Композиция, усиливающая полимеризацию мочевиноформальдегидных смол, способ получения, способ ее применения и изделия, полученные из таких смол
Изобретение относится к области производства панелей на основе воспроизводимого древесного материала, например, древесно-стружечных плит для внутренней отделки помещений, древесно-волокнистых плит средней плотности и фанеры. Водный раствор продукта реакции композиции, используемый для изделий из воспроизведенного древесного материала, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8, источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевины, в котором композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода, эффективный для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы. Композиция способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы может содержать способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу и вышеуказанную композицию и может быть получена смешиванием смолы с указанной композицией. Панель из воспроизведенного древесного материала можно получить смешиванием измельченного лигноцеллюлозного материала с вышеуказанной способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолой и отверждением смолы. Концентрат для получения усиливающей полимеризацию композиции, используемой для изделий из воспроизведенного древесного материала, содержит источник кислоты с pKa в воде от 2 до 8, источник основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевину. Технический результат - повышение сопротивляемости разрушению плит во время горячего штабелирования и/или дополнительного горячего прессования. 8 н. и 11 з.п. ф-лы, 9 табл.
Основу данной заявки составляет предварительная заявка на патент США с регистрационным № 60/592817, зарегистрированная 30 июля 2004.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к мочевиноформальдегидным смолам, в том числе меламиномочевиноформальдегидным смолам, и, в частности, к композициям, усиливающим полимеризацию таких смол.
Уровень техники
Мочевиноформальдегидные смолы (UF) используют свыше сорока лет в качестве связующих для панелей на основе воспроизводимого древесного материала, например древесно-стружечных плит для внутренней отделки помещений, древесно-волокнистых плит средней плотности (MDF) и фанеры. При применении UF-смолу объединяют с "композиционным материалом", т.е. стружкой, хлопьями, волокнами или листами из целлюлозного или лигноцеллюлозного материала, сформованного в маты, которые соответственно укладывают в штабели и прессуют между горячими плитами в горячем прессе с образованием плиты нужной толщины и плотности. Такие плиты часто подвергают дополнительной операции прессования, в том числе ламинированию. Используют UF-смолы, поскольку они дают плиты с такими физическими свойствами, как высокая прочность, допуская производство плит при относительно высокой производительности и минимальном расходе энергии, и являются более эффективными по затратам, чем другие связующие.
UF-смолы обычно отверждают с использованием комбинации умеренного повышения кислотности и повышенных температур. Повышение кислотности можно получить приведением в контакт с древесным материалом и/или добавлением к нему катализатора, образующего кислоту, типично, аммониевых солей серной, хлороводородной или азотной кислот. Такие катализаторы дают возможность более быстрого отверждения в присутствии небольших количеств формальдегида, однако их каталитическая эффективность существенно снижается при молярных соотношениях
F:U менее 1,0. После отверждения смолы дальнейшее присутствие кислотных катализаторов может катализировать обратную реакцию, вызывая разрушение полимера, в особенности во время штабелирования плиты и/или во время дополнительных операций горячего прессования. Для того чтобы существенно ослабить такой эффект, разработана забуференная каталитическая система, раскрываемая в патенте США 5635583, Motter et al. Такая каталитическая система содержит водный раствор буферной соли (предпочтительно, дикалийфосфата) с рН, отрегулированным от примерно 8,5 до примерно 2,0, фосфорной кислоты и сульфата аммония. Раствор буферной соли, наиболее предпочтительно, содержит кислоту для достижения рН в нижней половине или ниже буферного интервала раствора буферной соли.
UF-смолы также модифицируют включением небольших количеств (0,1-5,0 мас.%) меламина для получения смесей смол (mUF) с улучшенными свойствами по сравнению с исходными и с низким молярным отношением F:U (типично <1,0:1,0), которые сопротивляются ухудшению свойств полимеров во время горячего штабелирования и дополнительных операций горячего прессования и которые имеют слабое выделение формальдегида. Вообще, такие смолы стоят дороже, чем обычные UF-смолы, требуют существенно больших норм расхода для достижения адекватных физических свойств плит и требуют существенно большего времени отверждения (и/или более высоких энергозатрат). Обычные каталитические системы на основе солей аммония неэффективны в таких mUF-системах.
Кроме того, класс UF-смол с более высоким содержанием меланина (от >5 до примерно 30%) (MUF) используют для получения изделий для применений, требующих повышенной устойчивости к влаге. Стоимость, требуемые нормы расхода и время, требуемое для отверждения таких смол, как правило, возрастают пропорционально содержанию меламина.
Соответственно, в технике сохраняется потребность в способах усиления полимеризации UF-, mUF- и/или MUF-смол. В частности, сохраняется потребность в композициях и способах, которые будут улучшать скорость отверждения и/или снижать температуру отверждения для UF-, mUF- и/или MUF-смол. Предпочтительно, такие композиции и способы не оказывают существенного вредного влияния на выгодные свойства смол или даже будут улучшать их.
Сущность изобретения
Вышеописанные препятствия и недостатки ослабляются водным раствором продукта реакции композиции, которая может состоять, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, источника основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины.
Композиция способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы может содержать, в сочетании, способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу и композицию, состоящую, по существу, из водного раствора продукта реакции источника кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, источника основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины.
Способ получения композиции способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы может включать соединение способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы и композиции, состоящей, по существу, из водного раствора продукта реакции источника кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, источника основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины.
Способ получения изделия из воспроизведенного древесного материала (reconstituted wood) может включать смешивание лигноцеллюлозного материала в виде частиц, способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы и водного раствора продукта реакции композиции, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, источника основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины; и отверждение способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы.
В одном воплощении панель из воспроизведенного древесного материала может содержать лигноцеллюлозный материал в виде частиц и связующую композицию, содержащую отвержденный продукт реакции способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы и водного раствора продукта реакции композиции, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, источника основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины.
Другое воплощение относится к концентрату для получения композиции, усиливающей полимеризацию, которая может состоять, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, источника основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины.
При этом для реакции диссоциации основания:
В(ОН)2↔ВОН++ОН-
ВОН+↔B2+ОН-
Константа ступенчатой диссоциации определена следующими формулами:
Когда Ka, Kb и Kw определены при одних и тех же условиях температуры и ионной силы, то из этого следует, принимая во внимание сологарифмы, что pKb=pKw-pKa. В водных растворах при температуре 25°С pKw равно 13,9965, а pKb≈14-pKa.
Нет необходимости определять pKb отдельно от pKa, но значения этих коэффициентов могут быть определены в известной технической литературе.
Описанные выше и другие особенности поясняются примерами в приведенном далее подробном описании.
Подробное описание
Авторы изобретения обнаружили, что реакционная способность способных к отверждению мочевиноформальдегидных смол и/или свойства отвержденных мочевиноформальдегидных смол улучшаются за счет отверждения смолы в присутствии композиции, содержащей водный раствор продукта реакции мочевины, кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, например кислородной кислоты фосфора, и основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6, например аммиака. В особенно выгодном случае применение таких композиций при получении панелей на основе воспроизведенного древесного материала дает существенное снижение общего количества используемых твердых смол без существенного вредного воздействия на свойства плит и/или выработку плит. Такой результат является неожиданным, поскольку в технике существует мнение, что необходимо использовать сильные кислоты для достижения хороших скоростей отверждения. Такой результат является еще более неожиданным, поскольку, как правило, в технике полагают, что как мочевина, так и аммиак затрудняют отверждение, а не улучшают его.
В одном воплощении композиция, усиливающая полимеризацию, состоит, по существу, из продукта взаимодействия мочевины, слабой кислоты, т.е. кислоты с pKa в воде (при 25°С) от примерно 2 до примерно 8, и слабого основания, т.е. основания с pKb в воде (при 25°С) от примерно 2 до примерно 6, где взаимодействие происходит в водном растворе. "Состоит, по существу, из" означает, что композиция не содержит каких-либо других компонентов, которые могли бы в значительной степени вредно влиять на каталитический характер композиции в отношении способных к отверждению мочевиноформальдегидных смол. Также найдено, что выгодно получать такой продукт реакции перед объединением с мочевиноформальдегидной смолой. "Состоящая, по существу, из" также означает, что композиция, усиливающая полимеризацию, содержит водный раствор продукта реакции, который получают, по существу или полностью, в отсутствие мочевиноформальдегидной смолы.
В другом воплощении композиция, усиливающая полимеризацию, состоит из продукта взаимодействия кислоты, т.е. кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, со слабым основанием, т.е. основанием с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6, и мочевиной в воде. "Состоит из" означает, что продукт реакции получен из композиции, которая, по существу, не содержит других компонентов, кроме примесей и/или побочных продуктов, обычно обнаруживаемых в кислоте, слабом основании, мочевине и воде.
Конкретные кислоту и основания выбирают таким образом, чтобы получить эффективное усиление полимеризации мочевиноформальдегидной смолы. Используемый в данном описании термин "усиление" включает повышение скорости реакции по сравнению с такой же реакцией без композиции, усиливающей полимеризацию, и/или улучшение качества продукта, полученного полимеризацией. Улучшением качества продукта может являться, например, улучшенная прочность связи, улучшенные механические свойства, такие как предел прочности при растяжении, водопоглощение или подобные свойства, или снижение количества твердых смол, требуемого для получения таких же свойств в отсутствие композиции, усиливающей полимеризацию. Такие кислоты и основания можно выбрать, используя указания, описанные ниже.
Когда кислота имеет несколько pKa, по меньшей мере, один pKa находится в интервале от примерно 2 до примерно 8. В другом воплощении кислота имеет pKa от примерно 2 до примерно 3, от примерно 3 до примерно 4, от примерно 4 до примерно 5, от примерно 5 до примерно 6, от примерно 6 до примерно 7 и/или от примерно 7 до примерно 8. Кислота также может иметь pKa от примерно 2 до примерно 4 и/или от примерно 6 до примерно 8. Примеры подходящих кислот включают, но не ограничиваются перечисленным, неорганические кислоты, такие как угольная кислота, фосфорная кислота, полифосфорная кислота, фосфиновая кислота, фосфоновая кислота и т.п.; и органические кислоты, такие как уксусная кислота, лимонная кислота, муравьиная кислота, бензойная кислота, фенолы, фталевая кислота, пропионовая кислота, янтарная кислота, коричная кислота, бутановые кислоты, сульфоновые кислоты и т.п. Также можно использовать сочетание, включающее, по меньшей мере, одну из вышеперечисленных кислот.
В одном воплощении композиции, усиливающие полимеризацию, получают из кислородной кислоты фосфора. Примерами кислородных кислот фосфора являются, но не ограничиваются перечисленным, фосфорная кислота (H3PO4), фосфоновая кислота (Н3РО3) и фосфиновая кислота (Н3РО2), а также соответствующие поликислоты, например дифосфорная кислота (H4P2O7), трифосфорная кислота (H5P3O10), циклотрифосфорная кислота (также известная как триметафосфорная кислота), полифосфорная кислота (также известная как метафосфорная кислота), дифосфорная (IV) кислота (также известная как гипофосфорная кислота, H4P2O4), дифосфорная (III-V) кислота (также известная как изофосфорная кислота, H3P2O6), дифосфоновая кислота (также известная как пирофосфорная кислота, H4P2O5) и т.п. В определение фосфорных оксикислот также включены серо- и азотсодержащие аналоги, такие как фосфинотиовая O-кислота, фосфинотиовая S-кислота, фосфинодитиовая кислота, фосфиноимидная кислота, фосфинотиовая O,O′-кислота, фосфинотиовая O,S′-кислота, фосфинотиовая S,S′-кислота, фосфинотритиовая кислота, фосфиноимидотиовая кислота и т.п. Хотя также можно использовать фосфорные оксикислоты, содержащие ограниченное количество органических заместителей, например алкилфосфоновые кислоты, предполагается, что минеральные кислоты предпочтительны при некоторых применениях по причине стоимости, эффективности и подобным соображениям.
Также следует иметь в виду, что термины "кислота" и "фосфорная оксикислота" используются для удобства и не предназначены для ограничения протонированной формой кислоты. Так, кислота, например фосфорная оксикислота, в композиции может образоваться in situ из широкого ряда источников кислоты, например кислот, приведенных выше в качестве примеров, соответствующих ангидридов, соответствующих одноосновных, двухосновных, трехосновных или высших солей, соответствующих галоидоангидридов, соответствующих эфиров и т.п. Также можно использовать смеси, содержащие, по меньшей мере, одну из вышеуказанных кислот.
В конкретном воплощении кислородную кислоту фосфора добавляют в усиливающую композицию в форме самой протонированной кислоты, например H3PO4. В другом воплощении можно использовать соответствующие соли, например соли аммония, щелочных и/или щелочноземельных металлов, такие как мононатрийфосфат, динатрийфосфат, монокалийфосфат, дикалийфосфат и т.п.
Воплощение, содержащее кислородную кислоту фосфора, может включать продукт равновесной реакции, необязательно, продукт равновесной реакции кислородной кислоты фосфора и мочевины.
Кислоту объединяют со слабым основанием, т.е. основанием с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6. В другом воплощении основание имеет pKb от примерно 3 до примерно 5, конкретно, от примерно 4 до примерно 5. Подходящими слабыми основаниями являются аммиак (pKb в воде = 4,75) или некоторые органические амины, такие как метиламин, этиламин, этаноламин, триэтаноламин, морфолин и триэтиламин (также известный как "аминтриэтил"), "водный аммиак" (гидроксид аммония) и подобные основания. Термины "аммиак" и "амин" используются для удобства и не предназначены для ограничения непротонированных форм оснований. Основание может образоваться in situ из широкого ряда источников основания, например оснований, перечисленных выше в качестве примеров, соответствующих солей и т.п. Так, аммиак или амин можно добавлять в композицию в форме газа или водного раствора. С другой стороны, аммиак или амин можно добавлять в форме соли, например галогенида или соли присоединения кислоты, образованной кислотой с pKa от примерно 2 до примерно 8.
Удобно иметь один и тот же источник кислоты и основания, т.е. одну и ту же соль. Например, аммиак и кислородную кислоту фосфора добавляют в форме аммониевой соли кислородной кислоты фосфора, например моноаммонийфосфата ((NH4)H2PO4), диаммонийфосфата ((NH4)2HPO4) и т.п., а лимонную кислоту и аммиак можно предоставить за счет цитрата аммония. Такие соли также используют в сочетании с другим источником кислоты или основания. Аммиак также можно предоставить за счет взаимодействия мочевины и кислородной кислоты фосфора при эффективной температуре до примерно 104°С) в течение эффективного времени (например, от 0,25 до примерно 12 часов). В таком воплощении мочевина служит в качестве источника аммиака.
Мочевину можно предоставить из различных коммерчески доступных форм, например твердой мочевины, например в форме гранул, и водных растворов мочевины.
Источники кислоты, слабого основания и мочевины объединяют в водном растворе для получения продукта реакции. Термин "раствор", используемый в данном описании, предназначен для охвата смесей, дисперсий и других сочетаний, в которых все или часть реагентов находятся в растворенном состоянии. В водном растворе могут присутствовать небольшие количества смешивающегося или несмешивающегося сорастворителя, например до примерно 10 объемных процентов (об.%) сорастворителя, такого как метанол, изопропанол, ацетон и т.п., относительно общего объема воды и сорастворителя. Предпочтительно используют 100% воды. Другие компоненты могут присутствовать во время реакции при условии, что они не оказывают существенного вредного действия на реакцию или свойства продукта реакции. В одном воплощении другие компоненты, иные, чем естественные или неизбежные загрязняющие примеси, имеющиеся в исходных веществах и/или в продукте реакции, не присутствуют.
Также в объем настоящего изобретения входит концентрат, применимый для образования усиливающей полимеризацию композиции для отверждения мочевиноформальдегидных смол, который содержит, в сочетании, предшественников для образования водного раствора продукта реакции кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины. Чаще всего концентрат предоставляют в "сухой" форме, т.е. смеси твердых компонентов, которые можно добавить в воду для получения композиции, усиливающей полимеризацию. Такие концентраты включают, например, сочетание твердой мочевины, твердой соли кислоты и твердой соли основания; твердой мочевины и комбинированной соли кислоты и слабого основания (например, моноаммонийфосфата, диаммонийфосфата и подобной соли); солей присоединения кислоты мочевины и соли слабого основания или соли присоединения кислоты мочевины и комбинированной соли кислоты и слабого основания. В одном воплощении концентрат состоит по существу из, или состоит из, предшественников кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины. В другом воплощении обеспечивают отсутствие мочевиноформальдегидной смолы. В еще одном воплощении концентрат состоит, по существу из, или состоит из, кислоты с pKa в воде от примерно 2 до примерно 8, основания с pKb в воде от примерно 2 до примерно 6 и мочевины.
Предпочтительно, концентрат содержит реагенты (или предшественников реагентов) в количествах, эффективных для обеспечения соответствующих соотношений реагентов после разбавления водным раствором. Подходящие количества может легко определить специалист в данной области техники без излишнего экспериментирования на основании приведенных ниже указаний. В другом воплощении концентрат добавляют непосредственно к способной к отверждению мочевиноформальдегидной смоле в используемую емкость или подходящий смеситель. В таком воплощении относительные количества реагентов (или предшественников реагентов) в концентрате, предпочтительно, регулируют для обеспечения соответствующей конечной концентрации реагентов относительно способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы.
Порядок добавления реагентов в водный раствор не является важным. Как обсуждалось выше, слабое основание и кислоту можно предоставить по отдельности в форме различных солей или вместе в виде какой-либо соли. Мочевину также можно предоставить отдельно или в форме соли с кислотой. После объединения в водной среде реагенты оставляют выстаиваться или смешивают. Необязательно устанавливают равновесие, доводя рН до нужного интервала. Реакция может происходить при эффективной температуре, предпочтительно, при комнатной температуре или при температуре до примерно 104°С.
Относительные соотношения кислоты, слабого основания и мочевины можно изменять в зависимости от конкретных используемых кислоты и основания, в особенности мочевиноформальдегидной смолы, нужной степени и скорости отверждения, нужных свойств отвержденной смолы и подобных обстоятельств, и их может легко определить специалист в данной области техники с использованием указаний, предоставленных в данном описании. В одном воплощении композицию, усиливающую полимеризацию, получают взаимодействием от примерно 0,1 до примерно 70 массовых процентов (мас.%) кислоты, от примерно 0,1 до примерно 50 мас.% слабого основания и от примерно 1 до примерно 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода. А именно, композицию, усиливающую полимеризацию, можно получить взаимодействием от примерно 1 до примерно 60 мас.% кислоты, от примерно 1 до примерно 40 мас.% слабого основания и от примерно 10 до примерно 50 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода. В другом воплощении композицию, усиливающую полимеризацию, можно получить взаимодействием от примерно 1 до примерно 40 мас.% кислоты, от примерно 1 до примерно 20 мас.% слабого основания и от примерно 25 до примерно 50 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода.
В одном особом воплощении продукт реакции можно получить из композиции, содержащей от примерно 1 до примерно 55 мас.% мочевины, от примерно 0,1 до примерно 65 мас.% фосфорной кислоты и/или дикалийфосфата и от примерно 0,1 до примерно 7 мас.% гидроксида аммония. А именно, продукт реакции можно получить из композиции, содержащей от примерно 25 до примерно 50 мас.% мочевины, от примерно 0,5 до примерно 4,0 мас.% фосфорной кислоты, особенно от примерно 0,5 до примерно 1,5 мас.% фосфорной кислоты, от примерно 0,5 до примерно 15 мас.% дикалийфосфата, особенно от примерно 0,5 до примерно 1,5 мас.% дикалийфосфата, и от примерно 0,1 до примерно 2,0 мас.% гидроксида аммония, особенно от примерно 0,1 до примерно 1,5 мас.% гидроксида аммония, причем остальное составляет вода.
В другом особом воплощении продукт реакции можно получить из композиции, содержащей от примерно 1 до примерно 55 мас.%, особенно от примерно 25 до примерно 50 мас.%, точнее, от примерно 40 до примерно 50 мас.% мочевины, от примерно 0,1 до примерно 10 мас.%, особенно от примерно 0,5 до примерно 8 мас.%, точнее, от примерно 1,0 до примерно 6 мас.% моноаммонийфосфата, еще точнее, от примерно 0,5 до примерно 3 мас.% моноаммонийфосфата, до примерно 20 мас.%, особенно до примерно 8 мас.%, точнее, от примерно 0,1 до примерно 4 мас.% фосфорной кислоты, и до примерно 7 мас.%, точнее, до примерно 4 мас.%, еще точнее, от примерно 0,1 до примерно 2 мас.% гидроксида аммония, причем остальное составляет вода.
В еще одном особом воплощении продукт реакции можно получить из композиции, содержащей от примерно 1 до примерно 55 мас.%, особенно от примерно 25 до примерно 50 мас.%, точнее, от примерно 40 до примерно 50 мас.% мочевины, от примерно 0,1 до примерно 12 мас.%, особенно от примерно 0,5 до примерно 10 мас.%, точнее, от примерно 1,0 до примерно 8 мас.% жидкого полифосфата аммония, причем остальное составляет вода.
В зависимости от конкретных используемых соединений и нужных свойств композиции, усиливающей полимеризацию, после получения композиции можно отрегулировать рН композиции. В воплощении продукта, содержащего древесный клей (wood glue), например, рН продукта реакции можно регулировать до величины от примерно 2 до примерно 9, необязательно, от примерно 2,5 до примерно 8 или от примерно 4,0 до примерно 7,5, особенно от примерно 4,5 до примерно 6,5 или, точнее, от примерно 4,8 до примерно 6,3. Можно регулировать рН минеральной кислотой, такой как серная кислота, органической кислотой, такой как муравьиная кислота, кислородной кислотой фосфора, другими кислотами или аммониевым основанием или основанием щелочного или щелочноземельного металла.
Преимущественно, композиция, усиливающая полимеризацию, может, необязательно, содержать другие компоненты, которые усиливают или, по существу, не оказывают вредного действия на свойства композиции, усиливающей полимеризацию. Другие компоненты включают противоионы кислоты или слабого основания, например ионы сульфаты, нитраты и/или хлориды. Необязательно, могут присутствовать комплексные буферы для того, чтобы сохранять рН композиции на желательном уровне. Композиция также может включать различные другие добавки, в том числе красители, пигменты, сахара и углеводы, животные и растительные белки, такие как соевая мука, и их производные, и различные лигносульфонаты. Другими возможными применимыми добавками могут являться модификаторы реологии и полимерные стабилизаторы, включая, но не ограничиваясь перечисленным, химически модифицированные целлюлозы, полимерные спирты и ацетаты. Другие возможные добавки включают мономерные или полимерные материалы, которые будут совместно реагировать с мочевиноформальдегидной смолой и улучшать свойства, такие как меламин, резорцин, или другие реакционноспособные полимерные или мономерные материалы, известные специалистам в данной области техники. Концентрации таких добавок/модификаторов в композиции, усиливающей полимеризацию, могут изменяться от примерно 0,05 до примерно 30,0 мас.%, например от примерно 1 до примерно 20,0 мас.%, от всей композиции, усиливающей полимеризацию.
Имеется ряд возможных преимуществ, связанных с применением композиций, усиливающих полимеризацию. За счет объединения мочевиноформальдегидной смолы с композиций, усиливающей полимеризацию, описанной в данном описании, усиливается реакционная способность смолы, что ведет к более быстрому отверждению и/или более полному отверждению. Кроме того, плиты, полученные с использованием композиций, усиливающих полимеризацию, могут сопротивляться разрушению во время горячего штабелирования и/или дополнительного горячего прессования. Можно использовать меньше смолы, когда присутствует композиция, усиливающая полимеризацию, и все еще получить плиту с эквивалентными свойствами.
Кроме того, композиции, усиливающие полимеризацию, подходят для применения со многими так называемыми "низкоформальдегидными" ("low formaldehyde") мочевиноформальдегидными смолами, разрабатываемыми в настоящее время. Так как многие такие композиции страдают от медленного отверждения, композиции настоящего изобретения можно использовать для улучшения скорости отверждения таких смол и/или улучшения свойств плит, полученных с использованием таких смол. Кроме того, отвержденные мочевиноформальдегидные смолы, полученные с композициями, усиливающими полимеризацию, могут выделять меньше формальдегида, чем смолы, полученные в отсутствие композиции, усиливающей полимеризацию. Такие преимущества можно получить с применением или без применения смол-акцепторов, UF-смол с очень низким отношением F/U или больших количеств катализаторов, образующих кислоту (например, аммониевых солей серной, хлороводородной или азотной кислот).
Используемый в данном описании термин "мочевиноформальдегидная смола" включает все смолы, содержащие продукт реакции мочевины и формальдегида, в том числе меламиномочевиноформальдегидные смолы и другие смолы. Таким образом, композиции, усиливающие полимеризацию, можно использовать с самыми разными способными к отверждению мочевиноформальдегидными смолами, включая UF-смолы, модифицированные меламином, UF-смолы, модифицированные аммиаком, UF-смолы, модифицированные фенолом, и другие модифицированные мочевиноформальдегидные смолы, до тех пор, пока отверждение системы опирается, преимущественно или частично, на отверждение UF-части системы смолы. Композиции, усиливающие полимеризацию, особенно применимы с такими способными к отверждению мочевиноформальдегидными смолами, применяемыми в качестве связующих в панелях из воспроизведенного древесного материала, таких как древесно-стружечные плиты, древесноволокнистые плиты средней плотности (MDF), фанера и маты из стекловойлока, или в любом другом промышленном применении мочевиноформальдегидных пропиточных смол.
Такие композиции способных к отверждению мочевиноформальдегидных смол можно получить способами, известными в технике, и они, как правило, содержат реакционноспособные метилольные группы, которые после отверждения образуют метиленовые или простые эфирные связи. Такие метилолсодержащие аддукты могут включать N,N-диметилолпропилен, 5,5-диметил-Т,Т-диметилолэтилен, N,N-диметилолэтилен и т.п. Примеры способных к отверждению мочевиноформальдегидных смол, которые можно использовать с композицией, усиливающей полимеризацию, имеют молярное отношение формальдегид:мочевина или формальдегид:(меламин+мочевина) (все вместе называемые в данном описании как F/(U+M)) от примерно 0,4:1 до примерно 3:1, особенно от примерно 0,5:1 до примерно 2:1, точнее, от примерно 0,6:1 до примерно 1,5:1. Подходящие композиции смол, способных к отверждению, как правило, содержат от примерно 30 до примерно 70 мас.%, особенно от примерно 50 до примерно 67 мас.%, твердых веществ смолы, имеют, как правило, вязкость от примерно 5 до примерно 1800 сП, особенно от примерно 10 до примерно 500 сП, и рН от примерно 7,0 до примерно 9,5, особенно от примерно 7,5 до примерно 9,0. Предшественники смол также могут иметь уровень свободного формальдегида не более примерно 3,0 мас.% и способность к разбавлению водой от примерно 1:1 до примерно 1000:1, предпочтительно, 5:1 и выше.
Способные к отверждению мочевиноформальдегидные смолы такого типа являются коммерчески доступными, как правило, в виде водного раствора. Композиции способных к отверждению мочевиноформальдегидных смол могут, необязательно, содержать азотсодержащие элементы, такие как аммиак, меламин, гуанамин, алканоламины или полиамины, например первичный алкилдиамин, такой как этилендиамин (EDA). Другие модификаторы, такие как этиленмочевины и первичные, вторичные и третичные амины, например дицианодиамид, также можно включать в способные к отверждению мочевиноформальдегидные смолы наряду с другими необязательными добавками. Обычные добавки включают, например, коллоидный диоксид кремния для усиления огнестойкости; противовспениватели; биоциды; пигменты; антиадгезивы; модификаторы рН, используемые во время получения способных к отверждению смол, такие как муравьиная кислота, серная кислота, гидроксид натрия и/или амины и аммиак; образователи минеральной кислоты, такие как сульфат аммония, хлорид аммония и нитрат аммония; нейтральные соли, в том числе хлориды калия, магния и натрия, сульфаты магния и натрия; и буферные вещества, включая различные карбонаты, бораты и амины. Другие известные добавки включают сахара, углеводы, животные и растительные белки и их производные и различные лигносульфонаты. Концентрации таких добавок/модификаторов в реакционной смеси часто будут изменяться от примерно 0,05 до примерно 20,0 мас.% от твердых веществ UF-смол.
В одном воплощении способа получения подходящую способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу можно получить взаимодействием формальдегида и мочевины таким образом, что молярное отношение F:U в начале получения смолы составляет от примерно 2,5:1 до примерно 1,5:1. Смесь мочевины и формальдегида сначала доводят до умеренно щелочного рН добавлением основания, такого как гидроксид натрия, аммиак, или амина, такого как триэтаноламин, и проводят взаимодействие при рН от примерно 7,0 до примерно 8,5. Как правило, смесь мочевины и формальдегида реагирует при температурах от примерно 50°С до примерно 106°С. На протяжении указанного времени происходит образование продуктов присоединения, например, моно-, ди- и триметилолмочевины. Через небольшой промежуток времени рН раствора, как правило, снижают до уровня ниже 7,0 для инициации реакции конденсации, которая трансформирует вышеуказанные метилолмочевины в олигомеры с метиленовыми и/или простыми метиленэфирными связями, причем в конечном итоге получают полимерные материалы с молекулярной массой в нужном интервале. Подходящие способные к отверждению мочевиноформальдегидные смолы также можно получить, используя многоступенчатую стадию полимеризации смолы, когда к реакционной смеси добавляют мочевину, или мочевину с формальдегидом, или, например, кореагенты, такие как меламин, после того, как конденсация до некоторой степени уже произошла. Такие смолы можно получить с использованием двух, трех или большего числа стадий конденсации, на которых каждый раз добавляют дополнительные реагенты. Такие полученные в несколько стадий конденсационные полимеры могут обеспечить преимущества в свойствах по сравнению с более традиционными мочевиноформальдегидными смолами, полученными одностадийной конденсацией.
По завершении образования полимера UF-смолообразный материал нейтрализуют. В одном воплощении с UF-смолообразным материалом можно смешать мочевину для уменьшения содержания свободного формальдегида и возможного выделения паров из смолы. Обычные конечные молярные отношения F:U составляют от примерно
1,85:1 до примерно 0,6:1. В случае получения древесно-стружечных плит предпочтительные молярные отношения F:U составляют от примерно 0,7:1 до примерно 1,36:1 и типичное молярное отношение F:U составляет примерно 1,1:1. Такой способ получения приводит к мочевиноформальдегидной смоле с содержанием свободной мочевины от примерно 0 до примерно 40 мас.%, предпочтительно, от примерно 10 до примерно 30 мас.%, и содержанием свободного формальдегида от примерно 0 до примерно 2 мас.% от твердых веществ смолы. Для того чтобы завершить отверждение, индуцируют дальнейшую конденсацию, уменьшая рН до уровня ниже 7,0.
Композицию, усиливающую полимеризацию, можно соединить со способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолой различными способами с образованием связующей композиции. В одном воплощении композицию, усиливающую полимеризацию, соединяют с мочевиноформальдегидной смолой непосредственно перед применением. Например, при получении изделия из древесного композиционного материала или изделия из воспроизведенного древесного материала, такого как древесно-стружечная плита, способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу и композицию, усиливающую полимеризацию, смешивают с образованием связующего непосредственно перед применением. Смешивание может происходить при температуре от примерно 5°С до примерно 50°С в течение до примерно 120 минут в зависимости от оборудования и условий предприятия по производству плит. Затем связующее наносят на поверхность древесного материала или смешивают с древесной загрузкой и затем композит перерабатывают в его конечную форму, например древесно-волокнистую плиту средней плотности (MDF), древесно-стружечную плиту и т.п.
В другом воплощении композицию, усиливающую полимеризацию, наносят на поверхность древесного материала или загрузки совместно с мочевиноформальдегидной смолой. В еще одном воплощении композицию, усиливающую полимеризацию, можно наносить на поверхность древесного материала или загрузки перед нанесением мочевиноформальдегидной смолы. В еще одном воплощении композицию, усиливающую полимеризацию, можно наносить на мочевиноформальдегидную смолу после нанесения смолы на поверхность древесного материала или загрузки.
Эффективные температуры и время отверждения легко определяются специалистами в данной области техники в зависимости от факторов, таких как реакционная способность способной к отверждению смолы, желательное время отверждения и подобных обстоятельств. В одном воплощении сочетание композиции, усиливающей полимеризацию, и способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы "схватывают" или отверждают при повышенных температурах ниже температуры разложения композиции, например при температурах от примерно 90°С до примерно 200°С. При указанных температурах способные к отверждению мочевиноформальдегидные смолы типично будут отверждаться за время от примерно 1 до примерно 60 секунд. Хотя отверждение может происходить быстрее при более высоких температурах, излишне высокие температуры могут вызвать ухудшение свойств смолы, что в свою очередь вызывает ухудшение физических и функциональных свойств изделия. Одной тепловой обработки достаточно для осуществления отверждения. С другой стороны, можно использовать каталитическое отверждение при наличии или отсутствии нагрева, такое, какое осуществляется после добавления катализатора, образующего кислоту, например, хлорида аммония или сульфата аммония; или после добавления свободной кислоты, например муравьиной кислоты или п-толуолсульфоновой кислоты.
Количество сочетания композиции, усиливающей полимеризацию, и способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы, наносимое на поверхность древесного материала или загрузки, может существенно изменяться в зависимости от характера загрузки и нужных свойств конечного изделия и легко определяется специалистом в данной области техники. Вообще, используют от примерно 1 до примерно 45 мас.%, особенно от примерно 2 до примерно 35 мас.%, и чаще от примерно 3 до примерно 25 мас.% твердых веществ смолы относительно массы абсолютно сухого лигноцеллюлозного компонента.
Описанные выше способы можно использовать для получения различных панельных изделий из воспроизведенного древесного материала, включая древесно-стружечные плиты, древесно-волокнистые плиты средней плотности (MDF) и плиты с ориентированным стекловолокном (oriented strandboard, OSB). Древесно-стружечные плиты обычно получают, измельчая древесину или другой лигоноцеллюлозный материал до образования небольших кусочков, перемешивая смеси небольших кусочков с вышеописанной связующей композицией, формуя сухим методом полученную смесь в мат и осуществляя горячее прессование полученного мата (в плиточном или непрерывном прессе) до нужной плотности и толщины. Различные панельные плиты, которые можно получить таким способом, включают различные древесно-стружечные плиты и плиты с ориентированным стекловолокном (OSB). Весьма похожие изделия на основе волокна обычно называют древесно-стружечными плитами низкой плотности (LDF), средней плотности (MDF) и высокой плотности (HDF). Такие изделия имеют множество применений, включая настилку полов, облицовку стен, шкафов, molding and millwork, и компоненты мебели.
В некоторых воплощениях панели из воспроизведенного древесного материала, полученные с использованием модифицированных UF-смол, описанных в данном описании, имеют превосходные физические свойства, отраженные соответствием известным стандартам на изделия, например ANSI (Северная Америка), JIS/JAS (Япония), BS (U.K.) и т.д.
В некоторых воплощениях панели из воспроизведенного древесного материала, полученные с использованием модифицированных UF-смол, описанных в данном описании, имеют слабое выделение формальдегида, а именно менее примерно 1,0 мкг/мл, необязательно, менее примерно 0,40 мкг/мл, при определении согласно ASTM D 5582-94. С другой стороны, можно получить панели из воспроизведенного древесного материала, удовлетворяющие соответствующим требованиям стандарта Японии (JIS/JAS) F**, F*** или F****, относительно слабого выделения формальдегида.
Связующую композицию также можно использовать с другими органическими и неорганическими частицами или волокнами, например природными органическими частицами, такими как углеводы и белки, например пшеничная мука, соевая мука и т.п.; органическими волокнами, такими как акриловые волокна, полиамидные волокна, полиэфирные волокна, целлюлозосодержащие волокна, включая целлюлозные волокна, и полиолефиновые волокна; и неорганические волокна, такие как стекловолокно, минеральные волокна, графитовые волокна, металлические волокна и стекловолокно или графитовые волокна с металлическим покрытием. Волокна, как правило, составляют от примерно 50 до примерно 97 мас.% твердых веществ в композите на сухую массу.
Вышеописанные способы можно использовать для получения некоторых бумажных изделий, т.е. изделий на основе химически измельченных волокон из древесной целлюлозы, из которых удален лигнин.
Далее изобретение поясняется приведенными примерами, не являющимися ограничительными. В примерах используются испытания, перечисленные далее.
Внутреннюю связь определяют согласно ASTM D1037-97.
Выделение формальдегида определяют согласно модификации ASTM D 5582-94 "Стандартный метод испытания для определения уровней выделения формальдегида из изделий из древесины с использованием эксикатора", c.1-6; перепечатано из Annual Book of ASTM Standards (1994), и приводят в микрограммах на миллилитр (мкг/мл). Испытание по ASTM модифицируют, используя четыре непарафинированных образца размером 2 дюйма на 6 дюймов (~5,1×15,24 см).
Модуль разрушения (MOR) определяют согласно модификации ASTM D1037-97. Испытание по ASTM модифицируют, используя образцы для испытания 2 дюйма на 12 дюймов (~5,1×30,5 см) и скорость опрессовочной головки (test head) 0,36 д/мин (~0,55 см/мин).
Сухие испытания и испытания под давлением после варки на сдвиг описаны W.F.Lehmann, Outline of a Fast Durability Test for UP and PF Adhesives in Composite Materials, Proceedings, 20th International Particleboard/Composite Materials Symposium, Washington Atate University (1986).
Пример 1
Получают несколько UF-смол, соединяя UF-смолу, не содержащую меламин, с молярным отношением формальдегид/мочевина 1,18:1, с каждым из растворов А, В и С, указанных ниже в табл.1. Полученный рН растворов А, В и С составляет примерно 5,0-5,5.
| Таблица 1 | |||
| Компонент | Раствор А* (мас.%) | Раствор В* (мас.%) | Раствор С (мас.%) |
| Вода | 62,0 | 61,2 | 60,4 |
| Мочевина | 38,0 | 36,6 | 36,9 |
| Сульфат аммония | - | 2,2 | - |
| Фосфорная кислота 75% | - | - | 1,1 |
| Дикалийфосфат | - | - | 0,8 |
| Диаммонийфосфат | - | - | 0,21 |
| Всего | 100,0 | 100,0 | 100,0 |
| * Контроль |
Растворы добавляют к соответствующим частям основной UF-смолы в количествах, эффективных для снижения комбинированного молярного отношения
F:U до 0,78:1. Раствор В обеспечивает 1,44 г сульфата аммония на 100 г основной UF-смолы. Раствор С обеспечивает эквивалент фосфата в реакционной смеси 1,2 г на 100 г основной UF-смолы. Основную смолу и растворы смешивают непосредственно перед использованием смолы для получения образцов древесно-стружечной плиты. Древесно-стружечную плиту получают с использованием следующих условий:
нанесение твердых веществ смолы на OD (абсолютно сухую) древесину - 6%;
намеченная толщина на выходе из пресса 1,78 см (0,7 дюйма);
намеченная плотность 752,8 кг/м3 (47 ф/фт3);
содержание влаги в мате 10,5%;
температура прессования 168,3°С (335°F);
время прессования 210, 240, 270 секунд.
Плиты испытывают на прочность внутренней связи, выделение формальдегида и остаточную прочность на сдвиг под давлением после варки (retained pressure-cooked shear strengh), и получают результаты, приведенные в следующей табл.2.
| Таблица 2 | |||||
| Модифицирующий агент | Внутренняя связь (ф/д2/кПа) Время прессования (с) | Выделение в эксикаторе (мкг/мл) (время пресс. 270 с) | Ост. прочность на сдвиг под давлением после варки (%) (время пресс. 270 с) | ||
| 210 | 240 | 270 | |||
| Раствор А* | 8/55,2 | 43/296,5 | 71/489,5 | 0,133 | 64,1 |
| Раствор В* | 33/227,5 | 58/399,9 | 80/551,6 | 0,101 | 67,9 |
| Раствор С | 49/337,8 | 77/530,9 | 84/579,2 | 0,075 | 71,3 |
| * Контроль |
Результаты в табл.2 показывают, что связующее, включающее раствор С, имеет улучшенную остаточную прочность на сдвиг под давлением после варки относительно других связующих. Оно также имеет более слабое выделение, более быстрое отверждение и более хорошую прочность внутренней связи при каждом соответствующем времени отверждения.
Пример 2
Получают панели с использованием как UF-, так и MUF-смол (1,5% меламина от массы жидкой смолы).
В контрольных примерах (примеры 2А и 2С) смолы имеют молярное отношение
F:U 0,77:1 и отверждение катализируют сульфатом аммония. Такие связующие применяют в количестве 7 мас.% твердых веществ смолы относительно массы абсолютно сухой древесины.
Также получают смолы согласно настоящему изобретению (примеры 2В и 2D), объединяя UF- и MUF-смолы (1,5% меламина от массы жидкой смолы) с молярным отношением F:U 1:1 с количеством усиливающего полимеризацию раствора, эффективным для обеспечения 1,25 г фосфата на 100 г основной смолы и конечного молярного отношения F:U 0,77:1,0. Раствор, усиливающий полимеризацию, получают из композиции, содержащей 51 мас.% воды, 45,4 мас.% мочевины и 3,6 мас.% моноаммонийфосфата. Сульфат аммония в смолы не добавляют. Такие связующие применяют в количестве 6% твердых веществ смолы относительно массы абсолютно сухой древесины.
Панели получают с использованием следующих условий:
намеченная толщина на выходе из пресса 1,4 см (0,55 дюйма);
намеченная плотность 737 кг/м3 (46 ф/фт3);
содержание влаги в мате 10,0 мас.%;
температура прессования 168,3°С (335°F);
время прессования 170 и 200 секунд;
для контрольных панелей - 2,5% твердого сульфата аммония относительно твердых веществ смолы.
Результаты испытания указаны в приведенной далее табл.3. Результаты испытания для обоих времен прессования объединяют и усредняют для испытания на внутреннюю связь, модуль разрушения (MOR) и на сдвиг под давлением после варки. Выделение в эксикаторе проверяют только для образцов панелей, полученных при самом длительном времени прессования.
| Таблица 3 | |||||
| Композиция | % твердых в смоле | Внутренняя связь (ф/д2/кПа) | MOR (ф/д2/кПа) | Сдвиг под давлением после варки (ф/д2/кПа) | Выделение формальдегида (мкг/мл) |
| UF-смолы | |||||
| Пример 2А* | 7,0 | 102/703,3 | 2036/14038 | 180/1241,1 | 0,08 |
| Пример 2В | 6,0 | 107/737,6 | 2071/14279 | 195/1344,5 | 0,07 |
| MUF-смолы | |||||
| Пример 2С* | 7,0 | 131/903,2 | 2400/16547 | 213/1468,6 | 0,07 |
| Пример 2D | 6,0 | 140/965,3 | 2525/17409 | 208/1434,1 | 0,07 |
| * Контроль |
Результаты в табл.3 четко показывают, что, когда системы UF- и MUF-смол соединяют с раствором, усиливающим полимеризацию, описанным в данном описании (примеры 2В и 2D), связующие обеспечивают эквивалентные или лучшие свойства панелей, когда применяются при обработке в случае менее 15% твердых веществ в смоле, чем UF- и MUF-смолы, отвержденные с использованием сульфата аммония (примеры 2А и 2С).
Пример 3
В качестве контроля получают панели, объединяя UF-смолу или с UF-смолой-акцептором или с раствором, усиливающим полимеризацию. UF-смолу с молярным отношением F:U 1,20:1 объединяют с UF-смолой-акцептором, который снижает молярное отношение F/U комбинации UF-смолы с акцептором до молярного отношения F:U 1,06:1. Смолу и смолу-акцептор также соединяют с раствором сульфата аммония для обеспечения 1 мас.% твердого сульфата аммония на общее содержание твердых веществ смолы и наносят на загрузку древесного материала в отношении 7% нанесенных твердых веществ смолы относительно массы абсолютно сухой древесины.
Панели получают согласно настоящему изобретению с использованием той же UF-смолы с молярным отношением F:U 1,20:1, объединенной с раствором, усиливающим полимеризацию, в количестве, эффективном для получения 1,2 г фосфата на 100 г основной смолы и для снижения объединенного молярного отношением F:U до 1,06, и применяют в количестве 5,8% твердых веществ смолы на загрузку древесного материала. Раствор, усиливающий полимеризацию, получают из композиции, содержащей 69,8 мас.% воды, 22,5 мас.% мочевины, 5,7 мас.% моноаммонийфосфата и 2,0 мас.% свеклосахарной мелассы.
Панели получают при следующих условиях:
намеченная толщина на выходе из пресса 1,65 см (0,65 дюйма);
намеченная плотность 737 кг/м3 (46 ф/фт3);
содержание влаги в мате 10,0%;
температура прессования 163°С (325°F);
время прессования 180 секунд, 200 секунд и 230 секунд.
Результаты испытания указаны в приведенной далее табл.4. Результаты испытания для обоих самых длительных времен прессования объединяют и усредняют для испытания на MOR и на сдвиг под давлением после варки. Выделение в эксикаторе проверяют только для образцов панелей, полученных при самом длительном времени прессования.
| Таблица 4 | |||||||
| Пример | % нанес. твердых веществ смолы | Внутренняя связь (ф/д2/кПа) | MOR(ф/д2/кПа) | Сдвиг под давлением после варки (ф/д2/кПа) | Выдел, в эксик. (мкг/мл) | ||
| Время прессования (с) | |||||||
| 180 | 200 | 230 | |||||
| UF-смола + смола-акцептор* | 7,0 | 21/144,8 | 68/468,8 | 122/841,2 | 2223/15327 | 182/1254,9 | 0,7 |
| UF-смола + композиция, усиливающая полимеризацию | 5,8 | 27/186,2 | 101/696,4 | 125/861,9 | 2206/15210 | 195/1344,5 | 0,8 |
| * Контроль |
Результаты в табл.4 четко показывают, что UF-смола, соединенная с раствором, усиливающим полимеризацию, обеспечивает более быстрое отверждение и равноценные свойства панелей, даже когда ее применяют при обработке менее 17% твердых веществ смолы.
Пример 4
Получают несколько смол, объединяя UF-смолу с молярным отношением F:U 1,30:1 с каждым из растворов D, Е и F, указанных ниже в табл.5. Доводят рН растворов D, Е и F до 5,70 перед добавлением к основным смолам. В растворе Е используют муравьиную кислоту для достижения рН 5,7, в то время как в растворе F используют серную кислоту.
| Таблица 5 | |||
| Раствор D | Раствор Е | Раствор F | |
| Компонент | (мас.%) | (мас.%) | (мас.%) |
| Вода | 50,9 | 46,2 | 47 |
| Мочевина | 45 | 45 | 45 |
| Свеклосахарная меласса | 1 | 1 | 1 |
| Технический моноаммонийфосфат | 3 | - | - |
| 25% NaOH | 0,1 | - | - |
| Жидкий полифосфат аммония | - | 6 | 6 |
| Муравьиная кислота 25% | - | 1,8 | - |
| Серная кислота 25% | - | - | 1 |
Растворы добавляют к постоянной доли основной смолы в количестве, эффективном для снижения общего молярного отношения F:U до 1,0:1,0. Раствор D обеспечивает 0,9 г моноаммонийфосфата на 100 г основной UF-смолы. Растворы Е и F получают с использованием коммерчески доступного полифосфата аммония. Растворы Е и F обеспечивают реакционный эквивалент 0,8 г доступной фосфорной кислоты, нейтрализованной аммиаком. Основную смолу и растворы смешивают непосредственно перед получением образцов древесно-стружечных плит. Древесно-стружечные плиты получают согласно следующим параметрам:
обработка твердыми веществами смолы 7% относительно массы абсолютно сухой древесины;
намеченная толщина на выходе из пресса 1,52 см (0,60 дюйма);
намеченная плотность 787 кг/м3 (47 ф/фт3);
содержание влаги в мате 11%;
температура прессования 163°С (325°F);
время прессования 210 и 240 секунд.
Плиты испытывают на внутреннюю связь, модуль разрушения, выделение формальдегида и на сдвиг под давлением после варки. Полученные величины для двух значений времени прессования объединяют и усредненные результаты указывают в приведенной далее табл.6.
| Таблица 6 | ||||
| Раствор, усиливающий полимеризацию | Внутренняя связь (ф/д2/кПа) | MOR (ф/д2/кПа) | Сдвиг под давлением после варки (ф/д2/кПа) | Выделение в эксикаторе (мкг/мл) |
| D | 144/992,9 | 2467/17009 | 271/1868,5 | 0,347 |
| Е | 153/1055,0 | 2406/16589 | 280/1930,5 | 0,347 |
| F | 162/1117,0 | 2435/16789 | 289/1992,6 | 0,285 |
Результаты в табл.6 поясняют, что усиливающие полимеризацию растворы Е и F, которые получают с использованием полифосфата аммония, обеспечивают свойства, подобные или лучшие, чем в случае раствора D, который получают с использованием моноаммонийфосфата. Кроме того, результаты показывают, что раствор F, в котором используют серную кислоту для достижения рН 5,7, обеспечивает улучшенные свойства по сравнению с раствором Е, в котором для достижения рН 5,7 используют муравьиную кислоту.
Пример 5
Получают древесно-стружечные плиты, объединяя UF-смолу со стандартным молярным отношением F:U 1,4 или с 40% раствором мочевины или одним из нескольких растворов, усиливающих полимеризацию, в количествах, приводящих к общему молярному отношению F:U 0,95. Композиции, усиливающие полимеризацию, указаны ниже в табл.7. Полученный рН растворов G-L 5,70. Перед применением рН 40% раствора мочевины также доводят до 5,7 с использованием муравьиной кислоты.
| Таблица 7 | ||||||
| Компонент | G (мас.%) | Н (мас.%) | I (мас.%) | J (мас.%) | K (мас.%) | L (мас.%) |
| Вода | 54,8 | 52,7 | 52,9 | 52,1 | 50,9 | 46,7 |
| Мочевина | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 |
| Свеклосахарная меласса | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 25% NaOH | 0,2 | 0,3 | - | - | 1,1 | - |
| Моноаммонийфосфат | 3 | - | - | - | - | - |
| Фосфорная кислота 75% | - | 3,4 | 3,4 | 3,4 | - | - |
| Водный аммиак, 26 Be' | - | 1,6 | - | - | - | - |
| Цитрат аммония | - | - | - | - | 6 | - |
| Лимонная кислота | - | - | - | - | - | 5 |
| Этаноламин | - | - | 1,7 | - | - | - |
| Морфолин | - | - | - | 2,5 | - | - |
| Триэтиламин | - | - | - | - | - | 6,3 |
Основную смолу и растворы смешивают непосредственно перед применением для использования смол для получения образцов древесно-стружечных плит. Древесно-стружечные плиты получают согласно следующим параметрам:
обработка твердыми веществами смолы 6,5% относительно массы абсолютно сухой древесины;
намеченная толщина на выходе из пресса 1,40 см (0,55 дюйма);
намеченная плотность 705 кг/м3 (44 ф/фт3);
содержание влаги в мате 11%;
температура прессования 160°С (320°F);
время прессования 185 и 215 секунд.
Панели получают и испытывают. Величины, полученные при двух временах прессования, объединяют и указывают результаты в приведенной далее табл.8.
| Таблица 8 | ||||
| Добавка | Внутренняя связь (ф/д2/кПа) | MOR (ф/д2/кПа) | Сдвиг под давлением после варки (ф/д2/кПа) | Выделение в эксикаторе (мкг/мл) |
| 40% мочевины | 76/524,0 | 1671/11521 | 173/1192,8 | 0,219 |
| G | 108/744,6 | 1731/11935 | 174/1199,7 | 0,197 |
| Н | 124/855,0 | 1945/13410 | 206/1420,3 | 0,137 |
| I | 110/758,4 | 1760/12135 | 206/1420,3 | 0,225 |
| J | 105/724,0 | 1780/12273 | 195/1344,5 | 0,236 |
| K | 106/730,9 | 1850/12755 | 174/1199,7 | 0,146 |
| L | 88/606,7 | 1738/11983 | 182/1254,9 | 0,298 |
Результаты, приведенные в табл.8, поясняют, что композиции, усиливающие полимеризацию, являются эффективными в части улучшения показателей различных свойств панелей древесно-стружечных плит относительно применения одного раствора мочевины.
Пример 6
Получают панели древесно-стружечных плит с использованием тех же условий получения плит, материалов и композиций, усиливающих полимеризацию, какие используются в примере 5, за исключением того, что в данной группе панелей в качестве наружного катализатора добавляют 1% твердого сульфата аммония (относительно массы твердых веществ смолы) и объединяют с каждой смесью со смолой перед нанесением на древесный материал.
Панели получают и испытывают. Величины, полученные при двух временах прессования, объединяют и указывают результаты в приведенной далее табл.9.
| Таблица 9 | ||||
| Добавка | Внутренняя связь (ф/д2/кПа) | MOR (ф/д2/кПа) | Сдвиг под давлением после варки (ф/д2/кПа) | Выделение в эксикаторе (мкг/мл) |
| 40% мочевины | 110/758,4 | 1777/12252 | 210/1447,9 | 0,252 |
| G | 128/882,5 | 1847/12735 | 201/1385,9 | 0,205 |
| Н | 125/861,9 | 1848/12742 | 214/1475,5 | 0,194 |
| I | 125/861,9 | 1834/12645 | 194/1337,6 | 0,239 |
| J | 127/875,6 | 2053/14155 | 201/1385,9 | 0,239 |
| K | 112/772,2 | 1845/12721 | 191/1316,9 | 0,197 |
| L | 133/917,0 | 1990/13720 | 209/1441,0 | 0,294 |
Результаты, приведенные в табл.9, поясняют, что композиции, усиливающие полимеризацию, являются эффективными в части показателей различных свойств панелей древесно-стружечных плит относительно применения одного раствора мочевины, когда процесс также катализируют наружным катализатором.
При этом имеется в виду, что изобретение не ограничивается определенным воплощением, представленным в примерах и описанным как наилучший способ, предполагаемый для осуществления данного изобретения, но что изобретение будет включать все воплощения, входящие в объем, определенный прилагаемой формулой изобретения.
1. Водный раствор продукта реакции композиции, используемый для изделий из воспроизведенного древесного материала, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8, источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевины, в котором композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода, эффективный для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы.
2. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором рН водного раствора продукта реакции составляет от 2 до 9.
3. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором кислотой является угольная кислота, оксифосфорная кислота, уксусная кислота, лимонная кислота, муравьиная кислота, бензойная кислота, фенол, фталевая кислота, пропионовая кислота, янтарная кислота, коричная кислота, бутановая кислота, сульфоновая кислота или комбинация, содержащая, по меньшей мере, одну из вышеперечисленных кислот.
4. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором кислотой является фосфорная кислота, фосфоновая кислота, фосфиновая кислота, дифосфорная кислота, трифосфорная кислота, циклотрифосфорная кислота, полифосфорная кислота, дифосфорная (IV) кислота, фосфорная (III-V) кислота, известная как пирофосфорная кислота, фосфинотиовая О-кислота, фосфинотиовая S-кислота, фосфинодитиовая кислота, фосфиноимидная кислота, фосфинотиовая O,O′-кислота, фосфинотиовая O,S′-кислота, фосфинотиовая S,S′-кислота, фосфинотритиовая кислота, фосфиноимидотиовая кислота или их смесь, содержащая, по меньшей мере, одну из вышеперечисленных кислот.
5. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором основание представляет собой аммиак или органический амин.
6. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором кислотой является оксифосфорная кислота, и основание представляет собой аммиак.
7. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором источником кислоты, источником основания или того и другого является соль.
8. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором источником кислоты и источником основания является одна и та же соль.
9. Водный раствор продукта реакции по п.8, в котором источником кислоты и источником основания является моноаммонийфосфат.
10. Водный раствор продукта реакции по п.1, в котором выбирают количество каждого компонента из числа источника кислоты, источника основания и мочевины, обеспечивающее повышение скорости отверждения способной к отверждению водной мочевиноформальдегидной смолы относительно скорости отверждения той же водной смолы без композиции.
11. Водный раствор продукта реакции по п.1, который дополнительно содержит катализатор (отверждения) мочевиноформальдегидной смолы, буферное вещество, краситель, сахар, углевод, животный белок, растительный белок, лигносульфонат или комбинацию, включающую, по меньшей мере, одну из вышеуказанных добавок.
12. Композиция способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы, используемая для изделий из воспроизведенного древесного материала, содержащая смесь
способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы,
композицию, состоящую, по существу, из водного раствора продукта реакции
источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8,
источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевины, в которой композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода,
причем водный раствор продукта реакции эффективен для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы.
13. Способ получения композиции способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы по п.12, отличающийся тем, что смешивают
способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу,
композицию, состоящую, по существу, из водного раствора продукта реакции
источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8,
источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевины, в котором композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода,
причем водный раствор продукта реакции эффективен для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы.
14. Композиция способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы, полученная способом по п.13.
15. Способ получения изделия из воспроизведенного древесного материала, отличающийся тем, что смешивают
измельченный лигноцеллюлозный материал;
способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу,
водный раствор продукта реакции композиции, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8,
источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и
мочевины, в котором композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода,
причем водный раствор продукта реакции эффективен для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы; и отверждают способную к отверждению мочевиноформальдегидную смолу.
16. Панель из воспроизведенного древесного материала, полученная способом по п.15, содержащая
измельченный лигноцеллюлозный материал,
связующую композицию, содержащую отвержденный продукт из
способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы,
водный раствор продукта реакции композиции, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8,
источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевины, в которой композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода,
причем водный раствор продукта реакции эффективен для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы.
17. Панель из воспроизведенного древесного материала, содержащая измельченный лигноцеллюлозный материал и связующую композицию, содержащую отвержденный продукт из способной к отверждению мочевиноформальдегидной смолы и водный раствор продукта реакции композиции, состоящей, по существу, из источника кислоты с pKa в воде от 2 до 8,
источника основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевины, в которой композиция содержит от 0,1 до 70 мас.% кислоты, от 0,1 до 50 мас.% основания и от 1 до 55 мас.% мочевины, причем остальное составляет вода,
причем водный раствор продукта реакции эффективен для усиления полимеризации мочевиноформальдегидной смолы.
18. Концентрат для получения усиливающей полимеризацию композиции, используемой для изделий из воспроизведенного древесного материала, содержащий
источник кислоты с pKa в воде от 2 до 8,
источник основания с pKb в воде от 2 до 6 и мочевину.
19. Концентрат по п.18, в котором каждый компонент из числа источника кислоты, источника основания и мочевины представляет собой твердое вещество.
