب سرد و تستهای سیکل،

اما در تستهای آب جوش بیشترین کاهش مقاومتی نیروهای درونی مربوط به چسبهای اوره فرمالدئید و ملامین اوره فرمالدئید ثبت شده است.

نمونه های LVL های ساخته شده با چسب اوره و ملامین اوره فرمالدئید نسبت به چسب های پلی ونیل استات و ملامین فرمالدئید ضعیف عمل کردند.

مقدار IB بعد از آزمایش شرایط سیکل %80-100 برای چسبهای پلی ونیل و ملامین فرمالدئید و مقدار تنها %50-70 برای اوره فرمالدئید و ملامین اوره فرمالدئید ثبت گردید. اما بعد از آزمایش بوسیه تسریع کننده ها (آب جوش) برای اوره و ملامین اوره فرمالدئید 10-40 درصد در صورتیکه پلی ونیل استات و ملامین فرمالدئید نشان دادن %60-80 را نسبت به شرایط هوا خشک

دو فاکتور مهم در ضعیف بودن چسب های اوره فرمالدئید در مقاومت در مقابل آب یک شکنندگی و تردی چسب و دومی تفکیک و جدائی لایه ها در ارتباط با آب می باشد.

جدول شماره 2 و شکل 5 نشان می دهد تست های سیکل و تسریع کننده های آزمایشی نیروی درونی را و می توان نتیجه گرفت تستهای تکرار در آب و تسریع در آب جوش ملامین فرمالدئید و پلی ونیل استات از نظر خواص مقاومتی در آب شبیه یکدیگر می باشندبنابراین ممکن است مورد استفاده قرار بگیرند در تولیدات ساختمانی و غیرساختمانی محصولات چوبی.

– نتیجه گیری

خواص فیزیکی و مکانیکی LVL تولید شده با صنوبر و با اتصال چسبندگی چسب پلی ونیل استات و سه چسب ترموست (اوره، ملامین و ملامین اوره فرمالدئید) مورد بررسی قرار گرفت.

LVL های ساخته شده با گونه صنوبر %12-20 تغییر در وزن مخصوص آنها نسبت به چوب صنوبر وجود داشت به عبارتی دیگر12-20 درصد LVL ها از چوب همان گونه وزن مخصوص بیشتری داشته اند. LVL های ساخته شده با استفاده از اتصال چسب پلی ونیل استات میزان جذب آب و تورم ضخامت آنها نسبت به LVLهای ساخته شده با استفاده از چسب های ترموست کمتر بود.

مقدار مدول گسیختگی LVL های ساخته شده از گونه صنوبر 40-50 درصد بهبود یافته بود نسبت به مدول گسیختگی چوب صنوبر.

شرایط خشک کردن  LVLها با استفاده از چسب پلی ونیل شبیه به خشک کردن LVL های استفاده شده با چسبهای ترموست بوده است.

LVL های ساخته شده با چسب های پلی ونیل استات و ملامین فرمالدئید مورد قبول واقع شدن از نظر رفتار مقاومتی در برابر آب. تحت تأثیر شرایط آب جوش اوره و ملامین فرمالدئید نشان دادن خواص مقاومتی پائین تری را نسبت به پلی ونیل استات و ملامین فرمالدئید. مقایسه مقاومت ها و خواص چسبندگی در شرایط سخت پیشنهاد می کند ساخت LVL ها را با استفاده از چسب پلی ونیل استات. آگاهی و اطلاعات مفید در مورد صنوبر زرد می تواند بهبود بدهد تکنولوژی بهره برداری از چوب صنوبر را و تولید LVLها با چوب صنوبر.