MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ LESNICKÁ A DŘEVAŘSKÁ FAKULTA Ústav nábytku
Pevnost lepeného spoje vodáckých pádel Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Daniela Tesařová, PhD.
Martin Jonáš
Brno 2014
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem tuto práci na téma Pevnost lepeného spoje vodáckých pádel vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 Autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne: 12. 5. 2014 ...................................................... podpis
Poděkování Rád bych poděkoval paní doc. Ing. Daniele Tesařové, PhD. za užitečné rady a ochotné vedení během zpracování této bakalářské práce. Také bych rád poděkoval panu Ing. Josefu Hlavatému za pomoc při měření i těm, kteří svými připomínkami a podporou přispěli ke vzniku této bakalářské práce.
ABSTRAKT Jméno: Martin Jonáš Název bakalářské práce:Pevnost lepeného spoje vodáckých pádel
Tato práce se zabývá pevností lepeného spoje u pádel vyráběných z masivního dřeva. Vzorky byly vyrobeny z masivních dřevěných přířezů z dřevin smrk,olše a jasan. K lepení vzorků byly použity tři typy lepidel a to polyvinylacetátové, melamin-močovino formaldehydové a epoxidová pryskyřice. U těchto vzorků byl sledován vliv použitých druhů dřevin a jednotlivých druhů lepidel na pevnost lepené spáry v ohybu. Dále je zde popsána výroba přířezů, lepených spojů a metodika jejich zkoušení. V literárním přehledu jsou rozebrány různé problematiky, jako jsou podmínky ovlivňující lepený spoj, tvorba lepidlového filmu, komponenty lepidel apod., které jsou spojeny s tímto tématem. Klíčová slova: pevnost lepeného spoje, pádlo, smrk, olše, jasan, lepidlo, lepená spára, kvalita lepení, modul pružnosti, mez pevnosti
ABSTRACT Name: Martin Jonáš Name of bachelor thesis: Adhesive bond strength of wooden paddles
This work deals with the strength of the bond with paddles made of solid wood. The samples were made of solid wood blanks from spruce, alder and ash. There were used three types of adhesives in samples - polyvinyl acetate, melamine-urea-formaldehyde and epoxy resins. For these samples, the effect of the species and different types of adhesive bonded joints for strength in bending was studied. Also described herein is cutting samples, bonding joints and their testing methodology. In the literature review are discussed various issues such as conditions affecting the adhesive bond, the adhesive film formation, components, adhesives, etc., that are associated with this topic. Key words: strength of adhesive joint, paddle, spruce, alder, ash, glue, bond line, bonding quality, modulus of elasticity, bending strength.
4
Obsah 1.
Úvod ...................................................................................................................................... 7
2.
Cíl práce ................................................................................................................................ 8
3.
Literární přehled .................................................................................................................... 9 3.1
Dělení pádel .................................................................................................................. 9
3.1.1
Primární dělení (dle typu lodi) .............................................................................. 9
3.1.2
Dělení podle použitých materiálů ......................................................................... 9 Pádlo a jeho části......................................................................................................... 10
3.2
4.
5.
3.2.1
Dřík ..................................................................................................................... 10
3.2.2
List ...................................................................................................................... 10
3.2.3
Ručka .................................................................................................................. 11
3.2.4
Základní parametry ............................................................................................. 12
3.3
Lepení.......................................................................................................................... 12
3.4
Podmínky ovlivňující lepený spoj ............................................................................... 13
3.4.1
Vlastnosti lepeného materiálu ............................................................................. 13
3.4.2
Stav a množství naneseného lepidla .................................................................... 14
3.4.3
Adheze povrchu .................................................................................................. 14
3.4.4
Smáčivost povrchu a povrchové napětí............................................................... 14
3.4.5
Reologie .............................................................................................................. 18
3.5
Tvorba lepidlového filmu ............................................................................................ 18
3.6
Komponenty lepidel .................................................................................................... 19
3.7
Lepidla ........................................................................................................................ 20
3.7.1
Polyvinylacetátová lepidla - PVAc ..................................................................... 20
3.7.2
Epoxidové pryskyřice.......................................................................................... 21
3.7.3
Melamin - močovinoformaldehydová lepidla – MUF ........................................ 23
Použitá dřeva ....................................................................................................................... 24 4.1.1
Smrk .................................................................................................................... 24
4.1.2
Olše ..................................................................................................................... 24
4.1.3
Jasan .................................................................................................................... 25
Metodika a materiál............................................................................................................. 26 5.1
Výroba pádla ............................................................................................................... 26
5.2
Použité materiály a zařízení ........................................................................................ 27
5
5.2.1
Použité druhy dřev .............................................................................................. 27
5.2.2
Použitá lepidla: .................................................................................................... 27
5.2.3
Použitá strojní zařízení, nástroje a pomůcky ....................................................... 28
-
Trhačka: Instrom 3380 ................................................................................................ 28
-
Vyhodnocovací program: Bluehill 2 ........................................................................... 28
5.3
Výroba vzorků............................................................................................................. 29
5.4
Zkoušení vzorků .......................................................................................................... 29
6.
Výsledky laboratorního měření ........................................................................................... 31 6.1
Výsledky pevnosti v ohybu a maximálního zatížení ................................................... 31
6.1.1 Stanovení pevnosti v ohybu listu pádla slepeného melaminmočovinoformaldehydovým lepidlem ................................................................................ 32 6.1.2
Stanovení pevnosti v ohybu listu pádla slepeného polyvinylacetátovým lepidlem 33
6.1.3
Stanovení pevnosti v ohybu listu pádla slepeného epoxidovou pryskyřicí ......... 34
6.2
Porovnání vlastností lepidel ........................................................................................ 35
6.2.1
Maximální zatížení .............................................................................................. 36
6.2.2
Pevnost v ohybu – MOR ..................................................................................... 37
7.
Diskuze................................................................................................................................ 38
8.
Závěr ................................................................................................................................... 39
9.
Summary ............................................................................................................................. 40
10.
Zdroje .............................................................................................................................. 41
11.
Seznam tabulek ............................................................................................................... 43
12.
Seznam obrázků .............................................................................................................. 44
13.
Seznam příloh ................................................................................................................. 45
14.
Přílohy ............................................................................................................................. 46
6
1. Úvod Výběru vhodného pádla u nás vodáci věnují mnohem více pozornosti, než tomu bývalo zvykem ještě před několika lety. Nabídka pádel na trhu se proto rozšířila a škála typů, tvarů a stále modernějších a dokonalejších materiálů je širší než kdy dříve. Proto je důležité vybrat vhodné a kvalitní pádlo pro konkrétní účel použití. Materiály, které se dnes používají, jsou buď termoplasty, kompozitní materiály nebo pádla vyráběná z masivního dřeva. Právě na pádla vyráběná ze dřeva je zaměřena tato práce. Člověk dřevo využívá už od počátků lidské civilizace, s jejím vývojem rostlo i využití dřeva od paliva přes předměty denní potřeby či stavitelství až po dopravní prostředky. Dřevo jako materiál na výrobu pádel je používáno už tisíce let díky jeho dostupnosti, pevnosti při současné poměrně nízké hmotnosti, dobré opracovatelnosti a jeho výhodou v neposlední řadě je, že je obnovitelným zdrojem. Zároveň je to materiál příjemný a teplý na dotek, což je u pádel velmi ceněnou vlastností. Díky barvě a textuře je každé pádlo originál a ne pouhým sériově vyráběným vodáckým načiním. Dřevo má ale i nedostatky, které omezují plné využití jeho kvalit. Velikost vyrobeného materiálu je daná velikostí kmene, bez spojování menších předem nařezaných částí nelze dosáhnout velkých ploch. Mechanické vlastnosti různých dřevin i v rámci jedné dřeviny nejsou stabilní. Proto se u pádel, stejně jako u jiných výrobků ze dřeva, používají různé dřeviny a pádla se nevyrábí z jednoho kusu. Pádlo je upravenou voděodolnou povrchovou úpravou, ale při dlouhodobém nebo nešetrném používání může dojít k jejímu poškození. Díky tomu se může ke dřevu dostat vlhkost, a proto by se měla používat lepidla odolná alespoň proti studené vodě.
7
2. Cíl práce Cílem této práce je zjištění odolnosti lepených spojů u pádel vyráběných z masivního dřeva jasanu, smrku a olše, při použití 3 různých druhů lepidel vhodných k tomuto účelu. Část práce je věnována také lepidlům, shrnuje teorii lepení a blíže charakterizuje lepidla používaná k lepení dřeva, jejich složení a vlastnosti. V praktické části práce se pozornost soustředí na měření mechanických vlastností ohybu (mez pevnosti, modul pružnosti) u listů pádel, výsledky provedeného měření jsou následně statisticky vyhodnoceny.
8
3. Literární přehled Základním vybavením každého vodáka je pádlo. Na rozdíl od lodi, která je pro celou posádku společná, má pádlo každá osoba na lodi své vlastní. Konkrétní
parametry
pádla
jsou
vysoce
individuální
záležitostí.
Pádlo je definované tím, že se drží volně v rukách a není nijak připevněné k lodi. To ho také odlišuje od vesla, s kterým bývá laiky často zaměňováno.
3.1 Dělení pádel Obecně se pádla rozdělují na pádla se dvěma listy (kajakářská) a pádla s jedním listem (kanoistická). 3.1.1
Primární dělení (dle typu lodi)
-
kajakářská,
-
kanoistická,
-
raftová,
-
dračí aj. 3.1.2
-
-
-
Dělení podle použitých materiálů
dřevěná: -
celodřevěná,
-
dřevěná se sklolaminátem, dýhovaná doplněna o hliníkové kování;
plastová s duralovým dříkem: -
nerozkládací,
-
rozkládací;
kompozitní: -
celokarbonová,
-
karbonový list, hliníkový dřík,
-
jiné.
9
3.2 Pádlo a jeho části Každé pádlo je tvořeno třemi základními částmi – listem, dříkem nebo také „štýlkem“ a ručkou. 3.2.1
Dřík
Dřík je pevnou, dlouhou částí pádla, která může být buď rovná, nebo různě zahnutá. U dřevěných pádel se dřík vyrábí slepením dvou nebo více přířezů skládaných na sebe a tím se vytvoří lamela, která je pevnější než samotné rostlé dřevo. Dřík je pak součástí listu, viz kapitola výroba pádla. Výroba kompozitních dříků např. karbonových spočívá zjednodušeně ve vrstvení jednotlivých uhlíkových vláken na sebe, čímž se vytvoří jakási uhlíková mřížka dosahující vysoké pevnosti a zároveň nízké hmotnosti. Karbonový dřík bývá většinou již spojen s listem. Hliníkové dřiky se vyrábí z duralových trubek. Jsou o něco těžší než karbonové, méně pevné, ale podstatně levnější. V porovnání s dřevěnými jsou lehčí, ale méně pevné.
3.2.2
List
List je částí, která se ponořuje do vody a určuje sílu záběru. Pro optimální záběr je užitečné mít list pádla po celou dobu záběru pod vodou, toho je dosaženo správnou technikou, které napomáhá širší pádlo. Používají se také různé asymetrické tvary a profily listu. Pro rekreační pádla je dostačující přímý profil listu, u kvalitnějších sportovních pádel je pak list sportovních pádel různě podélně prohnutý. Dřevěné listy jednoduché se vyrábí slepení několika přířezů a dříku do jednoho kusu viz kapitola výroba listu. Dále se mohou vyrábět s přidáním sklolaminátových výztuh. Postup je podobný jako u jednoduchých dřevěných listů, ale s tím rozdílem, že na vybroušené pádlo se nanese pojivo, např. epoxidová pryskyřice, pak se na povrch položí sklolaminátové plátno, pryskyřice se nahřeje, tím se dostane přes plátno na
10
povrch a přiloží se dýha. Ve speciálních přípravcích se list zatáhne a nechá vytvrdnout. Po vytvrdnutí se ještě nainstaluje duralové kování a výsledkem je „téměř nezničitelný“ list. Kompozitní listy se vyrábí stejnou technologií jako kompozitní dříky. Také vlastnosti jsou totožné. Při poškození je oprava velice náročná jak časově tak i finančně. Výroba plastových listů začíná tavením granulátu určeného k tomuto účelu. Ten je v roztaveném stavu nanesen na duralovou trubku, která je zde kvůli spojení se dříkem, a v lisu zalisován na požadovaný tvar. Po vychladnutí výlisku se odstraní otřepy a list je hotov. Díky přidávání různých barviv lze dosáhnout jakéhokoliv barevného provedení listu. Takto vyrobený list je velice odolný a jediné závažné poškození může nastat při ulomení duralové trubky a tím znemožnění spojení nového dříku s listem. Pro rekreační účely se používají celodřevěná pádla spolu s pádly plastovými s hliníkovým dříkem. Nejsou tak náchylné k poškození a zároveň jejich oprava nebývá finančně tolik náročná, jako je tomu u karbonových a kompozitních pádel. Moderní závodní listy nebo celá pádla se vyrábí z kompozitů, např. karbonových vláken. Tato pádla jsou tenká a lehká, samozřejmě také dražší a bohužel křehčí. Existují i různé kombinace těchto materiálů.
3.2.3
Ručka
Na konci každého pádla (vyjma kajakářských, kde je druhý list) je pak ručka, označovaná také jako hlavice nebo hruška, za kterou se pádlo drží a která jej ovládá. Ručka, stejně jako ostatní části pádla, může být vyrobena z různých materiálů, ovlivňuje především ergonomii držení celého pádla a to, jak pádlování bude subjektivně pohodlné. Existují jednoduché, přímé ručky a ručky různě ergonomicky tvarované. Ručka by měla být vyrobena z pevných, ale lehkých materiálů. Základní duralové ručky jsou relativně těžké a navíc nepříjemně studené. Ve vyšších kategoriích se využívají různě tvrdé kompozity, které vynikají dobrou pevností, přitom jsou však lehké. Při výrobě dřevěných pádel se používají ručky dřevěné a to rovného typu na dračí a dětské pádlo a ručky ergonomicky tvarované u typu raft.
11
Dřevěné ručky ergonomicky tvarované jsou vyráběny na kopírovacích frézkách, na trn se nasazují přes vyvrtaný otvor, sloužící ke spojení s dříkem. Po ofrézování jsou vybroušeny do finálního tvaru. Nesmí na nich být ostré hrany, aby nezpůsobily otlaky apod. způsobené manipulací s pádlem. Rovné ručky jsou vyráběny z frézované kulatiny, nakrátí se na požadovaný rozměr a uprostřed se vyvrtá otvor na dřík. Vybrousí se a následuje povrchová úprava. U obou typů se Povrchová úprava provádí napuštěním v oleji. Kompozitní ručky bývají součástí dříku a vyrábí se s dříkem jako jeden celek. Plastové ručky se vyrábí vstřikováním roztaveného granulátu do forem, podobně jako je tomu u plastových listů. Většinou se používají ve spojení s duralovým dříkem, na který jsou naraženy. Jsou velmi odolné a pevné.
3.2.4
Základní parametry
Hlavními určujícími parametry pádla jsou délka, velikost, tvar, struktura listů a hmotnost, se kterou souvisí také odolnost. Základní kritéria pro výběr konkrétního pádla pak budou styl jízdy, stupeň obtížnosti vody, typ lodě, ale i subjektivní kritéria daná zkušenostmi, postavou a silou toho, kdo bude pádlo užívat. (http://www.sportcviceni.cz/rady-a-tipy/navody-a-rady/vodacka-padla-jak-se-v-nichzorientovat)
3.3 Lepení Lepení je pevné, trvalé a nerozebíratelné spojení dvou přiléhajících ploch za pomoci lepidla. Pokud je lepený spoj proveden správně, převyšuje svou pevností za normálních podmínek smykovou pevnost dřeva. Lepidlo musí mít dostatečnou kohezi (vnitřní soudržnost) a adhezi (přilnavost k lepeným povrchům, působení přitažlivých mezimolekulárních sil na rozhraní mezi lepidlem a povrchem lepeného materiálu). Adhezivní síly působí na velmi malou vzdálenost, proto je pro jejich využití nutné přiblížit k sobě molekuly obou materiálů co nejblíže.
12
Toho lze dosáhnout slepením naprosto hladkých ploch, což ale u dřeva není možné, a to z důvodu pórovitosti nebo kvůli tomu, že je na povrchu dřeva vždy absorbována tenká vrstva vodní páry nebo vzduchu, která nezbytnému přiblížení brání. K adhezi dojde snadněji mezi povrchy pevné látky a kapaliny. Kapalina se lépe přizpůsobuje nerovnostem povrchu (schopnost kapaliny smáčet pevný povrch je charakterizována úhlem smáčení viz kapitola smáčení), lepidla se proto většinou nanáší v kapalném stavu. Stupeň smáčení je dán působením přitažlivých a odpuzujících sil mezi kapalinou a pevným povrchem. Lepené plochy musí být rovné a co nejlépe k sobě přiléhat. Obecně platí, že čím je vrstva lepidla tenčí, tím je lepený spoj pevnější. (Král, 2011)
3.4
Podmínky ovlivňující lepený spoj
3.4.1
Vlastnosti lepeného materiálu
Velký význam má z hlediska lepení povaha povrchu dřeva, a to nejen vnějšího, ale i vnitřního povrchu. Vnější povrch je tvořen anatomickou stavbou dřeva (cév, tracheid, pryskyřičných kanálků a dřeňových paprsků), kvalitou dřeva (např. šířkou letokruhů, přítomností pryskyřice), ale i typem použitého obráběcího nástroje a změnami jeho chodu. (Sedliačik, M., Sedliačik, J., 1998) Pevnost lepeného spoje se zvětšováním nerovnosti lepeného povrchu vzrůstá, ale jen do určité hranice, po jejímž dosažení dochází naopak ke snížení pevnosti lepeného spoje. Pevnost lepeného spoje závisí i na hustotě dřeva – roste úměrně se stoupající hustotou. Důležitá je také čistota lepených povrchů. Různé nečistoty (třísky, prach…) mohou nepříznivě ovlivnit adhezi lepidla se dřevem a tím významně narušit kvalitu lepeného spoje a dokonce způsobit nerovnosti na hotovém výrobku. Přesušení dřeva má za následek nižší smáčivost (kvůli vyšší difuzi rozpouštědla do dřeva), tím je zhoršeno nanášení lepidla a jeho dotek s dřevem. Vlhkost povrchových vrstev se pohlcováním vlhkosti z lepidla zvyšuje, tím vzrůstá v lepeném spoji vnitřní napětí.
13
Vyšší počáteční vlhkost naopak snižuje viskozitu lepidla a zpomaluje vytvrzování lepidla, lepidlo se vsakuje do dřeva – vzniká málo pevný spoj.(Král, 2011) 3.4.2
Stav a množství naneseného lepidla
Vlastnosti lepidla a následně lepeného spoje ovlivňuje sušina lepidla v lepicí směsi (pokud je obsah sušiny nízký, je dřevem pohlceno větší množství rozpouštědla – vody), viskozita lepidla (lepidlo s nízkou viskozitou má také nízkou koncentraci a je vsakováno dřevem, vyšší viskozita urychlí proces lepení; je možné ji upravovat přidáním plnidla, zpěňováním, změnou teploty lepidla apod.), teplota lepidla (s vyšší teplotou se zvýší i smáčivost, množství lepidla (lepidlo se při výrobě nanáší na jednu plochu, na druhou se přenese kontaktem; nános tedy nesmí být příliš malý, aby k tomuto kontaktu mohlo vůbec dojít, ale ani příliš silný, protože v příliš silné vrstvě lepidla vzniká vnitřní pnutí zapříčiňující vznik mikrotrhlin v lepidle; nebo se lepidlo nanese na obě plochy, které budou lepeny k sobě; zde lze nanést lepidlo v menším nánosu, protože každá plocha je opatřena nánosem vlastním; v příliš silné vrstvě lepidla vzniká vnitřní pnutí stejně jako u nánosu jen na jednu plochu). Vrstva lepidla musí být po celé ploše dílce nanesená rovnoměrně a bez přerušení. 3.4.3
Adheze povrchu
Adheze je souhrn sil, kterými se navzájem poutají částice různých látek. Vyskytují se na fázovém rozhraní kapalin s kapalinami a tuhými látkami a na fázovém rozhraní dvou fází v tuhém skupenství. Fázi, na povrchu které nastává adheze, nazýváme adherend, druhou fázi označujeme jako adhezivum. Praktické důsledky má teorie adheze pro uživatele tehdy, když mu pomáhá usnadnit celý proces lepení tím, že je schopen předvídat vlastnosti a chování celého složitého systému (tj. lepeného spoje) v podmínkách jeho užívání (Sedliačik, M., Sedliačik, J., 1998) 3.4.4
Smáčivost povrchu a povrchové napětí
Smáčení lepených povrchů se řadí k nejdůležitějším vlastnostem lepidla. Závisí na povrchovém napětí lepidla a povrchovém napětí lepeného povrchu.
14
Na povrchu každého pevného tělesa působí povrchové síly, které váží na volném povrchu vzduch; tyto síly vztažené na plochu dílce se nazývají povrchové napětí. U kapalin působí povrchové napětí na zmenšení povrchu kapalin, a tím brání jejich roztečení. Povrchové napětí ovlivňuje nejen roztečení lepidla, ale i jeho smáčení povrchu substrátu. Aby se lepidlo dobře rozteklo a smáčelo lepený povrch, musí mít lepidlo povrchové napětí menší než povrchové napětí podkladu. Schopnost kapaliny smáčet pevný povrch je charakterizována úhlem smáčení. Kapalina dobře smáčí povrch, když je úhel smáčení menší než 90°. Nesmáčí povrch, jeli úhel smáčení větší než 90° - viz obrázek 1.
Obr. 1 Kapka kapaliny na tuhém povrchu (zdroj:http://www.optikarium.cz)
Povrchové napětí
Povrchové napětí kapaliny má směr tečny k povrchu kapky a svírá s povrchem tuhé látky úhel θ. Označuje se jako g. Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch tekutin chová jako elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimálním rozpětím. To znamená, že se povrch tekutiny snaží dosáhnout stavu s nejmenší energií. Povrchové napětí je výsledkem vzájemné interakce přitažlivých sil molekul nebo atomů, z nichž se skládá povrchová vrstva. Důležitým pojmem je fáze. Pod tímto pojmem uvažujeme prostředí o stejných fyzikálních a chemických vlastnostech. Fáze je prostředí, které je odděleno ostrým
15
rozhraním, tzv. fázovým rozhraním. Čím je povrchové napětí g větší, tím větší musí být vynaložena síla na překonání fázového rozhraní. U kapaliny se fázové rozhraní chová jako pružná blána a má snahu zabírat co nejmenší plochu. Obecně je povrchové napětí u pevných látek těžko měřitelné. Jedna z nejvíce spolehlivých metod je právě měření kontaktního úhlu, který vypovídá o vlastnostech povrchu pevného materiálu vyplývající z interakce s tekutinou na jejím povrchu. Kapka na pevném povrchu se rozprostře za podmínek, kdy povrchové napětí kapaliny a pevné látky je nižší než povrchové napětí plynné fáze.
Tyto fáze jsou označovány dle písmene od svého anglického ekvivalentu: •
gSL solid-liquid (pevné - tekuté),
•
gSG solid-gas (pevné - plynné),
•
gLGliquid-gas (tekuté - plynné).
Jsou-li síly v rovnováze, jedná se o dokonalé smáčení (Obr. 2): gSG = gSL + gLG
Obr. 2: Fázové síly jsou v rovnováze. G znamená plynnou fázi (gas), L tekutou fázi (liquid) a S pevnou fázi (solid); (zdroj:http://www.optikarium.cz)
Pokud naopak povrchové napětí gSL a gLG jsou menší než gSG, tekutina se na pevném povrchu vytvaruje do útvaru s co nejmenší plochou - jedná se o rovnovážný stav tekutiny, morfologicky se jedná o kapku. Tato kapka zaujímá s pevným povrchem
16
kontaktní úhel, který je tvořen tečnou povrchu kapky s pevným rozhraním v bodě linie smáčení. Velikost kontaktního úhlu vyjadřuje Youngova rovnice:
γ SG = γ SL + γ LG ⋅ cos θ γ l ⋅ cos θ = γ s − γ sl S ohledem na velikost úhlu smáčení rozslišujeme na vlastnost tuhého povrchu: a) smáčivého, kdy je ostrý úhel smáčení, 0 < θ < 90° ( γ
SG> γ LS)
- obr. 3:
Obr. 3: Poměr sil u smáčivého povrchu(zdroj:http://www.optikarium.cz) b) nesmáčivého, kdy je tupý úhel smáčení, 90°< θ < 180° ( γ SG < γ LS) - Obr. 4:
Obr. 4: Poměr sil u nesmáčivého povrchu (zdroj:http://www.optikarium.cz) (http://www.optikarium.cz/kontaktni-cocky-a-roztoky/kontaktni-uhel-smacivost)
17
3.4.5
Reologie
Reologie lepidel při nanášení Reologické vlastnosti lepidla v tekutém stavu. Lepidla v tekutém stavu jsou koloidní roztoky (nepravé roztoky), což je roztok částic o velikosti 1 až 10 nm, jedná se o koloidní částice. Vyšší viskozita lepidel při nanášení zajišťuje lepší vyplnění lepidlové spáry. Lepidlo musí spáru smáčet, proto se přidávají smáčedla, současně musí lepidlo zůstat ve spáře, a to zajišťují nastavovadla a plniva.
Reologie při vytvrzování lepidla Při vytvrzování lepidla dochází k přechodu ze stavu sol do gel, což souvisí se: zvýšení viskozity, zvýšení koheze, objemovými kontrakcemi lepidla, zesíťováním makromolekul lepidel. Objemová kontrakce při vytvrzování lepidla -pokud je lepidlo plastické - lze tlakem přiblížit plochy, ztenčit lepenou spáru a snížit pnutí ve spáře. Po vytvrzení nastává praskání lepidlového filmu, přídavek plniva může kontrakce potlačit. (E.Liptáková, M.Sedliačik 1986)
3.5 Tvorba lepidlového filmu Odpařením rozpouštědla (roztoková lepidla) •
na ploše zůstává pojivo
•
vypařováním do ovzduší (lepidlo se musí nechat zavadnout)
•
adsorpcí disperzního media adherendem
•
oddifundování disperzního media do adherendu
Odpařením vody u vodou ředitelných lepidel •
vypařováním do ovzduší (lepidlo se musí nechat zavadnout)
•
adsorpcí disperzního media adherendem
•
oddifundování disperzního media do adherendu (disperzní lepidlo PVAc)
18
Ztuhnutím tavných lepidel − snížením teploty Chemickou reakcí u dvou-komponentních lepidel − zesíťování molekul-tvorba trojrozměrné struktury (termoreaktivní a speciální lepidla) Vytvrzování UV zářením
3.6 Komponenty lepidel Hlavní složkou jsou makromolekulární látky v kapalném stavu (roztok, disperze, tavenina). Pro dosažení určitých požadovaných aplikačních vlastností se používají přísady: plniva pro úsporu drahých surovin, zlevnění materiálové skladby, snížení pnutí ve vytvrzeném stavu (např. mletý sádrovec 20-30 % hmot. mletý mastek, porcelánová moučka, práškové kovy, koloidní oxid křemičitý),
nastavovadla pro úsporu drahých surovin, zlevnění materiálové skladby, snížení pnutí ve vytvrzeném stavu, nastavovadla se vyznačují lepícími vlastnostmi (obilná mouka),
tvrdidla katalytický účinek na lepidlo (dvousložková lepidla), zušlechťující přísady - fungicidy, smáčedla, barviva, změkčovadla, stabilizátor. (E.Liptáková, M.Sedliačik 1986)
19
3.7 Lepidla 3.7.1
Polyvinylacetátová lepidla - PVAc
Polyvinylacetátová lepidla se připravují z acetylenu a kyseliny octové za přítomnosti rtuťnatých solí. Vinylacetát je bezbarevná kapalina štiplavého zápachu s teplotou varu 73°C. Z monomeru vinylacetátu se disperzním způsobem (ve vodní suspenzi) připravuje polymer – PVAc. Vyznačují se dobrou afinitou ke dřevu vzhledem k jejich polárnímu charakteru a poskytují velmi pevné spoje. Jsou velmi pružné. Tato vlastnost se ještě zlepšuje přídavkem plastifikátorů, nejčastěji dibutylftalátu nebo trikrezylfosfátu . Zařaďujeme je mezi zdravotně vyhovující, ačkoliv plastifikátory jsou fyziologicky škodlivé látky (přidává se jich méně než 5 %, počítáno na disperzi). Při vytvrzování PVAc disperzí nenastává žádná chemická reakce nebo změna. Jde vlastně o fyzikální proces, při kterém dřevo odebírá z lepidla postupně vodu, čímž se na jeho povrchu vytvoří souvislý film. Jsou to nehořlavá lepidla, odolná proti mikroorganismům a vytvářejí průsvitný bezbarvý spoj. Jsou však málo odolná proti vodě. Používají se převážně na montážní účely (nábytek). Mezi nejzajímavější vývojové typy bezesporu patří tvrditelné PVAc disperze, které se současně vyznačují větší odolností proti vlhkosti. Takováto lepidla znamenají důležitý pokrok a vyřešení některých vážných problémů lepení v dřevařském průmyslu (např. lepení nekonečného vlysu, rohových spojů při výrobě oken apod.) Hlavní skupiny PVAc lepidel jsou jednokomponentová a dvoukomponentová lepidla. V prvním případě už základní lepidlo obsahuje reaktivní přísadu, např. určitý dialdehyd. V druhém případě se tvrdidlo přidává až těsně před samotným použitím. Hlavní dva druhy tvrdidel -
tvrditelné polykondenzační pryskyřice, v tom případě je disperze přiměřeně kyselá což vede k postupnému vytvrdnutí lepidla.
-
osobitě upravené disperze, ke kterým se přidávají speciální tvrdidla v množství 4 až 5 %
20
Životnost lepící směsi je až 6 hodin a otevřený čas lepení 10 až 15 minut. I v tomto případě mají lepidla a tvrdidla poměrně silně kyselou reakci s hodnotou pH 2 až 3. Voděodolnost dosáhnutá těmito tvrditelnými PVAc lepidly se často udává jako varuvzdorná. Jsou vhodná na lepení nábytku do kuchyní a koupelen, na nábytek do obzvláště vlhkého prostředí a na výrobu dveří a oken. U disperzních PVAc lepidel je možné odolnost proti vodě zvýšit kombinací s disperzními lepidly na bázi kopolymerů např. vinylacetátu s estery kyseliny akrylové. Disperzní PVAc lepidla nejsou tolik náročné na přesnost opracování lepených ploch. Nánosy se pohybují v závislosti od hladkosti povrchu materiálu od 100 do 400 g/m
2
Plnicí schopnost není až tak velká a nadbytek lepidla má nepříznivý vliv na pevnost spoje. Proto by neměla síla nánosu převýšit 0,2 mm. Otevřený čas disperze, za který se část vody z lepidla po nánose odpaří, je 3 až 5 minut a limituje ho tvorba zaschlého filmu na povrchu, který zabraňuje spojení s druhou plochou lepeného souboru. Kvalita lepeného spoje se vyznačuje dobrou pevností ve smyku, vyhovující požadavkům na montážní lepidla. (Sedliačik J., Sedliačik M. 1998) 3.7.2
Epoxidové pryskyřice
Epoxidová lepidla patří mezi nejkvalitnější druhy lepidel a byla vyvinuta za druhé
světové
války.
Jsou
to
dvousložková
lepidla
(pryskyřice,
tvrdidlo).
V nevytvrzeném stavu jsou to kapalné nebo tuhé látky. S tuhými lepidly se pracuje při zvýšené teplotě, při které se roztaví. Základní epoxidové pryskyřice jsou v nevytvrzeném stavu technicky nepoužitelné. Obsahují větší procento hydroxylových skupin, rozpouštějí se v organických rozpouštědlech a nemají filmotvorné ani dostatečné mechanické vlastnosti. Technicky je možné je použít až po zesíťování tj. po zreagování epoxidových nebo hydroxylových skupin. Vytvrzují za tepla nebo za studena při použití tvrdidel. Pevnost spoje a jeho tepelná odolnost závisí na správném poměru tvrdidla a pryskyřice. Odchylky
21
od teoretického množství tvrdidla v obou směrech znamenají snížení pevnostních vlastností lepeného spoje. Podle teploty potřebné na vytvrdnutí je rozdělujeme na lepidla tvrditelná při teplotě: -
pod 100°C
-
nad 100°C.
Reakce vytvrzování epoxidových lepidel probíhá při velmi malých objemových změnách a nevznikají při ní žádné prchavé zplodiny, tvrdidlo se navazuje na pryskyřici chemicky. Proto se při vytvrzování nevyžaduje vysoký lisovací tlak. Někdy stačí vlastní hmotnost lepeného materiálu, proto se nazývají také jako „beztlaková lepidla“. Tvrdidla se musí přidat k pryskyřicím v předepsaném poměru, jinak se vlastnosti zhoršují. Po smíchání pryskyřice s tvrdidlem se musí směs zpracovat do 2 hodin, protože jeho viskozita se zvyšuje tak rychle, že by se lepidlo už nedalo nanášet. Při teplotě nad 20°C je reakční rychlost ještě větší a proto se nedoporučuje překročit tuto teplotu. Po vytvrdnutí odolávají spoje lepené epoxidovými lepidly běžným organickým rozpouštědlům (alkohol, alifatické a aromatické uhlovodíky), mají dobrou odolnost proti alkáliím a minerálním kyselinám. Odolnost vůči teplu závisí většinou na druhu použitého tvrdidla a na stupni zesíťování. Do těchto lepidel se mohou přidávat také plnidla, tím se dosáhne větší rovnoměrnosti filmu, zvýšení tepelné vodivosti a zlevnění lepidla. Dobře se osvědčil skelný prášek, porcelánová moučka, azbest, oxid hlinitý, práškové kovy, vodné sklo a křemičitá moučka. Plniva musí být suchá a neznečištěná (parafínem, oleji, mastnými kyselinami apod.) Lze použít množství až 50 hmotnostních dílů plniva na 100 hmotnostních dílů lepidla bez obav, že se podstatně zhorší pevnost lepeného spoje. Lepidla se většinou nanáší na jednu z lepených ploch v tloušťce od 0,1 mm. Vytvrzené lepidlo tvoří tvrdé, nerozpustné a netavitelné spoje. (Sedliačik J., Sedliačik M. 1998)
22
3.7.3
Melamin - močovinoformaldehydová lepidla – MUF
Používají se na lepení dřeva, mají dobré vlastnosti, jsou odolné proti studené a vařící vodě, částečně i proti povětrnostním vlivům. Vytvrzování MUF pryskyřic probíhá v neutrálním nebo kyselém prostředí MF lepidla jsou z důvodu vyšší ceny melaminu modifikovány UF lepidly. Takto upravená lepidla pak bývají značena zkratkou MUF (melamin-močovinoformaldehydová lepidla). Váhový poměr melamin/močovina se dostal z původně 70/30 až na dnešních 40/60. Existují i lepidla kde poměr melamin/močovina je 30/70, ale jejich použití je po výrobky do exteriéru nevhodné. (Zanetti a kol., 2003) MUF pryskyřice je více zdravotně vyhovující, než melaminformaldehydová (MF) a močovinoformaldehydová (UF), protože kombinace melaminu a močoviny snižuje množství formaldehydu obsaženého v lepidle. S obsahem melaminu v této pryskyřici se zvyšuje pevnost spoje a snižují emise formaldehydu.
23
4. Použitá dřeva 4.1.1
Smrk
Smrk se spolu s jedlí řadí mezi jehličnaté bělové dřeviny. Jeho dřevo je méně trvanlivé a odolné proti biotickým škůdcům. Dobře se opracovává a suší, ale hůře se impregnuje. Patří mezi naše nejdůležitější užitková dřeva. Využívá se jako stavební a konstrukční dřevo pro nadzemní i podzemní stavby (stožáry, sloupy, střešní a mostní konstrukce, lešení, podlahovina, důlní dříví atd.), v nábytkářství (nábytek, dýhy, překližky, lišty), na chemické a polochemické zpracování (buničina, dřevovina, dřevovláknité a dřevotřískové desky). Je to dřevo se souměrnými úzkými letokruhy (1-4 mm s podílem letního dřeva v letokruhu v rozmezí 5-20 %), bez vad smrk poskytuje rezonanční dřevo, které se využívá na výrobu hudebních nástrojů. Ceněné je lískovcové dřevo, které je viditelné na příčním řezu. Jedná se o lokální zvlnění letokruhů, které zvyšuje dekorační hodnotu smrkového dřeva.
Latinský název:
Picea
Hustota při w = 0%: 420 - 440 [kg.m-3] Tvrdost:
26 [MPa]
MOR-modul pružnosti v ohybu: 60 [MPa] (http://ldf.mendelu.cz/und/sites/default/files/multimedia/stavba_dreva/lexikon/makro/ind ex.html?drevina=sm) Obsah ligninu ve dřevě:
19 – 29%
Obsah celulózy ve dřevě:
41,0 – 58,8% (Wagenführ, R. 2000)
4.1.2
Olše
Jedná se o listnaté, roztroušeně porovité, bělové dřevo, které je méně trvanlivé a málo odolné proti biotickým škůdcům. Dobře se impregnuje, moří, suší a opracovává. Olše se využívá především k výrobě dřevotřískových desek, překližek, tužek, různých předmětů (hračky, věšáky, rámy k obrazům aj.), v řezbářství, soustružnictví, na
24
stavbu lodí atd. Dříve se v nábytkářství používala k imitaci ebenu eventuelně palisandru.
Latinský název:
Alnus
Hustota při w = 0%: 495 - 550 [kg.m-3] Tvrdost:
40 [MPa]
MOR-modul pružnosti v ohybu: 83 [MPa] (http://ldf.mendelu.cz/und/sites/default/files/multimedia/stavba_dreva/lexikon/makro/ind ex.html?drevina=ol) Obsah ligninu ve dřevě:
22,6 – 31,3%
Obsah celulózy ve dřevě:
39,6 – 54,6% (Wagenführ, R. 2000)
4.1.3
Jasan
Jasan je listnatá, kruhovitě pórovitá, jádrová dřevina. Má výborné vlastnosti a to vysokou pevnost a dobrou pružnost. V nábytkářství se využívá zejména jádrové dřevo na sportovní potřeby - pádla, sáně, luky, tága, různé násady a madla apod. Dále se využívá v soustružnictví a kolářství. Lze jej poměrně dobře ohýbat a tím pádem uplatnit na výrobu člunů, rámů plavidel, kánoí, plachetnic a různých ohýbaných částí nábytku. Hojně se využívá také na dekorativní nábytkové a obkladové dýhy.
Latinský název:
Fraxinus
Hustota při w 0%:
670 – 700 [kg.m-3]
Tvrdost:
80 [MPa]
MOR- modul pružnosti v ohybu: 113 [MPa] (http://ldf.mendelu.cz/und/sites/default/files/multimedia/stavba_dreva/lexikon/makro/ind ex.html?drevina=js) 21,3 – 30,4% Obsah ligninu ve dřevě: Obsah celulózy ve dřevě:
44,2 – 46,8% (Wagenführ, R. 2000)
25
5. Metodika a materiál 5.1 Výroba pádla Materiál používaný na výrobu pádel je smrk, jasan a olše, nakupuje se v tloušťce 50mm, 1. jakosti. Všechny dřeviny se vysuší na cca 12% vlhkosti. Fošny se nejprve dělí příčně. Nakrácené se pak proříznou středem. Následuje rovinné frézování na spodní srovnávací frézce – nejprve se srovná plocha fošny, ta se přiloží k vodícímu pravítku a srovná se hrana fošny, tak aby úhel mezi plochou a hranou svíral 90°. Zejména tato hodnota musí být dodržena, jelikož následně vyřezané přířezy se lepí do listu pádla řezanými plochami k sobě, plochy se už nesrovnávají. Po rovinném frézování se z fošny podélným dělením vyřežou latě 32x48 mm. Tento rozměr je zaveden, protože se z něho dají posléze řezat všechny typy přířezů používaných jak na výrobu listu pádla, tak i na ručku nebo dřík. Latě se roztřídí do 3 skupin jakosti. 1. jakost se využívá především k výrobě dříku a do listu. 2. jakost především do listu - nesmí obsahovat vypadavé suky, praskliny nebo velké smolníky. 3. jakost se k výrobě pádel nepoužívá. Dle části pádla se latě požadované jakosti dále rozřezávají na daný rozměr přířezu. Do listu se latě opracovávají pouze řezáním a to nejprve podélným a potom příčným. Příčné řezaní horního konce přířezu se provádí pod úhlem, čímž se šetří materiál a usnadňuje frézování, zmíněné dále. U latí určených na dřík a ručku se srovnává plocha a hrana do pravého úhlu, latě se podélně rozřežou a zakrátí na daný rozměr. Dřík se lepí ze dvou smrkových latí, tím se dosáhne vetší pevnosti a zároveň vetší tvarové stálosti než u jednoho nelepeného kusu. Slepené latě se tloušťkově ofrézují na daný rozměr. Oblé boky dříku se frézují na spodní frézce frézou s profilovacími noži, lať se frézuje cca do 2/3 délky, zbylá 1/3 se nefrézuje a zde se lepí přířezy, které tvoří list pádla. Takto připravený dřík se vloží do přípravku a z každé strany se nalepují 3 latě. Lepidlo se nanáší na jednotlivé latě máčením v epoxidové lázni, nadbytečné lepidlo se stáhne zpět do lázně za pomocí stěrky, čímž se šetří lepidlo a dosáhne se požadované vrstvy. Latě se postupně skládají vedle sebe. Střídá se jasan, smrk a olše. Smrk se používá kvůli snížení nákladů na materiál a zároveň dosažení nižší váhy. Jasan
26
kvůli jeho tvrdosti a pevnosti. Olše především kvůli barevnosti. Latě v listu jsou uspořádány takto – jasanové jsou na krajích, následují smrkové, potom olšové a uprostřed je smrkový dřík. Takto slepený list je odolný, lehký a vypadá esteticky velice hezky. Po slepení se list upne do přípravku a na kotoučové pile se prořízne drážka na „kování“ vyrobeného z jasanu. Nalepení kování se provádí taktéž ve speciálním přípravku. Kování dodává listu tuhost a zvyšuje jeho pevnost a odolnost proti nárazům. Pádlo se upne do přípravku k hoblování a ručním hoblíkem se odhoblují nežádoucí hrany přířezů a přebytky vyteklého lepidla. Potom se list vybrousí na hrubo brusným papírem zrnitosti 36. Následuje upnutí listu do frézovací šablony a na spodní frézce se ofrézuje na finální tvar. List i dřík se obrousí na jemno brusným papírem zrnitosti 120. Následuje povrchové dokončování. Máčením se na pádlo nanáší polyuretanový lak, po zaschnutí se lak obrousí brusným papírem zrnitosti 180, 2vrstva laku, mezibrus brusným papírem zrnitosti 220 a finální 3 lak. U nalakovaného pádla se obrousí konec dříku, cca 20mm, kvůli kvalitnímu slepení ručky se dříkem.
5.2 Použité materiály a zařízení 5.2.1
Použité druhy dřev
-
Použité druhy dřev:
-
Kvalita použitých dřevin: I. jakost
-
Vlhkost použitých dřevin: 12%
5.2.2
jasan, olše, smrk
Použitá lepidla:
− Melamin-močovinoformaldehydové lepidlo: Tužidlo:
Kronoadd HS 300
Nastavovadlo:
Technická mouka
Kronocol MUP 125
Poměr mísení: pryskyřice : tužidlo : nastavovadlo - 100 : 20 : 20
27
− Polyvinylacetátové lepidlo:
Cascol 3339
Tužidlo:
Nemísilo se
Nastavovadlo:
Nemísilo se
Poměr mísení:
Neředěno
− Epoxidová pryskyřice:
Epoxi 371
5.2.3
Tužidlo:
CHS - TVRDIDLO P 11
Nasavovadlo:
Nemísilo se
Poměr mísení:
pryskyřice : tužidlo – 100 : 7
Použitá strojní zařízení, nástroje a pomůcky
-
Trhačka:
-
Vyhodnocovací program: Bluehill 2
-
Laboratorní váhy
-
Kotoučová pila
-
Kombinovaná srovnávací a tloušťkovací fréza
-
Stěrka na lepení (obr. 16, str. 46)
-
Nádoba na lepidlo (obr. 15, str. 46)
-
Přípravky na lepení listu (obr. 18, str. 48)
-
Ruční hoblík
-
Vrtačka s brusným nástavcem
Instrom 3380
28
5.3 Výroba vzorků Na výrobu zkušebních vzorků byl použit masivní jasan, smrk a olše. Nanášení epoxidového lepidla probíhalo stejně, jak je popsáno v kapitole lepení listu. U zbylých typů lepidel se lepidlo na latě nanášelo pomocí stěrky přímo z nádoby. Slepený list byl vyhoblován, ale následně se již nebrousil-na vlastnosti lepené spáry by to nemělo vlit, tudíž jde o zbytečnou operaci. Vyhoblovaný list byl podélně rozřezán na kotoučové pile, na již zmiňované vzorky s rozměry 190x49x8mm. Nařezané vzorky byly na obou koncích popsány, tak aby se oddělené části nepomíchaly.
Obr. 5:Zkušební tělísko (zdroj: vlastní)
5.4 Zkoušení vzorků Ke zkoušce bylo využito zkušební zařízení Instrom 3380, které bylo ovládáno za pomoci programu Bluehill 2. Výstupem byl graf znázorňující průhyb tělíska (mm) v závislosti na zatížení (N) a tabulka s hodnotami obsahujícími maximální zatížení (N) a maximální pevnost (kPa). U těchto veličin byly uvedeny i minimální, maximální a průměrné hodnoty, medián a směrodatná odchylka. Zkušební těleso bylo položeno na dvou podpěrách a uprostřed zatěžováno silou F působící ze shora (tříbodý ohyb). Zatěžování probíhalo, dokud nedošlo k porušení vzorku. Porušení by mělo zpravidla nastat ve dřevě nebo v lepené spáře.
29
Obr. 6: Zkušební tělísko ve stroji Instrom 3380, těsně před porušením (zdroj: vlastní)
Obr. 7: Zkušební tělíska po porušení – Epoxidové lepidlo: všechny vzorky porušeny ve dřevě smrku (zdroj: vlastní)
30
6. Výsledky laboratorního měření 6.1 Výsledky pevnosti v ohybu a maximálního zatížení Tabulky 1 – 3 uvádějí přehled základních měřených vlastností – maximální zatížení při ohybu a mez pevnosti a jejich základní statistické charakteristiky – aritmetický průměr, směrodatnou odchylku, minimum, maximum a medián. Směrodatná odchylka patří mezi charakteristiky variability, které informují o tom, jak jsou jednotlivé hodnoty rozptýleny vzhledem k sobě navzájem nebo v tomto případě vzhledem k průměru. Směrodatná odchylka je nejpoužívanější charakteristikou variability, její předností je, že její rozměr je stejný jako rozměr zkoumané veličiny. Medián je hodnota středního prvku v souboru uspořádaném dle velikosti. Průběh zatěžování je lépe patrný z obrázků 8 – 10.
31
6.1.1
Stanovení pevnosti v ohybu listu pádla slepeného melaminmočovinoformaldehydovým lepidlem PEVNOST V OHYBU NAPŘÍČ LISTU PÁDLA Vzorek #
Ohybové zatížení (N)
100 80 60 40 20 0 0
1
2
3
4
5
6
7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Průhyb (mm)
Obr. 8: Lepidlo MUF – melamin-močovinoformaldehydové l., výsledný graf z trhačky Tab. 1: Lepidlo MUF – melamin-močovinoformaldehydové l., výsledky z trhačky Označení vzorků
Maximální zatížení [N]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Aritmetický průměr Maximum Minimum Směrodatná odchylka Medián
108,78309 48,82177 79,66994 57,73798 89,77191 85,67053 76,53602 79,65906 85,87766 57,46367 45,31253 51,11785 32,87885 33,30979 31,47510 21,56010
Maximální pevnost MOR [kPa] 14,16446 6,35700 10,37369 7,51797 11,68905 11,15502 9,96563 10,37227 11,18199 7,48225 5,90007 6,65597 4,28110 4,33721 4,09832 2,80730
61,60287
8,02121
108,78309 21,56010
14,16446 2,80730
25,52233
3,32322
57,60082
7,50011
32
6.1.2
Stanovení
pevnosti
v ohybu
listu
pádla
slepeného
polyvinylacetátovým lepidlem
PEVNOST V OHYBU NAPŘÍČ LISTU PÁDLA
Ohybové zatížení (N)
200
Vzorek # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
150
100
50
0 0
10
20
30
Průhyb (mm)
Obr. 9: Lepidlo PVAc – Cascol 3339, výsledný graf z trhačky Tab. 2: Lepidlo PVAc – Cascol 3339, výsledky z trhačky Označení vzorků 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Aritmetický průměr Maximum Minimum Směrodatná odchylka Medián
Maximální zatížení [N] 119,25156 160,38556 185,72684 204,84280 154,55894 76,96584 128,80003 109,28010 112,41938 111,27327 118,09188 159,58348 164,93069 145,41150 36,27211
Maximální pevnost MOR [kPa] 15,52755 20,88354 24,18318 26,67224 20,12486 10,02159 16,77084 14,22918 14,63794 14,48871 15,37655 20,77910 21,47535 18,93379 4,72293
132,51960
17,25516
204,84280 36,27211
26,67224 4,72293
42,60816
5,54794
128,80003
16,77084
33
6.1.3
Stanovení pevnosti v ohybu listu pádla slepeného epoxidovou pryskyřicí PEVNOST V OHYBU NAPŘÍČ LISTU PÁDLA
Ohybové zatížení (N)
Vzorek # 200
150 100 50
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Průhyb (mm)
Obr. 10: Lepidlo epoxidová pryskyřice – Epoxi 371, výsledný graf z trhačky Tab. 3: Lepidlo epoxidová pryskyřice – Epoxi 371, výsledky z trhačky Označní vzorků
Maximální zatížení [N]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Aritmetický průměr Maximum Minimum Směrodatná odchylka Medián
126,83770 192,98430 142,18027 125,32588 156,09079 147,50569 132,82964 225,29025 233,20123 190,70586 182,44220 199,02238 158,59120 209,32980 240,25546 43,24504
Maximální pevnost MOR [kPa] 16,51533 25,12817 18,51306 16,31847 20,32432 19,20647 17,29553 29,33467 30,36474 24,83149 23,75549 25,91437 20,64990 27,25649 31,28326 5,63086
169,11486
22,02016
240,25546 43,24504
31,28326 5,63086
50,58750
6,58691
170,51670
22,20269
34
6.2 Porovnání vlastností lepidel Pro testování hypotéz o celém souboru naměřených hodnot meze pevnosti a modulu pružnosti se v případě normálního rozdělení četností měřené veličiny používá test shody středních hodnot (anova). Proto byla data nejprve pomocí softwaru Statistica 12 otestována na normalitu rozdělení výběrů.
Tab. 4: Porovnání průměrných hodnot zkoumaných vlastností Fmax [N] 61,60 132,52 169,11
Lepidlo MUF PVAC Epoxid
MOR [kPa] 8,02 17,26 22,02
Z obrázků 11 a 12 (pro maximální zatížení) a 13 a 14 (mez pevnosti) je patrné, že statisticky významně se liší první lepidlo (MUF) od zbylých dvou, přestože třetí lepidlo (epoxidové) má větší pevnost než druhé (PVAc). Tento rozdíl ale není statistický významný (viz tab. 5 - vícenásobné porovnání p-hodnot). Tabulka 4 shrnuje průměrné hodnoty zkoumaných vlastností.
Tab. 5: Vícenásobné porovnání p hodnot Vícenásobné porovnání p hodnot (oboustr.); Fmax [N] - lepidlo Kruskal-Wallisův test: H (2, N = 48) = 26,96 p = 0,0000
MUF MUF PVAC Epoxid
PVAC -
0,001476 0,000001
0,001476 0,334835
Epoxid 0,000001 0,334835 -
p – p-hodnota testu, testové kritérium, pokud je menší než α (hladina významnosti, zde α = 0,05), je rozdíl pravděpodobných středních hodnot statisticky významný
35
6.2.1
Maximální zatížení
Obr. 11: Test shody středních hodnot (jednofaktorová anova) v grafické formě
Obr. 12: Krabicové grafy – grafický výstup testu mediánu
36
6.2.2
Pevnost v ohybu – MOR
Obr. 13: Test shody středních hodnot pevnosti v ohybu (jednofaktorová anova) v grafické formě
Obr. 14: Krabicové grafy – grafický výstup testu mediánu
37
7. Diskuze Při porovnávání hodnot u jednotlivých lepidel je zřejmé, že nejvhodnějším lepidlem k výrobě pádel je epoxidová pryskyřice. Toto lepidlo dosahuje o 28 % větší pevnosti v ohybu než PVAc lepidlo a o oproti MUF lepidlu dokonce o 175 % (tab. 4, str. 35). Výhodou epoxidové pryskyřice je snadné nanášení pomocí namáčení přířezu v epoxidové lázni a nenáročnost na vyšší tlak při lisování. K lisování je dostačující tlak vyvinutý za pomoci truhlářských ztužidel a síly pracovníka. Lepidlo lze také nanášet v silnějších vrstvách oproti PVAc a MUF lepidlům a nedochází k vznikání výrazného vnitřního pnutí zapříčiňujícího vznik mikrotrhlin v lepidle. Zároveň lze lepidlo nanášet na drsnější, méně opracovaný povrch díky možnosti nanášení ve větších vrstvách. Nevýhodou je složitější příprava oproti PVAc lepidlu, které se může nanášet bez nutnosti přidávání tužidel. Otevřená doba směsi je pouze 30 minut. Aby lepidlo mohlo vytvrdnout, musí být místnost určená k lepení klimatizována alespoň na 20°C. Veškeré testované vzorky lepené epoxidovou pryskyřicí byly při zkoušce v tříbodém ohybu porušeny ve dřevě smrku. Polyvinylacetátové lepidlo dosáhlo skoro ¾ pevnosti epoxidového lepidla což bylo statisticky vyhodnoceno jako nevýznamné (tab. 4, str. 35). Jeho výhodou je nenáročnost na přípravu a životnost lepící směsi až 6 hodin. Většina vzorků byla porušena ve dřevě. Melamin-močovinoformaldehydvé lepidlo se zdá být nevyhovující k výrobě dřevěných pádel. Je téměř 2,75 x méně pevné v ohybu než epoxidová pryskyřice a skoro 2,2 x méně pevné než PVAc lepidlo (tab. 4, str. 35). Lepidlo je náročné na opracování lepených ploch. Při míchání směsi je nutno navážit přesný poměr pryskyřice a tvrdidla, jinak se razantně zhoršují jeho vlastnosti. Většina vzorků lepených tímto lepidlem byla porušena v lepené spáře, což je pro výrobu pádel z masivního dřeva nepřijatelné.
38
8. Závěr Pádlo, především jeho list, je vystaveno mnoha různým vlivům. Musí odolávat kontaktu s vodou, nárazům spjatým s využíváním vodáckého náčiní a fyzikálním a mechanickým vlivům spojeným s manipulací pádel jako je pružnost, pevnost a odolnost jak lepených spojů, tak i použitých materiálů. Na výrobu pádel se dřevo používá od pradávna. Dřevo má ovšem kromě nesporných výhod i nedostatky, které omezují plné využití jeho kvalit. Mechanické vlastnosti různých dřevin i v rámci jedné dřeviny nejsou stabilní. Proto se u pádel, stejně jako u jiných výrobků ze dřeva, používají různé dřeviny a pádla nejsou vyráběna z jednoho kusu. Velmi důležitým faktorem ovlivňujícím použitelnost a kvalitu celého pádla je jakost lepeného spoje, na kterou mají vliv vlastnosti lepeného materiálu i stav a množství lepidla. Cílem této práce bylo měření a vyhodnocení mechanických vlastností lepené spáry listu pádla v závislosti na použitém lepidle. Bylo zjištěno, že vyšší pevnost mělo PVAc a epoxidové lepidlo (u PVAc lepidla bylo maximální zatížení průměrně 132 N a ohybová pevnost 17 kPa, u epoxidového bylo maximální zatížení kolem 169 N a pevnost v ohybu 22 kPa), použité MUF lepidlo z testů naproti tomu vyšlo jako výrazně horší – průměrné maximální zatížení nebylo ani poloviční (přibližně 61 N), stejně jako pevnost (8 kPa). K porušení docházelo zpravidla ve smrku (u MUF lepidla často i přímo v lepené spáře). To je dáno především vlastnostmi použité dřeviny – nižší hustotou i pevností.
39
9. Summary Paddle, especially its sheet (the blade), is exposed to many different influences. It must withstand contact with water, shocks connected with using of boating equipment and physical and mechanical effects associated with the handling of paddles such as flexibility, strength and endurance of glued joints, as well as the materials used. The production of wood paddles used since ancient times. Wood, however, has besides the indisputable advantages some drawbacks that limit the full use of his qualities. Mechanical properties of different wood species and within a species both are stable. Therefore, for making paddles, as for other wood products, different species are used and paddles are not manufactured from one piece. A very important factor influencing the usability and quality of the entire paddle is the quality of the adhesive joint, which is affected by the properties of the adhesive material and the condition and amount of adhesive. The aim of this study was to measure and evaluate the mechanical properties of bonded joints of blade paddles depending on the adhesive used. It was found that PVAc and epoxy glue had higher strength (PVAc glue at maximum load was 132 N and an average flexural strength of 17 kPa, the epoxy glue was the maximum load of about 169 N and a bending strength of 22 kPa), MUF adhesive was on the other hand proved in tests to be significantly worse - the average maximum load was less than half of others (approximately 61 N), as well as strength (8 kPa). The breach occurred mostly in spruce (by MUF adhesives often in the bond line). This is primarily due to the properties of wood which was used –its lower density and strength.
40
10.
Zdroje
KRÁL, Pavel. Dýhy, překližky a lepené materiály. Vyd. 1. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 2011, 241 s. ISBN 978-80-7375-552-2 KRÁL, Pavel. Dýhy, překližky a lepené materiály: cvičení. Vyd. 1. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 2012, 160 s. ISBN 978-80-7375-654-3 LIPTÁKOVÁ, Eva a Milan SEDLIAČIK. Chémia a aplikácia pomocných látok v drevárskom priemysle. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 1986, 519 s.ISBN 80-05-00116-9 DRÁPELA, Karel a Jan ZACH. Statistické metody I: (pro obory lesního dřevařského a krajinného inženýrství). 1.vyd. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 1999, 135 s. ISBN 80-7157-416-3 DRÁPELA, Karel. Statistické metody II: (pro obory lesního, dřevařského a krajinného inženýrství). Vyd. 1. Brno: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2000, 144 s. ISBN 80-7157-474-0 SEDLIAČIK, Milan a Ján SEDLIAČIK. Chemické látky v drevárskom priemysle. 1. vyd. Zvolen: Technická univerzita, 1998, 286 s. ISBN 80-228-0745-1 WAGENFÜHR, R. Holzatlas. 5. vyd. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2000. 707 s. ISBN 3-446-21390-2 Použitý statistický software StatSoft, Inc. (2013). STATISTICA (data analysis software system), version 12. www.statsoft.com Internetové zdroje Anatomická stavba dřeva: Lexikon dřev. Lesnická a dřevařská fakulta – Ústav nauky o dřevě [online]. Ústav nauky o dřevě, 2002 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://ldf.mendelu.cz/und/sites/default/files/multimedia/stavba_dreva/lexikon/
41
Optikarium: Kontaktní úhel - úhel smáčivosti. FALHAR, Martin. Optikarium.cz - svět oční optiky a optometrie [online]. 2014 [cit. 2014-05-12]. Dostupné z: http://www.optikarium.cz/kontaktni-cocky-a-roztoky/kontaktni-uhel-smacivost Vodácká pádla - jak se v nich zorientovat?. SPORTCVICENI.cz [online]. 2011 [cit. 2014-04-10]. Dostupné z: http://www.sportcviceni.cz/rady-a-tipy/navody-arady/vodacka-padla-jak-se-v-nich-zorientovat Pádlo "Spear" KickTheWaves. Kick the Waves [online]. 2014 [cit. 2014-04-22]. Dostupné z: http://www.kickthewaves.com/padlo-kickthewaves-padlospear-spearsjezdovepadlo-sjezd-sjezdovapadla-kajakovepadlo-padloprokajak.html
Plastové pádlo. H2O Sport Sikyta: Půjčovna [online]. 2014 [cit. 2014-04-22]. Dostupné z: http://www.pujcovna-lodi.net/pujcovna-produkt/plastove-padlo Prodloužení dračího pádla. Dračí pádla [online]. 2014 [cit. 2014-04-22]. Dostupné z: http://dracipadla.cz/?16,prodlouzeni-draciho-padla
Dračí pádlo Bracsa. Kylie sport [online]. 2014 [cit. 2014-04-22]. Dostupné z: http://www.kylie-sport.cz/padla/draci-padla/draci-padlo-bracsa.html
42
11.
Seznam tabulek
Tab. 1: Lepidlo MUF – melamin-močovinoformaldehydové l., výsledky z trhačky …………………………………………………………………………….……... str.32 Tab. 2: Lepidlo PVAc – cascol 3339, výsledky z trhačky……………………….. str.33 Tab. 3: Lepidlo epoxidová pryskyřice – Epoxi 371, výsledky z trhačky………… str.34 Tab. 4: Porovnání průměrných hodnot zkoumaných vlastností……………………..
str.35
Tab. 5: Vícenásobné porovnání p hodnot……………………………………………..
str.35
43
12.
Seznam obrázků
Obr. 1 Kapka kapaliny na tuhém povrchu (zdroj:http://www.optikarium.cz)….... str. 15 Obr. 2: Fázové síly jsou v rovnováze. G znamená plynnou fázi (gas), L tekutou fázi (liquid) a S pevnou fázi (solid); (zdroj:http://www.optikarium.cz)………………… str.16 Obr. 3: Poměr sil u smáčivého povrchu (zdroj:http://www.optikarium.cz)………... str.17 Obr. 4: Poměr sil u nesmáčivého povrchu (zdroj:http://www.optikarium.cz)……. str.17 Obr. 5: Poměr sil u nesmáčivého povrchu (zdroj:http://www.optikarium.cz)…….
str.29
Obr. 6: Zkušební tělísko ve stroji Instrom 3380, těsně před porušením (zdroj: vlastní) ………………………………………………………………………………………….
str.30
Obr. 7: Zkušební tělíska po porušení – Epoxidové lepidlo: všechny vzorky porušeny ve dřevě smrku (zdroj: vlastní)………………………………………………………... str.30 Obr. 8: Lepidlo MUF – melamin-močovinoformaldehydové l., výsledný graf z trhačky …………………………………………………………………………………… str.32 Obr. 9: Lepidlo PVAc – cascol 3339, výsledný graf z trhačky………………….. str.33 Obr. 10: Lepidlo epoxidová pryskyřice – Epoxi 371, výsledný graf z trhačky….. str.34 Obr. 11: Test shody středních hodnot (jednofaktorová anova) v grafické formě……….. str.36 Obr. 12: Krabicové grafy – grafický výstup testu mediánu……………………………... str.36 Obr. 13: Test shody středních hodnot pevnosti v ohybu (jednofaktorová anova) v grafické formě …………………………………………………………………………………… str.37 Obr. 14: Krabicové grafy – grafický výstup testu mediánu……………………………... str.37
44
13.
Seznam příloh
Obr. 15: Nanášení epoxidového lepidla. (zdroj: vlastní)………………………………… str.46 Obr. 16: Stírání nadbytečného lepidla za použití stěrky. (zdroj: vlastní)………………… str.46 Obr. 17: Skládání listu pádla. (zdroj: vlastní)……………………………………………. str.47 Obr. 18: Složený list v přípravku a stažený pomocí 3 truhlářských svěrek. (zdroj: vlastní) ……………………………………………………………………………………………. str.48 Obr. 19: Pohled na stažený list zespod. (zdroj: vlastní)…………………………………. str.49 Obr. 20: Hotový list s nalepeným kováním a povrchovou úpravou. (zdroj: vlastní)……. str.49 Obr. 21: Dřevěná ručka používaná u celodřevěných pádel: vlevo typ raft, vpravo typ dračí (zdroj: vlastní)…………………………………………………………………………… str.49 Obr. 22: Příklady ruček: nalevo plastová používaná u duralových pádel, napravo kompozitní ručka používaná u kompozitních pádel. (zdroj: vlastní)………………………………… str.50 Obr. 23: Porušené vzorky lepené epoxidovou pryskyřicí. (zdroj : vlastní)……………… str.50 Obr. 24: Porušené vzorky lepené polyvinylacetátovým lepidlem – PVAc. (zdroj: vlastní) …………………………………………………………………………………………… str. 51 Obr. 25: Porušené vzorky lepené melamin – močovinoformaldehyhovým lepidlem. (zdroj: vlastní)…………………………………………………………………………………... str.52 Obr. 26: Plastové pádlo s duralovým dříkem a plastovou ručkou. Typ raft. (zdroj: http://www.pujcovna-lodi.net/pujcovna-produkt/plastove-padlo)..................................... str.53 Obr 27.: Příklady kompozitních (karbonových) listů: nalevo typ kajak, napravo typ dračí. (zdroj: http://www.kickthewaves.com; http://www.kylie-sport.cz)............................................... str.53
45
14.
Přílohy
Obr. 15: Nanášení epoxidového lepidla (zdroj: vlastní)
Obr. 16: Stírání nadbytečného lepidla za použití stěrky (zdroj: vlastní)
46
Obr. 17: Skládání listu pádla (zdroj: vlastní)
47
Obr. 18: Složený list v přípravku a stažený pomocí 3 truhlářských svěrek (zdroj: vlastní)
48
Obr. 19: Pohled na stažený list zespod (zdroj: vlastní)
Obr. 20: Hotový list s nalepeným kováním a povrchovou úpravou (zdroj: vlastní)
Obr. 21: Dřevěná ručka používaná u celodřevěných pádel: vlevo typ raft, vpravo typ dračí (zdroj: vlastní)
49
Obr. 22: Příklady ruček: nalevo plastová používaná u duralových pádel, napravo kompozitní ručka používaná u kompozitních pádel (zdroj: vlastní)
Obr. 23: Porušené vzorky lepené epoxidovou pryskyřicí (zdroj: vlastní)
50
Obr. 24: Porušené vzorky lepené polyvinylacetátovým lepidlem – PVAc (zdroj: vlastní)
51
Obr. 25: Porušené vzorky lepené melamin – močovinoformaldehyhovým lepidlem (zdroj: vlastní)
52
Obr. 26: Plastové pádlo s duralovým dříkem a plastovou ručkou. Typ raft (zdroj: http://www.pujcovna-lodi.net/pujcovna-produkt/plastove-padlo)
Obr 27.: Příklady kompozitních (karbonových) listů: nalevo typ kajak, napravo typ dračí (zdroj:http://www.kickthewaves.com; http://www.kylie-sport.cz)
53
