ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΑΝΤΟΧΗ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ ΞΥΛΕΙΑΣ ΜΕ ΔΑΚΤΥΛΟΕΙΔΕΙΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΔΑΣΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΓΚΟΜΙΔΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΑΣΙΚΩΝ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΔΑΣΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΑΝΤΟΧΗ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ ΞΥΛΕΙΑΣ ΜΕ ΔΑΚΤΥΛΟΕΙΔΕΙΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΤΣΑΛΑΓΚΑΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΔΑΣΟΛΟΓΟΣ-ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΛΟΓΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΔΑΣΟΛΟΓΙΑΣ & ΦΥΣΙΚΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΓΚΟΜΙΔΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΑΣΙΚΩΝ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΔΑΣΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΙΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΑΝΤΟΧΗ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ ΞΥΛΕΙΑΣ ΜΕ ΔΑΚΤΥΛΟΕΙΔΕΙΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΤΣΑΛΑΓΚΑΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΔΑΣΟΛΟΓΟΣ-ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΛΟΓΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα ερευνητική εργασία αποτελεί τη μεταπτυχιακή μου διατριβή, η οποία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Δασική ς Τεχνολογίας της σχολής Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος του Αριστοτέλειου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. Με την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής θα ήθελα να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στον διευθυντή του εργαστηρίου καθηγητή κ. Ιωάννη Φιλίππου, ο οποίος ανέλαβε πρόθυμα την περάτωση και επίβλεψη των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Η συμβολή του στην διαδικασία αυτή ήταν ανεκτίμητη και καθοριστική. Ειδικότερα τον ευχαριστώ για τις εποικοδομητικές υποδείξεις και παρατηρήσεις του καθώς και για τη συνεργασία του σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. Η μακροχρόνια πείρα του σε θέματα τεχνολογίας ξύλου ήταν πολύτιμη. Θα ήθελα, επίσης, ιδιαιτέρως να ευχαριστήσω τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Βασίλειο Βασιλείου για τη στενή συνεργασία του κατά τη διάρκεια της μεταπτυχιακής μου διατριβής. Η μεθοδικότητα και η καθοδήγηση του αποτέλεσαν πιστό αρωγό κατά την πραγματοποίηση της. Οι επιστημονικές του γνώσεις και ανησυχίες με βοήθησαν να διευρύνω τους επιστημονικούς μου ορίζοντες και να προσεγγίσω το θέμα πολύπλευρα. Το ενδιαφέρον και οι εποικοδομητικές του υποδείξεις, καθώς και η ηθική του υποστήριξη καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας αυτής στάθηκαν πολύτιμες. Τον κ. Σωτήρη Καραστεργίου, αναπληρωτ ή καθηγητή και προϊστάμενο του Τμήματος Σχεδιασμού Τεχνολογίας Ξύλου και Επίπλου, ΑΤΕΙ Λάρισας, θα ήθελα να ευχαριστήσω για την ευγενή παραχώρηση μέρους απαραίτητου εξοπλισμού, χωρίς τον οποίο δεν θα ήταν δυνατή η πραγματοποίηση του πειράματος. Θα ήθελα να ευχαριστήσω ακόμη, τον καθηγητή κ. Αθανάσιο Γρηγορίου για την διάθεση επιστημονικών άρθρων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Επιπρόσθετα, ευχαριστώ θερμά τους φίλους και συναδέλφους Παπαθανασίου Βασίλειο, Παπαδημητρίου Μαρία και Δάλμαρη Ελευθερία για την πολύτιμη βοήθεια τους στην ολοκλήρωση του πειραματικού μέρους της διατριβής και για την αμέριστη συμπαράσταση τους κατά την διάρκεια των μεταπτυχιακών μου σπουδών. Τέλος επιθυμώ να εκφράσω τη μεγάλη ευγνωμοσύνη μου στην οικογένεια μου και να αφιερώσω την συγγραφή της συγκεκριμένης διατριβής στον παππού μου. i

4 Π ΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΤΟ ΞΥΛΟ ΩΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΜΕΝΟ ΥΛΙΚΟ Γενικά Είδος ξύλου Εκχυλίσματα Πυκνότητα Υγρασία του ξύλου Εντεριώνη Πορώδες και διαπερατότητα Διεύθυνση των ινών και επιφάνειας κοπής Η επιφάνεια του ξύλου Ικανότητα διαβροχής, ροής και διείσδυσης Άτμιση του ξύλου ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ Γενικά Θεωρίες συγκολλήσης Επίδραση της συγκολλητικής ουσίας στην αντοχή της σύνδεσης Διάκριση των συγκολλητικών ουσιών ανάλογα με την προέλευση τους Διάκριση των συγκολλητικών ουσιών ανάλογα με την αντοχή τους, στην έκθεση τους στο περιβάλλον Επιλογή της συγκολλητικής ουσίας Τύποι συγκολλητικών ουσιών ΔΑΚΤΥΛΟΕΙΔΕΙΣ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ Γενικά Γεωμετρία των δακτυλοειδών συνδέσεων Πλεονεκτήματα των δακτυλοειδών συνδέσεων Διάκριση των δακτυλοειδών συνδέσεων με βάση την τελική τους χρήση Διάκριση των δακτύλων σύμφωνα με τον τύπο τους Διάκριση των δακτύλων σύμφωνα με τον προσανατολισμό τους Ροή παραγωγής δακτυλοειδών συνδέσεων Τύποι μηχανών για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων Κοπτικά μέσα για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων Αποδοτικότητα της σύνδεσης και αποτυχία του ξύλου Ποιοτικός έλεγχος Πίεση...47 ii

5 3 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑ ΣΙΑΣ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΞΥΛΕΙΑ ΣΥΓΚΟΛΛΗΤΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΔΑΚΤΥΛΟΕΙΔΩΝ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΠΟΙΟΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΩΝ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ- ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΕΛΑΤΗ Μέτρο θραύσης Μέτρο ελαστικότητας ΜΑΥΡΗ ΠΕΥΚΗ Μέτρο θραύσης Μέτρο ελαστικότητας ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΟΥ ΕΙΔΟΥΣ ΞΥΛΟΥ ΣΤΗΝ ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΚΑΜΨΗ Διερεύνηση της επίδρασης του είδους ξύλου (ελάτης και μαύρης πεύκης) στο μέτρο θραύσης των δακτυλοειδών συνδέσεων Διερεύνηση της επίδρασης του είδους ξύλου (ελάτης και μαύρης πεύκης) στο μέτρο ελαστικότητας των δακτυλοειδών συνδέσεων ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...89 iii

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο χρόνος πολυμερισμού ή σκλήρυνσης της συγκολλητικής ουσίας αποτελεί έναν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες στην αντοχή μιας σύνδεσης. Ο οποιοσδήποτε χειρισμός της ένωσης πρέπει να γίνει, αφού έχει επιτευχθεί το μεγαλύτερο μέρος της σκλήρυνσης αυτής. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η επίδραση του χρόνου πολυμερισμού (σκλήρυνσης) της αντοχής σε στατική κάμψη της κατά μήκος συγκόλλησης με δακτυλοειδείς συνδέσεις ξυλείας ελάτης και μαύρης πεύκης. Για τη διεξαγωγή της έρευνας χρησιμοποιήθηκε ο τύπος της φτερωτής δακτυλοειδούς συνδέσεως με μήκη δακτύλων 12,5 και 20 mm και συγκολλητικές ουσίες, την ισοκυανική κόλλα EPI (emulsion polymer isocyanate) και την κόλλα μελαμίνηςουρίας-φορμαλδεΰδης (MUF), σε πριστά διαστάσεων 20x20x360 mm. Εφαρμόστηκαν τέσσερις χρόνοι πολυμερισμού (2 ½, 7, 24 ωρών και 7 ημερών) υπό πίεση 2 MPa (N/mm 2 ) για 0 πέντε λεπτά σε συνθήκες περιβάλλοντος (θερμοκρασία 20 C, 65 % σχετική υγρασία). Το μέτρο θραύσης της ελάτης κυμάνθηκε από 17,19 N/mm 2 έως 56,27 N/mm 2, που αντιστοιχούν σε ποσοστά από 25,88 έως 84,73 του μέτρου θραύσης του συμπαγούς ξύλου. Το μέτρο ελαστικ ότητας κυμάνθηκε από 7044,16 N/mm 2 έως 12246,11 N/mm 2, που αντιστοιχούν σε ποσοστά από 90,4 έως 157,17 % του μέτρου θραύσης του συμπαγούς ξύλου. Το μέτρο θραύσης της πεύκης κυμάνθηκε από 9,62 N/mm 2 έως 64,35 N/mm 2, που αντιστοιχούν σε ποσοστά από 10,75 έως 71,92 του μέτρου θραύσης του συμπαγούς ξύλου. Το μέτρο ελαστικότητας κυμάνθηκε από 4330,9 N/mm 2 έως 13855,26 N/mm 2, που αντιστοιχούν σε ποσοστά από 35,27 έως 112,85 % του μέτρου θραύσης του συμπαγούς ξύλου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο χρόνος πολυμερισμού είχε στατιστικά σημαντική επίδραση στην συμπεριφορά της αντοχής των δοκιμίων δακτυλοειδούς σύνδεσης. Ο χρόνος πολυμερισμού των 7 ημερών έδωσε τις μεγαλύτερες τιμές του μέσου μέτρου θραύσης και στα δύο είδη ξυλείας. Μετά από 24 ώρες οι δακτυλοειδείς συνδέσεις απέκτησαν γύρω στο 70 % και παραπάνω της μέγιστης αντοχής των 7 ημερών. Μόνον, το μέτρο ελαστικότητας της ελάτης δεν επηρεάστηκε στατιστικά σημαντικά από το χρόνο πολυμερισμού, σε αντίθεση με αυτό της μαύρης πεύκης. Λέξεις-κλειδιά: χρόνος πολυμερισμού, δακτυλοειδείς συνδέσεις, αντοχή σε στατική κάμψη, ψυχρή συγκόλληση iv

7 SUMMARY The effect of curing time of an adhesive consists one of the most important factors on the performance of finger jointed wood. Any further handling of the joint, must be done, after most of the curing has being completed. The object of this study was to investigate the effect of curing time on static bending strength of finger jointed fir (Abies borisii regis) and pinus (Pinus nigra). Two finger lengths (12,5 mm and 20 mm) and two types of adhesive (EPI and MUF) of feather profile finger joint were involved in the investigation. Dimensions of specimens were 20x20x360 mm. Four different curing times (2 ½, 7, 24 hours and 7 days) were applied, under 2 MPa pressure, for five minutes, at room temperature (20 0 C, 65 % relative humidity). Modulus of ruprure (MOR) for all specimens of fir ranged from 17,19 N/mm 2 to 56,27 N/mm 2, which corresponds to a percentage of 25,88 % to 84,73 % respectively, when compared to the average value of the control solid wood. Modulus of elasticity (MOE) for all specimens of fir ranged from 7044,16 N/mm 2 to 12246,11 N/mm 2, which corresponds to a percentage of 90,4 % to 157,17 % respectively, when compared to the average value of the control solid wood. Similarly, modulus of ruprure (MOR) for all specimens of pinus ranged from 9.62 N/mm 2 to 64,35 N/mm 2, which corresponds to a percentage of 10,75 % to 71,92 % respectively, when compared to the average value of the control solid wood. Modulus of elasticity (MOE) for all specimens of pinus ranged from 4330,9 N/mm 2 to 13855,26 N/mm 2, which corresponds to a percentage of 35,27 % to 112,85 % respectively, when compared to the average value of the control solid wood. Results, showed that curing time had a statistically significant effect on the bending strength of finger joints. The curing time of 7 days gave the highest values of the mean MOR on both kinds of lumber. After 24 hours finger joints obtained around 70 % and more of the ultimate strength of 7 days. Only the MOE of fir finger jointed specimens was not statistically affected by curing time, in contrast to mean values of MOE from pinus specimens. Key words: curing time, finger joints, bending strength, cold setting. v

8 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ζωή και η καθημερινότητα του ανθρώπου δεν σταμάτησε ποτέ να σχετίζεται με το ξύλο και τα προϊόντα του, από τα πρώτα χρόνια της δημιουργίας του. Ακόμη, και σήμερα το ξύλο εξακολουθεί να προτιμάται από τους καταναλωτές, παρόλο που υπάρχουν και άλλα υλικά, όπως είναι κυρίως το σκυρόδεμα και τα μέταλλα. Το ξύλο είναι το μοναδικό βιολογικό, ανανεώσιμο υλικό και πολλές από τις ιδιότητες του, δεν διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με τα υπόλοιπα υλικά. Οι εκτάσεις των ελληνικών δασών συρρικνώνονται εξαιτίας της αλόγιστης χρήσης και παράνομης υλοτομίας, της υπερβόσκησης, των πυρκαγιών και των αυξανόμενων απαιτήσεων των καταναλωτών για ξύλινες κατασκευές και προϊόντα. Τα παραπάνω αίτια οδήγησαν στην έλλειψη καλής ποιότητας ξυλαποθέματος και στην αφθονία ξύλου κατώτερης ποιότητας και μικρότερων διαστάσεων. Οι ανάγκες της χώρας μας σε καλής ποιότητας τεχνητή ξυλεία για την παραγωγή επικολλητού ξύλου και την κατασκευή φέρουσων δομικών κατασκευών είναι κατά πολύ μεγαλύτερες και δεν καλύπτονται από την εγχώρια ξυλεία. Με αποτέλεσμα, να εισάγονται τεράστιες ποσότητες από τις Σκανδιναβικές χώρες, την Ρουμανία, την Ρωσία και την Βουλγαρία. Επιπλέον, οδήγησαν, στην ανάγκη εύρεσης μεθόδων αξιοποίησης της κατώτερης ποιότητας ξύλου, καθώς επίσης και στην παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας (δακτυλοειδείς συνδέσεις) και σύνθετων συγκολλημένων προϊόντων (μοριοπλάκες, ινοπλάκες, LVL, OSB) για την κατασκευή των επίπλων και των ξύλινων δομικών κατασκευών. Στην αρχή, ο άνθρωπος χρησιμοποίησε το ξύλο ακατέργαστο. Στην πορεία, όμως προχώρησε σε πιο σύνθετες κατασκευές που απαιτούσαν τη χρήση πλέον του ενός μερών ξύλου και με πολύ μεγάλες διαστάσεις. Αυτό, είχε ως αποτέλεσμα την δημιουργία διαφόρων τρόπων σύνδεσης των ξύλινων μερών μεταξύ τους (Σκαρβέλης και Ζώρζος 2003). Με τον όρο σύνδεση εννοούμε την ένωση δύο ή περισσότερων κομματιών ξύλου με τη χρήση καρφιών, βίδας, κόλλας και μιας σειράς από ξύλινες συνδέσεις για παράδειγμα με πείρους (καβίλιες), με γκινησιά και με φιλιάσεις (θηλυκώματα ή ενσφηνώσεις), όπως είναι η φίλιαση με μισοχαρακτό, με μόρσο και χελιδονοουρά ή πολύ συχνά με συνδυασμό των παραπάνω. Οι συνδέσεις με ενσφηνώσεις έχουν πολλές παραλλαγές και συνδυάζονται με συγκολλητικές ουσίες για να αυξηθεί η αντοχή και ανθεκτικότητα της σύνδεσης (Μοναχός 1987). Η επιλογή της κατάλληλης σύνδεσης οφείλει να στηρίζεται στον τρόπο και το μέγεθος των τάσεων που πρόκειται να ασκηθούν. Σύμφωνα με τον Γεωργίου (2004) ο σχεδιασμός των συνδέσεων 1

9 πρέπει να είναι τέτοιος ώστε να κατανέμει ομοιόμορφα και με ασφάλεια τις εσωτερικές και εξωτερικές τάσεις που δρουν στην κατασκευή (Διαμαντής 2006). Τα μέρη του ξύλου μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με λυόμενο και μη λυόμενο τρόπο. Στις μη λυόμενες συνδέσεις τα μέρη συγκολλούνται μεταξύ τους. Στις λυόμενες συνδέσεις τα μέρη πρέπει να συναρμοστούν διαμέσου κατάλληλων συνδέσεων ή συνδετικών μέσων ή να συνδεθούν μεταξύ τους δια μέσου εξαρτημάτων, επιτρέποντας την κίνηση της σύνδεσης (Ηλιόπουλος 1996). Οι σύνδεσμοι με συγκόλληση μπορούν να διακριθούν στις εξής γενικές κατηγορίες (Νταλός και Κακαράς 2000): - Σε συνδέσεις μήκους. - Σε συνδέσεις πλάτους. - Σε συνδέσεις γωνιών. - Σε συνδέσεις ραφιών. - Σε συνδέσεις τρέσων προστασίας. - Σε συνδέσεις τριών διευθύνσεων. - Σε διασταυρώσεις καϊτιών. - Σε συνδέσεις δοντιών. - Σε συνδέσεις κιβωτίων. Υπάρχουν, διάφοροι τρόποι για κατά μήκος συγκόλληση ξυλείας, οι σημαντικότεροι των οποίων είναι (Σχήμα 1.1): α) κατά μήκος σύνδεση των άκρων με εγκάρσια τομή (butt joints), β) κατά μήκος σύνδεση των άκρων με λοξή τομή (scarf joint) και γ) κατά μήκος σύνδεση των άκρων με δακτυλοειδή τομή (finger joint) (Καραστεργίου κ.α. 2004). Σχήμα1.1: Τρόποι κατά μήκους συγκόλλησης ξυλοτεμαχίων: α) με κάθετες επιφάνειες, β) με λοξές επιφάνειες και γ) με δακτυλοειδή μορφή (Καραστεργίου κ.α. 2004) 2

10 Μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί αρκετοί τρόποι σύνδεσης κατά μήκος τεμαχίων πριστής ξυλείας. Άλλοι από αυτούς έχουν εφαρμοσθεί και ορισμένοι έχουν απορριφθεί εξαιτίας της δυσκολίας που παρουσιάζουν κατά την παραγωγή και συγκόλληση ή γιατί δίνουν συνδέσεις χαμηλής μηχανικής αντοχής. Η δακτυλοειδής σύνδεση είναι από τους πιο κοινούς τύπους κατά μήκος συγκολλητικών ενώσεων, εξαιτίας της εύκολης παραγωγής της, αλλά και της αντοχής που παρουσιάζει. Η έρευνα της κατά μήκος συγκόλλησης με δακτυλοειδείς συνδέσεις άρχισε στη δεκαετία του 1950, ενώ η αξιοποίηση και ευρεία χρήση της σε βιομηχανική κλίμακα τα αμέσως επόμενα χρόνια, κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960 (Καραστεργίου κ.α 2004, Hernandez 1998, Selbo 1963). Μέχρι τώρα αρκετές έρευνες έχουν γίνει σχετικά με την μέτρηση διαφόρων παραγόντων που επιδρούν στην αντοχή μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης. Ελάχιστες, όμως έχουν ασχοληθεί με την επίδραση του χρόνου πολυμερισμού (σκλήρυνσης) διαφόρων τύπων συγκολλητικών ουσιών (Zhu et al 1991, Bustos et al 2003b). Η παρούσα εργασία που γίνεται στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών της Σχολής Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος ασχολείται με την επίδραση του χρόνου πολυμερισμού στην αντοχή συγκόλλησης σε στατική κάμψη ξυλείας ελάτης και μαύρης πεύκης με δακτυλοειδείς συνδέσεις. 3

11 2 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 2.1 Το ξύλο ως συγκολλημένο υλικό Γενικά Το ξύλο είναι ένα πορώδες, διαπερατό, υγροσκοπικό, ανισότροπο, βιολογικό υλικό με σημαντική χημική ποικιλότητα και φυσική πλοκή. Οι ιδιότητες του ξύλου ποικίλλουν, όχι μόνο μεταξύ των ειδών, αλλά ανάμεσα στα δέντρα του ίδιου είδους ή ακόμη και εντός του ίδιου δέντρου. Μερικοί από τους παράγοντες που επηρεάζουν την συγκόλληση του ξύλου είναι: το είδος του ξύλου, η πυκνότητα (ή το ειδικό βάρος), η περιεχόμενη υγρασία, η επιφάνεια κοπής (ακτινική, εφαπτομενική ή εγκάρσια), εάν είναι εγκάρδιο ή σομφό, πρώιμο ή όψιμο, το πορώδες, η διεύθυνση των ινών, η τραχύτητα της επιφάνειας, η σκόνη, τα εκχυλίσματα, το ph, οι συνθήκες περιβάλλοντος (θερμοκρασία, σχετική υγρασία) (River et al 1991) Είδος ξύλου Τα κύτταρα του ξύλου των κωνοφόρων διαφέρουν μορφολογικά από τα κύτταρα του ξύλου των πλατύφυλλων. Σε ξύλα κωνοφόρων το 90 % των κυττάρων τους αποτελείται από αξονικές τραχεϊδες, ενώ το υπόλοιπο ποσοστό αποτελείται από αξονικά και ακτινικά παρεγχυματικά κύτταρα. Σε ορισμένα είδη κωνοφόρων παρατηρούνται και ακτινικές τραχεϊδες. Τα βοθρία των παρεγχυματικών κυττάρων των κωνοφόρων και οι χημικές ουσίες που περιέχονται σε αυτές επηρεάζουν το πορώδες των κωνοφόρων, οπότε και τον βαθμό διείσδυσης της συγκολλητικής ουσίας στο ξύλο των κωνοφόρων και κατά συνέπεια τον βαθμό συγκόλλησης. Οι ιστοί του ξύλου στα πλατύφυλλα είδη αντί για τραχεϊδες αποτελούνται από ίνες, παρεγχυματικά κύτταρα και μέλη αγγείων. Τα σχετικά μεγάλα μέλη των αγγείων και οι ίνες απαντώνται μόνο σε ξύλο πλατύφυλλων. Το μέγεθος των κυτταρικών κοιλοτήτων των αγγείων που διαφέρει ανάμεσα στα πλατύφυλλα (άρα επηρεάζουν και το πορώδες του ξύλου), η ύπαρξη τυλώσεων ή όχι επιδρούν στο ποσοστό διείσδυσης της κόλλας κατά την εφαρμογή της πίεσης στις συνδέσεις το υ ξύλου. Επίσης, σαν γενικός κανόνας ισχύει ότι οι διαφορές των μηχανικών ιδιοτήτων των πλατυφύλλων εξαιτίας της ανισοτροπίας είναι μικρότερες σε σχέση με τα κωνοφόρα (Τσουμής 1994, River et al 1991). 4

12 2.1.3 Εκχυλίσματα Το ποσοστό των εκχυλισμάτων στο ξύλο τις περισσότερες φορές επιδρά αρνητικά στη συγκόλληση, αν και αυξάνει την πυκνότητα του εγκάρδιου ξύλου. Ιδιότητες όπως είναι το Ph και το ποσοστό της οξύτητας του ξύλου, εξαρτώνται από το είδος και την ποσότητα των εκχυλισμάτων. Ο ρυθμός σκλήρυνσης και οι χημικές αντιδράσεις για τον πολυμερισμό των συστατικών της κόλλας είναι ευαίσθητα στους παραπάνω παράγοντες. Μερικές συγκολλητικές ουσίες είναι ακατάλληλες για συγκόλληση όξινων ειδών ξύλου ή ξύλου με εκχυλίσματα αδιάλυτα στο διάλυμα της συγκολλητικής ουσίας (Τσουμής 1994, River et al 1991). Τα εκχυλίσματα που βρίσκονται στις προς συγκόλληση επιφάνειες του ξύλου αποτελούν τις βασικές φυσικές και χημικές αιτίες που προκαλούν χαμηλή διαβροχή, ροή και διείσδυση. Κωνοφόρα είδη, με υψηλά ποσοστά ρητίνης όπως είναι η ψευδοτσούγκα και ορισμένα είδη πεύκης συγκολλούνται δύσκολα ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα εκχυλίσματα, συνήθως είναι υδρόφοβα, με αποτέλεσμα να απωθούν το νερό, ενώ αντίθετα οι περισσότερες συγκολλητικές ουσίες είναι υδατοδιαλυτές. Το ίδιο συμβαίνει και σε ορισμένα πλατύφυλλα (π.χ. δρυς) όπου περιέχουν όξινα εκχυλίσματα, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν τον χημικό πολυμερισμό των συγκολλητικών ουσιών. Για τους παραπάνω λόγους η συγκόλληση του ξύλου πρέπει να γίνεται εντός των 24 ωρών, μετά από το πλάνισμα. Με αυτό τον τρόπο περιορίζονται τα εκχυλίσματα ή άλλα φυσικά και χημικά συστατικά του ξύλου που εμποδίζουν την συγκόλληση (Vick 1999) Πυκνότητα Η πυκνότητα ή το ειδικό βάρος του ξύλου έχει μεγάλη σπουδαιότητα γιατί χρησιμεύει ως δείκτης ποιότητας του ξύλου ως προς τις μηχανικές ιδιότητες, την συμπεριφορά του σε ρίκνωση και διόγκωση, στην δυσκολία συγκόλλησης και στην ενδεχόμενη αντοχή των συγκολλημένων προϊόντων ξύλου και συνδέσεων του. Η πυκνότητα του ξύλου επηρεάζεται από την υγρασία, την δομή (ποσοστό κενών χώρων, πλάτος αυξητικών δακτυλίων, ποσοστό πρώιμου-όψιμου ξύλου) τα εκχυλίσματα και τη χημική σύσταση του ξύλου. Η πυκνότητα του ξύλου μεταβάλλεται σε διαφορετικά είδη, σε δέντρα του ίδιου είδους ή ακόμη και στο ίδιο δέντρο. Η πυκνότητα του ξύλου επηρεάζει άμεσα την αντοχή του. Με τον όρο πυκνότητα εννοείται η μάζα του ξύλου ως προς τον όγκο του, ενώ ειδικό βάρος είναι το ποσοστό της πυκνότητας του ξύλου ως προς την πυκνότητα κάποιου άλλου υλικού, που συνήθως είναι το νερό σε δεδομένες συνθήκες. Τα κυτταρικά τοιχώματα και το πάχος τους αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της ενδιάμεσης περιοχής ανάμεσα στο ξύλο και τη συγκολλητική 5

13 ουσία. Για αυτό, ο συγκολλητικός δεσμός πρέπει να είναι τουλάχιστον το ίδιο δυνατός σε αντοχή, με την αντοχή του ξύλου (Τσουμής 1994, River et al 1991, Vick 1999). Τα περισσότερα εμπορικά είδη ξύλου έχουν ειδικό βάρος από 0,30-0,80 gr/cm 3. Χαμηλής πυκνότητας ξύλα παρουσιάζουν ασθενείς ενώσεις εξαιτίας της υπερδιεισδύσης της συγκολλητικής ουσίας στο ξύλο. Από την άλλη πλευρά βαριά ξύλα, όπως είναι τα πλατύφυλλα πιθανώς να έχουν μεγαλύτερη αντοχή από την συγκολλητική ουσία, ανάλογα με την ικανότητα διείσδυσης της κόλλας στην επιφάνεια του ξύλου, γιατί είναι πιο δύσκολο να συγκολληθούν. Ένας από τους λόγους που τα βαριά ξύλα συγκολλούνται δυσκολότερα είναι η μικρή διείσδυση της συγκολλητικής ουσίας μέσα στα παχιά κυτταρικά τοιχώματα και τους μικρούς μεσοκυττάριους χώρους του ξύλου. Επιπλέον, απαιτείται μεγαλύτερο ύψος πίεσης για να φέρει σε επαφή τα μέρη του ξύλου με την κόλλα. Ένας, τρίτος λόγος είναι το υψηλό ποσοστό των εκχυλισμάτων που περιέχουν και τέταρτον, οι έντονες τάσεις που δημιουργούνται εξαιτίας της διαστασιακής μεταβλητότητας του ξύλου στις συνθήκες του περιβάλλοντος. Το πορώδες, το ποσοστό πρώιμου-όψιμου ξύλου και η ποσότητα των εκχυλισμάτων μπορούν να επηρεάσουν την ικανότητα συγκόλλησης, όπως για παράδειγμα στις δρυς και στις φλαμουριές (Τσουμής 1994, River et al.1991, Vick 1999). Ξυλεία δακτυλοειδών συνδέσεων από το χαμηλής πυκνότητας obeche (Triplochiton scleroxylon), έδωσε την υψηλότερη αποδοτικότητα (88 %), σε σχέση με της μεσαίας πυκνότητας makore (Tieghemella heckelii) (78 %) και της υψηλής πυκνότητας ξύλου moabi (Baillonella toxisperma) (60 %) αντίστοιχα. Η μέση ξηρή πυκνότητα του obeche είναι 0,35 gr/cm 3, του makore 0,67 gr/cm 3 και του moabi 0,82 gr/cm 3 (Ayarkwa et al 2000). Οι Vassiliou et al (2005) μελέτησαν την αντοχή σε στατική κάμψη δακτυλοειδών συνδέσεων τριών ειδών δρυός και με συγκολλητική ουσία PVAc. Οι μέσες τιμές του μέτρου θραύσης της πλατυφύλλου δρυός (Quercus conferta) κυμαινόταν από 52,9 N/mm 2 έως 112,1 N/mm 2 (ανάλογα με το μήκος των δακτύλων). Οι μέσες τιμές του μέτρου θραύσης της ευθύφλοιας δρυός (Quercus cerris) κυμαινόταν από 44,1 N/mm 2 έως 103,6 N/mm 2 (ανάλογα με το μήκος των δακτύλων). Οι μέσες τιμές του μέτρου θραύσης της αριάς (Quercus ilex) κυμαινόταν από 55,9 N/mm 2 έως 107,4 N/mm 2 (ανάλογα με το μήκος των δακτύλων) οι οποίοι δεν διαφέρουν πολύ μεταξύ τους. Η μέση πυκνότητα των δοκιμίων ήταν 0,796 gr/cm 3 για την πλατύφυλλο δρυ, 0,778 gr/cm 3 για την ευθύφλοια και 0,916 gr/cm 3 για την αριά αντίσοιχα. 6

14 2.1.5 Υγρασία του ξύλου Το ξύλο σε σχέση με άλλα υλικά είναι υγροσκοπικό υλικό, δηλαδή προσλαμβάνει υγρασία από το περιβάλλον, με αποτέλεσμα να παρουσιάζεται μείωση της αντοχής του ξύλου, κατά % έως το σημείο ινοκόρου (Σχήμ α 2.1). Η ποσότητα του δεσμευμένου νερού στα Αντοχή (10 3 Περιεχόμενη υγρασία (%) Σχήμα 2.1: Προσωρινή επίδραση της υγρασίας σε αντοχή σε διάτμηση παράλληλα με τις ίνες και σε εφελκυσμό κάθετα προς τις ίνες σε ψευδοτσούγκα και λευκή δρυς (River κα 1991) κυτταρικά τοιχώματα του ξύλου έχει την μεγαλύτερη επίδραση συμπεριφορά του ξύλου ως συγκολλητικό υλικό. Καθώς το συγκολλημένο ξύλο συρρικνώνεται και διογκώνεται αναπτύσσονται τάσεις που είναι ικανές να σπάσουν το συγκολλητικό δεσμό και το ξύλο. Το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασίας επιδρά σημαντικά στην τελική αντοχή και τη διάρκεια της ένωσης καθώς και στη διαστασιακή σταθερότητα της σύνδεσης. Το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασία του ξύλου, που πρόκειται να συγκολληθεί, εξαρτάται από την τελική του χρήση και την ισοδύναμη υγρασία που πρόκειται να έχει τελικά σύμφωνα με τις συνθήκες που επικρατούν (Vick 1999). Η υγρασία του πρέπει να κυμαίνεται από 6-12 % για χρήσεις σε εσωτερικές θερμαινόμενες συνθήκες, από % για μη θερμαινόμενους εσωτερικούς χώρους και από % όταν προορίζεται για εξωτερικές εφαρμογές. Υγρό ξύλο είναι ακατάλληλο και όταν χρησιμοποιείται η μέθοδος των υψηλών συχνοτήτων για τον πολυμερισμό και σκλήρυνση της συγκολλητικής ουσίας. Σε αυτές τις περιπτώσεις η υγρασία του ξύλου δεν πρέπει να ξεπερνάει το 10 %. 7

15 Το ποσοστό της υγρασίας του ξύλου σε συνδυασμό με το νερό που περιέχεται στην συγκολλητική ουσία επηρεάζει σημαντικά την ικανότητα διαβροχής, ροής και διείσδυσης ακόμη και τον πολυμερισμό των υδατοδιαλυτών συγκολλητικών ουσιών, γιατί το ξύλο απορροφάει το νερό της κόλλας πολύ γρήγορα. Ο έλεγχος της περιεχόμενης υγρασίας του ξύλου είναι ιδιαίτερα σημαντική κατά την συγκόλληση του σε θερμές πρέσες (Vick 1999). Από τη δεκαετία του 1970 ακόμη, έχουν γίνει προσπάθειες συγκόλλησης του ξύλου όταν αυτό είναι χλωρό. Δηλαδή, όταν η περιεχόμενη υγρασία του κυμαίνεται από % ή ακόμη και πάνω από το σημείο ινοκόρου (30 %, υγρό ξύλο). Το σύνηθες πρόβλημα σε αυτές τις περιπτώσεις είναι ότι ποσότητα της συγκολλητικής ουσίας απορροφάται από το ξύλο, με αποτέλεσμα να μην είναι επαρκής τελικά για την συγκόλληση των δύο υποστρωμάτων. Οι Csiha et al (2008) σε υγρά και ξηρά δοκίμια δακτυλοειδών, μισοχαρακτών συνδέσεων και επικολλητής ξυλείας παρατήρησαν ότι η κόλλα πολυουρεθάνης έδωσε μεγαλύτερη αντοχή σε στατική κάμψη σε σύγκριση με την κόλλα «honeymoon», όταν το ξύλο της ψευδακακίας είναι χλωρό. Αντίθετα, σε ξηρά δοκίμια η κόλλα φαινόλης-ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης που χρησιμοποιήθηκε έδωσε μεγαλύτερη αντοχή. Οι ίδιοι αναφέρουν πως κατά τη συγκόλληση σε ανυψωμένα ποσοστά υγρασίας και κατόπιν τον έλεγχο των δοκιμίων της ψευδακακίας σε υγρή ή ξηρή κατάσταση, η στατική κάμψη εξαρτάται περισσότερο σημαντικά από το είδος της σύνδεσης και από τις συνθήκες που επικρατούν κατά τον έλεγχο και λιγότερο από το είδος της συγκολλητικής ουσίας. Οι Mantanis et al (2008) συμπέραναν ότι ξυλεία πλατυφύλλου δρυός (Quercus conferta), μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κατά μήκος συγκόλληση χλωρού ξύλου με δακτυλοειδείς συνδέσεις για την παραγωγή επικολλητής ξυλείας σε εφαρμογές επιπλοποιίας. Παρόλα αυτά απαιτούνται επιπλέον δοκιμές στο ίδιο είδος και με άλλες συγκολλητικές ουσίες. Για την διεξαγωγή των πειραμάτων χρησιμοποιήθηκε κόλλα πολυουρεθάνης ενός συστατικού. Σε άλλη ερευνητική εργασία (Καραστεργίου κ.α. 2007) χρησιμοποίησαν κόλλα PVA κατηγορίας D2 με τη μέθοδο της ξηρής συγκόλλησης. Σε όλες τις περιπτώσεις τα δοκίμια που συγκολλήθηκαν με τη μέθοδο της υγρής συγκόλλησης παρουσίασαν τιμές μέτρου θραύσης μεγαλύτερες από τα δοκίμια που συγκολλήθηκαν με τη ξηρή μέθοδο. Η αντοχή σε κάμψη των δοκιμίων της πλατυφύλλου δρυός επηρεάστηκε λιγότερο ή περισσότερο σημαντικά και από τη μέθοδο της συγκόλλησης (υγρή-ξηρή), τον τύπο της συγκολλητικής ουσίας (PU-PVA), την κατεύθυνση των δακτύλων συγκόλλησης (κάθετη ή οριζόντια) και τον προσανατολισμό των δακτύλιων φόρτισης (ακτινικό ή εφαπτομενικό).. 8

16 Εντεριώνη Ξυλεία, η οποία περιέχει μέρος της εντεριώνης, σίγουρα έχει επιζήμια επίδραση στην μηχανική αντοχή (Kutscha and Caster 1987). Ο Jokerst (1981) αναφέρει ότι ο Moody (1970) μετά από έρευνες σε είδος πεύκης διαστάσεων 4,5x15 cm κατέληξε ότι υλικό που περιέχει εντεριώνη μειώνει σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό ξυλείας με δακτυλοειδείς συνδέσεις ή χωρίς σύνδεση. Σε παρόμοια αποτελέσματα κατέληξε και ο Leonov (1985) σύμφωνα με τους Kutscha and Caster (1987).Παρόλα αυτά, αυτού του είδους η πεύκη μπορεί να περιέχει σημαντικά ποσοστά εντεριώνης και να είναι κατάλληλη για δομικές κατασκευές. Οι Kutscha and Caster (1987), έδειξαν ότι μικρά ποσοστά εντεριώνης έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερα ποσοστά σε αποτυχία του ξύλου (Tsuga spp.) δακτυλοειδών συνδέσεων με συγκολλητική ουσία ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης με τη μέθοδο της ραδιοσυχνότητας. Επιπλέον, βρήκαν ότι ξύλο με μεγαλύτερα ποσοστά εντεριώνης είχε καλύτερη αντοχή ως προς τον εφελκυσμό, κάτι το οποίο έρχεται σε αντίθεση με τους Moody (1970) και Leonov (1985). Ως πιθανότερη αιτία θεωρούν το γεγονός ότι σε αυτού του είδους ξύλο, η πυκνότητα του ξύλου με μεγάλα ποσοστά εντεριώνης είναι μεγαλύτερη Πορώδες και διαπερατότητα Ο σχηματισμός καλής ποιότητας συνδέσεων εξαρτάται, επίσης από το πορώδες του ξύλου και κατά συνέπεια από το βαθμό διείσδυσης της κόλλας στις κυτταρικές κοιλότητες και τοιχώματα. Η διείσδυση της κόλλας στο ξύλο επιδιορθώνει τα κατεστραμμένα κύτταρα, διαχέει ομοιόμορφα τις τάσεις στην κοινή επιφάνεια ανάμεσα στο ξύλο και στη κόλλα και αυξάνει τη μηχανική αλληλεπίδραση. Η σκλήρυνση της συγκολλητικής ουσίας στις περισσότερες περιπτώσεις οφείλεται στην εξάτμιση του νερού που φέρουν (μη χημικές αντιδράσεις) ή στην απελευθέρωση μορίων νερού κατά την χημική αντίδραση της ρητίνης με το σκληρυντή. Το γεγονός ότι το ξύλο είναι πιο πορώδες στην αξονική διεύθυνση, εξηγεί εν μέρει την αδυναμία δημιουργίας ισχυρών δεσμών σε κατά μήκος ενώσεις, ειδικότερα στις απλές ενώσεις. Αυτό συμβαίνει γιατί το πορώδες του ξύλου διαφέρει ανάλογα με τη διεύθυνση των ινών. Οι συγκολλητικές ουσίες διεισδύουν βαθιά μέσα στο ξύλο όταν η πίεση ασκείται σε κατά μήκος επιφάνειες σε σχέση με τις εγκάρσιες επιφάνειες (River et al.1991, Vick 1999). 9

17 2.1.8 Διεύθυνση των ινών και επιφάνειας κοπής Η κατεύθυνση της φόρτισης σε σχέση με την διεύθυνση των ινών και την επιφάνεια κοπής επηρεάζει σημαντικά την αντοχή του ξύλου, λόγω της ανισοτροπίας του. Η αυξομείωση (ρίκνωση, διόγκωση) των διαστάσεων του ξύλου είναι ελάχιστη στην αξονική διεύθυνση, πιο μεγάλη ακτινικά και ακόμη μεγαλύτερη εφαπτομενικά. Επιπλέον, παρατηρούνται διαφορές του μέτρου ελαστικότητας και της αντοχής του ξύλου ως προς την αξονική, ακτινική και εφαπτομενική διεύθυνση. Η αντοχή σε τάσεις διατμήσεως είναι επίσης, διαφορετική σε αξονικές/εφαπτομενικές διευθύνσεις και σε αξονικές/ακτινικές. Επιπρόσθετα, οι πλευρικές παραμορφώσεις που αναπτύσσονται ακτινικά και εφαπτομενικά όταν η κατεύθυνση της φόρτισης είναι κατά μήκος των ινών, είναι διαφορετικές με τις παραμορφώσεις που αναπτύσσονται κατά μήκος, έπειτα από ακτινική ή εφαπτομενική φόρτιση (Τσουμής 1994, River et al 1991). Κλάσμα μηχανικής ιδιότητας παράλληλα με την διεύθυνση των ινών Γωνία διεύθυνσης των ινών (βαθμοί) Σχήμα 2.2: Επίδραση της γωνίας των ινών στις μηχανικές ιδιότητες σύμφωνα με τον τύπο του Hankinson (River et al 1991) Η επίδραση της κατεύθυνσης φόρτισης ως προς το μέτρο θραύσης βρέθηκε να είναι σχετικά μεγαλύτερη όταν η κατεύθυνση των δακτύλων ήταν οριζόντια σε δακτυλοειδείς συνδέσεις ατμισμένης ξυλείας οξιάς (Καραστεργίου κ.α. 2004). Πιο συγκεκριμένα διαπίστωσαν ότι σε καθαρά ακτινική φόρτιση το μέτρο θραύσης ήταν ελαφρώς μεγαλύτερο σε σχέση με την εφαπτομενική φόρτιση κατά τον οριζόντιο και κατακόρυφο προσανατολισμό. 10

18 2.1.9 Η επιφάνεια του ξύλου Η ικανότητα διαβροχής του ξύλου επηρεάζεται από την κατάσταση της επιφάνειας του. Η επιφάνεια του ξύλου πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο λεία, επίπεδη και ελεύθερη από ακανονιστίες όπως ρωγμές, αιχμηρές και χαλαρές ίνες, πριονίδια, σκόνη, καψίματα ή άλλα θραύσματα που προκαλούνται από τα μηχανήματα. Επιφάνειες με τα παραπάνω προβλήματα εμποδίζουν την πλήρη διαβροχή του και προκαλούν ανομοιόμορφη κατανομή των τάσεων όταν η συγκολλητική ουσία έχει σκληρυνθεί. Η υπερξήρανση ή υπερθέρμανση της επιφάνειας του ξύλου, η φυσική φθορά και χημική μόλυνση (εμποτισμός με συντηρητικά, αντιπυρικές ουσίες, οξείδωση, υδρόφοβες ουσίες του ξύλου) επεμβαίνουν στις δυνάμεις συνοχής της συγκολλητικής ουσίας και δίνουν χαμηλής αντοχής συνδέσεις (Vick 1999) Ικανότητα διαβροχής, ροής και διείσδυσης Η διαβροχή της συγκολλητικής ουσίας σε μια επιφάνεια, συμβαίνει όταν η γωνία επαφής (δηλαδή η γωνία ανάμεσα στη σταγόνα της συγκολλητικής ουσίας και την επιφάνεια του ξύλου) πλησιάζει στο μηδέν. Η γωνία αυτή πλησιάζει στο μηδέν όταν η επιφάνεια έχει μεγάλες δυνάμεις έλξεως, υπάρχει έλξη ανάμεσα στην συγκολλητική ουσία και το συγκολλητικό υλικό και οι επιφανειακές τάσεις της κόλλας είναι χαμηλές. Η λείανση της επιφάνειας έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της γωνίας επαφής. Παράλληλες και επίπεδες επιφάνειες επιτρέπουν στην κόλλα (κυρίως στις υδατοδιαλυτές) να ρέει και να διεισδύει ομοιόμορφα στην επιφάνεια του ξύλου και να δημιουργείται μια ομοιόμορφη στρώση, που είναι πολύ σημαντική για την επίτευξη υψηλής αντοχής συνδέσεων (Vick 1999) Άτμιση του ξύλου Άτμιση του ξύλου εφαρμόζεται κατά την προετοιμασία παραγωγής ορισμένων προιοντων ξύλου (π.χ. παραγωγή ξυλοφύλλων), αλλά κυρίως για τη μεταβολή του φυσικού χρώματος του. Η άτμιση είναι συνηθισμένη σε ορισμένα είδη πριστής ξυλείας (οξιά, καρυδιά, σφενδάμι). Η ατμισμένη ξυλεία, αποκτά ρόδινο χρώμα, διατίθεται με προστιθέμενη αξία και χρησιμοποιείται στην κατασκευή επίπλων (Τσουμής 1999). Το πιο κοινό είδος ξύλου που ατμίζεται είναι της οξιάς, που θεωρείται ως από τα πιο σημαντικά είδη που χρησιμοποιούνται στην επιπλοποιία. Σε ατμισμένο ξύλο οξιάς (Fagus orientalis) σύμφωνα με τους Yilgor et al (2001) μετρήθηκε μείωση της αντοχής σε θλίψη περίπου κατά 10 % και του μέτρου ελαστικότητας μέχρι 16,5 %. Οι ίδιοι διαπίστωσαν ότι η άτμιση έχει ως αποτέλεσμα να μειώνει την αντοχή και τις φυσικές 11

19 ιδιότητες του ξύλου (π.χ. μείωση της πυκνότητας κατά 2 %) καθώς και να επηρεάζει τη χημική σύσταση και συμπεριφορά του ξύλου της οξιάς (μείωση του ποσοστού των ημικυτταρινών, αύξηση της λιγνίνης και της αλκαλικότητας). Οι Vassiliou et al (2009) εξέτασαν την αντοχή σε στατική κάμψη συμπαγούς ξυλείας και ξυλείας με δακτυλοειδείς συνδέσεις οξιάς προερχόμενη από την Ελλάδα και την Αλβανία. Και στις δύο περιπτώσεις η ατμισμένη ξυλεία είχε μικρότερη πυκνότητα από την μη ατμισμένη (κατά 7,6 % ξυλεία προερχόμενη από την Αλβανία και κατά 1,65 % από την Ελλάδα) και παρατήρησαν, επίσης μείωση της αντοχής στο μέτρο θραύσης και ελαστικότητας. Οι Καραστεργίου κ.α. (2004) συμπέραναν ότι οι αντοχές σε κάμψη δακτυλοειδών συνδέσεων ατμισμένης ξυλείας οξιάς (Fagus sylvatica) με κόλλα PVA (D1, εσωτερικής χρήσης) ήταν πολύ ικανοποιητικές για την παραγωγή επικολλητού ξύλου, κυρίως με μικρά μήκη δακτύλων (4 και 10 mm) στην επιπλοποιία και στην ξυλουργική. 12

20 2.2 Συγκολλητικές ουσίες Γενικά Η συγκόλληση του ξύλου είναι γνωστή από τα αρχαία χρόνια. Υπάρχουν καταγεγραμμένα ιστορικά γεγονότα για τη χρήση φυσικών συγκολλητικών ουσιών στην κατασκευή επίπλων και διακοσμητικού ξυλόφυλλου από τους πρώιμους ακόμη πολιτισμούς, όπως για πα ράδειγμα στην αρχαία Αίγυπτο και Ελλάδα και αργότερα από την περίοδο της αναγέννησης. Οι Αζτέκοι χρησιμοποίησαν αίμα ζώων με ασβέστη για δομικές κατασκευές. Από τη δεκαετία του 1950 οι φυσικές κόλλες αντικαταστάθηκαν από μια πληθώρα συνθετικών ρητινών, όπου ήταν ανθεκτικές στην υγρασία και το νερό. Η πρώτη σημαντική κατασκευή που φτιάχτηκε με συνθετικές ρητίνες ήταν η παραγωγή αντικολλητών για την αεροπλοΐα. Η αξιοποίηση των υπολειμμάτων του ξύλου, στην παραγωγή μοριοπλακών, ινοπλακών, LVL οφείλουν την ύπαρξη τους στις συνθετικές ρητίνες (River et al 1991). Ο όρος συγκολλητική ουσία, κόλλα ή ρητίνη αναφέρεται σε ουσία μη μεταλλικής φύσης που επιτρέπει τη σταθερή σύνδεση δύο υλικών χωρίς τη χρησιμοποίηση άλλων συνδετικών μέσων (μεταλλικοί σύνδεσμοι, καρφιά κ.α.) και χωρίς να μεταβάλλεται κατά τη συγκόλληση η δομή των συγκολλημένων υλικών. Η συγκολλητική ουσία αποτελείται από: τα μη πτητικά συστατικά (ρητίνη, καταλύτες, πρόσθετα, χρωστικές ουσίες) και από τα πτητικά συστατικά (διαλυτικά μέσα ή μέσα διασποράς) (Γρηγορίου 1996). Θεωρητικά οποιαδήποτε συγκολλητική ουσία, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την συγκόλληση δακτυλοειδών συνδέσεων. Παρόλα αυτά, υπάρχουν όμως ορισμένοι παράγοντες, που περιορίζουν την επιλογή της. Τέτοιοι παράγοντες είναι η τελική χρήση του προϊόντος, οι μηχανικές και φυσικές ιδιότητες της κόλλας, η μέθοδος πολυμερισμού, το κόστος και ορισμένες φορές το χρώμα της συγκολλητικής ουσίας. Για παράδειγμα, μόνο ορισμένα είδη κόλλας μπορούν να εφαρμοστούν σε συνδέσεις που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή φερουσών κατασκευών σε εξωτερικές συνθήκες (π.χ. κόλλες φαινόληςρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης ή μελαμίνης-ουρίας-φορμαλδεΰδης) ή μόνο κάποιες από την πληθώρα αυτών είναι κατάλληλες προς πολυμερισμό με τη μέθοδο της ραδιοσυχνότητας (π.χ. εποξειδικές κόλλες είναι ακατάλληλες). Επιπλέον, σε θερμές πρέσσες για την κατασκευή μοριοσανίδων, ινοσανίδων απαιτούνται κόλλες που ενεργοποιούνται εξαιτίας της θερμότητας στις πρέσσες και όχι απευθείας. Οι κόλλες που χρησιμοποιούνται στο επικολλητό ξύλο και στις δακτυλοειδείς συνδέσεις μπορεί να σκληραίνουν είτε σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος ή σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι συγκολλητικές ουσίες που είναι κατάλληλες στην επιπλοποιία 13

21 συνήθως έχουν μακρύς χρόνους σκλήρυνσης και πολυμερίζονται σε θερμοκρασίες δωματίου, είναι ανοιχτόχρωμες, με χαμηλό ιξώδες και αντοχή σε υγρασία. Αντίθετα, οι κόλλες που εφαρμόζονται στις κατασκευές είναι σκουρόχρωμες, με μεγάλο ιξώδες και πολύ καλές ιδιότητες. (Jokerst 1981, Frihart 2005). Οι συγκολλητικές ουσίες που χρησιμοποιούνται συνήθως στην παραγωγή ξύλινων δακτυλοειδών συνδέσεων είναι οι κόλλες φαινόλης-ρεσορκινόλης, και ρεσορκινόλης για δομικές εφαρμογές και οι κόλλες μελαμίνης-ουρίας, ουρίας και οξικού πολυβινυλεστέρα (PVAc) για μη δομικές χρήσεις (Jokerst 1981) Θεωρίες συγκολλήσης Στις μέρες μας, έχουν αναπτυχθεί διάφορες θεωρίες που προκαλούν την συγκόλληση του ξύλου. Οι θεωρίες αυτές δεν λειτουργούν ανεξάρτητα, αλλά όλες μαζί ουσιαστικά προκαλούν ισχυρούς συγκολλητικούς δεσμούς και συνδέσεις με υψηλή αντοχή. Μια από τις βασικές απόψεις είναι ότι η συγκόλληση οφείλεται σε μηχανικά αίτια. Η συγκολλητική ουσία που εφαρμόζεται στην επιφάνεια του ξύλου, διεισδύει στις κυτταρικές κοιλότητες ή ακόμη και τα κυτταρικά τοιχώματα (οι υδατοδιαλυτές κόλλες) και αφού στερεοποιούνται αγκιστρώνονται. Όσο πιο μεγάλος είναι ο βαθμός διείσδυσης στο υγιές ξύλο, και καθώς η κόλλα στερεοποιείται, η αντοχή του δεσμού μπορεί να ξεπεράσει ακόμη και την αντοχή του ξύλου. η θεωρία αυτή, όμως μπορεί να εξηγήσει την συγκόλληση υλικών που είναι πορώδη, όπως το ξύ λο και όχι την συγκόλληση ανάμεσα στο πλαστικό ή τα μέταλλα (Τσουμής 1999, Vick 1999). Η πιο σημαντική αιτία για τον σχηματισμό ανάμεσα στα πολυμερή των συγκολλητικών ουσιών και του ξύλου είναι η ανάπτυξη φυσικών δυνάμεων όπως είναι οι δυνάμεις van der Waal και περισσότερο στην ύπαρξη των υδρογονικών δεσμών ανάμεσα στα μόρια των δομικών συστατικών του ξύλου και τον σχηματισμό ισχυρών πολικών δεσμών με τη συγκολλητική ουσία (Τσουμής 1999, Vick 1999). Μια τρίτη θεωρία είναι η ανάπτυξη ισχυρών χημικών δεσμών που χαρακτηρίζονται από υψηλή συνοχή, παρόλα αυτά δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι τέτοιου είδους δεσμοί συνεισφέρουν σημαντικά στον μηχανισμό συγκολλήσεως (Τσουμής 1999, Vick 1999). 14

22 2.2.3 Επίδραση της συγκολλητικής ουσίας στην αντοχή της σύνδεσης Οι συγκολλητικές ουσίες μπορούν αποτελεσματικά να μεταφέρουν και να κατανέμουν τις τάσεις και κατά συνέπεια να αυξάνουν την αντοχή και την δυσκαμψία των σύνθετων συγκολλημένων προϊόντων (Vick 1999). Η ικανότητα διαβροχής, ροής και διείσδυσης της συγκολλητικής ουσίας στο συγκολλητικό υλικό αποτελούν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες για μια επιτυχής συγκόλληση και κατά συνέπεια για την υψηλή αντοχή μιας σύνδεσης. Για αυτό το λόγο, μια υγρή συγκολλητική ουσία πρέπει να έχει μεγάλη ικανότητα διαβροχής, όπου συνδυασμένη με το κατάλληλο ιξώδες, δημιουργεί την κατάλληλη έλξη για τη διείσδυση της μέσα στα κύτταρα του ξύλου, εκτοπίζοντας και απορροφώντας παράλληλα το νερό και τον αέρα προς την επιφάνεια (Vick 1999). Μια δακτυλοειδής σύνδεση έκδηλα επηρεάζει την ομοιόμορφη κατανομή των τάσεων σε ένα συγκολλητικό υλικό. Με τη χρήση των πολυάριθμων συγκολλητικών ουσιών πετυχαίνεται μείωση της ανισοκατανομής των τάσεων, κυρίως των τάσεων που ασκούνται κατά την επίδραση ενός φορτίου, που κάμπτεται (Smardzewski 1996). Σχήμα 2.3: Επίδραση της σκληρότητας της κόλλας στις κατά μήκος (αριστερά) και στις ακτινικές (δεξιά) τάσεις διαμήκος της συγκολλητικής γραμμής μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης. Η φόρτιση έγινε κατά τη διεύθυνση του εφελκυσμού και οι τάσεις ομαλοποιήθηκαν σύμφωνα με τη φόρτιση. Το μέτρο ελαστικότητας για το αριστερό μέρος=1.4x106psi, για το δεξιό μέρος=1,8x106psi και για τη κόλλα α) 0,5x106psi, β) 1.0x106psi και γ) 1.5x106psi. (Groom and Leichti 1994). 15

23 Η δυσκαμψία (stiffness) και το πάχος της στρώσης της συγκολλητικής ουσίας (Σχήμα 2.3 και Σχήμα 2.4) έχουν σημαντική επίδραση στον τρόπο κατανομής των τάσεων ανάμεσα στα μέρη του συγκολλητικού υλικού και επηρεάζονται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δακτύλων. Η επίδραση της σκληρότητας (δυσκαμψίας) της συγκολλητικής ουσίας και του πάχους της στρώσης είναι παρόμοια. Μια σκληρή κόλλα προτείνεται για να μειωθούν οι κατά μήκος και ακτινικές τάσεις που συγκεντρώνονται στη βάση των δακτύλων. Μια από τις πιο κοινές μεθόδους εξέτασης της κατανομής των τάσεων σε ενώσεις με συγκολλητικούς δεσμούς είναι η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (finite element methods). Όλα τα μοντέλα, όμως απέδωσαν τις εξής θεμελιώδεις κατευθύνσεις: α) οι μέγιστες τάσεις διάτμησης και απολέπισης συναντώνται κοντά ή στα όρια της σύνδεσης, β) οι τάσεις είναι σχεδόν ομοιόμορφες στο μέσον της ένωσης, γ) το πιο δύσκαμπτο συγκολλητικό υλικό φέρει μεγαλύτερο ποσοστό του φορτίου και δ) οι τάσεις διάτμησης και απολέπισης εντείνονται όταν η συγκολλητική ουσία είναι πιο δύσκαμπτη σε σχέση με το συγκολλητικό υλικό (Groom and Leichti 1994). Σχήμα 2.4: Επίδραση του πάχους της στρώσης της κόλλας στις κατά μήκος (αριστερά) και στις ακτινικές (δεξιά) τάσεις διαμήκος της συγκολλητικής γραμμής μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης. Η φόρτιση έγινε κατά τη διεύθυνση του εφελκυσμού και οι τάσεις ομαλοποιήθηκαν σύμφωνα με τη φόρτιση. Το μέτρο ελαστικότητας για το αριστερό μέρος=1.4x106psi, για το δεξιό μέρος=1,8x106psi και για τη κόλλα α) 0,5x106psi, β) 1.0x106psi και γ) 1.5x106psi. (Groom and Leichti 1994). Ο Hernandez (1998) παρατήρησε ότι ένα μεγάλο ποσοστό των τάσεων που ασκούνταν κατά μήκος, συγκεντρωνόταν στις κορυφές των δακτυλοειδών συνδέσεων. Τα γεωμετρικά 16

24 χαρακτηριστικά των δοκιμίων που εξετάστηκαν, ήταν ανάλογα με αυτά που χρησιμοποιούνταν στην Αμερική για τη διαμόρφωση δομικών δακτυλοειδών συνδέσεων. Επιπλέον, συμπέρανε ότι το ποσοστό των τάσεων, αυξανόταν αναλογικά μ ε το μέγιστο φορτίο. Επίσης, μεγάλες τάσεις διάτμησης εμφανίζονταν στο φιλμ της συγκολλητικής ουσίας Διάκριση των συγκολλητικών ουσιών ανάλογα με την προέλευση τους Οι συγκολλητικές ουσίες διακρίνονται σε φυσικές και συνθετικές. Οι φυσικές χωρίζονται σε φυτικής προέλευσης (αμυλόκολλα, κόλλα σόγιας) και ζωικής προέλευσης (κόλλα από δέρματα ή κόκαλα, καζεΐνης και αίματος). Οι συνθετικές ρητίνες είναι τεχνητές συγκολλητικές ουσίες και παράγονται από την χημική επεξεργασία του πετρελαίου, των γαιανθράκων ή του φυσικού αερίου. Οι συνθετικές ρητίνες διακρίνονται στις θερμοπλαστικές και στις θερμοσκληρυνόμενες (θερμοστατικές) ανάλογα με τον τρόπο σκλήρυνσης τους. Η μετάβαση της συγκολλητικής ουσίας από τη μορφή που βρίσκεται (υγρή μορφή ή σε μορφή διαλύματος) σε στερεά μορφή μπορεί να γίνει εξαιτίας φυσικών, χημικών ή και των δύο αλλαγών. Κατά τη διάρκεια του μηχανισμού συγκολλήσεως από ενώσεις μικρού μοριακού βάρους παράγονται με αντιδράσεις πολυμερισμού (π.χ. πολυβινύλια, πολυβουτάδια), πολυσυμπυκνώσεως (φαινολοπλάστες, αμινοπλάστες) ή πολυπροσσθήκης (εποξειδικές κόλλες, πολυουρεθάνες) ενώσεις μεγάλου μοριακού βάρους (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999). Οι θερμοπλαστικές ρητίνες, ανήκουν στην κατηγορία των γραμμικών πολυμερών, μαλακώνουν με την επίδραση θερμότητας, μένουν μαλακές όσο αυτή διατηρείται και σκληραίνονται καθώς ψύχονται. Η σκλήρυνση τους γίνεται φυσικά είτε με την εξάτμιση του διαλύτη είτε με την πτώση της θερμοκρασίας. Δίνουν συνδέσεις με μικρότερη μηχανική αντοχή και αντοχή σε υγρασία και παρουσιάζουν ερπυσμό κάτω από συνεχή φόρτιση (Τσουμής 1999). Οι θερμοστατικές, ανήκουν στην κατηγορία των δισδιάστατων ή τρισδιάστατων πολυμερών, τα οποία, στην αρχή μαλακώνουν με την επίδραση της θερμότητας και κατόπιν σκληραίνονται οριστικά (δηλαδή δεν μαλακώνουν με υπερθέρμανση), με χημική αντίδραση με τη βοήθεια της θερμότητας ή καταλύτη. Έχουν πολύ καλές ιδιότητες (αντοχή σε υγρασία, ερπυσμό, μηχανική αντοχή, ανθεκτικότητα σε αλκάλεα) (Τσουμής 1999). 17

25 2.2.5 Διάκριση των συγκολλητικών ουσιών ανάλογα με την αντοχή τους, στην έκθεση τους στο περιβάλλον Οι συγκολλητικές ουσίες διαφέρουν ως προς την ικανότητά τους να μεταφέρουν φορτία από το ένα μέρος της σύνδεσης στο άλλο και να διατηρούν την ακεραιότητά και την αντοχή τους ανάλογα με τις προοριζόμενες συνθήκες στις οποίες πρόκειται να εφαρμοστούν. Οι συγκολλητικές ουσίες διακρίνονται σε δομικές, ημι-δομικές και μη δομικές (Πίνακας 2.1). Πίνακας 2.1: Κατηγορίες συγκολλητικών ουσιών ως προς την έκθεση τους στο περιβάλλον (Vick 1999) Δομική ακεραιότητα Περιβάλλοντας χώρος Τύπος συγκολλητικής ουσίας Φαινόλης-φορμαλδεΰδης Ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης Πλήρως εξωτερικής χρήσης Φαινόλης-ρεσορκινόλης- (αντέχο υν μακροχρόνιες μεταβολές φορμαλδεΰδης εμποτισμού σε νερό και ξηρασία) Πολυμερή σε γαλακτώδη μορφή με ισοκυανάτες Μελαμίνης-φορμαλδεΰδης Δομικές Περιορισμένης εξωτερικής Μελαμίνης-ουρίας- χρήσ ης (αντέχουν μικρά χρονικά φορμαλδεΰδης διαστήματα σε μεταβολές Ισοκυανάτες εμποτισμού με νερό) Εποξειδικές Εσωτερικής χρήσης (αντέχουν Ουρίας-φορμαλδεΰδης μικρά διαστήματα σε υψηλή Καζεΐνης σχετική υγρασία) Ημι-δομικές Περιορισμένης εξωτερικής Πολυουρεθάνης χρήησης Διασταυρωμένου οξικού πολυβυνιλεστέρα Μη δομικές Εσωτερικής χρήσης Οξικού πολυβυνιλεστέρα Ζωικές Κόλλες σόγιας Αμύλου Ελαστομερείς Θερμοτηκόμενες Αιθυλο-βυνιλεστέρας Οι συγκολλητικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στις οικοδομικές κατασκευές θεωρούνται ως δομικές. Έχουν πολύ καλές ιδιότητες, υψηλή αντοχή και σκληρότητα, παραπάνω ακόμη και από τα ξύλινα μέρη και μακροχρόνια αντοχή στις μεταβολές των καιρικών συνθηκών. Έχει παρατηρηθεί ότι το κατάλληλο πάχος της στρώσης που πρέπει να έχουν οι δομικές 18

26 συγκολλητικές ουσίες ώστε να αντέχουν στις υψηλές τάσεις που ασκούνται από τις δυνάμεις είναι από 0,076 έως 0,152 mm (Vick 1999). Μειονεκτήματα τους είναι η μικρή τους ανθεκτικότητα στις μεταβολές του ξύλου, στο ποσοστό υγρασίας του ξύλου και στις συνθήκες συγκόλλησης όπως είναι η πίεση, η θερμοκρασία και οι συνθήκες πολυμερισμού. Παραδείγματα δομικών συγκολλητικών ουσιών είναι οι κόλλες φαινόλης, μελαμίνης, ρεσορκινόλης και συνδυασμοί αυτών με φορμαλδεΰδη και εφαρμόζονται στην παραγωγή επικολητού ξύλου, τραπεζοειδών διατομών. Οι δομικές κόλλες διακρίνονται σε πλήρως εξωτερικές, περιορισμένες εξωτερικές και εσωτερικές ανάλογα με το πόσο αντέχουν σε μακροχρόνιες εκθέσεις της σ χετικής υγρασίας και της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος χώρου. Οι ημι-δομικές κόλλες γενικότερα, μπορεί να έχουν υψηλή αντοχή, αλλά δεν αντέχουν τις μακροχρόνιες επιδράσεις σε στατικό φορτίο, χωρίς να παραμορφωθούν. Είναι ικανές να αντέξουν σε μικρές περιόδους μεταβολές των καιρικών συνθηκών. Τέτοιου είδους κόλλες είναι ο οξικός πολυβινυλεστέρας και οι πολυουρεθάνες. Οι μη δομικές κόλλες εφαρμόζονται κυρίως στην επιπλοποιία, έχουν μικρότ ερη μηχανική αντοχή κα ι χάνουν γρήγορα την ικανότητα τους να μεταφέρουν το φορτίο όταν εκτεθούν στο νερό ή σε υψηλές σχετικές υγρασίες. Κατά κανόνα οι συγκολλητικές ουσίες που είναι πιο δυνατές, άκαμπτες και με μεγαλύτερη διάρκεια είναι λιγότερο ανεκτές σε μεταβολές ως προς την περιεχόμενη υ γρασία του ξύλου, την τραχύτητα και την καθαριότητα της επιφάνειας, τον προσανατολισμό των ινών, την αδράνεια, το πάχος της στρώσης και τις συνθήκες (πίεση και θερμοκρασία) πολυμερισμού σε σχέση με τις πιο αδύνατες και εσωτερικής χρήσης κόλλες (Vick 1999) Επιλογή της συγκολλητικής ουσίας Μια πρώτη εκτίμηση σχετικά με την επιλογή μιας συγκολλητικής ουσίας ξεκινάει μελετώντας τους τύπους των συγκολλητικών ουσιών (υδατοδιαλυτές ή μη ) του ξύλου μαζί με τις ιδιότητες τους (αντοχή, διάρκεια), την προετοιμασία, τις χρήσεις και τις τυπικές εφαρμογές για τις οποίες προτείνονται, την συμβατότητα των συγκολλητικών ουσιών (υδατοδιαλυτές ή μη) με τα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά του ξύλου, λαμβάνοντας υπόψη τις παρακάτω προϋποθέσεις: 1) Την δομική ευστάθεια, δηλαδή την φύση, την διεύθυνση, την διάρκεια και το ύψος του φορτίου που πρέπει να αντέξει η σύνδεση και ο συγκολλητικός δεσμός κάτω από την έκθεση του σε εξωτερικούς χώρους. 19

27 2) Το κόστος, την διάρκεια ζωής και τον κατάλληλο εξοπλισμό που πρέπει να διαθέτει κάποιος για την εφαρμογή της συγκολλητικής ουσίας. Π.χ. μερικές κόλλες πολυμερίζονται με τη χρήση θερμών πρεσών σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ άλλες σε συνθήκες δωματίου. 3) Η εμφάνιση της συγκολλητικής ουσίας, δηλαδή το χρώμα της, η ικανότητα της να απορροφά κηλίδες και βερνίκια, να μην «αιμορραγεί», είναι ιδιαίτερα κρίσιμα χαρακτηριστικά σε κόλλες που χρησιμοποιούν οι επιπλοποιοί. 4) Η ευκολία και η απλότητα εφαρμογής της Τύποι συγκολλητικών ουσιών Οι συγκολλητικές ουσίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην παραγωγή των δακτυλοειδών συνδέσεων μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: α) στους φαινοπλάστες, β) στους αμινοπλάστες, γ) σε αυτές που περιέχουν ισοκυανάτες και δ) στα γαλακτώματα του οξικού πολυβινυλεστέρα. Ο τύπος της συγκολλητικής ουσίας είναι ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την αντοχή της δακτυλοειδούς σύνδεσης. Για παράδειγμα, έπειτα από ελέγχους σε στατική κάμψη και εφελκυσμό βρέθηκε ότι οι κόλλες μελαμίνηςφορμαλδεΰδης συμπεριφέρθηκαν σημαντικά καλύτερα σε δοκίμια μέσης και μεγάλης πυκνότητας τροπικών αφρικανικών πλατυφύλλων σε σύγκριση με κόλλες ρεσορκινόληςφορμαλδεύδης και ισοκυανάτης που έδωσαν μη ικανοποιητικά αποτελέσματα. Οι κόλλες της ισοκυανάτης βρέθηκαν κατάλληλες για την σύνδεση χαμηλής πυκνότητας ξυλείας (Ayarkwa et al 2000a) Συγκολλητική ουσία φαινόλης-φορμαλδεΰδης (PF) Οι συγκολλητικές ενώσεις της φαινόλης-φορμαλδεΰδης ανήκουν στους φαινοπλάστες και είναι από τις πιο παλιές συνθετικές ρητίνες. Οι κύριες πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τους είναι ορισμένες ενώσεις φαινολών και φορμαλδεΰδης ως σκληρυντή, πολυμερίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες ( C). Χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή σύνθετων συγκολλημένων προϊόντων ξύλου. Οι συγκολλητικοί της δεσμοί έχουν πολύ καλές ιδιότητες (μηχανική αντοχή και διάρκεια). Είναι ανθεκτικοί σε υδρόλυση, βρασμό και σ ε διαβρώσεις διαφόρων χημικών αντιδραστηρίων (οξέων, αλκάλεων κλπ). Κύρια μειονεκτήματα της είναι το σκοτεινό χρώμα των δεσμών και η μεγάλη προσοχή στη χρήση της και το κόστος (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005). 20

28 Συγκολλητική ουσία ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης (RF) Είναι, επίσης κόλλα δύο συστατικών, είναι εξαιρετικά δραστική εξαιτίας των OH ομάδων του βενζολικού πυρήνα της ρεσορκινόλης και αντιδρά φορές ταχύτερα με τη φορμαλ δεύδη σε σχέση με τη φαινόλη. Πολυμερίζονται γρήγορα σε θερμοκρασίες δωματίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σχετικά μεγάλη υγρασία ξύλου (μέχρι 18 %). Οι δεσμοί αντέχουν σε διαρκείς φορτίσεις και είναι ανθεκτικοί σε μεταβαλλόμενες κλιματικές συνθήκες και σε αντιδραστήρια, αλλά έχει πολύ υψηλό κόστος παραγωγής. Κύριοι τομείς εφαρμογής είναι οι επικολλητές κατασκευές, η ναυπηγική και κατασκευές που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν σε τροπικά κλίματα (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005) Συγκολλητική ουσία φαινόλης-ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης (PRF) Πολλές φορές για να μειωθεί το υψηλό κόστος παραγωγής της προηγούμενης κόλλας, προστίθενται και ποσότητα φαινόλης, χωρίς να χάνουν τις πολύ καλές ιδιότητες της ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης και να μπορούν να σκληραίνουν σε θερμοκρασίες δωματίου. Χαρακτηριστικά αυτής της κόλλας είναι ο μεγάλος χρόνος συναρμολόγησης και ο αργός χρόνος σκλήρυνσης. Είναι κατάλληλες για την παραγωγή πολυστρωματικού ξύλου και δακτυλοειδών συνδέσεων. Στην Αμερική είναι αρκετά διαδεδομένες στον κατασκευστικό κλάδο (Frihart 2005). Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί βιομηχανικά ένας νέος τύπος κόλλας δύο συστατικών (honeymoon). Το ένα συστατικό της κόλλας, συνήθως αποτελείται από τροποποιημένη κόλλα σόγιας (ως ενεργοποιητής, συμπολυμερές) και το δεύτερο από κόλλα φαινόλης-ρεσορκινόληςφορμαλδεύδης (ως συγκολλητική ουσία) και έχει αποδειχθεί ότι παράγουν πολύ καλής ποιότητας δακτυλοειδείς συνδέσεις. Το ένα συστατικό τοποθετείται στην επιφάνεια του πρώτου υποστρώματος και το δεύτερο στην άλλη επιφάνεια του υποστρώματος. Η μίξη τους γίνεται ταυτόχρονα με την συναρμολόγηση τους (Frihart 2005). Οι Ayarkwa et al (2000) σε δοκιμές που έκαναν σε τρία είδη τροπικού ξύλου, σε διάφορα μήκη δακτύλων αναφέρουν ότι μπορούν να παραχθούν υψηλής αντοχής συνδέσεις με τη χρήση κόλλας PRF στο χαμηλής πυκνότητας obεche και στο μεσαίας πυκνότητας makore Συγκολλητική ουσία μελαμίνης-φορμαλδεΰδης (MF) Αυτού του είδους οι κόλλες ανήκουν στην κατηγορία των αμινοπλαστών. Έχουν, επίσης πολύ καλές ιδιότητες, αλλά πιο ανοιχτόχρωμο χρώμα σε σχέση με τις φαινολικές. Χρησιμοποιούνται, κυρίως για τη συγκόλληση εξωτερικής και ημι-εξωτερικής χρήσης παραγωγής αντικολλητών και μοριοσανίδων, εμβαπτισμένων φύλλων χαρτιού, καθώς και για 21

29 την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων. Ο περιορισμός της χρήσης τους οφείλεται στο επίσης υψηλό κόστος της μελαμίνης. Άλλα μειονεκτήματα τους είναι η ψαθυρότητα των δεσμών, η άμβλυνση των εργαλείων κατεργασίας και η δυσκολία καθαρισμού των συσκευών αναμίξεως. Η σκλήρυνση της μπορεί να γίνει με θέρμανση σε θερμοκρασίες άνω των C και σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος με παρουσία καταλύτη, όπως για παράδειγμα χλωριούχου και θειικού αμμωνίου (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005) Συγκολλητική ουσία μελαμίνης-ουρίας-φορμαλδεΰδης (MUF) Για να μειωθεί το κόστος της παραπάνω κόλλας προστίθεται και ποσότητα ουρίας σε διάφορα ποσοστά ανάλογα με την χρήση του τελικού συγκολλημένου προϊόντος και τις επιθυμητές ιδιότητες, χωρίς ουσιαστικά να διαφέρουν από τις κόλλες μελαμίνηςφορμαλδεΰδης. Οι κόλλες μπορούν να αντικαταστήσουν άλλες συγκολλητικές ουσίες που χρησιμοποιούνται σε εξωτερικές εφαρμογές. Οι συνθήκες αντίδρασης του χρόνου, της θερμοκρασίας, της αναλογίας μελαμίνης-φορμαλδεΰδης, το ph και ο καταλύτης επηρεάζουν την σύνθεση και τη δομή της ρητίνης (Frihart 2005) Συγκολλητική ουσία ουρίας-φορμαλδεΰδης (UF) Οι κόλλες της ουρίας-φορμαλδεύδης είναι μια από της ρητίνες με τη μεγαλύτερη χρήση για την παραγωγή σύνθετων συγκολλημένων προϊόντων εσωτερικής χρήσης. Έχουν πολύ χαμηλό κόστος, δεν είναι εύφλεκτες, είναι ανοιχτόχρωμες και πολυμερίζονται πολύ γρήγορα σε υψηλές θερμοκρασίες ή με τη μέθοδο του υψίσυχνου ρεύματος. Επειδή, όμως έχουν πολύ χαμηλή αντίσταση στο νερό, και σε επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και υγρασίας δεν συνιστώνται για εξωτερικές κατασκευές, όπου οι κλιματολογικές συνθήκες μεταβάλλονται. Επιπλέον, οι συγκολλητικοί δεσμοί της ουρίας-φορμαλδεΰδης προσβάλλονται εύκολα από ισχυρά οξέα ή βάσεις (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005) Συγκολλητική ουσία πολυουρεθάνης (PU) Οι πολυουρεθάνες χρησιμοποιούνται κυρίως για τη συγκόλληση του ξύλου με μέταλλα ή πλαστικά και όχι τόσο για τη συγκόλληση υποστρωμάτων ξύλου με ξύλο. Είναι ενός ή δύο συστατικών, έχουν καλές μηχανικές ιδιότητες και μεγάλη αντοχή σε καιρικές συνθήκες και χημικές ουσίες και πολυμερίζονται σε θερμοκρασίες δωματίου. Στην περίπτωση που είναι δύο συστατικών το ρόλο του σκληρυντή έχουν οι ισοκυανάτες και σχηματίζουν ισχυρές δυνάμεις συνάφειας. Έχουν πολύ καλές ιδιότητες, δεν μεταχρωματίζουν το ξύλο, είναι ανθεκτικές σε ζεστό νερό, χημικές ουσίες και σε προσβολές από μύκητες και βακτήρια και δεν περιέχουν 22

30 φορμαλδεΰδη. Μειονεκτήματα της είναι η μικρή διάρκεια επεξεργασίας, το κόστος τους και η ανάγκη να παίρνονται κατάλληλα μέτρα προστασίας από τους εργαζόμενους (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005). Οι κόλλες της πολυουρεθάνης, κυρίως των δύο συστατικών, εξαιτίας των ιδιοτήτων τους κερδίζουν έδαφος ως προς την χρήση τους στην Βόρειο Αμερική για δομικές και μη δομικές εφαρμογές, όπως ίσως και για την κατασκευή δακτυλοειδών συνδέσεων (Bustos κ.α. 2003a). Οι ίδιοι αναφέρουν ότι αυτού του είδους η συγκολλητική ουσία είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή δοκιμίων είδους ερυθρελάτης (Picea mariana) κατάλληλη για δομική ξυλεία με πολύ καλή αντοχή σε κάμψη και εφελκυσμό Συγκολλητικές ουσίες EPI (emulsion polymer isocyanates) Είναι δύο συστατικών. Οι ρητίνες αποτελούνται από συμπολυμερή γαλακτώματα πολυουρεθάνης ή οξικού πολυβυνιλεστέρα και ο σκληρυντής είναι οι ισοκυανάτες. Πολυμερίζονται σε θερμοκρασίες δωματίου και απαιτούνται υψηλές πιέσεις κατά την συναρμολόγηση της σύνδεσης. Έχουν πολύ καλές ιδιότητες και αντέχουν σε περιοδικές μεταβολές των καιρικών συνθηκών (Frihart 2005). O Troughton (1986) παρήγαγε δακτυλοειδείς συνδέσεις σε ξυλεία κωνοφόρων (ερυθρελάτη, ελάτη και πεύκη). Η συγκολλητική ουσία που χρησιμοποιήθηκε ήταν η EPI σε προθερμασμένο ξύλο για 10 και 15 λεπτά στους C. Η συναρμολόγηση έγινε σε διάφορες πιέσεις από psi (0,34-1,38 MPa) σε θερμαινόμενες πρέσες στους 20 και 90 0 C. Όλα τα δοκίμια, ανεξαρτήτως των παραμέτρων, έδωσαν συγκολλητικούς δεσμούς με πολύ καλή αντοχή και μικρά ποσοστά αποκόλλησης Συγκολλητικές ουσίες πολυβυνιλεστέρα και αιθυλοβυνιλέστερα (PVAc, EVA) Οι υδατοδιαλυτές αυτές ουσίες διατίθενται σε γαλακτώδη παχύρευστη μορφή, σκληραίνονται σε θερμοκρασίες δωματίου, είναι άχρωμες, άοσμες, ακίνδυνες για τον άνθρωπο, έχουν μεγάλη διάρκεια αποθήκευσης και χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιπλοποιία ή σε ερασιτεχνικές κατασκευές. Ανήκουν στις θερμοπλαστικές ρητίνες. Συνήθως είναι ενός συστατικού. Ο σκληρυντής στις κόλλες των δύο συστατικών είναι ισοκυανάτες και παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες. Μειονεκτήματα τους είναι η μικρή αντοχή τους υπό την επίδραση της υγρασίας, του νερού και των προσβολών από μύκητες ή βακτήρια. Επίσης, εμφανίζουν φαινόμενα ερπυσμού κάτω από συνεχή φόρτιση (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005). 23

31 Οι PVAc κόλλες διακρίνονται σε τέσσερις κλάσεις αντοχής (ΕΛΟΤ EN 204:2001) για κατασκευές ανάλογα με τα πεδία εφαρμογής τους και κλιματικές συνθήκες: 1) Κλάση D1: Εσωτερική χρήση, χρησιμοποιείται όταν η περιεχόμενη υγρασία του ξύλου δεν ξεπερνάει το 15 %. 2) Κλάση D2: Εσωτερική χρήση, περιστασιακή μικρής διάρκειας έκθεση στο νερό και/ή σε υψηλή υγρασία περιστασιακά, υπό την προϋπόθεση ότι η περιεχόμενη υγρασία του ξύλου δεν υπερβαίνει το 18 %. 3) Κλάση D3: Εσωτερική χρήση, συχνή μικρής διάρκειας έκθεση στο νερό και/ή μεγάλη έκθεση σε υψηλή υγρασία. Μπορεί να εφαρμοστεί και σε κατασκευές εξωτερικής χρήσης, μη εκτεθειμένες στις καιρικές συνθήκες. 4) Κλάση D4: Εσωτερική χρήση, με συχνή μακροχρόνια έκθεση σε νερό ή υγρασία. Μπορεί να εφαρμοστε ί και σε εξωτερικές συνθήκε ς, εκτεθειμένες στις καιρικές συνθήκες, αλλά με επαρκής προστασία των επιφανειών. Δοκίμια δακτυλοειδών συνδέσεων ξυλείας αριάς (Quercus ilex) που συγκολλήθηκαν με D3 κόλλα έδωσαν μεγαλύτερες τιμές του μέτρου θραύσης (90,1 N/mm 2 έως 107,4 N/mm 2 ) από τα δοκίμια που συγκολλήθηκαν με D2 (85,2 N/mm 2 έως 98,5 N/mm 2 ) και από αυτά που συγκολλήθηκαν με D1 κλάση (55,9 N/mm 2 έως 86,1 N/mm 2 ) ανάλογα με το μήκος των δακτύλων (Μπαρμπούτης κ.α. 2005). Την ίδια διαπίστωση αναφέρουν και οι Vassiliou κ.α (2005) για την αντοχή δακτυλοειδών συνδέσεων δύο ειδών ακόμη δρυός (πλατυφύλλου και ευθύφλοιας) για τις τρεις αυτές κλάσεις κόλλας PVAc. Παρόμοιο ήταν και το αποτέλεσμα που στο οποίο κατέληξαν και οι Karastergiou et al (2006) για δοκίμια ευθύφλοιας δρυός (Quercus cerris) σε κόλλες κλάσης D1 και D2, όπου η συγκόλληση με D2 έδωση μεγαλύτερης αντοχής συνδέσεις Εποξειδικές συγκολλητικές ουσίες Οι εποξειδικές συγκολλητικές ουσίες είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες κυρίως για τη συγκόλληση του ξύλου με άλλα υλικά, όπως είναι το τσιμέντο, τα μέταλλα, το π λαστικό και ο πηλός ή στη συγκόλληση χλωρού ξύλου. Παρόλο, που έχουν πολύ καλές ιδιότητες, ελάχιστα χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση μόνο ξύλινων υποστρωμάτων επειδή είναι δαπανηρές και η αντοχή των συγκολλητικών δεσμών είναι το ίδιο καλή, σε σύγκριση με τη συγκόλληση ξύλου με διάφορα υλικά. Η σκλήρυνση της κόλλας μπορεί να γίνει είτε σε θερμοκρασίες δωματίου είτε σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Για ψυχρή συγκόλληση χρησιμοποιούνται σαν σκληρυντές οι πολυαμίνες, ενώ στις υψηλές θερμοκρασίες οι ανυδρίτες των πολυκαρβονικών οξέων. Στα πλεονεκτήματα τους, εκτός των παραπάνω, είναι το μικρό ιξώδες τους και η 24

32 δημιουργία άχρωμων δεσμών. Εκτός, από το κόστος τους, έχουν μικρή διάρκεια επεξεργασίας και είναι απαραίτητο να λαμβάνονται μέτρα προστασίας για την υγεία των εργαζομένων (Γρηγορίου 1996, Τσουμής 1999, Frihart 2005) Βιολογικές συγκολλητικές ουσίες Οι πιο κοινές βιολογικές ρητίνες είναι οι φυτικής η ζωικής προέλευσης ρητίνες. Οι ρητίνες αυτές ήταν ευρέως διαδεδομένες, από την αρχαία εποχή, μέχρι την βιομηχανική άνθιση και την ανάπτυξη των συνθετικών ρητινών. Τα τελευταία χρόνια, διεξάγονται έρευνες για την σύνθεση νέων συγκολλητικών ουσιών με βάση τις ταννίνες ή τη λιγνίνη. Κάθε χρόνο, μένουν τεράστιες ποσότητες θειικής λιγνίνης ως υπόλειμμα κατά την παραγωγή χαρτοπολτού και χαρτιού. Παρόλο που, οι δομικές μονάδες της λιγνίνης αποτελούνται από παράγωγα φαινυλοπροπάνιου η αντίδραση τους με φορμαλδεύδη είναι πολύ αργή σε σύγκριση με τις φαινολικές κόλλες. Για συγκολλητικούς σκοπούς, αυτού του είδους της αποικοδομημένης λιγνίνης, είναι ανάγκη να βρεθούν άλλοι μηχανισμοί σκλήρυνσης, όπως για παράδειγμα ο θερμικός χειρισμός με οξέα, αλκοόλες και διάφορους καταλύτες για να βελτιώσουν την αντοχή των συγκολλητικών δεσμών (Frihart 2005). Οι ταννίνες είναι φαινολικά εχχυλίσματα που απαντούν σε όλα σχεδόν τα φυτικά είδη και μένουν ως υπόλειμμα κυρίως στις βιομηχανίες μηχανικής επεξεργασίας ξύλου και στην βιομηχανίες χαρτιού. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βυρσοδεψία, αλλά η πιο σπουδαία χρήση τους στο μέλλον θα είναι στην παραγωγή συγκολλητικών ουσιών. Οι ταννίνες έχουν ελεύθερα φαινολικά υδροξύλια τα οποία αντιδρούν εύκολα με φορμαλδεΰδη, και κατά συνέπεια μπορούν να συμπολυμερίζονται με φαινόλη, ρεσορκινόλη, μελαμίνες και άλλες πολυμεριζόμενες ουσίες. Βασικό πρόβλημα, είναι ότι η δομή του τελικού πολυμερούς είναι πολύ διαφορετική, και κατά συνέπεια έχουν διαφορετικές ιδιότητες ως προς τη συγκολλητική δραστικότητα. Άλλοι περιορισμοί σε σύγκριση με τις υπάρχουσες συνθετικές ρητίνες είναι το υψηλό τους ιξώδες και η διαθεσιμότητα τους (Φιλίππου 1986, Frihart 2005). 25

33 2.3 Δακτυλοειδείς συνδέσεις Γενικά Η δακτυλοειδής σύνδεση ανήκει στην κατηγορία των πλάγιων (κεκλιμένων) συνδέσεων για την συγκόλληση κυρίως κατά μήκος ξυλείας. Σφάλματα του ξύλου, όπως είναι οι ρόζοι έχουν απομακρυνθεί και ξυλεία μικρού μήκους ενώνεται σε μεγαλύτερα μήκη (Jokerst 1981). Μια καλά κατασκευασμένη κατά μήκος σύνδεση, είτε είναι πλάγια είτε δακτυλοειδής μπορεί να παρουσιάσει συμπεριφορά παρόμοια με το ξύλο χωρίς σύνδεση και αντοχή σε εφελκυσμό μέχρι και 90 % σε σχέση με το καθαρό ξύλο (Vick 1999). Ως δακτυλοειδής σύνδεση ορίζεται μια κατά μήκος σύνδεση που κατασκευάζεται από μια σειρά παρόμοιων, κωνικών και μυτερώ ν, συμμετρικών δοντιών στα άκρα των μερών του ξύλου, τα οποία στο τέλος συγκολλούνται μεταξύ τους (ISO 10983:1999). Σχήμα 2.5: Τυπικό προφίλ μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης (Gaspar 2004) Κάθε δακτυλοειδής σύνδεση αποτελείται από κάποια συγκεκριμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (προφίλ) που την επηρεάζουν (Σχήμα 3.1). Τα χαρακτηριστικά αυτά περιγράφουν την ενδεχόμενη αντοχή μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης και είναι τα εξής: Μήκος δακτύλων (finger length, l): Είναι η απόσταση μεταξύ της βάσης του δακτύλου και της κορυφής του, μετρούμενη κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του δακτύλου, 26

34 Βήμα (pitch, p): Είναι η απόσταση ανάμεσα στα δάκτυλα, από κέντρο σε κέντρο, Κλίση γωνίας (slope, θ), Πλάτος κορυφής (tip width, t): Είναι το πλάτος της κορυφής των δακτύλων, Κενό κορυφής (tip gap, g): Είναι το κενό της σχισμής ανάμεσα στην κορυφή του δακτύλου και την αντίθετη βάση μιας συγκολλημένης δακτυλοειδούς σύνδεσης Γεωμετρία των δακτυλοειδών συνδέσεων Τα προφίλ που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της δακτυλοειδούς σύνδεσης είναι καθορισμένα από τους υπεύθυνους φορείς τυποποίησης με τη μορφή προτύπων (Μητακίδου και Μικελής 2006). Τα χαρακτηριστικά του προφίλ των δακτυλοειδών συνδέσεων έχει αποδειχθεί ότι είναι από τους πιο σημαντικούς παράγοντες για τον καθορισμό της αντοχής τους (Ayarkwa et al 2000) Πλάτος κορυφής Το πλάτος της κορυφής των δοντιών πρέπει να διατηρείται όσο το δυνατόν πιο λεπτό. Οι κορυφές των δοντιών είναι απλές ενώσεις μη ικανές να μεταφέρουν τις τάσεις προκαλώντας απότομες συ γκεντρώσεις με αρνητικές συνέπειες στην αντοχή της σύνδεσης (Gaspar 2004). Ο Page (1959) αναφέρει ότι καθώς το πάχος της κορυφής αυξάνεται η αντοχή των συνδέσεων σε κάμψη και εφελκυσμό μειώνεται. Η τάση της μείωσης ελαττώνεται σε πιο απότομες κλίσεις, αφού αυξάνεται το μήκος των δακτύλων και κατά συνέπεια η περιοχή της συγκόλλησης. Το πάχος των δακτύλων αποτελεί και τη βασική διαφορά ανάμεσα στις δακτυλοειδείς συνδέσεις που είναι κατάλληλες για δομικές ή μη εφαρμογές. Πλατύτερα πάχη από 0,16 cm ταξινομούνται ως μη δομικά, ενώ το πλάτος της κορυφής δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 0,08 cm για να αναπτυχθούν υψηλής αντοχής δομικές ενώσεις (Stickler 1980). Ένα επαρκές πλάτος είναι απαραίτητο για να επιτρέπει την εφαρμογή τη ς πίεσης κατά το μήκος των δοντιών. Ένας πρακτικός κανόνας είναι πως το μέγιστο πλάτος δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το 40 % του μήκους (Gaspar 2004). Το πλάτος της κορυφής των δακτύλων, επηρεάζει περισσότερα από όλα τα υπόλοιπα γεωμετρικά χαρακτηριστικά την αντοχή της σύνδεσης. Στις κορυφές των δακτύλων συγκεντρώνονται τάσεις που στο σύνολο τους επιδρούν αρνητικά. Το πλάτος της κορυφής σύμφωνα με τον Hernandez (1998) δεν πρέπει να είναι παραπάνω από 0,5-0,7 mm. 27

35 Κλίση γωνίας Σύμφωνα με τον Stickler (1980) η κλίση της γωνίας του δακτύλου έχει σχεδόν όμοια επίδραση με τη κλίση μιας πλάγιας σύνδεσης. Γωνίες με κλίση 1 προς 16 ή 1 προς 20 παράγουν ενώσεις που προσεγγίζουν σε αντοχή το συμπαγές ξύλο, υπό την προϋπόθεση ότι η συγκόλληση έχει γίνει σωστά. Ενώ η αντοχή της ένωσης μειώνεται σημαντικά σε πιο απότομες κλίσεις 1 προς 7. Ο Vick (1999) αναφέρει ότι κλίσεις 1 προς 8 είναι κατάλληλες για την κατασκευή τυπικών δομικών δακτυλοειδών συνδέσεων. Ο Selbo (1963) βρήκε ότι καθώς η κλίση της γωνίας μειώνεται η αντοχή της σύνδεσης σε τάσεις εφελκυσμού αυξάνεται. Το ποσοστό της αύξησης μειώνοταν όσο αυξανόταν το ύψος της κλίσης. Όμοια αποτελέσματα βρήκε και ο Page (1959). Ο Page κάνοντας μετρήσεις σε στατική κάμψη και εφελκυσμό σε συνδέσεις με σταθερό βήμα και πάχος κορυφής, παρατήρησε ότι όσο πιο απότομες ήταν οι κλίσεις μέχρι ύψους 1 προς 8, η αντοχή αυξανόταν Βήμα Η αντοχή της σύνδεσης σε εφελκυσμό γενικά αυξάνεται, μέχρι ένα σημείο, όσο αυξάνεται το βήμα του δοντιού, υπό την προϋπόθεση ότι η γωνία και το πάχος της κορυφής παραμένουν σταθερά (Selbo 1963). Σε γενικές γραμμές το βήμα του δακτύλου επιδρά λίγο έως καθόλου στην αντοχή της σύνδεσης (Strickler 1980) Μήκος δακτύλων Υπάρχει μια ποικιλία στο μήκος των δακτύλων που κυμαίνονται από 4 mm μέχρι και 30 mm. Τα μήκη που κυμαίνονται από 4-10 mm είναι κατάλληλα για μη δομικές εφαρμογές (Σχήμα 3.1). Τα κυριότερα μήκη δακτύλων είναι των 10 mm, 15 mm και 20 mm. Η δακτυλοειδής σύνδεση μ ε μήκος δοντιών 10 mm, χρησιμοποιείται στην παραγωγή παράθυρων, στην επιπλοποιία και για υπολείμματα ξύλου με σκοπό την παραγωγή μεγαλύτερων επιφανειών. Είναι κατάλληλο για ενώσεις μαλακών ξύλων. Οι συνδέσεις με μήκος δακτύλων 15 και 20 mm είναι κατάλληλες σύμφωνα με τα πρότυπα για την παραγωγή δοκών από σύνθετη επικολλητή ξυλεία (Σχήμα 3.2 και Σχήμα 3.3). Η απόσταση που υπάρχει ανάμεσα στα δάκτυλα δίνει μεγαλύτερη ή σχετικά μικρότερη σταθερότητα (Μητακίδου και Μικελής 2006). 28

36 Σχήμα 2.6: Μήκη δακτύλων κατάλληλα για μη δομικές εφαρμογές ( Σχήμα 2.7: Μήκη δακτύλων κατάλληλα για ημι-δομικές εφαρμογές ( Σχήμα 2.8: Μήκη δακτύλων κατάλληλα για δομικές εφαρμογές ( 29

37 Όσο αυξάνεται το μήκος των δοντιών, αυξάνεται και η αντοχή της σύνδεσης. Οι Ayarkwa κ.α. (2000) μελέτησαν τρία μήκη δακτύλων (10, 18 και 20 mm) σε δακτυλοειδείς συνδέσεις, με κόλλα φαινόλης-ρεσορκινόλης-φορμαλδεΰδης τρίων τροπικών πλατύφυλλων (obeche, makore και moabi).το προφίλ με μήκος δακτύλων έδειξε την μεγαλύτερη αντοχή και στα τρία είδη. Η διαφορά αυτή, σε σύγκριση με το προφίλ των 20 mm, ίσως να οφείλεται στην διαφορετική γωνία κλίσης που ήταν 1 προς 12 και 3 προς 20 για τα δύο μήκη αντίστοιχα. Οι Μπαρμπούτης κ.α. (2005) βρήκαν ότι αύξηση του μήκους των δακτύλων από 4 σε 10 και 15 mm είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του μέτρου θραύσης σε δοκίμια αριάς. Διαπίστωσαν, επίσης ότι η επίδραση της κόλλας PVAc ήταν μεγαλύτερη στο μήκος των δακτύλων 4 mm, μικρότερη στο μήκος δακτύλων 15 mm και ενδιάμεση στο μήκος δακτύλων 10 mm. Παρόμοια αποτελέσματα αναφέρουν και οι Vassiliou et al (2005), όπου χρησιμοποίησαν την ίδια συγκολλητική ουσία σε δακτυλοειδείς συνδέσεις πλατυφύλλου και ευθύφλοιας δρυός. Οι μέσοι όροι του μέτρου θραύσης αυξανόταν με το μήκος των δακτύλων. Τα χαρακτηριστικά των δοντιών είναι τόσο στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους που η παραμικρή αλλαγή ενός εξ αυτών, αυτομάτως φέρνει αλλαγές και στα υπόλοιπα. Το μήκος των δοντιών πρέπει να είναι τόσο μεγάλο και η γωνία τόσο μικρή, ώστε να παρέχουν τον απαραίτητο χώρο ανάμεσα στα κενά της σύνδεσης για τη συγκόλληση. Οι μέγιστες τάσεις που αναπτύσσονται στην περιοχή της σύνδεσης (πλην την περιοχή του πάχους κορυφής μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης) εξαρτώνται κυρίως από τη σχέση του μήκους προς το βήμα των δοντιών (Jokerst 1981, Selbo 1963) Κενό κορυφής Ένα κενό ανάμεσα στα δάκτυλα των δύο μερών του ξύλου πρέπει να υπάρχει έτσι, ώστε να εξασφαλίζουν επαρκής πλευρική πίεση ανάμεσα στις στρώσεις της κόλλας και του ξύλου. Το ύψος του κατάλληλου κενού δίνεται από τη σχέση 0,03x το μήκος του δακτύλου για δομικές δακτυλοειδείς συνδέσεις άνω των 10 mm(ayarkwa et al 2000). Τα κενά αυτά, δεν πρέπει να υπάρχουν σε μεγάλο βαθμό ή να είναι μεγάλα, γιατί επιδρούν αρνητικά στην αντοχή της σύνδεσης. Δακτυλοειδείς συνδέσεις που υπέπεσαν σε κενά κατά μήκος της στρώσης της κόλλας και ενώσεις με μικρά (π.χ. λάθος τοποθέτηση του κοπτικού μέσου) ή ελλιπή, σπασμένα δάκτυλα έδειξαν πολύ σημαντική μείωση στην αντοχή τους σε εφελκυσμό (Pellicane et al 1994). 30

38 2.3.3 Πλεονεκτήματα των δακτυλοειδών συνδέσεων Η ξυλεία των δακτυλοειδών συνδέσεων ταξινομείται ποιοτικά όπως ακριβώς και η ξυλεία χωρίς σύνδεση, εφαρμόζονται εύκολα και μπορούν να παραχθούν σε διάφορες διαστάσεις και τομές ανάλογα με την χρήση, το σχέδιο κατασκευής ή τις απαιτήσεις του πελάτη. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ταυτόχρονα με ασύνδετη πριστή ξυλεία. Αξιοποιούνται μικρών διαστάσεων κομμάτια ξύλου με αποτέλεσμα να παράγονται τελικώς προϊόντα προστιθέμενης αξίας (φέρουσες κατασκευές), καλύτερης ποιότητας και με μικρότερα ποσοστά στρέβλωσης κατάλληλα κυρίως για δομικές κατασκευές. Το ξύλο γενικότερα είναι ένα υψηλής ποιότηταςαφού έχουν αφαιρεθεί τα σφάλματα-, φιλικό προς το περιβάλλον και ανακυκλώσιμο υλικό. Για μια καθορισμένης διαστάσεων τομή πριστής ξυλείας, η συγκολλημένη περιοχή ενός κοινού προφίλ δακτυλοειδούς σύνδεσης είναι περίπου ίση με μια πλάγια σύνδεση, με την προϋπόθεση ότι έχουν την ίδια κλίση. Η ποσότητα του ξύλου που χάνεται κατά τη διαμόρφωση μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης αποτελεί, όμως, μόλις το 10 % της ποσότητας που χάνεται για τον σχηματισμό μιας πλάγιας σύνδεσης (Hernandez 1998). Η παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων είναι ένας οικονομικός τρόπος αξιοποίησης μικρών διαστάσεων ξυλείας, βελτιώνοντας την αποδοτικότητα και την κερδοφορία των πριστηρίων (Ayarkwa et al 2000) Διάκριση των δακτυλοειδών συνδέσεων με βάση την τελική τους χρήση Οι δακτυλοειδείς συνδέσεις διακρίνονται σε δομικές και μη δομικές. Η διάκριση τους βασίζεται στην μελλοντική τους χρήση και στην ικανότητα αντοχής τους σε διάφορες δυνάμεις που ασκούνται στο ξύλο και στις συνδέσεις. Οι μη δομικές δακτυλοειδείς συνδέσεις είναι γενικά μικρού μήκους με αμβλείες κορυφές (Σχήμα 2.6). Στην περίπτωση των μη δομικών Εικόνα 2.1: Χρήση επικολλητού ξύλου καρυδιάς σε επιφάνεια τραπεζιού ( 31

39 Εικόνα 2.2: Χρήση ξύλου δακτυλοειδών συνδέσεων στην κατασκευή πορτών-παραθύρων ( δακτυλοειδών συνδέσεων όπου η εμφάνιση παίζει πρωταρχικό ρόλο, τα δύο μέρη της σύνδεσης πρέπει να είναι στενά συνδεδεμένα, χωρίς να υπάρχουν κενά ανάμεσα τους (Jokerst 1981). Μη δομικές δακτυλοειδείς συνδέσεις χρησιμοποιούνται στην επιπλοποιία, στην ξυλουργική, στην κατασκευή πόρτας και καλουπιών, σε διακοσμητικές ξύλινες επιγραφές (Εικόνα 2.1 και 2.2). Εικόνα 2.3: Δομικές εφαρμογές ξύλου δακτυλοειδών συνδέσεων (

40 Ενώ οι δομικές είναι μεγαλύτερες σε μήκος με σχετικά οξείες κορυφές (Σχήμα 2.7 και 2.8) και η μηχανική τους αντοχή παίζει πρωταρχικό ρόλο. Οι τυπικές δομικές ενώσεις πρέπει να κοπούν με τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε να ταιριάζουν απόλυτα, κάτι το οποίο πετυχαίνεται με την κατάλληλη πίεση. (Jokerst 1981). Η κατά μήκος επιφάνεια των δομικών δακτυλοειδών συνδέσεων πρέπει να είναι τουλάχιστον δεκαπλάσια από την κατά πλάτος, επειδή το ξύλο είναι περίπου δέκα φορές δυνατότερο σε τάσεις εφελκυσμού από ότι διάτμησης (Vick 1999). Βασική χρήση των δομικών δακτυλοειδών συνδέσεων είναι στην παραγωγή σύνθετου ξύλου (glulam), στην κατασκευή δοκών για ξύλινες κατασκευές (Εικόνα 2.3) Διάκριση των δακτύλων σύμφωνα με τον τύπο τους Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες ως προς τον τρόπο ένωσης των μερών του ξύλου: α) η συνεχής ένωση και β) η ένωση με πατούρα. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει ο τύπος της φτερωτής (feather) σύνδεσης (Σχήμα 2.9). Στην συνεχή ένωση, το τελευταίο δάκτυλο της ένωσης φτάνει μέχρι την πάνω πλευρά, με αποτέλεσμα η πάνω πλευρά της ραφής να μην εμφανίζεται σαν ευθεία. Αυτό συμβαίνει γιατί η λεπτή επιφάνεια του τελευταίου δοντιού δεν Σχήμα 2.9: Τύπος φτερωτής σύνδεσης, οριζόντιος και κάθετος ( επιτρέπει στο ξύλο να αντισταθεί στις δυνάμεις του κοπτικού μέσου, σχηματίζοντας ακανόνιστες επιφάνειες. Χρησιμοποιείται σε κατασκευές που δεν ενδιαφέρει τόσο η εξωτερική επιφάνεια (π.χ. σε δοκούς και όχι τόσο στην επιπλοποιία) και όταν οι διαστάσεις του ξύλου διαφέρουν αρκετά μεταξύ τους ( Bustos et al 2003a, Μητακίδου και Μικελής 2006). Στη δεύτερη κατηγορία διακρίνονται ο τύπος αρσενικού-θηλυκού (male-female) (Σχήμα 2.10) και ο τύπος της αντίστροφης (reverse) (Σχήμα 2.11) Ο τύπος αρσενικού-θηλυκού είναι ο λιγότερο χρησιμοποιημένος και εφαρμόζεται στις περιπτώσεις όπου η σύνδεση θα 33

41 καλουπιαστεί ή θα διαμορφωθεί και στις δύο πλευρές. Οι αντίστροφες συνδέσεις είναι οι πιο κοινές. Στις ενώσεις με πατούρα, το ξύλο που περισσεύει πάνω και κάτω από τα δόντια, επιτρέπει την καλύτερη ένωση της σύνδεσης, με αποτέλεσμα η ραφή των επιφανειών να είναι λεία (Bustos et al 2003a, Μητακίδου και Μικελής, 2006). Σχήμα 2.10: Τύπος δακτυλοειδούς σύνδεσης αρσενικού-θηλυκού ( Σχήμα 2.11: Τύπος δακτυλοειδούς σύνδεσης αντίστροφη ( Ο τύπος των δακτυλοειδών συνδέσεων είναι ένας ακόμη από τους παράγοντες που επιδρούν στην αντοχή των συγκολλητικών δεσμών. Έρευνες, έδειξαν ότι επηρεάζει κυρίως το μέτρο θραύσης και όχι τόσο το μέγιστο φορτίο σε εφελκυσμό δοκιμίων ξυλείας picea mariana. Από τους τρεις τύπους, ο φτερωτός ήταν ο πιο αποδοτικός, αφού παρουσίασε τους υψηλότερους μέσους όρους αντοχής σε στατική κάμψη και εφελκυσμό. Οι διαφορές αυτές, οφείλονται στην μη ύπαρξη πατούρας και στην μεγαλύτερη συγκολλημένη επιφάνεια, σε σύγκριση με τους άλλους δύο τύπους (Bustos et al 2003a) 34

42 2.3.6 Διάκριση των δακτύλων σύμφωνα με τον προσανατολισμό τους Ένας ακόμη παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει την αντοχή μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης είναι ο προσανατολισμός των δακτύλων. Ο προσανατολισμός διακρίνεται σε οριζόντιος, κατακόρυφος και επικλινής σε γωνία 45 0 (Σχήμα 2.12). Σύμφωνα με τους Jokerst (1981) και Gaspar (2004) οι κάθετες δακτυλοειδείς συνδέσεις που δέχονται φορτίσεις σε στατική α β γ Σχήμα 2.12: Προσανατολισμός δακτυλοειδών συνδέσεων α) κατακόρυφος, β) οριζόντιος, γ) με κλίση 45 0 (Jokerst, 1981) κάμψη ή εφελκυσμό συμπεριφέρονται καλύτερα σε σύγκριση με αυτές που έχουν κατασκευαστεί με οριζόντιο προσανατολισμό. Αιτία του παραπάνω είναι η κατανομή των 35

43 τάσεων στα δύο εξωτερικά δάκτυλα, που δέχονται και το μεγαλύτερο φορτίο κατά την εφαρμογή της τελικής πίεσης στην παραγωγή των συνδέσεων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να εμφανίζονται ασθενείς συνδέσεις στις εξωτερικές επιφάνειες των άκρων ή των πλευρών. Τέτοια προβλήματα, είναι πιθανόν να επαλειφθούν εφαρμόζοντας παράλληλα και πλευρική πίεση κατά τη στιγμή της συγκόλλησης ή κόβοντας τα εξωτερικά δάκτυλα. Ένας επιπλέον πιθανός τρόπος επίλυσης αυτού του προβλήματος είναι η προσεκτική παραγωγή των δακτυλοειδών συνδέσεων, καθώς ο Pellerin (1970) αναφέρει ότι η αντοχή σε εφελκυσμό κατακόρυφων και οριζόντιων πρασανατολισμένων δακτυλοειδών συνδέσεων ήταν σχεδόν ίδια. Οι Μπαρμπούτης κ.α. (2005) αναφέρουν ότι ο κατακόρυφος προσανατολισμός των δακτύλων έδωσε λίγο μεγαλύτερο μέτρο θραύσης σε σχέση με τον οριζόντιο προσανατολισμό των δακτύλων σύνδεσης ξυλείας αριάς. Ομοίως τα δοκίμια με κάθετο προσανατολισμό ξυλείας δρυός (πλατυφύλλου και ευθύφλοιας) έδωσαν ελαφρώς μεγαλύτερο μέτρο θραύσης σε σχέση με τον οριζόντιο προσανατολισμό (Vassiliou et al 2005). Αντίθετα, οι Καραστεργίου κ.α. (2004) αναφέρουν ότι ο οριζόντιος προσανατολισμός των δακτύλων έδωσε λίγο μεγαλύτερο μέτρο θραύσης σε σχέση με τον κατακόρυφο προσανατολισμό, σε δακτυλοειδείς συνδέσεις ατμισμένης οξιάς και κολλά PVA D1. Επιπλέον, το μέτρο ελαστικότητας παρουσίασε ελαφρά αύξηση στον κατακόρυφο προσανατολισμό σε σχέση με τον οριζόντιο και σε μήκη δακτύλων 4 και 20 mm, ενώ το αντίθετο συνέβη στα ενδιάμεσα μήκη των 10 και 15 mm Ροή παραγωγής δακτυλοειδών συνδέσεων Η παραγωγή μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης αποτελείται από πέντε βασικά στάδια: 1) Επιλογή και προετοιμασία του υλικού. 2) Σχηματισμός του προφίλ της δακτυλοειδούς σύνδεσης. 3) Εφαρμογή της συγκολλητικής ουσίας 4) Συναρμολόγηση της ένωσης (εφαρμογή πίεσης) και 5) Πολυμερισμός της συγκόλλησης Επιλογή και προετοιμασία του υλικού Το ξύλο το οποίο πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων πρέπει να είναι όσο το δυνατόν απαλλαγμένο από σφάλματα (ρόζους, στρεψοϊνια ), να μην περιέχει θλιψιγενές ή εφελκυσμογενές ξύλο και να είναι όσο το δυνατόν καλύτερης ποιότητας, ειδικότερα όταν προορίζεται για φέρουσες κατασκευές. Η υγρασία του ξύλου κυμαίνεται γύρω στο 6-18 % ανάλογα με τη χρήση του. Η διαφορά της υγρασίας μεταξύ των μερών που 36

44 πρόκειται να συγκολληθούν δεν πρέπει να ξεπερνάει το 2 %. Αφού το ξύλο ξηραθεί στα κατάλληλα ποσοστά υγρασίας, ακολουθεί πλάνισμα της μιας πλευράς και τετραγωνισμός των άκρων και είναι έτοιμο για το επόμενο στάδιο, της διαμόρφωσης του προφίλ της σύνδεσης Σχηματισμός του προφίλ της δακτυλοειδούς σύνδεσης Υπάρχουν τρείς μέθοδοι σχηματισμού του προφίλ μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης κατά μήκος: α) με κοπτικά εργαλεία, που είναι και η πιο συνήθης, β) με καλούπια (θερμαινόμενες ή με μήτρες) και γ) συνδυασμός καλουπιών και κοπτικών εργαλείων (Jokerst, 1981). Το κοπτικό εργαλείο συνήθως είναι μια περιστρεφόμενη κεφαλή κατασκευασμένη από μια δέσμη μαχαιριών με αιχμηρές λεπίδες ή μια κεφαλή με αιχμηρά δόντια που αντικαθίστανται. Τα μαχαίρια, οι λεπίδες και τα δόντια είναι ανάλογα με το επιθυμητό σχήμα της σύνδεσης. Το μέγεθος και ο αριθμός των μηχανημάτων κοπής εξαρτάται από την γεωμετρία της ένωσης και το πάχος ή το πλάτος του συγκολλητικού υλικού, δηλαδή του ξύλου. Η σωστή τοποθέτηση του κοπτικού εργαλείου είναι σημαντική γιατί καθορίζει το μήκος των δακτύλων. Εάν το κοπτικό εργαλείο δεν τοποθετηθεί σωστά, τότε το μήκος των δακτύλων θα είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό. Στην πρώτη περίπτωση τα δάκτυλα θα σπάσουν ή θα γείρουν προς τα έξω κατά την εφαρμογή της πίεσης, ενώ στην δεύτερη περίπτωση θα υπάρχουν κενά μεταξύ των δακτύλων. Απόρροια των παραπάνω είναι η δημιουργία ασθενής συγκόλλησης και κακής ποιότητας συνδέσεις (Jokerst 1981) Εφαρμογή της συγκολλητικής ουσίας Η ποσότητα μιας συγκολλητικής ουσίας που απαιτείται σε μία συγκόλληση εξαρτάται από το είδος του ξύλου, την περιεχόμενη υγρασία, το τύπο της κόλλας, τις συνθήκες του περιβάλλοντος χώρου, το χρόνο συναρμολόγησης και εάν εφαρμόζεται σε μια ή δύο επιφάνειες. Οι κόλλες μπορούν να επαλειφθούν χειρωνακτικά με μια βούρτσα, ρολό ή με ψεκασμό υπό πίεση με κατάλληλα δοχεία. Στη βιομηχανία, υπάρχουν ειδικές μηχανές με περιστρεφόμενους κυλίνδρους, ειδικοί ψεκαστήρες, ή με επίστρωση με τη μέθοδο της κουρτίνας. Ο σκοπός της επάλειψης της συγκολλητικής ουσίας, ανεξαρτήτως μεθόδου είναι η κατανομή μιας επαρκούς ποσότητας, έτσι ώστε κάτω από πίεση η κόλλα να αποκτήσει ένα ομοιόμορφο πάχος (Vick 1999). Μία από τις πιο απλές και λιγότερο ακριβής μέθοδος είναι η εμβάπτιση της σύνδεσης σε μια δεξαμενή που περιέχει τη συγκολλητική ουσία. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται ελάχιστα (Jokerst 1981). 37

45 Οι περισσότερες επιχειρήσεις δακτυλοειδών συνδέσεων εφαρμόζουν μηχανήματα. Ένας σύνηθες τρόπος είναι με τη χρήση ενός περιστρεφόμενου τυμπάνου, που έχει ακριβώς το ίδιο προφίλ με την σύνδεση. Η επιφάνεια του τυμπάνου καλύπτεται συνεχώς με τη συγκολλητική ουσία και καθώς το ξύλο που πρόκειται να ενωθεί περνάει από το τύμπανο αυτό, η κόλλα «σκουπίζεται» πάνω στην επιφάνεια του. Μια παραλλαγή αυτής της μεθόδου είναι αντί για το τύμπανο η χρήση βούρτσας. Αλλά και αυτή η μέθοδος δεν είναι ικανοποιητική και υπάρχουν απώλειες της συγκολλητικής ουσίας. Μια δεύτερη διάταξη εφαρμογής είναι με τη βοήθεια ενός σταθερού πιεστικού που έχει ακροφύσια τα οποία εξάγουν την κόλλα. Η μορφή του μηχανήματος είναι και αυτή ίδια με το προφίλ της σύνδεσης και η διαδικασία όμοια με τη μέθοδο του τυμπάνου. Κύριο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου, εκτός από την απώλεια της συγκολλητικής ουσίας είναι το βούλωμα των ακροφύσιων από υπολείμματα της κόλλας και κατά συνέπεια απαιτείται συχνή συντήρηση τους (Jokerst 1981). Μία τρίτη μέθοδος είναι η εφαρμογή της ρητίνης και του σκληρυντή ξεχωριστά με ψεκασμό. Η μέθοδος αυτή είναι ιδανική στις κόλλες δύο συστατικών και πλεονεκτεί γιατί τα συστατικά της είναι χωριστά (Jokerst 1981). Έτσι, αποφεύγονται προβλήματα όπως είναι η μικρή διάρκεια ζωής και ο γρήγορος πολυμερισμός της κόλλας Συναρμολόγηση της σύνδεσης-εφαρμογή πίεσης Το επόμενο στάδιο, μετά την επάλειψη της συγκολλητικής ουσίας, είναι η ευθυγράμμιση των μερών που πρόκειται να συγκολληθούν και η ένωση τους με τη χρήση πίεσης. Η εφαρμογή της πίεσης πρέπει να γίνει εντός 24 ωρών από τη διαμόρφωση του προφίλ. Ένα από τα συστήματα πίεσης που υπάρχουν εφαρμόζεται κυρίως όταν ο πολυμερισμός της κόλλας γίνεται με τη μέθοδο των υψηλών συχνοτήτων (ραδιο-συχνότητας). Με αυτό το σύστημα η απαιτούμενη πίεση εφαρμόζεται με την ταχύτητα τροφοδοσίας κατά την εισαγωγή του ξύλου να είναι μεγαλύτερη αρχικά και σταδιακά να μειώνεται καθώς εξέρχεται από το σύστημα της ραδιοσυχνότητας(jokerst 1981). Ένα άλλο σύστημα είναι με τη χρήση εμβόλων. Σε αυτό το σύστημα, υπάρχουν δύο έμβολα, ένα σταθερό και ένα κινητό. Στο σταθερό μέρος τοποθετείται το ένα μέρος του υποστρώματος της ένωσης και το κρατάει ακίνητο, ενώ το κινητό έμβολο, που είναι τοποθετημένο αντίθετα, σπρώχνει προς τα εμπρός το δεύτερο μέρος πιέζοντας τα δύο μέρη. Η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη για ψυχρή συγκόλληση σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος, καθώς οι δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται αρκούν για να κρατιούνται τα δύο μισά μεταξύ τους και επιτρέπουν τον πολυμερισμό της κόλλας (Jokerst 1981). 38

46 Πολυμερισμός της συγκολλητικής ουσίας Το τελευταίο στάδιο παραγωγής μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης και ένα από τα πιο σημαντικά, είναι ο πολυμερισμός της συγκολλητικής ουσίας. Ο χρόνος πολυμερισμού μειώνεται σημαντικά, εάν εφαρμοστεί θερμότητα. Για αυτό το λόγο, στις περισσότερες βιομηχανίες χρησιμοποιούνται υψηλές θερμοκρασίες για να επιταχύνουν την σκλήρυνση της κόλλας. Η απαραίτητη θερμότητα για την επιτάχυνση του πολυμερισμού της κόλλας μπορεί να εφαρμοστεί πριν ή μετά την επάλειψη της κόλλας. Ένα βασικό μειονέκτημα, το οποίο παρατηρείται όταν το ξύλο έχει προθερμανθεί είναι ο περιορισμένος επιτρεπτός χρόνος κατά τον οποίο πρέπει να γίνει η συγκόλληση και η συναρμολόγηση της ένωσης. Επιπλέον, η μέθοδος αυτή περιορίζει τα είδη των συγκολλητικών ουσιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, γιατί το ύψος της θερμοκρασίας είναι περιορισμένο. Ξύλο εκτεθειμένο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες ή σε μεγάλα χρονικά διαστήματα κάτω από θερμότητα, μπορεί να καταστραφεί. Είναι προτιμότερο, η θερμότητα να εφαρμόζεται μετά την επάλειψη της κόλλας (Jokerst 1981). Η πιο συχνή μέθοδος που εφαρμόζεται είναι της ραδιο-συχνότητας. Η σύνδεση του ξύλου, τοποθετείται ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια, που είναι προσαρμοσμένα σε μια γεννήτρια υψηλών συχνοτήτων. Η πολικότητα των ηλεκτροδίων μεταβάλλεται συνεχώς, σε τιμές που κυμαίνονται από MHz. Τα πολικά μόρια προσπαθούν να ευθυγραμμιστούν μέσα στις απότομες αλλαγές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, αλλά περιορίζονται από τις εσωτερικές δυνάμεις τριβής. Η έκταση αυτών των τριβών ελέγχεται από το ποσοστό και την ποσότητα της παραγόμενης θερμότητας. Όσο πιο υψηλή είναι η συχνότητα και το πεδίο, τόσο πιο υψηλό είναι το ποσοστό της θερμότητας που παράγεται. Η μέθοδος της ραδιοσυχνότητας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως για παράδειγμα ο τύπος της συγκολλητικής ουσίας, η περιοχή κόλλας-σύνδεσης και η διάταξη των ηλεκτροδίων σε σχέση με την περιοχή της ένωσης (Jokerst 1981). Βασικό μειονέκτημα, της μεθόδου αυτής είναι το ποσοστό της περιεχόμενης υγρασίας του ξύλου, που δεν πρέπει να ξεπερνάει το 10 %. Κατόπιν η συνδεδεμένη ξυλεία αποθηκεύεται για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα σε κλιματιζόμενες συνθήκες, όπου η συγκολλητική ουσία συνεχίζει να πολυμερίζεται. Τελικά ακολουθεί πλάνισμα, για να αποκτήσει η σανίδα λείες επιφάνειες σε όλες τις πλευρές. 39

47 2.3.8 Τύποι μηχανών για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες μηχανών για δακτυλοειδείς συνδέσεις ανεξάρτητα από τη ροή παραγωγής, τον αυτοματισμό και την παραγωγικότητα τους. Είναι οι μηχανές στην οποία γίνεται επεξεργασία μικρού μήκους ξυλείας και σε εκείνες που μπορούν να επεξεργαστούν μεγάλου μήκους. Η διαμόρφωση του προφίλ των συνδέσεων στις μηχανές μικρού μήκους ξυλείας (Εικόνα 2.4), γίνεται μόνο οριζόντια και μπορούν να φέρουν ένα τραπέζι προώθησης ή να είναι συνεχούς τροφοδοσίας (Μητακίδου και Μικελής 2006). Εικόνα 2.4: Διαμόρφωση προφίλ δακτυλοειδών συνδέσεων σε μηχανή με τραπέζι προώθησης (αριστερά) και με μηχανή συνεχούς τροφοδοσίας (δεξιά) (Μητακίδου και Μικελής, 2006) 1) εγκάρσιος/κάθετος ιμάντας 6) μεταφορέας 2) κατά μήκος/κάθετη στοίβαξη 7) αλυσίδα τροφοδοσίας 3) κατά μήκος ιμάντας με μηχάνημα 8) τροφοδοσία με μηχάνημα παύσης παύσης 4) αριστερός τόρνος 9) πρέσα εμ πρόσθιας όψης 5) δεξιός τόρνος 10) βαγόνι αλλαγής Σχήμα 2.13: Διάγραμμα παραγωγής μιας αυτοματοποιημένης μηχανή ( 40

48 Η διαμόρφωση του προφίλ στις μηχανές που μπορούν να κατεργαστούν ξυλεία μεγάλου μήκους μπορεί να γίνει κάθετα ή οριζόντια. Οι μηχανές αυτές χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δοκών επικολλητού ξύλου κατά πάχος και πλάτος αντίστοιχα. Για την παραγωγή ξύλου με δακτυλοειδείς συνδέσεις χρησιμοποιούνται από απλές μηχανές όπως είναι η σβούρα, η ξεμορσαρίστρα, η πλάνη και η γωνιάστρα μέχρι πλήρως αυτοματοποιημένες μηχανές (Σχήμα 2.13, Εικόνα 2.5). Εικόνα 2.5: Αυτόματη μηχανή παραγωγής δακτυλοειδών συνδέσεων ( Κοπτικά μέσα για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων Τα κοπτικά μέσα που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων είναι κυρίως κεφαλές με κολλημένα μαχαίρια, κεφαλές με εναλλασσόμενα-επανατροχιζόμενα μαχαίρια και κεφαλές με πολλά μικρά δισκάκια. Οι κεφαλές με κολλημένα μαχαίρια (Εικόνα 2.6) είναι κατάλληλες κυρίως για μαλακά ξύλα και χρησιμοποιούνται σε όλες τις μηχανές με ταχύτητα προώθησης έως 24 m/λεπτό. Υπάρχουν συγκεκριμένες προδιαγραφές για τον αριθμό και τον τρόπο με τον οποίο πρέπει να τοποθετηθούν το ένα πάνω στο άλλο και να συνδυαστούν ανάλογα με το πάχος του ξύλου (Μητακίδου και Μικελής 2006). Οι κεφαλές με εναλλασσόμενα μαχαίρια (Εικόνα 2.7) φέρουν μαχαίρια τα οποία συγκρατούνται πάνω στο σώμα του κοπτικού μέσου με ειδικά στοιχεία σφιξίματος. Αυτά τα μαχαίρια μπορούν εύκολα να αφαιρεθούν σε περίπτωση αντικατάστασής ή συντήρησής τους. Είναι κατάλληλα για μαλακά και σκληρά ξύλα και χρησιμοποιούνται σε όλες τις μηχανές με ή χωρίς δίσκο κοπής. Παρόλο το υψηλό τους κόστος, με το σύστημα αυτό γίνεται εξοικονόμηση χρημάτων, αφού υπάρχει δυνατότητα αντικατάστασης ενός μόνου μαχαιριού σε 41

49 Εικόνα 2.6: Κεφαλές διαμόρφωσης δακτυλοειδών συνδέσεων με σταθερά μαχαίρια ( περίπτωση καταστροφής του. Τα μαχαίρια του κοπτικού μέσου αντί να συγκρατούνται με ειδικά στοιχεία σφιξίματος είναι δυνατόν να «κουμπώνουν» σε ειδικές υποδοχές που υπάρχουν στις κεφαλές. Ορισμένα από τα πλεονεκτήματα αυτού του συστήματος είναι: α) η αλλαγή των μαχαιριών είναι πολύ εύκολη, β) ελαχιστοποιεί τον χρόνο αδρανοποίησης της μηχανής και εξαλείφει τις ρυθμίσεις της μηχανής μετά το τρόχισμα των μαχαιριών, γ) ελαχιστοποιεί την απόκλιση των δακτύλων από την παραλληλότητα, δ) εύκολη προσαρμογή των μαχαιριών ανάλογα με το πάχος του ξύλου, ε) εύ κολη προσαρμογή ανάλογα με τις απαιτήσεις του χρήστη (π.χ. σχέδια προφίλ, πάχος ξύλου) ( Μητακίδου και Μικελής 2006). Εικόνα 2.7: Κεφαλές διαμόρφωσης δακτυλοειδών συνδέσεων με εναλλασσόμενα μαχαίρια ( 42

50 Εικόνα 2.8: Μαχαίρι κοπής και γεωμετρικά χαρακτηριστικά του ( Τα χαρακτηριστικά ενός μαχαιριού κοπής φαίνονται στην Εικόνα 2.8. Ένα τρίτο σύστημα κεφαλών είναι αυτές που αποτελούνται από πολλά μικρά δισκάκια (Εικόνα 2.9) και χρησιμοποιούνται κυρίως σε μικρές μηχανές παραγωγής. Το σύστημα αυτό φέρει επιπλέον και δαχτυλίδια και όλα μαζί τοποθετούνται σε έναν άξονα. Το πλάτος κοπής καθορίζει τον αριθμό των δίσκων. Τα εργαλεία αυτά είναι ευέλικτα και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δακτυλοειδών συνδέσεων στην κατασκευή επίπλων, παρκέ ή ξύλινων σκαλών (Μητακίδου και Μικελής 2006). Εικόνα 2.9: Κεφαλή διαμόρφωσης δατυλοειδών συνδέσεων αποτελούμενη από δισκάκια (Μητακίδου και Μικελής, 2006) Η ποιότητα κοπής μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης επηρεάζεται και από το υλικό κατασκευής των μαχαιριών. Χρησιμοποιούνται κυρίως δύο υλικά το βίντι (HW) και το ατσάλι υψηλής ταχύτητας (HSS) ανάλογα με το είδος ξύλου (Πίνακας 2.2). Το ατσάλι υψηλής ταχύτητας 43

51 προτιμάται για χρήση σε μαλακά ξύλα, ενώ το βίντι αποδίδει καλύτερα σε σκληρά και τροπικά ξύλα. Υπάρχει και ένα τρίτο υλικό κοπής που κατασκευάζεται με ατσάλι και έχει μια ειδική επικάλυψη πάνω στο μέταλλο που ξεχωρίζει από το χρυσαφί του χρώμα και έχει μεγαλύτερη απόδοση (Μητακίδου και Μικελής 2006). Πίνακας 2.2: Καταλληλότητα υλικού κοπής σε σχέση με το είδος του ξύλου (Μητακίδου και Μικελής, 2006) Είδη ξύλου Ατσάλι υψηλής Ατσάλι με Βίντι ταχύτητας ειδική επικάλυψη Κωνοφόρο μαλακό ξύλο Κωνοφόρο σκληρό ξύλο Μαλακό ξύλο Σκληρό ξύλο Τροπικό σκληρό ξύλο Σύνθετο ξύλο κατάλληλο, μερικώς κατάλληλο Η ποιότητα της συγκόλλησης εξαρτάται από την σωστή χρήση και συντήρηση των κοπτικών μέσων που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των δακτυλοειδών συνδέσεων. Η επιφάνεια του ξύλου γίνεται όλο και πιο τραχιά και ακανόνιστη, όσο αυξάνεται το διάστημα που χρησιμοποιούνται τα κοπτικά εργαλεία. Υπερβολικά τραχιές επιφάνειες, κατεστραμμένα κύτταρα και ίνες έχουν ως αποτέλεσμα ασθενείς συγκολλητικούς δεσμούς. Οι Reeb et al (1998) με τη βοήθεια ηλεκτρονικού μικροσκοπίου παρατήρησαν ότι το μέγιστο πλάτος των συνθλιμμένων κυττάρων ήταν περίπου 100 μm μετά από 4 ώρες, ενώ στις 32 ώρες το πλάτος των κυττάρων που είχαν συνθλιφθεί ήταν άνω των 200 μm, σε οριζόντιου προσανατολισμού δακτυλοειδείς συνδέσεις τύπου αρσενικού-θηλυκού. Πίεση που ασκείται από μη κοφτερά ή λανθασμένα τροχισμένα μαχαίρια ή από τραχύ πλάνισμα μπορούν να προκαλέσουν μόνιμη και ανεπανόρθωτη ζημιά και εμποδίζουν την διαβροχή και την διείσδυση της συγκολλητικής ουσίας (River et al 1991, Vick 1999). Μια λεία κομμένη επιφάνεια με τη βοήθεια των κοπτικών μέσων είναι πολύ καλύτερη για συγκόλληση από μια λειασμένη με γυαλόχαρτο επιφάνεια. Ειδικότερα η λείανση με γυαλόχαρτο δεν συνιστάται σε δομικές συνδέσεις, όπου πρόκειται να υποστούν μεγάλα 44

52 ποσοστά ρίκνωσης και διόγκωσης εξαιτίας των περιβαλλοντικών αλλαγών σε σχετική υγρασία και θερμοκρασία (Vick 1999). Μια άλλη σημαντική μεταβλητή κατά τη μηχανική παραγωγή των δακτυλοειδών συνδέσεων είναι η ταχύτητα κοπής και λιγότερο το φορτίο του πριονιδιού (chip load). Με τον όρο αυτό εννοείται η ποσότητα του υλικού που αφαιρείται από κάθε δόντι κοπής ή κορυφή σε κάθε περιστροφή του άξονα. Μικρό φορτίο θα παράγει μεγάλη θερμότητα και είτε θα στιλβώσει την επιφάνεια του ξύλου, είτε θα κάψει τα κοπτικά μέσα. Καθώς το φορτίο αυξάνεται, η πίεση της κοπής και η θερμότητα θα αυξάνεται με αποτέλεσμα να αυξάνεται το ποσοστό φθοράς της επιφάνειας του κοπτικού μέσου, μειώνοντας τον παραγωγικό χρόνο ανάμεσα στα τροχίσματα και στη συντήρηση τους (Bustos et al 2004). Οι ίδιοι, μελέτησαν διάφορες ταχύτητες κοπής σε συνδυασμό με διαφορετικά φορτία πριονιδιού ως προς την αντοχή της σύνδεσης σε εφελκυσμό ξυλείας picea mariana και με συγκολλητική ουσία EPI με ρητίνη πολυμερές πολυουρεθάνης. Σχήμα2.14: Μικροσκοπική ανάλυση (SEM) δοκιμίων δακτυλοειδούς σύνδεσης picea mariana, όπου φαίνεται η καταστροφή της επιφάνειας, με ταχύτητα κοπής 2932 m/min και φορτίο πριονιδιού 1,14 mm (αριστερά) και 0,64 mm (δεξιά). (Bustos et al 2004) Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι κατάλληλη δακτυλοειδής σύνδεση μπορεί να επιτευχθεί σε εύρος από 1676 m/min έως 2932 m/min για τις ταχύτητες κοπής και από 0,64 mm έως 1,14 mm για το φορτίο. Ωστόσο, ο βέλτιστος συνδυασμός είναι 2932 m/mim και 0,64 mm για ταχύτητα κοπής και φορτίο πριονιδιού αντίστοιχα. Επιπλέον, όσο αυξανόταν η ταχύτητα κοπής, τόσο πιο σοβαρή ήταν και η ζημιά στην επιφάνεια του ξύλου και των δακτύλων, άρα και της αντοχής των συγκολλητικών δεσμών. Τα αποτελέσματα αυτά, τα επιβεβαίωσαν και με 45

53 μικροσκοπική ανάλυση (scanning microscope image), όπως φαίνεται και στο παρακάτω (Σχήμα 2.14) Αποδοτικότητα της σύνδεσης και αποτυχία του ξύλου Ακόμα και στις πιο ευνοϊκές και προσεκτικές συνθήκες η αντοχή μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης θα είναι πάντα χαμηλότερη από αυτήν του ξύλου χωρίς σύνδεση. Μία μέθοδος αξιολόγη σης μιας κατά μήκους σύνδεσης είναι μετρώντας την αποδοτικότητα της σύνδεσης (finger joint efficiency). Αναλυτικότερα, η αντοχή των δακτυλοειδών συνδέσεων συγκρίνεται με την αντοχή ξύλ ου χωρίς σύνδεση, κάτω από τις ίδιες συνθήκες. Ορισμένοι επιστήμονες έχουν αναπτύξει διάφορα συστήματα όπου μπορούν να προβλέψουν την αντοχή μιας σύνδεσης σύμ φωνα με τα δεδομένα που υπάρχουν για την αποδοτικότητα της. Επιπλέον, από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μιας δακτυλοειδούς σύνδεσης είναι δυνατόν να υπολογιστεί η απο δοτικότητα της σε σχέση με το καθαρό ξύλο. Η αποδοτικότητα μιας σύνδεσης εξαρτάται από το είδος του ξύλου, την ποιότητα του ξύλου, τις φορτίσεις (κάμψη, θλίψη, εφελκυσμός) και ορισμένες φορές από το ν προσανατολισμό των δακτύλων. Σε αυτή τη μέθοδο, ανεξάρτητα από το ύψος της τελικής πίεσης, είναι σημαντικό τα μέρη του ξύλου να είναι σφιχτά κρατημένα και ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους, κατά την σκλήρυνση της κόλλας (Jokerst 1981). Η αποδοτικότητα ξυλείας δακτυλοειδών συνδέσεων για την παραγωγή υψηλής ποιότητας επικολλητό ξύλο κυμαίνεται γύρω στο 75 % (Ayarkwa et al 2000). Ως αποτυχία του ξύλου (wood failure) κατά τη συγκόλληση εννοούμε την θραύση των ινών του ξύλου κατά την διάρκεια διαφόρων ελέγχων αντοχής της συγκόλλησης του ξύλου. Εκφράζεται ως ποσοστό % της συνολικής συγκολλημένης περιοχής μιας σύνδεσης. Καθώς η πυκνότητα αυξάνεται, είναι πιο δύσκολο να συμβούν υψηλής αντοχής συνδέσεις με μεγάλα ποσοστά αποτυχίας στο ξύλο Ποιοτικός έλεγχος Κάθε επιχείρηση παραγωγής δακτυλοειδών συνδέσεων οφείλει να ελέγχει και να πιστοποιεί τα προϊόντα της ακολουθώντας κάποιες βασικές αρχές που ορίζονται σύμφωνα με τα πρότυπα. Σκοπός του ποιοτικού ελέγχου είναι η διαβεβαίωση του κατασκευαστή ως προς τον κάθε ενδιαφερόμενο φορέα ή καταναλωτή ότι κάθε ξύλο δακτυλοειδούς σύνδεσης είναι κατάλληλο για χρήση ανάλογα με την ποιοτική του ταξινόμηση. Για τον ποιοτικό έλεγχο των δοκιμίων σε δακτυλοειδείς συνδέσεις διακρίνονται σε γενικές γραμμές δύο ειδών μέθοδοι, όπως ακριβώς και στο ξύλο χωρίς σύνδεση: α) καταστρεπτικές 46

54 και β) μη καταστρεπτικές μέθοδοι. Στις μέρες μας υπάρχουν πολλά πρότυπα (διεθνή, αμερικάνικα, ευρωπαϊκά) που να πιστοποιούν την αντοχή σε μηχανικές ιδιότητες (π.χ. σε στατική κάμψη και εφελκυσμό) ή την αντοχή του συγκολλητικού δεσμού (π.χ. κυκλικός διαχωρισμός). Τα δοκίμια που ελέγχονται με βάση τα πρότυπα αυτά τις περισσότερες φορές καταστρέφονται και δεν είναι δυνατόν να επαναχρησιμοποιηθούν. Οι μη καταστρεπτικές μέθοδοι εκτίμησης της αντοχής των δακτυλοειδών συνδέσεων δε διαφέρουν από αυτές που χρησιμοποιούνται στο ξύλο. Μια από τις πιο γνωστές μη καταστρεπτικές μεθόδους είναι η δοκιμή φόρτισης (proof loading) σε στατική κάμψη ή εφελκυσμό. Το ύψος της ελάχιστα αποδεκτής φόρτισης προέρχεται από μια καμπύλη και αντιπροσωπεύει την μείωση της αντοχής του ξύλου κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος από μερικά λεπτά έως δέκα χρόνια (Sticler 1980). Ο μικρός χρόνος εφαρμογής αυτού του τεστ, η ενδεχόμενη καταστροφή και μείωση της αντοχής των δακτυλοειδών συνδέσεων καθώς και η αξιοπιστία αυτής της μεθόδου βρίσκονται ακόμη υπό εξέταση (Hu, 2008). Μία ακόμη μέθοδος είναι αυτή των ηχητικών εκπομπών. Οι Ayarkwa et al (2001) μετά από παρατηρήσεις των ηχητικών εκπομπών σε τρία τροπικά αφρικανικά πλατύφυλλα, συμπέραναν ότι η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για τον προσδιορισμό του μέτρου θραύσης Πίεση Η πίεση κατά την συναρμολόγηση της σύνδεσης εφαρμόζεται για να επιτευχθεί καλύτερη ροή και διείσδυση της κόλλας στις επιφάνειες του ξύλου (Vick 1991). Η πίεση πρέπει να είναι ομοιόμορφη σε όλη την επιφάνεια του συγκολλητικού υλικού και αρκετή έτσι ώστε τα υποστρώματα να έρθουν σε στενή επαφή μεταξύ τους και να δημιουργηθεί μια λεπτή, συνεχής με ομοιόμορφο πάχος στρώση, χωρίς να βλάπτονται οι μηχανικές κυρίως αντοχές του ξύλου (Τσουμής 1999). Σημαντικός, είναι επίσης και ο χρόνος της πίεσης. Το χρονικό διάστημα κυμαίνεται από λίγα δευτερόλεπτα έως αρκετές ώρες (ανάλογα με την συγκολλητική ουσία και το είδος του ξύλου, εάν πρόκειται για θερμή ή ψυχρή συγκόλληση, το πάχος του συγκολλητικού υλικού και την τελική χρήση του συγκολλημένου προϊόντος). Σύμφωνα με την βιβλιογραφία, έχουν γίνει αρκετές έρευνες για το ύψος της τελικής πίεσης, το διάστημα εφαρμογής της, ακόμη και για την αναγκαιότητα της, με αποτέλεσμα να επικρατεί σύγχυση. Αυτό, συμβαίνει γιατί υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ποσότητα της πίεσης που ασκείται (Jokerst 1981). Τέτοιοι παράγοντες είναι κυρίως τα χαρακτηριστικά των δοντιών, το είδος και το ιξώδες της συγκολλητικής ουσίας, το είδος του ξύλου και το 47

55 σύστημα πίεσης και η ποιότητα συναρμολόγησης της σύνδεσης. Ο Jokerst (1981) αναφέρει πως ο Pavlov (1954) έδειξε ότι εξαιτίας των τριβών που δημιουργούνται πλευρικά κατά τη συμπίεση, τα δάκτυλα αναχαιτίζονται από την κατά μήκος κίνηση. Σύμφωνα με τον Pavlov το ύψος της τελικής πίεσης πρέπει να κυμαίνεται από 3-6 kg/cm 2. Ακόμη υπάρχουν προδιαγραφές που να προσδιορίζουν το ύψος της πίεσης ανάλογα με το μήκος των δακτύλων. Υπερβολική άσκηση πίεσης κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στην συγκολλημένη επιφάνεια, να προκαλέσει υπερ-διείσδυση και «πεινασμένους» δεσμούς και να μειώσει την αντοχή και την διάρκεια της ένωσης (River et al 1991). Οι πιο δυνατές ενώσεις όταν οι δυνάμεις συνάφειας της κόλλας επιτρέπουν την χρήση μετριοπαθών υψηλών πιέσεων που να είναι συμβατές με τις προτεινόμενες πιέσεις ανάλογα με την πυκνότητα του ξύλου. Χαμηλές πιέσεις γύρω στα 700 kpa είναι κατάλληλες για μικρής πυκνότητας ξύλα επειδή οι επιφάνειες τους εύκολα προσαρμόζονται μεταξύ τους. Μεγάλης πυκνότητας ξύλα, επειδή είναι δύσκολο να συμπιεστούν απαιτούνται πιέσεις μέχρι 1700 kpa (Vick 1999). Οι Bustos et al (2003b) μελέτησαν την αντοχή σε εφελκυσμό, φτερωτής δακτυλοειδής σύνδεσης και με συγκολλητική ουσία EPI, κάτω από έξι διαφορετικές πιέσεις που κυμαίνονταν από 1,38 MPa (200 psi) έως 4,82 MPa (700 psi). Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων, ως βέλτιστη ύψος πίεσης θεωρείται η 3,43 MPa (498 psi). Οι Zhu et al (1991) έδειξαν ότι τελική πίεση από 2-5 MPa μπορεί να εφαρμοστεί για να δώσει ικανοποιητική αντοχή στις δακτυλοειδείς συνδέσεις. 48

56 3 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Το είδος του ξύλου (φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά), ο τύπος της σύνδεσης, οι μηχανικές παράμετροι, ο προσανατολισμός των δακτύλων, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του προφίλ της σύνδεσης, ο τύπος της συγκολλητικής ουσίας, η τιμή της πίεσης και ο χρόνος πολυμερισμού αποτελούν τους πιο σημαντικούς παράγοντες για την παραγωγή ξυλείας δακτυλοειδών συνδέσεων πολύ καλής αντοχής. Από τους παραπάνω παράγοντες, η συγκολλητική ουσία, ο χρόνος πολυμερισμού και η τελική πίεση έχουν την σημαντικότερη επίδραση στην αντοχή των συνδέσεων (Bustos et al 2003a). Ακόμη και μετά από θερμή ή ψυχρή συγκόλληση οι συγκολλητικοί δεσμοί, οπότε και τα συγκολλημένα μέρη του ξύλου πρέπει να παραμείνουν αδιατάρακτοι μέχρις ότου το μεγαλύτερο μέρος της σκλήρυνσης της κόλλας να έχει ολοκληρωθεί (Vick 1999). Η σχέση ανάμεσα στην αντοχή και το χρόνο πολυμερισμού είναι σημαντική γιατί δείχνει, πόσο διάστημα απαιτείται ώστε η δακτυλοειδής σύνδεση να αναπτύξει την κατάλληλη αντοχή (έπειτα από την συγκόλληση και την συναρμολόγηση), ώστε να είναι ικανή προς χειρισμό για παραπέρα κατεργασία, χωρίς να καταστραφεί (Bustos et al 2003b). Μέχρι τώρα, λίγες πληροφορίες υπάρχουν σχετικά με το χρόνου πολυμερισμού των συγκολλητικών ουσιών και πότε οι συγκολλητικές κατασκευές είναι έτοιμες, για τον παραπέρα χειρισμό τους. Αντικείμενο, της παρούσης εργασίας ήταν να ερευνήσει την επίδραση του χρόνου πολυμερισμού στην αντοχή σε στατική κάμψη (μέτρο θραύσης και μέτρο ελαστικότητας) δακτυλοειδών συνδέσεων πριστής ξυλείας σε συνδυασμό με: - το είδος του ξύλου, - τον τύπο της συγκολλητικής ουσίας - και το μήκος των δακτύλων διατηρώντας σταθερή την πίεση, τον τύπο και τον προσανατολισμό των δακτύλων. 49

57 4 ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 4.1 Ξυλεία Για τη διεξαγωγή της μελέτης χρησιμοποιήθηκε πριστή ξυλεία ελάτης (Abies borisii regis) προέλευσης περιοχής Περτουλίου και μαύρης πεύκης (Pinus nigra), προέλευσης περιοχής Γρεβενών. Το ξύλο της ελάτης θεωρείται ελαφρό (ειδικό βάρος 0,31-0,61 gr/ cm ), μαλακό έως μέτριο σε σκληρότητα έχει ανοιχτό καστανοκίτρινο χρώμα και δεν περιέχει αξονικούς ρητινοφόρους αγωγούς. Η ξηρή πυκνότητα της είναι γύρω στα 0,41 gr/cm 3. Το μέτρο θραύσης σε στατική κάμψη είναι γύρω στα 87 N/mm 2 και το μέτρο ελαστικότητας N/mm 2 (Τσουμής 1994). Η ξυλεία της ελάτης χρησιμοποιείται στην κατασκευή προκατασκευασμένων ξύλινων σπιτιών, σε στέγες-μπαλκόνια-ταβάνια, πατωμάτων, ξύλινων μέσων συσκευασίας (παλέτες, κιβώτια κλπ), επίπλων, μοριοπλακών, ινοπλακών, μουσικών οργάνων και ξυλείας θερμοκηπίων (Μαντάνης 2008, Τσουμής, 1994). Η μαύρη πεύκη έχει ευδιάκριτους ρητινοφόρους αγωγούς, με έντονη την οσμή της ρητίνης, ανοιχτό καστανοκίτρινο χρώμα,η σκληρότητα της είναι μέτρια, όπως επίσης και το ξύλο της (ειδικό βάρος 0,38-0,66 gr/cm 3 ). Η ξηρή πυκνότητα 3 κυμαίνεται γύρω στα 0,52 gr/cm. Το μέτρο θραύσης σε στατική κάμψη είναι γύρω στα 102,8 N/mm και το μέτρο ελαστικότητας N/mm 2 (Τσουμής 1994). Ξυλεία μαύρης πεύκης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την κατασκευή προκατασκευασμένων ξύλινων σπιτιών, σε στέγες, μπαλκόνια, ταβάνια, σε πεζογέφυρες, σε στύλους ΔΕΗ-ΟΤΕ και στρωτήρες σιδηροδρόμων, σε παλέτες και κιβώτια, έπιπλα, βαρέλια, μοριοπλάκες, ινοπλάκες, αντικολλητά και σε ξυλεία θερμοκηπίων (Μαντάνης 2008, Τσουμής 1994) Συγκολλητικές ουσίες Για τη συγκόλληση των διαμορφωθέντων δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι συγκολλητικών ουσιών, που είναι κατάλληλες για συγκόλληση ξυλείας δακτυλοειδών συνδέσεων που προορίζονται για δομικές κατασκευές εξωτερικής χρήσης (Vick 1999). Τα γενικά χαρακτηριστικά τους φαίνονται στον {Πίνακα 4.1). Οι συγκολλητικές ουσίες EPI (emulsion polymer isocyanate) είναι δύο συστατικών. Βασίζονται στην αντίδραση ενός μίγματος υδατοδιαλυτών γαλακτωμάτων όπως είναι οι EVA (αιθυλο-βυνιλεστέρας), PVAc (οξικός πολυβυνιλεστέρας) με ισοκυανάτες ως σκληρυντές, 50

58 σχηματίζοντας ισχυρούς δεσμούς που αντέχουν στην υγρασία. Αν και ανήκουν στην κατηγορία των θερμοπλαστικών συγκολλητικών ουσιών, οι ιδιότητες τους είναι παρόμοιες με αυτών των θερμοσκληρυνόμενων. Κόλλες αυτής της κατηγορίας εφαρμόζονται για την στρωμάτωση των αντικολλητών, δοκών εξωτερικής ή εσωτερικής χρήσης και για την κατασκευή πορτών (Vick 1999). Οι κόλλες αυτές είναι κατάλληλες για ψυχρή συγκόλληση, πολυμερίζονται γρήγορα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συγκόλληση υγρού ξύλου και σκληρών πλατυφύλλων. Η κόλλα που εφαρμόστηκε είναι κατάλληλη για ψυχρή συγκόλληση, σκληρής ξυλείας πλατυφύλλων, ξύλου με υψηλά ποσοστά ρητίνης (πεύκη), τροπικής ξυλείας και ξύλου με ποσοστά περιεχόμενης υγρασίας μέχρι 15%. Έχει πολύ καλές ιδιότητες (μηχανική αντοχή, αντίσταση στο νερό και στη θερμοκρασία, γεμίζει τα κενά και σχετικά καλή αντοχή στα διαλυτικά μέσα). Χρησιμοποιήθηκε σε αναλογία 10:1,5 (κόλλα:σκληρυντής) και πληρεί τις προϋποθέσεις για την κλάση D4 του πρότυπου ΕΝ 204:2004 (εκτεθειμένο σε καιρικές συνθήκες με επαρκής προστασία των επιφανειών του ξύλου). Ο σκληρυντής, κατ ουσία είναι τροποποιημένη ισοκυανάτη, χρώματος καφεκίτρινου, με πυκνότητα γύρω στα 1,25 gr/cm 3 και ιξώδες περίπου 300 mpas. Πίνακας 4.1: Χαρακτηριστικά των συγκολλητικών ουσιών που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή του πειράματος. Χαρακτηριστικά EPI MUF Ρητίνη Συμπολυμερή Μελαμίνη-ουρίαφορμαλδεΰδη διασποράς PVAc Ιξώδες (mpas) περίπου Στερεά % περίπου Πυκνότητα (gr/cm 3 ) περίπου 1,5 1,22-1,24 Ph περίπου 7 9,5-10 Εμφάνιση φίλμ της κόλλας διαφανής Ανοιχτόχρωμες Διάρκεια ζωής ( C) < 2 ώρες περίπου ½-1 ώρα Ελάχιστος χρόνος πίεσης ( περίπου 25 2 ½ -4 ½ ώρες C / min) Το άλλο είδος συνθετικής κόλλας που χρησιμοποιήθηκε ήταν μελαμίνης-ουρίας- φορμαλδεΰδης (MUF) και ανήκουν στις θερμοσκληρυνόμενες. Είναι κυρίως κατάλληλη για συγκόλληση σε θερμές πρέσες (120 0 C) ή κυρίως με τη μέθοδο των υψηλών συχνοτήτων, αλλά 51

59 μπορεί να εφαρμοστεί και για συγκόλληση σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Εφαρμόζεται κυρίως για τη συγκόλληση ξυλείας με κατά μήκος συνδέσεις και κατά την παραγωγή αντικολλητών πλατυφύλλων ειδών (Vick 1999). Η ποσότητα που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διεξαγωγή του πειράματος είχε αναλογία 10:3 και περιέχει χαμηλά ποσοστά σε φορμαλδεΰδη. Το ιξώδες του σκληρυντή είναι περίπου 3000 mpas, πυκνότητα 1,1 gr/cm 3, ph ίσο με 2 και χρώμα άσπρο. Έχει πάρα πολύ καλές ιδιότητες, το χρώμα της είναι ανοιχτόχρωμο και εφαρμόζεται για συγκολλήσεις σύνθετης επικολλητής ξυλείας και σε δακτυλοειδείς συνδέσεις. Μελέτες με τη συγκεκριμένη κόλλα έχουν δείξει ότι πληρεί τις προϋποθέσεις σύμφωνα με το πρότυπο ΕΝ 301:1992 για συγκολλητικές ουσίες κατάλληλες για φέρουσες δομικές κατασκευές. 4.3 Κατασκευή δακτυλοειδών συνδέσεων Για κάθε είδος λήφθηκαν δεκαέξι τυχαία πριστά διαστάσεων 50x150x600mm από το πριστήριο της Καλαμπάκας, οκτώ πριστά ελάτης και οκτώ μαύρης πεύκης κανονικής δομής. Η ξυλεία μεταφέρθηκε στις εγκαταστάσεις του εργαστηρίου, όπου τεμαχίστηκε και πλανίστηκε Εικόνα 4.1: Διαμόρφωση προφίλ φτερωτής δακτυλοειδούς σύνδεσης σε πριστά διατομής 50x150x400. Κατά την παραγωγή των πριστών ελήφθη μέριμνα, ώστε τα άκρα αυτών να είναι απαλλαγμένα από ρόζους ή άλλα ελαττώματα, σύμφωνα με τις 52

60 απαιτήσεις του προτύπου EN 385:2001. Κατόπιν το υλικό κλιματίστηκε σε κλιματιζόμενο χώρο για μεγάλο χρονικό διάστημα για εξομοίωση της περιεχόμενης υγρασίας του (θερμοκρασία 20 0 C, σχετική υγρασία 65%, συνθήκες που αντιστοιχούν σε περιεχόμενη υγρασία ξύλου 10-12%). Μετά την ολοκλήρωση του κλιματισμού τα πριστά διαχωρίστηκαν σε ομάδες βάση το είδους του ξύλου, το χρόνο πολυμερισμού, τη συγκολλητική ουσία και τη γεωμετρία των δοντιών και πιο συγκεκριμένα του μήκους των δακτύλων που θα αποκτούσαν. Στη συνέχεια ακολούθησε η διαμόρφωση των εγκάρσιων άκρων των πριστών με προφίλ φτερωτής δακτυλοειδούς σύνδεσης (Εικόνα 4.1) και ο τεμαχισμός τους στο μέσον του μήκους τους ώστε να σχηματισθούν τα δύο μέλη της δακτυλοειδούς σύνδεσης. Για τη διαμόρφωση χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι μαχαιριών με μήκος δακτύλων 12,5 και 20 mm, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των οποίων παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.2 που ακολουθεί. Πίνακας 4.2: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δακτύλων της εργασίας Χαρακτηριστικά δακτύλων Τιμές Μήκος Length (l) (mm) 12,5 20 Βήμα- Pitch (p) (mm) 6,9 6,2 Πάχος κορυφής Tip (t) mm 0,16 0,16 Γωνία- Angle (a 0 ) 12 9 Στο επόμενο στάδιο έγινε η ανάμειξη των συστατικών των συγκολλητικών ουσιών σύμφωνα με τα τεχνικά εγχειρίδια και τις προδιαγραφές των κατασκευαστών τους και αμέσως πριν τη χρήση. Η διαμόρφωση των προφίλ των άκρων των πριστών και η συγκόλληση τους, προγραμματίστηκε εντός εικοσιτετραώρου. Η εφαρμογή της συγκολλητικής ουσίας έγινε με τη χρήση ενός πινέλου και επάλειψη της, στο ένα μόνο μέλος της δακτυλοειδούς σύνδεσης σε ποσότητα που καθορίζεται από το πρότυπο EN 385:2001. Ακολούθως εφαρμόστηκε σταθερή πί εση 2 MPa για διάστημα πέντε λεπτών. Για την εφαρμογή της πίεσης χρησιμοποιήθηκε έμ βολο αέρος της εταιρείας Airblock (Εικόνα 4.2) Οι κλιματολογικές συνθήκες κατά τη δι άρκεια διεξαγωγής του πειράματος προβλέφθηκε να κυμαίνονται στους 20±2 0 C και η σχετική υγρασία στο 65±5 %. Μετά την ολοκλήρωση της συγκόλλησης ακολούθησε κλιματισμός των πριστών σε σταθερές συνθήκες για το χρονικό διάστημα που απαιτούνταν μέ χρι τον έλεγχο της αντοχής των δακτυλοειδών συνδέσεων σε στατική κάμψη σύμφωνα με το πρότυπο ISO 10983:1999. Τα τελικά δοκίμια διαστάσεων 20x20x360mm διαμορφώθηκαν με 53

61 Εικόνα 4.2: Μηχανή πίεσης με έμβολο αέρος τη βοήθεια δισκοπρίονα κατά μήκους τομής, κάθε φορά μισή ώρα πριν από τον προς εξέταση χρόνο πολυμερισμού. Για κάθε δοκίμιο που εξετάστηκε η κατεύθυνση φόρτισης ήταν τυχαία (δεν έγινε διαχωρισμός των δοκιμίων για ακτινική και εφαπτομενική) και κάθετη και ο προσανατολισμός των δακτυλοειδών συνδέσεων οριζόντιος (Σχήμα 4.1) Σχήμα 4.1: Οριζόντιος προσανατολισμός των δακτύλων και κατεύθυνση φόρτισης (Βασιλείου κ.α, 2005 ) 4.4 Ποιοτικός έλεγχος των δοκιμίων Για τον έλεγχο της αντοχής των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκε η μηχανή αντοχής υλικών του εργαστηρίου τύπου SHIMADZU UH-300Kna, με ταχύτητα καθόδου του εμβόλου 6mm/λεπτό (Εικόνα 4.3). Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 292 δοκίμια ελάτης και μαύρης πεύκης. Επιπλέον προσδιορίσθηκε και η αντοχή σε στατική κάμψη (μέτρο θραύσης και μέτρο ελαστικότητας) και σε 15 δοκίμια από το κάθε είδος συμπαγούς ξύλου χωρίς δακτυλοειδή σύνδεση. 54

62 Για τη στατιστική ανάλυση των δεδομένων εφαρμόστηκε το πρόγραμμα στατιστικής SPSS 11. Το επίπεδο σημαντικότητας καθορίστηκε στο 5%. Για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων, ανάλογα με τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκε ο έλεγχος t για τη σύγκριση δύο ομάδων μη συσχετισμένων τιμών και η ανάλυση διακύμανσης ANOVA. Η υπόθεση της κανονικότητας επαληθεύτηκε σύμφωνα με το τεστ των Shapiro-Wilk και η ομοιογένεια των διακυμάνσεων με τον έλεγχο Levene και η διαδικασία των πολλαπλών συγκρίσεων σύμφωνα με τους Tukey και Dunkan. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε παλινδρόμηση μεταξύ του χρόνου πολυμερισμού και του μέτρου θραύσης των δακτυλοειδών συνδέσεων ξυλείας ελάτης και μαύρης πεύκης. Εικόνα 4.3: Μέτρηση της δύναμης σε στατική κάμψη στην μηχανή αντοχής Μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών από τα άκρα των δοκιμίων διαμορφώθηκαν δείγματα για τον προσδιορισμό της ξηρής πυκνότητας και της περιεχόμενης υγρασίας. Η μέση πυκνότητα διαπιστώθηκε ότι ήταν για την ελάτη 0,37 gr/cm 3 (τυπική απόκλιση 0,02) και η μέση ισοδύναμη υγρασία 11,4 % (τυπική απόκλιση 0,17). Η μέση πυκνότητα των δοκιμίων της μαύρης πεύκης ήταν 0,52 gr/cm 3 (τυπική απόκλιση 0,02) και η μέση ισοδύναμη υγρασία 10,67 % (τυπική απόκλιση 0,7). 55