Клеевая композиция с наномодификатором для древесностружечных плит
Владельцы патента RU 2520449:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет" (RU)
Клеевая композиция с наномодификатором для древесно-стружечных плит содержит связующее на основе термореактивной смолы, отвердитель и наномодификатор в виде нанодисперсного порошка шунгита в количестве от 1% до 20% от массы связующего. Частицы нанодисперсного шунгита имеют размеры, не превышающие 100 нм, и распределены в связующем на основе карбамидоформальдегидной смолы с массовой долей 79-95%. Отвердитель - хлористый аммоний - имеет массовую долю 1%. Клеевая композиция повышает прочность плиты при растяжении, уменьшает разбухание плиты при увлажнении. 2 табл.
Предлагаемая клеевая композиция с наномодификатором относится к группе наномодифицированных композитных материалов и может быть использована в производстве древесно-стружечных плит, в том числе ориентированных стружечных плит, а также при изготовлении фанеры, клееных строительных конструкций из древесины и стеклопластиков.
Известен нанокомпозитный материал по патенту РФ №2404201 [1], полученный пропиткой армирующих волокон связующим, содержащим наномодификатор, отличающийся тем, что в качестве наномодификатора используют очищенные наноалмазы или наноалмазную шихту, полученные путем взрывного разложения взрывчатых веществ, которые вводятся в связующее на основе термореактивной смолы, выбранной из группы, состоящей из эпоксидной, полиэфирной, полиуретановой или термопластичной смолы, выбранной из группы, состоящей из полиэтилена, полипропилена, полиамида.
Нанокомпозиционный материал по указанному патенту [1] имеет следующие недостатки.
1. Использование в качестве наномодификатора связующего наноалмазов ограничивает область применения данного материала по причине технической сложности их получения в количестве, достаточном для промышленного производства нанокомпозитного материала.
2. Использование в качестве связующего термореактивной смолы, выбранной из группы, состоящей из эпоксидной, полиэфирной и полиуретановой смол, также ограничивает область применения, поскольку смолы указанной группы относительно дорогостоящие, а наполнителем могут быть волокна стеклянные, базальтовые, углеродные, арамидные, борные, полиэтилен, полипропилен [1].
3. Использование в качестве наномодификатора связующего наноалмазов приводит к преждевременному затуплению и выходу из строя режущего инструмента при раскрое и механической обработке древесно-стружечных плит.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является клеевая композиция для изготовления древесно-стружечных плит (ДСтП) и других клееных древесных материалов по патенту РФ №2437911 [2], включающая карбамидоформальдегидную смолу, отвердитель NH4Cl (хлористый аммоний) и активный наполнитель - шунгитовый сорбент. Данная клеевая композиция исследована в работе [3], согласно которой размеры частиц шунгита для клеевой композиции рекомендованы в пределах от 0,3 до 0,4 мм [3, стр.18]. Частицы шунгита с такими размерами способны функционировать как сорбент фенола [3, стр.9]. Однако такие частицы в существенно меньшей степени функционируют как структурирующий компонент композитного материала, в данном случае - материала древесно-стружечной плиты, что не позволяет повышать прочность ДСтП как при изгибе, так и при растяжении перпендикулярно пласти (плоскости плиты), а также уменьшать разбухание плиты при воздействии влаги.
Таким образом, недостатки древесно-стружечных плит, изготовленных с применением известной клеевой композиции, заключаются в следующем.
1. Низкая прочность ДСтП как при изгибе, так и при растяжении перпендикулярно пласти.
2. Разбухание ДСтП более чем на 10%, т.е. увеличение толщины плиты при увлажнении.
Технический результат от применения предлагаемой клеевой композиции с наномодификатором в качестве связующего при изготовлении ДСтП выражается в следующем:
1. Повышается прочность плиты при изгибе.
2. Повышается прочность плиты при растяжении перпендикулярно пласти.
3. Уменьшается разбухание плиты.
Технический результат достигается тем, что в качестве наномодификатора используется нанодисперсный порошок шунгита в количестве от 1% до 20% от массы связующего, причем частицы нанодисперсного шунгита имеют размеры, не превышающие 100 нм, и распределены в связующем на основе карбамидоформальдегидной смолы с массовой долей 79-95%, а в качестве отвердителя использован хлорид аммония с массовой долей 1%.
В настоящее время наиболее распространенными связующими веществами, применяемыми для изготовления древесно-стружечных плит, являются карбамидоформальдегидные смолы благодаря ряду преимуществ: способности к быстрому отверждению в присутствии ускорителей, сочетанию сравнительно высокой концентрации с пониженной вязкостью. Карбамидоформальдегидные смолы примерно в два раз дешевле фенолоформальдегидных. Фенолоформальдегидные смолы требуют применения более высоких температур прессования плит или удлинения продолжительности этого процесса.
В качестве основы связующего в предлагаемой клеевой композиции может быть выбрана карбамидоформальдегидная смола марки КФ-МТ (согласно существующему обозначению [4, стр.22]) с массовой долей сухого остатка в рабочем растворе от 70% до 40%.
В качестве отвердителя может быть выбран водный раствор хлорида аммония (NH4Cl) с концентрацией 20%. Такой раствор широко используется в качестве отвердителя в современном производстве древесно-стружечных плит [4, стр.23].
В качестве нанодисперсного модификатора использован нанодисперсный порошок шунгита с удельной поверхностью не менее 100 м2/г (по низкотемпературной адсорбции азота, метод БЭТ), полученный измельчением шунгитовой породы с кварцевой минеральной основой и с содержанием углерода не менее 20%. Наибольший размер частиц основной массы порошка шунгита не превышает 100 нм. При этом в порошке могут быть в незначительном количестве (по массе) частицы шунгита с наибольшим размером, не превышающим 200 нм [5].
Содержание нанодисперсного порошка шунгита в клеевой композиции дожно быть в количестве одного процента (по массе) и более. С увеличением массовой доли нанодисперсного порошка шунгита в клеевой композиции возрастает проявление указанного технического результата. Увеличение этой доли свыше 20% не приводит к улучшению свойств клеевой композиции. Поэтому содержание нанодисперсного порошка шунгита в клеевой композиции для древесно-стружечных плит определено в количестве (по массе) от 1% до 20%.
Принципиальное отличие функционирования материала, изготовленного с применением предлагаемой композиции, заключается в том, что при перемешивании в присутствии воды наноразмерные частицы измельченного шунгита распределяются по всему объему композиции и образуют структуру в виде пространственной сетки [6], [7], которая упрочняется при горячем прессовании древесно-стружечной плиты с температурой не более 190°С. Уменьшение температуры горячего прессования позволяет снизить затраты энергии при производстве плит.
Распределенные по объему древесно-стружечной плиты наноразмерные частицы шунгита в определенной мере сопротивляются формированию очагов разрушения композитного материала, вследствие чего повышается прочность материала при эксплуатационных воздействиях в виде внешних и внутренних сил. В частности, экспериментально установлено, что повышается прочность как при изгибе плиты, так и при растяжении перпендикулярно пласти. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.
В таблице 1 приведены результаты известных по литературе [3] и выполненных авторами экспериментальных исследований образцов древесно-стружечных плит толщиной 16 мм, изготовленных с применением в качестве связующего известных композиций и предлагаемой клеевой композиции с наномодификатором для древесно-стружечных плит.
Увеличение прочности при растяжении перпендикулярно пласти означает, что увеличивается сопротивление материала внутренним силам, появляющимся при разбухании плиты под воздействием влаги. Эти внутренние силы вызывают увеличение толщины плиты в процессе ее функционирования, однако модификация связующего наночастицами шунгита повышает сопротивление данным силам. Как следствие, функционирование предлагаемого технического решения сопровождается уменьшением влияния влаги на изменение толщины плиты по причине разбухания, что характеризует плиту как более влагостойкую, в дополнение к указанной выше характеристике плиты по предлагаемому техническому решению как более прочной. Этот вывод подтверждают экспериментальные данные таблицы 1, которые показывают, что при одинаковом водопоглощении плита, изготовленная с применением предлагаемой клеевой композиции, увеличивает свою толщину (разбухание) существенно меньше (примерно в два раза).
| Таблица 1 | ||||
| Изделие | Параметры | |||
| Прочность при изгибе, МПа | Прочность при растяжении перпендикулярно пласти, МПа | Разбухание, % | Водопоглощение, % | |
| Древесно-стружечная плита на основе композиции без добавки шунгита [3, стр.17] | 17,9 | 0,33 | 15,1 | 39 |
| Древесно-стружечная плита на основе композиции с частицами шунгита размером от 0,3 до 0,4 мм. Массовая доля частиц шунгита 10% [3, стр.17, 18] | 31,8 | 0,36 | 11,2 | 16 |
| Древесно-стружечная плита на основе предлагаемой клеевой композиции с наномодификатором. Массовая доля наночастиц порошка шунгита 10% | 35,5 | 0,98 | 5,8 | 16 |
Способ получения клеевой композиции с наномодификатором для ДСтП заключается в следующем.
Применялась стружка, содержащая 40 масс.% хвойных пород и 60 масс.% низкосортной осины с содержанием гнили до 30%. Влажность стружки составляла W=4%.
Фракционный состав стружки представлен в таблице 2.
| Таблица 2 | |||||
| Размеры частиц стружки, мм | 2,0 | 1,0 | 0,5 | 0,2 | Менее 0,2 |
| Массовая доля стружки, % | 0,3 | 12,5 | 44,4 | 32,6 | 10,2 |
Связующее готовили на основе водного раствора карбамидоформальдегидной смолы концентрацией 66%.
В качестве отвердителя использовался хлорид аммония NH4Cl в виде водного раствора концентрацией 20%. Отвердитель добавляется в связующее в количестве по массовой доле Ротв=1%. Если количество Ротв<1%, то процесс отверждения существенно замедляется, если Ротв>1%, то процесс отверждения резко ускоряется и отверждение происходит еще до момента прессования плиты, что приводит к нарушению технологического процесса изготовления ДСтП.
Затем в связующее вводили нанодисперсный порошок шунгита с размером частиц до 100 нм, влажностью 0,7% и удельной поверхностью 120 м2/г.
Клеевую композицию получали поэтапно. Сначала путем добавления в массу карбамидоформальдегидной смолы нанодисперсного порошка шунгита и перемешивания их в смесителе в течение 5 минут. Затем в полученную смесь добавляли отвердитель NH4Cl и перемешивали еще 1 минуту.
После этого перемешивали подготовленную ранее стружку с полученной клеевой композицией в смесителе в течение 10 минут.
Полученный материал направляется на горячее прессование при температуре до 190°С-210°С. Полученная плита ДСтП направляется на веерную сушильную установку для сушки и завершения отверждения плиты.
В данном диапазоне возможных значений конкретное количество нанодисперсного порошка шунгита зависит от его фракционного (гранулометрического) состава, а также от условий эксплуатации древесно-стружечных плит и определяется по результатам соответствующего технико-экономического обоснования.
Таким образом, техническая реализация, применение и функционирование предлагаемой клеевой композиция с наномодификатором для древесно-стружечных плит обеспечивают получение заявленного технического результата, выражающегося в повышении прочности и в уменьшении разбухания плит, изготовленных с применением данной композиции.
Источники информации
1. Нанокомпозитный материал. Патент РФ №2404201. МПК C08J 5/04, В82В 3/00.
2. Клеевая композиция. Патент РФ №2437911, заявка №2010109035/05 от 12.03.2010. МПК C09J 161/24.
3. Брутян К.Г. Формирование низкотоксичных древесных материалов с использованием клеев, модифицированных шунгитовыми сорбентами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. по специальности 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки. СПб., СПб. ГЛТА. 2010. 20 с.
4. Отлев И.А., Штейнберг Ц.Б. Справочник по древесно-стружечным плитам // М.: Лесная промышленность, 1983. 240 с.
5. Рожкова Н.Н., Рожков С.С. Вклад наноразмерных составляющих шунгитового наполнителя в функциональные свойства полимерных композиционных материалов // Тезисы докладов Междун. научно-технической конференции «Полимерные композиты и трибология» («Поликомтриб-2011». Гомель 27-30 июня 2011, с.192.
6. Рожкова Н.Н. Наноуглерод шунгитов // Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. 100 с.
7. Рожкова Н.Н., Емельянова Г.И., Горленко Л.Е., Лунин В.В. Шунгитовый углерод и его модифицирование // Российский химический журнал, 2004. Т. XL VIII, №5. С.107-115.
Клеевая композиция с наномодификатором для древесно-стружечных плит, содержащая связующее на основе термореактивной смолы, отвердитель, наномодификатор, отличающаяся тем, что в качестве наномодификатора используется нанодисперсный порошок шунгита в количестве от 1% до 20% от массы связующего, причем частицы нанодисперсного шунгита имеют размеры, не превышающие 100 нм, и распределены в связующем на основе карбамидоформальдегидной смолы с массовой долей 79-95%, а в качестве отвердителя использован хлорид аммония с массовой долей 1%.
