Статьи о сотовом заполнителе

Знакомьтесь: СОТЫ или всё, что нужно знать мебельщику о сотах. 2007 г.

Юрий Перов, к.т.н. и Петр Мельников

« Я мог бы добиться тех же результатов, не обращаясь к «сотам».
Тогда заказчикам пришлось бы платить впятеро дороже».

Игорь Сикорский

Появление сотового заполнителя обязано интенсивным поискам авиационных инженеров нового материала, необходимого для заполнения среднего слоя в конструкциях типа «сэндвич». Конструкция «сэндвич» состоит из двух оболочек (обшивок) разнесенных друг от друга на какое-то расстояние, заполненное более легким наполнителем. «Сэндвичи» обладают высокой жесткостью и прочностью при малом весе.

Впервые сотовый заполнитель (СЗ) был изготовлен, как это неудивительно, владельцем цирка Джорджем Мэем в 1943 году. Это был тот редкий случай, когда авиационные инженеры испытывали серьезное искушение расцеловать владельца цирка всем коллективом. Материал получился очень удачный и нашел широкое применение в военной технике. Хотя теперь бумажный СЗ не используется в самолетостроении, зато около половины дверей в мире имеют его между слоями облицовок. В последние годы он находит все более широкое использование и в мебельной промышленности.

Обнадеживающим фактом быстрого увеличения использования сотов в мебельной промышленности является активное их использование в своих изделиях фирмой «ИКЕА» и появление полностью автоматизированных линий для производства мебельных панелей с сотовым заполнителем.

Физико-механические характеристики сотового заполнителя

Физико-механические характеристики СЗ зависят от большого количества параметров, но определяющими являются размер ячейки сотового заполнителя и материал, из которого изготовлен заполнитель.

Строение и основные геометрические характеристики

СЗ является типом ячеистых структур конструкционного назначения, формируемых из тонколистовых материалов и представляющих собой множество смежных изолированных друг от друга каналов, по форме напоминающих пчелиные соты (отсюда – «сотовый»). Сечение каналов, или ячеек может быть шестигранным (рис.1), четырехгранным (рис.2), а также более сложным (так называемая флекс-ячейка), рис.3.

Рис. 1. Сотовый заполнитель с шестигранной ячейкой.

L – длина СЗ; в этом направлении СЗ растягивается при его изготовлении или переработке. B - ширина СЗ. H - высота СЗ (в основном соответствует высоте закладных деталей и обрамляющего контура - рамки).

Рис. 2. Сотовый заполнитель с прямоугольной ячейкой.

Рис. 3. Сотовый заполнитель с флекс-ячейкой.

СЗ с шестигранной ячейкой обладает максимальной жесткостью и предназначен, как правило, для изготовления плоских панелей, с четырехгранной – для изготовления панелей цилиндрической формы (он обладает прекрасной гибкостью в одной плоскости, не теряя при этом прочностные характеристики). Гибкая флекс-ячейка позволяет формировать трехмерные криволинейные поверхности.

Наибольшее распространение нашли СЗ с шестигранной формой ячейки.

Основным геометрическим параметром СЗ является размер ячейки, который представляет собой расстояние между параллельными гранями ячейки (иногда об этом параметре говорят, как о диаметре окружности, вписанной в шестигранную ячейку), рис.4.

Рис. 4. Геометрические параметры сотовой ячейки, где

a - размер ячейки;c - длина грани сотовой ячейки.

При использовании СЗ растягивается вручную (усилия минимальные) или на специальном оборудовании и закладывается в заранее подготовленное пространство. При растяжении СЗ увеличивает свой объем в 10-40 раз, поэтому поставка СЗ в сжатом виде является одним из существенных достоинств этого материала: транспортировка и хранение одного куб. м СЗ эквивалентна 10-40 куб. м другого традиционного материала, например, ДСП или древесины.

Структурные компоненты СЗ

СЗ, строго говоря, представляет собой сложную конструкцию, состоящую, как минимум, из двух материалов – бумаги и клея. Отсюда следует, что при равных геометрических параметрах физико-механические свойства СЗ существенно зависят от свойств бумаги и клея.

В качестве клея при изготовлении СЗ как в нашей стране, так и за рубежом, практически везде используют эмульсию ПВА. Объясняется это в основном экологической чистотой этого адгезива, высокой технологичностью и экономической целесообразностью.

Что важно помнить мебельщикам при переработке СЗ в изделие? – Панели с СЗ нельзя длительно нагревать выше температуры полимеризации клея, использованного при изготовлении СЗ.

С бумагой же дела обстоят намного разнообразнее. Для производства СЗ применяют бумагу с удельным весом от 80 г/м2 до 300 г/м2, при этом часто используется бумага вторичной переработки. Конкретное применение бумаги обуславливается конечными целями.

Интегральным показателем использованных для производства СЗ материалов является удельный вес СЗ, который косвенно учитывает параметры этих материалов.

СЗ обеспечивает одно из самых высоких соотношений «прочность/вес» и «жесткость/вес».

Массо-прочностные характеристики панелей с сотовым заполнителем зависят от конкретного сочетания используемых обшивок и СЗ. Равную прочность можно обеспечивать, варьируя толщину используемой бумаги и размер ячейки. Так, одинаковая прочность при сжатии в 1,1 кг/м2 обеспечивается ячейкой 12мм при толщине бумаги 120 мкм и ячейкой 20 мм при толщине бумаги 420 мкм. Панель, изготовленная из крупно размерного СЗ с обшивками из ДВП, имеет интегральную плотность 140 кг/м3 и выдерживает при сжатии нагрузку около 2 тонн.

Для демонстрации изменений физических свойств СЗ от размеров ячейки приведем результаты испытаний на сжатие СЗ, произведенного из одного типа бумаги.

Таблица 1.

Физико-механические свойства СЗ

Размер ячейки, мм	17	20,5	25,5	51
Плотность, кг/м3	31	28	24	15
Прочность при сжатии, кг/см2	1,2	1,1	1,0	0,6

Как работает СЗ в панелях

Не будем останавливаться на панелях, которые подвержены действию сжимающих нагрузок – там все предельно просто и наглядно.

Рассмотрим панели, испытывающие сложное напряженное состояние. Ярким примером могут служить панели, использующиеся для изготовления столешниц, см. рис.5

Рис. 5. Классическая схема нагружения сотовых панелей

• верхняя обшивка работает на сжатие;
• нижняя обшивка работает на растяжение;
• сотовый заполнитель работает на сдвиг.

Не вдаваясь в подробности анализа сложно-деформированного состояния панели, приведенной на рис.5, сделаем выводы, очень важные для мебельщиков: прочность и жесткость мебельных панелей, испытывающих сложные нагрузки, тем выше, чем выше прочность и жесткость обшивок и чем больше расстояние между обшивками.

Такой вывод совсем не означает, что прочность сотов на сжатие в данном случае не играет никакой роли: она необходима, по крайней мере, чтобы обеспечить технологический процесс склейки панели.

Другие физические свойства СЗ

Наряду с высокими массо-прочностными показателями сотовый заполнитель, состоящий до 95% из воздуха, обладает хорошей звуко- и теплоизоляцией, хорошо абсорбирует энергию.

Теплопроводность сотового заполнителя из бумаги толщиной 120 мкм и ячейкой 8 мм составляет 0,09 Вт/м 0К и определяется конвективным переносом тепла. С ростом размера ячейки конвекция тепла должна увеличиваться. В связи с этим за рубежом для снижения теплопроводности до величин 0,04-0,06 Вт/м 0К ячейки СЗ заполняют вспенивающимся составом или стекловолокном (стекловатой), особенно при использовании крупноячеистого заполнителя.

Звукоизолирующие свойства панелей с СЗ очень сильно зависят от конкретной конструкции этих панелей. Для демонстрации возможностей приведем результаты, представленные в табл.2.

Таблица 2.

Звукоизолирующие свойства панелей с СЗ

Описание образца	Коэффициент звукопоглощения, % при частотах, Гц
	250	500	1000	2000	4000	6300
Два слоя оргалита толщиной 2,5мм с сотовым заполнителем между слоями из картона (толщина 1мм)	15,0	20,0	37,0	46,0	68,0	73,0

Примечания.

• Определяемый показатель – звукопоглощение а диапазоне частот 250-6300 Гц.
• Метод испытаний: ГОСТ 23124-78.
• Размеры образцов: 100х100 мм.

Где и как использовать соты

Здесь сразу нужно отметить, что СЗ не панацея. Он не является безальтернативным материалом, который в ближайшее время вытеснит все традиционные материалы, используемые сегодня в мебельной промышленности.

Однако есть несколько направлений, где конкурировать с СЗ практически невозможно.

Во-первых, это изготовление мебельных элементов повышенной толщины.

В этом случае великолепно сочетаются физико-механические свойства и экономические показатели.

Как было показано ранее, при увеличении толщины СЗ прочность панелей возрастает, при этом вес такой конструкции увеличивается незначительно. Так вес «мебельной» соты размером 2000х800х50 мм составляет всего около двух килограммов, теперь сравните этот показатель с весом такой панели, изготовленной из ДСП – 58 кг.

Стоимость же СЗ при увеличенных толщинах существенно ниже стоимости традиционных материалов. Кроме того, сюда, как минимум, следует добавить и экономию при транспортировке.

Немало важным фактором является и тот факт, что при изготовлении мебельных панелей с СЗ вы не ограничены в своих фантазиях стандартными толщинами, например ДСП, которые предлагает сегодня рынок.

Во-вторых, это возможность изготовления мебельных конструкций, имеющих криволинейные поверхности второго порядка.

Это могут быть конструкции как с постоянным радиусом кривизны, так и с переменным. При изготовлении таких изделий у вас не будет ни дополнительных отходов, ни дополнительной механической обработки. Вам даже во многих случаях не придется изготавливать сложные дополнительные приспособления.

Для изготовления криволинейных конструкций используют СЗ с прямоугольной формой ячейки. Такой СЗ можно легко получить из серийно выпускаемого СЗ с шестигранной ячейкой путем дополнительной растяжки сотов – при этом шестигранные ячейки принимают форму четырехугольников. Склейку же криволинейных элементов мебели можно производить вакуумным формованием.

В-третьих, это изготовление плоских мебельных панелей с фасонной лицевой поверхностью. При склейке таких сотопанелей не требуется дополнительная механическая обработка СЗ – в нужных местах соты «продавливаются» филенчатой обшивкой во время процесса склейки.

В заключение хочется подчеркнуть, что сотовый заполнитель является одним из наиболее экономичных современных конструкционных материалов. Высокая прочность при малом весе, низкая стоимость, экологическая чистота, высокая тепло- и звукоизоляция, способность хорошо воспринимать ударные нагрузки, высокая технологичность переработки – все эти факторы определяют широкий диапазон использования сотового заполнителя, который ограничен только Вашей фантазией.