Введение

Фанера – это композитный материал, изготовленный из тонких слоев или "пластов" древесного шпона, которые склеиваются вместе со смежными слоями, причем каждый слой склеен с соседним под прямым углом или углом 90 градусов. Это искусственная древесина, относящаяся к семейству плит, включающему фанеру, древесноволокнистую плиту средней плотности (MDF), ориентированно-стружечную плиту (OSB) и частицево-стружечную плиту (или ДСП). Все виды фанеры связывают смолы и листы древесных волокон (целлюлозные клетки длинные, прочные и тонкие) для формирования композитного материала. Такое чередование направления волокон называется перекрестным расположением слоев и имеет несколько важных преимуществ: оно снижает склонность древесины к раскалыванию при забивании гвоздей по краям; уменьшает расширение и сжатие, обеспечивая повышенную стабильность размеров; и делает прочность панели одинаковой во всех направлениях. Обычно фанера состоит из нечетного количества слоев, что обеспечивает баланс и снижает коробление. Благодаря склеиванию слоев с противоположным направлением волокон и нечетному количеству компонентов, фанера обладает высокой жесткостью перпендикулярно направлению волокон верхнего слоя. Более тонкая и низкокачественная фанера может состоять только из слоев, расположенных под прямым углом друг к другу. Некоторые более качественные виды фанеры специально изготавливаются с пятью слоями, расположенными с шагом в 45 градусов (0, 45, 90, 135 и 180 градусов), что обеспечивает прочность по нескольким осям. Слово "ply" (пласт) происходит от французского глагола plier – "складывать", от латинского глагола plico, от древнегреческого глагола πλέκω.

История

Древние египтяне и греки пилили древесину на тонкие листы и склеивали их в слои, располагая направление волокон перпендикулярно друг другу, поскольку качественной древесины было мало. Считается, что это делалось исключительно из косметических и экономических соображений, но оказалось, что такая конструкция является отличной альтернативой цельной древесине, поскольку она снижает гибкость и делает материал универсальным для строительства. В 1797 году Сэмюэл Бентам подал заявки на патенты, охватывающие несколько машин для производства шпона. В своих патентных заявках он описал концепцию ламинирования нескольких слоев шпона с помощью клея для получения более толстой заготовки – это было первое описание того, что мы сейчас называем фанерой. Бентам был британским морским инженером, на счету которого множество изобретений в области судостроения. Шпон того времени распиливался радиально, тангенциально или полурадиально, то есть вручную вдоль или поперек бревна под разными углами к волокнам, что ограничивало его ширину и длину. Примерно через пятьдесят лет Иммануил Нобель, отец Альфреда Нобеля, понял, что несколько тонких слоев древесины, склеенных вместе, будут прочнее, чем один толстый слой. Осознавая промышленный потенциал ламинированной древесины, он изобрел роторный шпонорез. Сохранилось мало записей о раннем внедрении роторного шпонореза и последующей коммерциализации фанеры в том виде, в котором мы знаем ее сегодня, но в 1870 году французский словарь Робер описывает процесс производства шпона на роторном шпонорезе в статье Déroulage. Таким образом, можно предположить, что производство фанеры с использованием роторного шпонореза было хорошо налажено во Франции в 1860-х годах. Фанера была впервые представлена в Соединенных Штатах в 1865 году, а промышленное производство там началось вскоре после этого. В 1928 году в США были представлены первые стандартные листы фанеры размером 4 на 8 футов (1,22 м на 2,44 м) для использования в качестве общего строительного материала. Проводились эксперименты по склеиванию фанеры фенольными смолами, в основном в виде спиртового раствора или порошка, однако это не обеспечивало достаточной точности нанесения. Около 1930 года начал распространяться сухой способ склеивания шпона фанерой с использованием фенольной смолы в виде пленки при производстве водостойкой фанеры.

Структурные характеристики

Типичная фанерная панель имеет лицевые шпоны более высокого качества, чем шпоны сердцевины. Основная функция слоев сердцевины – увеличить расстояние между внешними слоями, где напряжения при изгибе достигают максимума, тем самым повышая сопротивление панели изгибу. В результате, более толстые панели могут перекрывать большие пролеты при той же нагрузке. При изгибе максимальное напряжение возникает в крайних слоях, один на растяжение, другой на сжатие. Напряжение при изгибе уменьшается от максимального значения в лицевых слоях до почти нуля в центральном слое. Сдвиговое напряжение, напротив, выше в центре панели и во внешних волокнах. В Европе фанеру можно разделить на три основные категории: березовая фанера (плотность приблизительно 680), смешанная фанера (плотность приблизительно 620) и хвойная фанера (плотность 460–520).

Мягкая древесина

Фанера из мягкой древесины обычно изготавливается из кедра, ели Дугласа или ели, сосны и ели (совместно известные как ель-сосна-ель или SPF) или красного дерева и обычно используется для строительства и промышленных целей. Наиболее распространенный размер – или немного больший имперский размер 4 фута × 8 футов. Толщина слоев варьируется от 1,4 мм до 4,3 мм. Количество слоев – всегда нечетное – зависит от толщины и сорта фанеры. Для кровли можно использовать более тонкую фанеру. Подполья должны быть толщиной не менее , при этом толщина зависит от расстояния между лагами пола. Фанера для напольных покрытий часто имеет соединение «шип-паз» (T&G); это предотвращает смещение одной доски вверх или вниз относительно соседней, обеспечивая ощущение прочного пола, особенно когда стыки не приходятся на лаги. Фанера с соединением «шип-паз» обычно встречается в диапазоне .

Жёсткая древесина

Шпон из твердых пород дерева изготавливается из древесины лиственных пород (дуба, бука и красного дерева) и используется для ответственных применений. Фанера из твердых пород дерева характеризуется превосходной прочностью, жесткостью, долговечностью и устойчивостью к ползучести. Она обладает высокой прочностью на сдвиг в плоскости и ударопрочностью, что делает ее особенно подходящей для тяжелых напольных и стеновых конструкций. Ориентированная конструкция фанеры обеспечивает высокую несущую способность. Фанера из твердых пород дерева обладает отличной твердостью поверхности, а также устойчивостью к повреждениям и износу.

Тропический

Тропическая фанера изготавливается из смешанных пород твердых тропических пород дерева. Изначально происходящая из Азиатского региона, сейчас она также производится в странах Африки и Южной Америки. Тропическая фанера превосходит фанеру из хвойных пород благодаря своей плотности, прочности, ровности слоев и высокому качеству. При производстве по высоким стандартам она обычно продается по более высокой цене на многих рынках. Тропическая фанера широко используется в Великобритании, Японии, Соединенных Штатах, Тайване, Корее, Дубае и других странах мира. Она используется в строительстве во многих регионах благодаря своей низкой стоимости. Однако леса многих стран, включая Филиппины, Малайзию и Индонезию, были чрезмерно вырублены, в основном из-за спроса на производство и экспорт фанеры.

Самолет

Высокопрочная фанера, также известная как авиационная фанера, изготавливается из махогани, ели и/или березы с использованием клеев с повышенной устойчивостью к нагреву и влажности. Она использовалась при строительстве десантных планеров во время Второй мировой войны, а также нескольких истребителей, наиболее известным из которых был британский многоцелевой самолет Mosquito. Фанера, получившая прозвище «Деревянное чудо», использовалась для поверхностей крыла, а также для плоских секций, таких как шпангоуты и лонжероны крыла. Фюзеляж обладал исключительной жесткостью благодаря склеенной конструкции типа «сэндвич» из фанеры и бальзы, составляющей его монококовую оболочку; имея эллиптическое поперечное сечение, он формировался из двух отдельных зеркально симметричных половин с использованием изогнутых форм. Конструкционная авиационная фанера чаще всего изготавливается из шпона африканского махогани, ели или березы, которые склеиваются вместе в горячем прессе поверх твердодревесных сердечников из липы или тополя, либо полностью из европейского березового шпона. Липа – еще один тип авиационной фанеры, который легче и гибче, чем фанера из махогани и березы, но обладает несколько меньшей прочностью. Авиационная фанера изготавливается в соответствии с рядом спецификаций, включая те, которые с 1931 года изложены в правилах Germanischer Lloyd для обследования и испытания авиационной фанеры, а также MIL P 607, в последнем из которых требуется испытание на сдвиг после погружения в кипящую воду в течение трех часов для проверки соответствия качества клея между слоями спецификациям. Авиационная фанера изготавливается из трех или более слоев березы общей толщиной, варьирующейся от… до…, и отличается высокой прочностью и легкостью. Самолет H-4 Hercules Говарда Хьюза был построен из фанеры. Самолет был построен компанией Hughes Aircraft Company с использованием технологии Duramold, сочетающей фанеру и смолу. Специализированный шпон для фанеры изготавливала компания Roddis Manufacturing в Маршфилде, штат Висконсин.

Декоративные (покрытия)

Обычно изготавливается из твердых пород дерева, таких как ясень, дуб, красный дуб, береза, клен, махагони, шорея (часто называемая лауаном, меранти или филиппинским махагони, хотя и не являющаяся настоящим махагони), палисандр, тик и множество других твердых пород.

Гибкий

Гибкая фанера предназначена для изготовления изогнутых деталей, практика применения которой восходит к 1850-м годам в мебельном производстве. Толстая трехслойная фанера из красного дерева, известная как "виггель-доска" или "гнущаяся доска", поставляется в листах с очень тонким центральным слоем, расположенным поперек волокон, и двумя более толстыми внешними слоями – либо с продольным волокном, либо с поперечным. Виггель-доску часто склеивают в два слоя после придания ей необходимой формы, чтобы конечная конструкция была жесткой и не деформировалась. Часто в качестве верхнего слоя добавляют декоративные шпоны. В Великобритании в викторианскую эпоху однослойные листы шпона использовались для изготовления высоких цилиндрических шляп, поэтому гибкую современную фанеру там иногда называют "фанерой для шляп", хотя исходный материал был не совсем фанерой, а одним листом шпона.

Другое

Другие виды фанеры включают огнезащитную, влагостойкую, с металлической сеткой, фанеру для изготовления вывесок и фанеру, обработанную под давлением. Однако фанеру можно обрабатывать различными химическими веществами для повышения ее огнестойкости. Каждый из этих продуктов разработан для удовлетворения конкретных промышленных потребностей. Балтийская березовая фанера производится в регионе Балтийского моря. Изначально она изготавливалась для европейских производителей мебели, но сейчас также пользуется популярностью в Соединенных Штатах. Она очень стабильна, состоит из цельного внутреннего слоя из березовой фанеры, уложенной крест-накрест, и склеена водостойким клеем. Лицевые слои фанеры толще, чем у традиционной фанеры для мебели.

Производство

Для производства фанеры требуется качественное бревно, называемое окоркой, которое обычно более прямое и большего диаметра, чем бревно, необходимое для распиловки на пиломатериалы пилорамой. Бревно укладывают горизонтально и вращают вокруг его продольной оси, в то время как длинный нож вдавливают в него, в результате чего тонкий слой древесины отслаивается (подобно непрерывному листу бумаги с рулона). Регулируемая прижимная планка, которая может быть цельной или роликовой, прижимается к бревну во время вращения, создавая "зазор" для прохождения шпона между ножом и планкой. Прижимная планка частично сжимает древесину во время отслаивания; она контролирует вибрацию ножа для отслаивания; и помогает поддерживать шпон заданной толщины. Таким образом, бревно отслаивается на листы шпона, которые затем обрезаются до необходимых размеров с запасом, чтобы компенсировать усадку (в зависимости от породы древесины) при сушке. Затем листы соединяются внахлест, сортируются, склеиваются и выпекаются в прессе при температуре не менее и давлении до (но чаще 200 psi) для формирования фанерной панели. После этого панель может быть заделана, мелкие дефекты поверхности, такие как трещины или небольшие сучки, могут быть зашпаклеваны, панель может быть обрезана, отшлифована или подвергнута другой обработке, в зависимости от рынка, для которого она предназначена. Фанера для внутренних работ обычно изготавливается с использованием менее дорогого клея на основе мочевиноформальдегидной смолы, который обладает ограниченной водостойкостью, в то время как фанера для наружных работ и морского применения предназначена для работы во влажных условиях и использует водостойкий клей на основе резорцинолформальдегидной или фенолформальдегидной смолы для предотвращения расслоения и сохранения прочности при высокой влажности. Клеи, используемые в фанере, вызывают все большее беспокойство. Мочевиноформальдегидная и фенолформальдегидная смолы являются канцерогенными при очень высоких концентрациях. В результате многие производители переходят на клеевые системы с низким содержанием формальдегида, обозначаемые рейтингом "E". Фанера, произведенная по стандарту "E0", практически не выделяет формальдегид. Помимо внимания к клеям, производители все больше внимания уделяют самим древесным ресурсам, что обусловлено, в частности, энергосбережением и заботой об охране природных ресурсов. Существует несколько сертификатов, доступных для производителей, участвующих в этих программах. Программа одобрения лесной сертификации (PEFC), Лесной попечительский совет (FSC), Лидерство в области энергоэффективности и экологического дизайна (LEED), Инициатива устойчивого лесопользования (SFI) и Greenguard – это программы сертификации, которые гарантируют устойчивость производственных и строительных практик. Многие из этих программ предлагают налоговые льготы как производителям, так и конечным потребителям.

Размеры

Наиболее часто используемый диапазон толщины составляет от… Размеры наиболее часто используемых листов фанеры – 4 x 8 футов (1220 x 2440 мм), которые впервые были использованы компанией Portland Manufacturing Company, разработавшей современную фанеру с лущевым сердечником для Всемирной выставки в Портленде 1905 года. Распространенный метрический размер листа фанеры – 1200 x 2400 мм. Это также распространенный европейский размер для фанеры из балтийской березы и авиационной фанеры. Размеры специализированной фанеры для опалубки бетона могут варьироваться, и существует множество форматов, хотя 15 × (19/32 дюйма × 2 фута 6 дюймов × 4 фута 11 дюймов) используется очень часто. Авиационная фанера доступна в толщинах (3-слойная конструкция) и выше; обычно для авиационной фанеры используются шпоны толщиной 0,5 мм (приблизительно 1/64 дюйма), хотя для изготовления некоторых более тонких панелей также используются гораздо более тонкие шпоны, такие как 0,1 мм.

Степень

Правила классификации различаются в зависимости от страны происхождения. Наиболее популярными стандартами являются британский стандарт (BS) и американский стандарт (ASTM). Однако Джойс (1970) приводит некоторые общие указания по правилам классификации:
+ Типичные западные сорта, согласно описанию Джойса.
A Лицевая и задняя шпоны практически не имеют дефектов.
A/B Лицевая шпон практически не имеет дефектов. Обратная шпон с небольшим количеством мелких сучков или обесцвечиваний.
A/BB Лицевая сторона как A, но обратная сторона допускает сращенные шпоны, крупные сучки, пробки и т.д.
B Шпон с обеих сторон с небольшим количеством мелких сучков или обесцвечиваний.
B/BB Лицевая шпон с небольшим количеством мелких сучков или обесцвечиваний. Обратная сторона допускает сращенные шпоны, крупные сучки, пробки и т.д.
BB Шпон с обеих сторон допускает сращенные шпоны, крупные сучки, пробки и т.д.
C/D Для конструкционной фанеры этот сорт означает, что на лицевой стороне сучки и дефекты заделаны, а на обратной стороне могут быть незаделанные сучки и дефекты. Ни одна сторона не является сортом для отделки и не шлифуется. Этот сорт часто используется для обшивки поверхностей здания перед покрытием другим продуктом, таким как напольные покрытия, сайдинг, кладка или кровельные материалы.
WG Гарантированно хорошо проклеен. Все выбитые сучки заделаны.
X Допускаются сучки, сучковые отверстия, трещины и все другие дефекты.
WBP Клей, устойчивый к атмосферным воздействиям и кипячению, используется в морской фанере. Обозначение заменено на EN 314 3.
+ Сорта по стандартам Japan Plywood Inspection Corporation (JPIC)
BB/CC Лицевая сторона как BB, задняя сторона как CC. BB характеризуется очень небольшим количеством сучков размером менее 1/4 дюйма, незначительным обесцвечиванием, отсутствием гнили, умело заделанными расколами и червоточинами, подобранным цветом, отсутствием пузырей и морщин. Самый популярный выбор для многих применений, таких как мебель, упаковка и строительство.

Приложения

Фанера используется во многих областях, где требуется высококачественный, высокопрочный листовой материал. Качество в данном контексте означает устойчивость к растрескиванию, поломке, усадке, скручиванию и деформации. Фанера, склеенная для наружных работ, подходит для использования на открытом воздухе, но поскольку влажность влияет на прочность древесины, оптимальные характеристики достигаются при относительно низком содержании влаги. Субzero температуры не влияют на размеры и прочность фанеры, что открывает возможности для некоторых специальных применений. Фанера также используется в качестве конструкционного материала для оболочечных конструкций, работающих на прочность. Она применялась в морской и авиационной промышленности со времен Второй мировой войны. Наиболее известным примером является британский бомбардировщик de Havilland Mosquito, фюзеляж которого был выполнен из березовой фанеры с балсовым сердечником, а крылья – в значительной степени из фанеры. Фанера также использовалась для корпусов моторных торпедных катеров (MTB) и моторных орудийных катеров (MGB) с жестким килем, построенных компаниями British Power Boat Company и Vosper's, американских торпедных катеров PT и десантных судов Higgins, имевших решающее значение для высадки в Нормандии. Американские дизайнеры Чарльз и Рэй Имз известны своей мебелью из фанеры, как и финский архитектор Альвар Аалто и его компания Artek, а Фил Болгер спроектировал широкий спектр лодок, построенных преимущественно из фанеры. Джек Кёпер из Кейптауна разработал парусную шлюпку Dabchick из фанеры, на которой по состоянию на 2015 год все еще плавало большое количество подростков. Фанера часто используется для создания изогнутых поверхностей, поскольку ее легко гнуть по направлению волокон. Скейтпарки часто используют фанеру в качестве гладкой верхней поверхности над изогнутыми участками для создания переходов, имитирующих форму океанских волн.