Наряду с обожженной глиной древнейшим строительным материалом в лесистых местностях являлось дерево. Много памятников деревянной архитектуры древней Руси, изобиловавшей лесами, сохранилось в нашей стране. С переходом человека к оседлому образу жизни появляется также и деревянная мебель.
Первоначально в старинных деревянных постройках для скрепления отдельных частей не применялось никаких посторонних материалов. До наших дней сохранились деревянные здания, построенные без единого железного гвоздя или другого металлического скрепляющего материала. Основным видом соединения деталей, при котором не применялось посторонних скрепляющих материалов, являлась так называемая врубка. С развитием техники строительного дела для скрепления дерева стали применяться металлические скобы, болты, гвозди, шайбы и т. п. Кроме того произошло разделение мест заготовки строительного материала и его использования.
С конца XIX в. и до нашего времени металлические и деревянные крепления при постройке зданий и других деревянных конструкций все более и более заменяются клеевыми креплениями.
В последнее время, кроме того, применяются новые методы обработки дерева, состоящие в его пропитке различными смолами, которые действуют как мягчители, пластификаторы. После такой обработки дерево мало поглощает влагу, его механические свойства улучшаются. Кроме того, пропитка действует как антисептик, препятствуя процессам гниения. Подобные материалы называются деревянными пластиками или облагороженной древесиной (дельта-древесина, балинит).
Изменение методов крепления привело к тому, что строительный материал стал изготовляться заводским путем, так как склеивание отдельных частей, приготовление фанеры, операции пропитки требуют наличия специальных цехов, где производятся работы как по приготовлению клея, так и по операциям склеивания и пропитки.
Клеи, употребляемые для склеивания строительных материалов, должны быть водостойкими и не разрушаться под действием атмосферных осадков. В некоторых случаях клеи должны выдерживать постоянное воздействие грунтовой воды, например при склеивании свай, служащих опорами мостов, а также морских и других гидротехнических сооружений.
Одним из важнейших строительных материалов является фанера. Принцип производства фанеры основан на получении такого материала, который был бы одинаков по своим механическим свойствам в различных направлениях; это достигается путем расположения слоев дерева при склеивании во взаимно перпендикулярных направлениях. Дерево является волокнистым материалом и обладает повышенной прочностью в направлении, перпендикулярном волокну, тогда как расщепление вдоль волокон осуществляется легко. Это известно каждому, кто, например, имел дело с колкой дров. Прочность древесины вдоль ее волокон в среднем в 20 раз превышает прочность в поперечном направлении. Кроме того, и растяжимость (характеризуемая модулем упругости) в слое древесины различна в зависимости от направления. Если же в различных слоях волокна древесины будут расположены крест-накрест, то получится высокопрочный в любом направлении материал.
По такому принципу еще в древности склеивались листы папируса для получения высокопрочного письменного материала.
Методы получения тонких деревянных пластин и способы склеивания их различны. Есть несколько видов фанеры: в зависимости от механического способа обработки древесины фанера бывает пиленая, строганая и лущеная.
Лущеная фанера (так называемый шпон) получается сниманием с поверхности вращающегося блока широкой и длинной ленты древесины по спирали.
Пиленая фанера получается путем отпиливания тонкой пластины поперек ствола дерева машинным способом при помощи специальной пилы. Эта фанера изготовляется из ценных пород дерева и обычно употребляется для облицовки мебели и различных деревянных строительных деталей с целью их украшения. Большое значение в этом случае имеет повторяющийся рисунок годичных слоев на поперечном срезе. Строганая фанера получается в виде стружки, срезанной ножом строгальной машины. Склеивание фанеры производится по крайней мере в три слоя. Лучшими техническими показателями обладает, однако, многослойная фанера. Преимущество этого материала состоит в том, что он мало деформируется при различных атмосферных колебаниях. При набухании и последующем высыхании дерево изменяется в объеме неравномерно в различных направлениях. В многослойной же фанере это исключено, так как два соседних слоя взаимно препятствуют сокращению в объеме. Однако многослойная фанера является менее гибкой, чем трехслойная.
Перед изготовлением пластин дерево проваривают или пропаривают, а затем сушат. Нанесение клея производится машинным способом. Существует несколько различных способов склеивания в зависимости от природы клея.
Кроме фанеры, заводским путем заготавливаются разнообразные строительные детали: клеефанерные щиты, балки, арки, сваи. Для строительных целей, например многоэтажных перекрытий, в самолетостроении и т. д., широко применяется клееный материал коробчатого и двутаврового сечения.
При этом склеивается не только дерево с деревом, но также металл с металлом и дерево с металлом.
Большое значение процессы склеивания имеют в самолетостроении. Применение вместо металла прочных водостойких клеев в креплениях облегчает конструкцию и экономит металл, что имеет важное народнохозяйственное значение.
Операции склеивания применяются, в основном, в производстве каркасной группы самолета. В конструктивную группу каркаса входят: крыло, фюзеляж, оперение и другие части. Крыло является важной частью самолета, так как оно должно создавать подъемную силу. От материала крыла требуется высокая прочность, жесткость и малый удельный вес. Форма крыла, так же как и его профиль, бывают различными в зависимости от типа конструкции. При полете крыло деформируется, так как подъемная сила, действуя на него снизу вверх, изгибает его. При этом элементы, из которых построено крыло, испытывают различные виды деформаций. Если эти деформации перейдут так называемый предел упругости материала, то они не исчезнут по прекращении действия силы, что вредно отзовется на работе самолета. Отсюда следует, что материалы, из которых построено крыло, и его форма должны быть подобраны таким образом, чтобы исключить возможность остаточных деформаций.
Крыло строится из ряда конструктивных элементов: так называемых лонжеронов, стрингеров и нервюр.
Лонжероны расположены вдоль крыла. Они представляют собою деревянный или металлический коробчатый брус или металлическую балку двутаврового сечения и состоят из отдельных, скрепленных между собою частей. Скрепление металлических и деревянных частей обычно осуществляется путем склеивания.
Стрингеры являются опорой для обшивки крыла и связывают поперечные элементы, так называемые нервюры, которые воспринимают воздушную нагрузку и служат для сохранения профиля крыла. И стрингеры и нервюры являются элементами, клееными из дерева и металла.
Стыковые узлы этих частей также крепятся при помощи клея. Каркас покрывается обшивкой из легкого металлического сплава — дуралюминия или березовой фанеры лучшего сорта — так называемой авиафанеры.
Обшивка воспринимает воздушные нагрузки и передает их на крыло, поэтому она должна быть очень прочной. Обшивка может состоять из слоев металла или фанеры, между которыми находится легкий наполнитель.
Фюзеляж (т. е. корпус самолета), так же как и другие части каркасной группы, построен из подобных вышеописанных клееных деревянных и металлических элементов. Части самолета обычно делаются разъемными, что облегчает их ремонт и замену.
Таким образом, мы видим, что клеи используются для ответственнейших операций крепления узлов различных конструкций и для изготовления новых строительных материалов на основе древесины.
Склеивание дерева производится также и в мебельном производстве.
Переход от металлических к клеевым способам крепления частей мебели произошел в XIV—XV вв.; с этого началась новая эпоха в истории мебельного производства. С этого же времени большую роль стали играть процессы внешнего оформления: художественной росписи, позолоты, лакирования, а также украшение мебели при помощи облицовки ценными сортами дерева. Эти виды работ были известны еще в древности, но они оказались почти забытыми в средние века. Средневековая мебель была грубой и примитивной, сколоченной при помощи гвоздей, шпонок, заклепок и т. п.
В эпоху Возрождения украшением мебели (резьбой, раскраской и т. д.) занимались часто известные художники. Наиболее распространенный способ украшения дерева — облицовка — состоит в наклеивании тонких пластинок ценных пород (например, красного дерева, ореха, палисандра, березы, груши, розы, лимона и т. д.) на менее ценные сорта для придания им красивого внешнего вида. Эти пластинки достигают иногда толщины папиросной бумаги и требуют специально приготовленного клея, который не пропитывал бы их насквозь.
Еще более тонкие операции склеивания и лакирования требуются при изготовлении музыкальных инструментов: щипковых, смычковых, клавишных и т. д.
Звук капризен. Различные причины: порода дерева, его возраст, местность, в которой оно растет, свойства клея и лака, которыми оно склеивается и отделывается, — все эти факторы влияют на звучание музыкального инструмента. Звукопроводимость древесных пород различна, также как и их способность резонировать. В этом приходилось убеждаться длительным эмпирическим путем. Так, например, яблоня являлась старинным и испытанным материалом для гуслей, но для скрипки она не годится. Скрипка — сложный инструмент, она склеивается из различных пород дерева. Ее гриф — из эбенового дерева, верхняя дека — из пихты или сосны, нижняя — из клена. Эти части склеиваются мездровым клеем, особо приготовленным из шкур мелких животных — зайца, кролика, причем операциям склеивания предшествует длительная подготовка дерева. Для лакирования скрипок, лютен и других деревянных инструментов применялся лак на основе янтаря. Клеи и лаки старинных мастеров составляли секрет рода, передававшийся из поколения в поколение.
Знаменитый мастер Страдивари, скрипки которого настолько прочны, что живут уже в течение нескольких столетий, всю свою жизнь искал наилучшую форму и материал для своего инструмента и только в возрасте пятидесяти шести лет, наконец, овладел искусством изготовления скрипки.
В России замечательным скрипичным мастером был крепостной графа Шереметьева И. А. Батов, получивший свободу только в старости, незадолго до смерти. Его продолжатели — советские мастера Е. Ф. Витачек и Т. Ф. Подгорный по праву считаются первоклассными мастерами.
Много было затрачено энергии и проявлено изобретательности для того, чтобы разработать принципы, на которых основано изготовление современных клавишных инструментов: рояля, пианино и т. п.
У клавесинов и клавикордов (инструментов, вытесненных впоследствии фортепиано) звук был слабым и коротким: он возникал в результате удара по струне металлической пластинкой (клавикорд) или защипывания струны пером (клавесин). В современном инструменте по пучку струн ударяет молоточек. Этот принцип заимствован у народных инструментов — цимбал, в которых удар сообщается металлической пластинке или струне. Молоточки рояля, составляющие так называемую молоточковую механику, которая передает струне удар пианиста по клавише, оклеены кусочками фетра для смягчения звука. У рояля, так же как у скрипки и ряда других инструментов, имеется деревянная резонирующая часть, называемая декой или резонансной доской.
От деки зависит окраска звука, его тембр. Резонансная доска, соединенная с металлической рамой, на которую натянуты струны, подвергается большим напряжениям. Она склеивается из нескольких досок красного букового дерева мездровым или костным клеем самого высокого качества. Дерево должно быть предварительно выдержано и специально обработано.
Вот как, например, описывает знаменитый композитор В. Моцарт работу мастера Штейна над своими инструментами, тогда только что завоевавшими признание: «Его инструменты очень прочны. Достаточно посмотреть, как он строит резонансную гармоническую доску. Изготовляя ее, он выставляет ее на воздух, на солнцепек, под дождь, под снег, всем чертям на расправу для того, чтобы доска расщепилась. Тогда с помощью пластинок, которые он солидно вклеивает, он заполняет трещины. Когда гармоническая доска так приготовлена, можно ручаться, что ей ничего не сделается».
В наше время клавишные инструменты продолжают совершенствоваться. Замечательный инструмент, названный «Эстония», построен советским мастером Э. Хиизом.
Что же представляет собою клей для дерева, какими свойствами он должен обладать? В последнее время появился ряд новых видов склеивающих материалов, изобретенных советскими учеными. Но прежде чем перейти к описанию новых видов клея, следует сказать о старых испытанных клеях для дерева и о методах его склеивания.
Дерево является волокнистым и пористым материалом. В зависимости от ширины пор и плотности различают мягкие сорта (ель, сосна) и твердые сорта с узкими порами (дуб, орех, бук). Очень старым видом клея для склеивания мебели, различных предметов домашнего обихода, музыкальных инструментов и т. д. является животный клей, костный или мездровый. Мы уже упоминали, что образцы этого клея находили при археологических раскопках и что за несколько тысячелетий, прошедших со времени их изготовления, эти образцы сравнительно мало изменились. Технология склеивания дерева животным клеем, вырабатывалась веками. Если процесс ведется правильно и выполняются все необходимые условия, то прочность склеивания столь высока, что при испытаниях разрыв всегда происходит по дереву.
Важнейшим условием хорошего склеивания является правильная сушка дерева. Высушивание должно проводиться постепенно, путем выдерживания в определенных условиях температуры и влажности. В настоящее время разработана теория сушки, на основании которой конструируются специальные установки. Перед склеиванием дерево нагревается, при этом его поры расширяются. Особенно это обстоятельство важно для твердых пород, обладающих узкими порами. Дерево подогревается в теплом помещении, температура которого строго регулируется во избежание перегрева, приводящего к браку.
Твердый клей (выпускаемый обычно в виде плиток) должен вначале набухнуть в течение нескольких часов или даже суток. Время набухания сильно сокращается, если клей находится в порошкообразном состоянии. Растворение происходит при 60—70°С на водяной бане. Кипятить клей на голом огне не следует, так как при этом его основная часть подвергается распаду. После склеивания следует прессование под давлением в прессе, где склейки выдерживаются в течение нескольких часов. В этот период происходит внедрение клея в поры, его застудневание и отдача излишней воды древесному волокну. Тонкая пленка клея должна заполнять все неровности между двумя поверхностями. Если этого нет, то получается брак, так называемое «тощее», или «голодное», склеивание. Другой вид брака состоит в том, что при избытке клея последний застудневает прежде, чем изделие попадет под пресс, вследствие чего пленка клея отстает от дерева. Причиной брака в этом случае служит слишком высокая концентрация клея, заниженная температура склеивания и недостаточное давление. Если перед склеиванием дерево слишком сильно нагрето, то оно жадно поглощает воду из клеевой пленки и быстро ее испаряет. В результате пленка затвердевает прежде, чем изделие попадет под пресс. В этом случае также получается слабое сцепление пленки клея с деревом.
Весьма ценным при исследовании прочности склеивания является метод микрофотографирования при окрашивании препарата соответствующими красителями.
В хороших склейках клей должен пропитывать только ту часть пор, которая расположена у поверхности, а не всю пластинку насквозь. Но при облицовке ценными сортами дерева употребляются пластинки иногда такие же тонкие, как лист бумаги. Чтобы предотвратить в этом случае пропитывание, клей уплотняют мелом, гипсом, древесной мукой и др. При прессовании используют металлические прокладки, обычно цинковые, так как, например, алюминий, железо и некоторые другие металлы взаимодействуют с таннидами дерева. Для приклеивания пластинок слоновой кости к дереву клавиша рояля применялся осветленный клей с добавлением 1/4 весовой части раствора мастики в спирту и очень тонко растертых цинковых белил.
В настоящее время для клавишных пластинок применяются пластмассы (например галалит, неолейкорит), приклеиваемые синтетическими клеями.
Помимо мездрового и костного (так называемого столярного) клея, склеивающим веществом которого является высокомолекулярное соединение — коллаген, большое значение имеют другие белковые клеи: казеиновый и альбуминовый. В соединении с известью и силикатцементами казеин дает чрезвычайно прочное сцепление с поверхностью дерева и широко используется для производства строительных материалов и склеивания элементов деревянных конструкций. Это тоже очень старый вид клея, но тем не менее казеиновый клей до настоящего времени не утратил своего значения.
К недостаткам животных клеев следует отнести их малую водостойкость, кроме того, они разрушаются под действием микроорганизмов. Водостойкость казеиновоизвесткового клея является повышенной, но для гидротехнических сооружений он все же не может применяться.
В настоящее время для склеивания дерева применяются клеи марок В-105 и В-107. В состав их входят казеин, гашеная известь (пушонка), фтористый натрий, медный купорос и керосин. Известь сообщает клею водостойкость, фтористый натрий, создавая щелочную среду, способствует растворению казеина, керосин устраняет комкование. В клеевой массе происходит ряд химических превращений, результатом которых является затвердевание.
Особое значение при склеивании дерева в настоящее время имеют так называемые универсальные клеи: карбинольный клей и клеи БФ различных марок.