Untersuchungen zum Einflug ausgew ihlter
von Spanplatten auf die Schallemission bei
P. Niemz, k. J. Kucera, E. Prid6hl, H. Poblete
Holz als Roh- und Werkstoff 55 (~997) 149-15z :.e~ Springer-Verlag 1992
Strukturparameter
Biegebelastung
An einschichtigen, labortechnisch hergestellten Spanplat- ten aus Pinus radiata wurde der Einflut~ der mitderen Plattenrohdichte und des Festharzanteiles auf die mecha- nischen Eigenschaften und die Schallemission gepriiff. Die Impulssumme steigt mit zunehmendem Belastungsgrad an. Eine Erh6hung yon Rohdichte und Festharzanteil be- wirken einen Anstieg der freigesetzten Impulse. Zwischen der Impulssumme bei 40% der Bruchlast und dem E- Modul besteht eine straffe Korrelation, die allerdings auch durch die starke Dichte- bzw. Festigkeitsspreizung des Versuchsmaterials mitbedingt ist.
Influence of board density and solid resin content on the acoustic emission of particleboards
The elastomechanical properties as well as the acoustic emission of laboratory scale particleboards made from
Pinus radiata chips were measured. The number of
acoustic counts increased in parallel with board density and solid resin content. Between the total number of count at 40% MOR and the MOE a highly significant correlation was found which, howeve,', is partty caused by the wide range of board densities applied in this project.
1
Einleitung
Die Eigenschaften yon Spanplatten werden wesentlich dutch deren strukturellen Aufbau, insbesondere die Roh- dichte, den Festharzanteil und die Spangeometrie beein- fluflt. Ober den Einflufl der Struktur auf die Schallemission liegen bisher kaum Arbeiten vor. Im Rahmen der vorlie- genden Untersuchungen sollen an labortechnisch herge- stetlten Spanplatten
- der Einflug der mittleren Rohdichte und des Fest- harzanteiles auf die mechanischen Eigenschaften und die Schallemission sowie
- die Korrelation der Schallemission mit den mechani- schen Eigenschaften geprtift werden.
P. Niemz und L. I. Kucera ETH-Zentrum Ztirich D-WAHO l{olzwissenschaften CH-8092 Ztirich
E. Prid6hl
Fraunhoferinstitut fiir zerst6rungsfreie Pdifverfahren (EADQ) Dresden
H. Poblete
Universidad Austral de Chile Valdivia, Chile
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Erkenntnisstand
Zur Anwendung der Schallemissionsanalyse an Holz und Holzwerkstoffen wurden vielfach Untersuchungen durch- gef~hrt.
Bekannt ist, daft Unterschiede in der Impulssumme zwischen Vollholz, Spanptatten und MDF vorhanden sind (Niemz, Wagner, Theis (1983); Niemz und H~nsel (1987); Niemz, H~insel und Schweitzer (1989)) und dal~ Schall- signale welt unterhalb der Bruchlast auffreten. Die Holz- feuchtigkeit, Kerben, Defekte u.a. Parameter beeinflussen die Schallemission sehr stark.
Bei Holzwerkstoffen werden bereits bei niedrigeren Be- [astungsgraden Schallimpulse freigesetzt als bei Votlholz. Die Summe der bei MDF freigesetzten Impulse ist ge- ringer als bei Spanplatten, was m6glicherweise auf die thermomechanische Vorbehandlung des Holzes beim D~impfen der Hackschnitzel zuriickzufiihren ist (s. Niemz; Wagner; Theis (1983)). Zum Einflug der Struktur und zur Korrelation zwischen Schallemission und mechanischen Eigenschaften liegen nur wenige Ergebnisse vor.
Beall (1986) wies bei Laborspanplatten mit starker Dichte- und Festharzanteilspreizung eine Korrelation der Querzugfestigkeit mit der Impulssumme nach.
Bei IndustrieU gefertigten Platten war keine Korrelation zwischen der Impulssumme beim Bruch und den mecha- nischen Eigenschaften feststellbar. Dagegen korrelierte die Last bei der H~ilfte des Maximums der emittierten Impulse recht gut mit der Festigkeit.
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Versuchsmaterial und -durchffihrung
3.1
Versuchsmaterial
Es wurden einschichtige Laborspanplatten mit 16 mm Plattendicke und den in Tabelle 1 dargestellten technolo- gischen Parametern nach der nachstehend aufgef/ihrten Technologie gefertigt.
Pro Variante wurden 4 Platten hergestellt. Sp~ine:
Es wurden Hackschnitzel aus Radiata pine auf einem Messerringzerspaner Pallmann PZ 8 mit 0,4 mm Messer- /iberstand zerspant.
Eine Nachzerkleinerung erfolgte nicht.
Die mittlere Spandicke betrug 0,39 ram, die mitflere Spanl/inge 14,4 mm.
Die Sp~ine wurde in einem Trockenschrank auf 3-5% ge- trocknet.
Die Plattennennrohdicke betrug i7,5 ram, die Fertigdicke 16 ram.
Tabelle 1. Technologische Parameter der Platten
Table 1. Technological parameters of laboratory scale particle- boards under study
Nennrohdichte Festharzanteil in kg/m 3 in % 550 5 8 11 650 5 8 I1 750 5 8 11 Klebstoff:
Als Klebstoff wurde Adelite 3048 (Oxiquim S.A., Con- cepcion/Chile) verwendet.
Die Festharzkonzentration beim Versprtihen betrug 46%. Als H~irter wurde NH4C1 (20%ig) eingesetzt, Paraffin wurde nicht zugegeben.
Beleimung:
Die Beleimung erfolgte in einer Laborbeleimmaschine Typ Drais FSP 80 nach dem Spriih-Umw~ilzverfahren.
Viiesbildung:
Das Vlies wurde yon Hand im Formrahmen (530 * 530 ram) gebildet.
Es wurden einschichtige Platten hergestellt. Pressen:
Die Platten wurden mit einer Laborpresse Typ Btirkle LA 160 verpreflt.
Die Pregtemperatur betrug 140 ~ die Preflzeit 8 rain, die Verdichtungszeit 1 min.
Nach 5 rain erfolgte eine Druckreduzierung auf 2/3, nach 6 min auf 1/2 des Maximaldruckes.
KonditionierenlSchleifen:
Nach dem Pressen erfolgte eine viert~igige Konditionie- rung. Danach wurden die Platten mittels Zylinderschleif- maschine auf die Fertigdicke yon 16 m m geschliffen.
3.3 Priifung
Nach der Klimatisierung wurden Biegest~ibe (DIN 52362 T1) und Querzugfestigkeitsproben (DIN 52365) einge- schnitten.
An diesen Proben wurden
- die Rohdichte (am Biegestab)
- die Biegefestigkeit sowie der Biege-E-Modul und
- die Schallemission w/ihrend der Biegepriifung
bestimmt.
Zur Schallemissionsmessung wurden die Schallemissions- karte SE 3243 mit dazugeh6render Software), ein Sensor mit Resonanzfrequenzen im Bereich zwischen 20-300 kHz sowie der Vorverst~irker SEK 3202 v o m Fraunhoferinstitut fiir zerst6rungsfreie Priifverfahren, EADQ, Dresden, ver- wendet.
Folgende Parameter wurden bei der Schallemissionsmes- sung genutzt:
- Vorverst~irkung: 40 dB
- Haupwerst/irkung: 10 dB
- Schwelle: 50 mV
- Nachtriggerzeit: 1000 ps
Der Sensor wurde 2 cm yon der Probenmitte (Bruchstelle) entfernt befestigt.
Zur Verbesserung der Signal/.ibertragung wurde Maschi- nenfett als Koppelmedium genutzt.
W~ihrend der Belastung wurden die Kraft und die dazu- geh6renden Schallsignale sowie die Energie und die Am- plitude der Signale ermittelt.
4
Versuchsergebnisse 4.1
Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 2 darge- stellt.
Sowohl Rohdichte als auch Festharzanteil bewirken den bekannten Anstieg der mechanischen Eigenschaften.
Auf Grund der geringen Rohdichte von Radiata pine (etwa 400...450 kg/m 3, bei jungem Holz meist niedriger) werden bereits bei verMltnism~ifiig niedriger Plattenroh- dichte (etwa 610 kg/m ~) die erforderlichen Normwerte fiir die Festigkeit nach DIN 68761 f/it den Typ FPY erreicht.
4 . 2
S c h a l l e m i s s i o n
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 sowie Biid 1-5 dargestellt. Die Impulssumme steigt mit zunehmendem Bela- stungsgrad exponentiell an (Tabelle 3; Bild 1).
Dies ist auf die mit wachsendem Belastungsgrad (Ver- hiiltnis Biegespannung/Biegebruchspannung) steigende Anzahl an zerst6rten zwischenpartikul~iren Bindungen zur/ickzuf/ihren.
Die Impulsrate (Impulse pro s) weist dagegen bedingt dutch die Individualit~it der einzelnen Bruchereignisse
Tabelle 2. Mechanische Ei- genschaften der verwendeten Laborspanplatten
Table 2. Mechanical properties of laboratory scale particle- boards under study
Nennrohdichte Festharzanteil
kg/m 3 % Eigenschaft E-Modut Biegefestigkeit N/mm 2 Querzugfestigkeit N/ram 2
N/ram 2 550 5 18,8 2370 0,7 8 21,8 2762 1,1 I 1 21,6 2744 1 650 5 23,9 2822 0,9 8 25,6 3189 1,3 1 ! 30,7 3760 1,7 750 5 33,5 4337 0,8 8 36,7 4427 1,6 11 38,1 5119 1,7
Tabelle 3. Einflufl des Belas- tungsgrades B auf die lm- pulssume bei Biegebelastung Table 3. Influence of load level (B) on integral acoustic counts during bending test
Rohichte in kg/m 3 Festharzanteil in %Regressionsgteichung Korrelationskoeffi-
zient 550 5 I = 4,52, 1,09 exp B 0,94 8 I = 1,8,1,08 exp B 0,96 I1 I = 2,3 9 1,08 exp B 0.95 650 5 I = 3,51 9 1,07 exp B 0,96 8 1 = 3,12 * 1,07 exp B 0,98 11 I = 13 * 1,04 exp B 0,95 750 5 I = 18,01 * 1,04 exp B 0,94 8 I = 8,4 9 1,03 exp B 0,93 11 I --= 6,69.1,04 exp B 0,96 B -- Belastungsgrad (Biegespannung/Biegebruchspannung); B = Load level (bending stress/failure stress)
Unstetigkeiten auf. Trotzdem ist generell der gleiche Trend wie bei der I m p u l s s u m m e vorhanden (Bild 2). Dies ist u.a. auf die bekannte Korrelation zwischen der Riflbinge und den freigesetzten Impulsen zurtickzuf/.ihren. Mit steigen- der Riflbinge erh6ht sich die Anzahl der freigesetzten Impulse.
Eine Erh6hung yon Rohdichte und Festharzanteil be- wirken einen Anstieg der I m p u l s s u m m e (Bild 3 und 4).
Die Ursache ist sowohl bei Erh6hung der Rohdichte als auch des Festharzanteiles auf die steigende Anzahl an zwischenpartikul/iren Bindungen zurtickzufiihren. Eine Erh6hung beider Parameter fiihrt zum Anstieg an Quellen f/Jr eine m6gliche Schallemission.
Auf Grund der jeweils individuell unterschiedlichen Bruchbitder der einzelnen Proben und des enormen Ein- flusses des Bruchbildes auf die Schallemission (s. Niemz, Hansel und Schweizer (1989)) ist die statistische Beurtei- lung solcher Parameter der Schallemission wie Energie, Amplitude etc. schwierig. Hierzu m~i/3te die erfordertiche Probenanzahl wesentlich erh6ht werden.
Bild 5 zeigt an einem Beispiel beim Biegebruchversuch die Energieverteitung und die Peakamplitude ats Funktion der Zeit.
Dabei ist deutlich zu erkennen, daft der/iberwiegende Tell der Signale kurz vor Beginn des Bruches emittiert wird. Sowohl Energie als auch Amplitude der freigesetzten Signale steigen mit dem Belastungsgrad deutlich an.
Der Bruch selbst ist durch erh6hte Energie- und Am- plitudensignale gekennzeichnet. 220
-1
] I
o~ E 66- ! 44 ~, ..j...~_..A_f/',./'~/'~v -/z 22 q/ " ' 2683 5165 7747 10329 129H 15493 18075 20657 23339 2582T Zeit (ms)Bild 2. Impulsrate bei Biegebelastung in Abh~ingigkeit von der Zeit. Rohdichte: 650 kg/m-~ Festharzanteil: 8%
Fig. 2. Countsts by bending strength as a function of the time density: density: 650 kg]m 3 adhesive amount: 8%
4.3
Korrelation zwischen Schallemission und mechanischen Eigenschaften
Eine unter Nutzung der Variation des E-Moduls und der Impulssumme bei jeweils 40% des Belastungsgrades durchgefiihrte Regressionsanalyse zeigte, daft eine gute Korrelation zwischen dem E-Modul und der Impulssumme besteht (Bild 6). Die Gate der Korrelation wird allerdings maflgeblich dutch die starke Dichte- und damit auch Fe- stigkeitsspreizung beeinflut~t. 450 400 350 300 E 2 5 0 200 ~:~- 15o 100 50 _ ~ B = 80 % Dichte 650 kg/m 3 B = 60 % - ~ B = 5 0 % ~ B = 4 0 % - I I I B = 20 % - - I 5 8 Festharzanteil (%) 350 , -2 3 o o . . . y . . . J I ~ = 1 0 % B 250 f ... ~ ... + 20 % B . .I 2oo 1 ... ,~ SO~B .... t , • 8o%B I ,X 1sol ... ! : 100 . . . 11
Bild 1. Einflu6 des Belastungsgrade. ~ und des Festharzanteils bei Biegebelastung auf die ]mputssumme. Rohdichte: 650 kgfm 3 Fig. 1. Influence of the rel. load and the adhesive amount upon to the number of the total counts, board density: 65o kg/m 3
50 4 ... =.:. ~.~._. . . .~.~..-::.":.'S ... ;.~, ... '
. . . . . . . !
550 600 650 700 750
Rohdichte (kg/m 3)
Bad 3. Einflufl der Rohdichte und des Belastungsgrades auf die Impuissumme bei Biegebelastung yon Spanplarten. Fest,harzan- tell: 8%
Fig. 3. Influence of the board density to the number on the counts by bending, adhesive amount: 8%
180 ~ 4500 r - - I o 1 0 % B . 1 6 0 i " + 2 0 % B . . . ~ i 1 4 0 ! . o 4 0 % B . . . ._-~'- - 9 9 I a ~ o o ! . . . ~ . . . ~ 9 .~ _E 6o L . . . _ z z - ~ _ J x : " ; - ~ - : ~ ? i 40 i . . . ~ . - ~ .: . . . i 20
I
. . . . . ~ Z - ~ 0 5 6 7 8 9 10 11 Festharzanteil (%)Bild 4. Einflufl des Festharzanteiles auf die Impulssumme bei Biegebelastung yon Spanplatten. Rohdichte: 650 kg/m -~
Fig. 4. Influence of the amount of the adhesive on the number of the counts by bending, board density: 650 kg/m 3
40O0 ; . . . i :7" 3500 i . . . E , i E 3000 ~.. Z~- 2500 . t.U "5 2000 i . . . i 1500 t Be a s t u n g s g r a d 40 ;/~ ', .', 1ooo i . . . t , ... 2_ i ... ...
2
.... i ... ! 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 Impu[ssumme IBild 6. Korrelation zwischen lmpulssumme und dem Biege-E- Modul bei einem Belastungsgrad yon 40%
Fig 6. Correlation between the number of the counts and MOE (at 40% of the bending strength)
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~_24
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a I 5 - > 4 J 13 E ~ 2 | [ 13.. 11 2582 5164 B r u c h b e g i n n ~ ! !1 I ' = ~ 7746 10328 '2910 15492 18074 20656 23330 25820 Zeit (ms) 8 r u c h b e g i n n 2582 5164 7746 10328 12910 15492 18074 20656 23330 25820 Zeit (ms)BHd 5. a und b. Signaiparameter yon Einzelsignalen bei Biege- belastung yon Spanplatten. Rohdichte: 650 kg/m 3 Festharzanteil: 8% a) Energie b) Peakamplitude
Fig. 5. a and b. Parameters of individual signals by bending from particleboards, board density: 650 kg/m 3 adhesive amount: 8% a) energy b) peakamplitude
5 Literatur
Beall, F. (1986): Effect of the resin content and density on acoustic emission from particleboard during internal bond testing. Forest Prod. J, 36:z9-33
Nienlz, P.; Wagner, M.; Theis, K. (1983): Untersuchungen zu Anwendungsm6gtichkeiten der Schallemissionsanalyse in der Holzforschung. Holztechnologie 24:9t-94
Niemz, P.; H~insel, A. (1987): Untersuchungen zum Verformungs -und Bruchverhalten yon Spanplatten. Holztechnologie z8: 139- 142
Niemz, P.; tiinsel, A.; Schweitzer, F. (t989): Untersuchungen zu ausgew';ihlten Einflutgr66en auf die Schallemission yon Vollhotz und Holzwerkstoffen. Hotztechnologie 30:44-46
Niemz, P.; Liihmann, A. (1992): Anwendung der Schallemissi- onsanalyse zur Beurteilung des Bruchverha[tens yon Holz und Holzwerkstofffen. Holz Roh- Werkstoff 5o: 191-194
