Композиция для изготовления прессованных древесных материалов

 

Изобретение относится к композициям для получения экологически чистых прессованных древесных материалов, которые могут быть использованы в промышленном и гражданском строительстве, в производстве мебели. Композиция включает отходы деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности в виде измельченных древесных частиц и связующее. В качестве связующего композиция содержит продукт взаимодействия моноаммонийфосфата, диаммонийфосфата или их смеси с мочевиной, взятых в массовом соотношении (1 - 2,3) : 1, с температурой плавления лежащей в интервале 102 - 106°С. Композиция на 100 мас. ч. абсолютно сухих древесных частиц содержит 5 - 35 мас. ч. связующего. Композиция может дополнительно содержать 0,01 - 1,00 мас. ч. сульфата меди, или 0,015 - 0,150 мас. ч. поверхностно-активного вещества, или 2 - 10 мас. ч. лигносульфоната, или смеси сульфата меди и лигносульфоната, сульфата меди и ПАВ в тех же пределах. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к пресс-композициям для изготовления прессованных древесных материалов и изделий из отходов целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности.

Древесные плиты и другие прессованные изделия, получаемые из композиции по предлагаемому изобретению, например, оконные и дверные блоки, теплоизоляционные плиты, могут быть использованы в промышленном и гражданском строительстве как конструкционные и отделочные материалы, в производстве мебели, а также других изделий, пригодных к эксплуатации различного назначения, в том числе в замкнутых объемах.

Как правило, композиции для изготовления, например, древесно-стружечных плит (ДСП) содержат отходы деревообработки (в виде опилок, стружек, щепы, измельченной коры) и связующее, отверждающееся в процессе горячего формования плит. Помимо связующего и древесных отходов пресс-композиция может содержать различные целевые добавки, например, наполнители, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и т.д.

Наиболее распространенными связующими в пресс-композициях являются фенолоформальдегидные (ФФС) или карбамилоформальдегидные (КФС) смолы. Однако при их использовании в процессе изготовления ДСП и их эксплуатации происходит выделение свободного формальдегида, являющегося ядом нервно-паралитического действия. Допустимый уровень концентрации формальдегида составляет 0,01 мг/м³. Чтобы понизить выделение формальдегида в атмосферу при изготовлении ДСП и их эксплуатации в композиции на основе ФФС и КФС вводятся различные добавки, которые должные увеличивать скорость и степень отверждения связующего.

Известна композиция для ДСП с использованием КФС в качестве связующего (9-12% от массы древесных частиц) [1] Для снижения выделения формальдегида на древесные частицы перед сушкой наносят водный раствор мочевины и надсернокислого аммония (20-30 и 3-5% соответственно). Содержание формальдегида в ДСП составляет 6,3-14,1 мг/100 г сухой плиты. С той же целью (снижение токсичности плит, изготовленных с использованием КФС) в пресс-массу вводят персульфат аммония (0,4% ) и карбонат натрия (0,2%) при количестве связующего 10,4% [2] Однако и в этом случае содержание формальдегида составляет 8,72 мг/100 г сухой плиты.

Использование ФФС для изготовления ДСП ведет к выделению при их изготовлении, хранении, эксплуатации не только формальдегида, но и фенола, что усугубляет проблему экологической безопасности. Для снижения токсичности ДСП, особенно в условиях с повышенным температурно-влажностным режимом, композиция содержит, мас. по сухому остатку: резольная ФФС 5, КФС 4-6 и дополнительно продукт совместной нейтрализации перманганата калия и сульфидно-спиртовой барды (10: 1 мас.) 1,1-2,5; алюмометилсиликонат натрия 0,8-1,5 и водный раствор алюмохромфосфатного связующего 0,1-1,0, древесные стружки остальное [3] ДСП, полученные из этой композиции, не выделяют фенол при хранении и эксплуатации при 20^оС, но при выдержке в течение 1 сут при 100^оС содержание выделенного фенола равно 0,16-0,21 мг/м³, а при выдержке 60 сут при 100^оС содержание выделенного фенола равно 0,24 мг/м³. Содержание выделенного формальдегида в зависимости от времени и температуры выдержки колеблется в пределах 0,01-0,43 мг/м³, т.е. колеблется от допустимого уровня до превышающего его в десятки раз. К тому же указанная композиция [3] чрезвычайно сложна и технологически трудоемка. Проблема токсичности ДСП, изготовленных с использованием ФФС и КФС, остается.

Принципиально новое связующее для изготовления ДСП предложено в [4] алюмохромфосфатное связующее (АХФС). Связующее такого типа, как уже указывалось, использовано в пресс-композиции [3] в качестве добавки для снижения выделения свободных формальдегидов и фенолов. В известной пресс-композиции [4] связующее включает гидратированные окислы фосфора, алюминия и хрома в соотношении, мас. 34,6-38,2; оксид алюминия 2,25-4,55; оксид хрома 1,5-3,85; вода остальное; причем мольное соотношение оксида фосфора к сумме оксидов алюминия и хрома берут равным 3,5-6,0.

Получают АХФС следующим способом. В нагретую до 80^оС ортофосфорную кислоту (87% -ной концентрации) наводят при постоянном перемешивании 48%-ную пасту гидрата глинозема. Затем вводят оксид хрома CrO₃ и продолжают перемешивание. После полного растворения восстанавливают Cr⁶⁺до Cr³⁺ 30%-ным раствором перекиси водорода. Полученное таким образом АХФС охлаждают, вводят в него 40%-ный раствор мочевины и полученной смесью обрабатывают измельченную древесину.

Полученные с использованием АХФС по [4] древесные плиты имеют плотность 874-950 кг/м³, грибостойки, нетоксичны, (не выделяют в атмосферу формальдегид и фенол), трудногорючи.

Однако технология получения такого связующего сложна, а само связующее имеет ограниченный срок жизнеспособности 4-6 мес. Наличие в составе связующего ядовитого хрома не позволяет говорить в данном случае о полной экологической чистоте производства этой плиты и самих плит.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является композиция для изготовления плитных материалов, включающая измельченные частицы древесного наполнителя и металлофосфатное связующее (МФС) [5] В качестве МФС в пресс-композиции используют продукт совместной нейтрализации МФС раствором мочевины при массовом соотношении МФС: мочевина, равном (2,3-4,0):1 и концентрации полученного связующего в композиции 10-20 мас. (по сухому веществу).

Получают связующее следующим образом. В обогреваемый реактор заливают горячую воду (50±5^оС) и растворяют в ней мочевину. В раствор при непрерывном перемешивании вводят МФС при массовом соотношении МФС:мочевина, равном (2,3-4,0): 1. Концентрация получаемого продукта нейтрализации при этом составляет 35-45 мас. и его можно использовать через 35-40 мин после приготовления раствора. В барабанный смеситель помещают наполнитель (древесные частицы) и с помощью форсунки обрабатывают его; содержимое перемешивают еще 10-15 мин, после чего формируют ковер.

Связующее для композиции по рассматриваемому изобретению получается просто, сама композиция тоже. В описании [5] не указан конкретный вид использованного МФС. Но именно поэтому можно предположить, что это обычный, выпускаемый тогда промышленностью АХФС (ТУ 6-18-166-73), и следовательно, даже при отсутствии вредных выделений в атмосферу, получаемую в данном случае плиту нельзя отнести полностью к экологически чистой продукции из-за присутствия в ней хрома. Кроме того, древесные плиты [5] обладают недостаточной прочностью и водостойкостью: прочность при изгибе 5,5-15,1 МПа (наполнитель в виде опилок), 10,5-27,9 МПа (наполнитель в виде стружек); водопоглощение 55-88,5% и 30-60% (наполнитель опилки и стружки соответственно), водоразбухаемость 15,2-19,3% и 5,5-13,8% (наполнитель опилки и стружки соответственно).

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание композиции для изготовления экологически чистых прессованных материалов и изделий, обладающих высокими физико-механическими свойствами.

Поставленная задача решается тем, что композиция для изготовления прессованных древесных материалов, включающая древесные частицы и связующее продукт взаимодействия фосфата и мочевины, содержит в качестве связующего продукт взаимодействия моноаммонийфосфата, диаммонийфосфата или их смеси с мочевиной, взятых в массовом соотношении соответственно (1-2,3):1 с температурой плавления 102-106^оС, при следующем соотношении компонентов, мас. ч: древесные частицы (абсолютно сухие) 100; связующее 5-35.

Композиция может дополнительно содержать 0,01-1,00 мас. ч. сульфата меди, или 0,015-0,150 мас. ч. поверхностно-активного вещества, или 2-10 мас. ч. лигносульфоната, или смеси сульфата меди и лигносульфоната сульфата меди и ПАВ в тех же пределах.

Применение в качестве связующего древесных частиц продукта взаимодействия моноаммонийфосфата (МАФ), диаммонийфосфата (ДАФ) или их смеси с мочевиной, взятых в массовом соотношении (1-2,3):1, с Т_пл., лежащей в интервале 102-106^оС, позволяет провести глубинный аминолиз древесины в мягких условиях, но без применения предварительных обработок древесины жидким аммиаком или концентрированными растворами аммиака. Эти известные аммиачные обработки древесины требуют специального герметического оборудования и особых мер по обеспечению техники безопасности работающих.

При обработке древесины предлагаемым связующим происходит изменение субмикроскопической структуры элементов клеточной стенки, изменяется капиллярная система, значительно увеличивается внутренняя поверхность древесины. В результате этих процессов в древесине высвобождаются клеящие полимерные вещества. Лигнин, содержащийся в древесине, набухает, функциональные группы его активизируются. Одновременно гидроксильные группы целлюлозы блокируются гидрофобными радикалами. Все это приводит к получению водостойкого прочного материала.

Введение в композицию лигносульфоната (ЛСТ) в количестве 2-10 мас. ч. на 100 мас. ч. древесных частиц приводит к увеличению механической прочности прессованных материалов за счет внесения дополнительных функциональных групп в активной форме.

Роль сульфата меди в композиции инициирование полимеризационных процессов для получения полимерных смол резинатного типа с хорошими водоотталкивающими свойствами. Введение сульфата меди в композицию в количестве, превышающем верхний предел, вызывает прилипание пресс-изделий к поддонам.

Введение в композицию ПАВ повышает равномерность распределения всех компонентов смеси, усиливает поверхностную активность древесных частиц композиции особенно в случае использования смесей ПАВ, и улучшает этим физико-механические характеристики получаемых прессованных материалов.

Выбор предельных значений всех составляющих компонентов предлагаемой композиции в указанных интервала, определяется получением оптимальных физико-механических свойств прессованных материалов и изделий в условиях их эксплуатации.

При содержании компонентов ниже заявленного предела на 100 мас. ч. абсолютно сухих древесных частиц не достигаются высокие показатели свойств, превышение верхнего предела вводимых компонентов оказывается экономически нецелесообразным.

Предлагаемое изобретение позволяет получить прессовочную композицию простым смешение безвредного, не имеющего никакого запаха порошкообразного связующего с древесными частицами любого вида в смесителе любого типа при комнатной температуре. Предельно простая технология получения композиции и связующего для нее позволяют получить экологически чистые прессованные древесные материалы и изделия с высокой прочностью и водостойкостью, а антисептическими свойствами, с низкой теплопроводностью. Последнее свойство позволяет расширить область применения прессованных древесных материалов из этой композиции, применив их для теплоизоляции.

В качестве измельченных древесных частиц в композиции можно использовать опилки от пиления любых пород деревьев, лиственные, хвойные и их смеси, измельченную кору хвойных и лиственных пород деревьев, шлифовальную пыль, древесные волокна, а также любые другие растительные целлюлозосодержащие отходы.

Связующее получают следующим образом. Всухую смешивают МАФ, ДАФ или их смесь с мочевиной в заданном соотношении, сплавляют смесь при 120^оС в присутствии 3-5% воды от массы сухих компонентов, выдерживают расплав в течение 30-60 мин до получения продукта с Тпл в интервале 102-106^оС, и охлаждают продукт при перемешивании до его измельчения.

Композицию получают смешением измельченных абсолютно сухих древесных частиц, связующего и, при необходимости, добавок в заданных соотношениях в лопастном смесителе в течение 0,5-5 мин при комнатной температуре.

Прессованные изделия получают горячим прессованием сформированного ковра при давлении 1,0-2,5 МПа и температуре 150-200^оС; время прессования 0,5-1,5 мин/мм толщины готовой плиты. Испытания проводили по стандартным методикам.

В опытах использовали мочевину по ГОСТ 2081-92, МАФ по ГОСТ 3771-74, ДАФ по ГОСТ 3772-74, в качестве смеси МАФ и ДАФ использовали аммофос (МАФ:ДАФ9:1 мас. ) по ГОСТ 18918-85; в качестве лигносульфоната использовали технический лигносульфонат по ОСТ 13-183-83, сульфат меди по ГОСТ 19374-84; в качестве ПАВ использовали катамин АБ (ТУ 6-01-1816-74), синтамид-5 и синтамид-6 (ТУ 6-02-640-76), сульфонат (ОСТ 6-01-32-77), неонол АФ 9-10 и неонол 9-12 (ТУ 38.103.625-87), а также смесь сульфоната с неонолом в массовом соотношении 4:1.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, параметры полученных в примерах композиций приведены в таблице.

П р и м е р 1. Получение связующего. В горизонтальный смеситель емкостью 200 л с ленточной мешалкой и обогреваемой рубашкой загружают 50 кг МАФ, 50 кг мочевины и перемешивают всухую в течение 15 мин, в смесь вводят 3 кг воды и перемешивают в течение 10 мин. В рубашку подают пар давлением 0,2 МПа, обеспечивающий температуру в смесителе 120^оС. Смесь расплавляют при этой температуре и выдерживают в течение 30 мин; охлаждают при перемешивании до измельчения. Получают продукт с температурой плавления 103^оС.

П р и м е р 2. При получении композиции используют в качестве древесных частиц хвойные опилки, просеянные через сито ⊘ 5 мм и связующее продукт взаимодействия МАФ, ДАФ или их смеси, с мочевиной с указанным в табл. соотношением и температурой плавления.

Готовят смеси из хвойных опилок, связующего, сульфата меди, ЛСТ и ПАВ с указанным в табл. соотношением компонентов.

Из композиции прессуют образцы толщиной 16 мм при давлении 2,5 МПа и температуре 170^оС.

П р и м е р ы 3-7. Опыты проводят, как в примере 2, но изменяют вид древесных частиц и соотношение компонентов композиции. Составы композиций и их свойства представлены в таблице.

П р и м е р 8. Опыт проводят, как в примере 4, но образцы получают прессованием при давлении 1,3 МПа, температуре 170^оС; время прессования 1,3 мин/мм толщины готовой плиты. Полученные образцы имеют коэффициент теплопроводности 0,048 Вт/^оС.м.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемая композиция позволяет получить экологически чистые прессованные древесные материалы с высокими физико-механическими показателями, причем независимо от вида используемых древесных и других растительных отходов в отличие от прототипа, в котором свойства прессованных изделий зависят от вида отходов. Прессованные материалы и изделия из предлагаемой композиции могут быть использованы в промышленном и гражданском строительстве, в мебельной промышленности. Связующее, используемое в композиции, имеет гигиенический сертификат качества, что позволяет использовать пресс-изделия из этой композиции для обустройства внутренних помещений, в том числе замкнутых жилых объемов.

Формула изобретения

1. КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕССОВАННЫХ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающая древесные частицы и связующее продукт взаимодействия фосфата и мочевины, отличающаяся тем, что она содержит в качестве связующего продукт взаимодействия моноаммонийфосфата, диаммонийфосфата или их смеси с мочевиной, взятых в массовом соотношении соответственно 1 2,3 1 с температурой плавления 102 106^oС при следующем соотношении компонентов, мас.ч.

Древесные частицы 100 Связующее 5 35 2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит сульфат меди в количестве 0,01 1,00 мас.ч. на 100 мас.ч. древесных частиц.

3. Композиция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит поверхностно-активное вещество в количестве 0,015 0,150 мас.ч. на 100 мас.ч. древесных частиц.

4. Композиция по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лигносульфонат в количестве 2 10 мас.ч. на 100 мас.ч. древесных частиц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3