Клеевые ЭПИ-системы в производстве клееного бруса

Среди водно-дисперсионных клеевых систем, используемых в производстве клееного бруса, наибольшее распространение получила так называемая ЭПИ-система.

Принятая в мировой практике аббревиатура ЭПИ указывает на то, что основополагающими элементами такой системы являются эмульсионный полимер и изоцианат. Следует уточнить, что «эмульсионный полимер» не совсем корректное название компонента системы, - на самом деле здесь используется водно-дисперсионный полимер, роль которого в большей части сводится к эмульгированию полиизоцианата, содержащего порядка 30% свободных изоцианатных групп.

Почти во всех представленных на российском рынке клеевых ЭПИ-системах в качестве полиизоцианата применяется дифенилметандиизоцианат. Технология применения ЭПИ-системы в отличие от технологии однокомпонентных клеев на основе изоцианатов (Purbond, Kleiberit, Кiilto и т. д.), в которых для формирования полиуретанового клеевого шва в условиях повышенной влажности как древесины, так и зоны склейки используется только полиизоцианат, отличается тем, что ЭПИ-клей формируется совместно с дисперсионным эмульгирующим компонентом до нанесения на склеиваемые поверхности.

С момента внедрения ЭПИ-клеев в практику склеивания древесины эмульгирующим компонентом стал водно-дисперсионный поливинил­ацетат. Водно-дисперсионный клей ПВА традиционно используется в технологии склейки изделий из дерева, поэтому выбор именно ПВА-дисперсии в технологию ЭПИ как эмульгирующего компонента, так и дополнительного пленкообразователя, был вполне закономерным. Последующее развитие технологии ЭПИ привело к введению в клеевую систему наполнителей, дополнительных эмульгаторов и замене гомополимерной ПВА-дисперсии на сополимерные, наибольшее распространение среди которых получили дисперсии сополимеров винилацетата с акрилатами, стиролом и полиэтиленом.

Однако следует отметить, что эфирная группа в ПВА достаточно легко подвергается гидролизу, особенно в условиях постоянного прямого воздействия атмосферных факторов. Это обстоятельство предполагает последующие шаги для повышения эффективности и атмосферостойкости ЭПИ-систем в направлении либо поиска более атмосферостойких водно-дисперсионных полимеров, либо поиска новых эмульгирующих композиций без полимерных дисперсий. В этом плане наибольший интерес представляют водно-дисперсионные сополимеры эфиров акриловой кислоты. Эффективность подобных систем подтверждается их широким использованием в ЛКМ наружного применения.

Другим важным моментом в формировании клеевых композиций в указанных направлениях является понимание процессов, которые происходят в изначальной смеси полиизоцианата и эмульгирующего агента. Для исследования происходящих в системе процессов наиболее доступным и информативным оказался метод определения времени желатинизации смеси, который свидетельствует о кинетике процессов. Время желатинизации ЭПИ-системы является важным технологическим параметром в технологии склейки. Как правило, время желатинизации используемых в настоящее время в ЭПИ-технологии клеевых системах - не менее 40 минут. Проведенные нами исследования позволили выявить факторы, которые существенно влияют на время желатинизации.

В качестве модельной водно-дисперсионный системы были использованы сополимеры на основе мет­акриловой кислоты, бутилакрилата и стирола. При этом в процессе синтеза использовались традиционные для данных систем стабилизирующие эмульгаторы на основе неионогенных ПАВ. Было установлено, что в классическом варианте применение таких сополимеров совершенно неприемлемо, поскольку время желатинизации смеси с полиизоцианатом составляет около 10 минут. Поэтапное изменение исходного состава сомономеров и стабилизирующих эмульгаторов привело к синтезу сополимерной дисперсии, время желатинизации смеси с полиизоцианатом которой составило 50 минут. Полученные результаты позволили установить факторы, в наибольшей степени влияющие на время желатинизации. Так, из исходных сомономеров была полностью исключена метакриловая кислота, которая легко вступает во взаимодействие с изоцианатными группами полиизоцианата, что приводит к быстрой потере жизнеспособности клеевой системы. Стабилизирующий эмульгатор - в частности, неонол - благодаря наличию гидроксильной группы также легко вступает во взаимодействие с изоцианатными группами вводимого полиизоцианата, что разрушает защитный слой и вызывает быструю коагуляцию дисперсных частиц сополимера. Замена неонола на анионоактивный стабилизирующий эмульгатор приводит к стабилизации системы.

Таким образом было установлено, что изоцианатные группы легко вступают в реакцию с функциональными группами дисперсионных систем, приводя к быстрой желатинизации клеевой системы. Исключение носителей данных функциональных групп приводит к стабилизации системы в целом, но при этом не достигается требуемая прочность клеевого шва и его водостойкость, соответствующие требованиям ГОСТ 17005.82 и ГОСТ 20850.84. Однако результаты тестовых испытаний по JAS 234 оказались удовлетворительными. При этом следует обратить внимание на то обстоятельство, что изначальная сополимерная дисперсия, за исключением фрагментов метакриловой кислоты, не содержит в полимерной цепи функциональных групп с активным атомом водорода, способных участвовать в процессе формирования клеевого шва при взаимодействии с изоционатными группами полиизоцианата, образуя сшитый полимер. Учитывая технологию склейки однокомпонентных полиуретановых систем типа Purbond, где химизм процесса достаточно очевиден, можно утверждать, что и в случае ЭПИ-технологии реализуются те же процессы при формировании клеевого шва.

O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H5-N=C=O+H₂O

O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N(Н)-C=O(ОН)

O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-NН₂+СО₂

O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-NН₂+O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N=C=O

[O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N(Н)-C(О)-N(Н)-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N=C=O] - полимочевинный фрагмент полимерной цепи.

C₆H₅-N(Н)-C(О)=N(Н)-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N=C=O+O=C=N-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N=C=O

[C₆H₅-N(Н)-C(О)=N-(С=O)-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N=C=O)-C₆H₅-CH₂-C₆H₅-N=C=O] - полиуретановый фрагмент полимерной цепи.

Эмульгирующий компонент ЭПИ-системы состоит из трех составных частей, его можно представить следующей схемой: [Суспензия наполнителя] - [Водно-дисперсионный полимер] - [Эмульгатор-пластификатор].

При этом ни водно-дисперсионный полимер, ни эмульгатор-пластификатор, как нами было установлено, не имеют функциональных групп с активным по отношению к изоционатным группам атомом водорода.

С учетом вышесказанного, формирование полиуретанового клеевого шва при использовании ЭПИ-технологии возможно и без водно-дисперсионного полимера.

Проведенные нами исследования показали, что исключение водно-дисперсионного полимера из указанной схемы не влияет на качество склейки как по тестовым показателям JAS 234, ГОСТ 27812 на расслоение, так и по показателям ГОСТ 20850, 17005 по прочности клеевого шва и водостойкости. Более того, нами подготовлены промышленные образцы «бездисперсионной» ЭПИ-системы под торговой маркой «Виар-Эко» для проведения испытаний на предприятиях деревообрабатывающей промышленности. ООО ПКФ «НКТ» уже несколько лет поставляет на подобные производства клеевые ЭПИ-системы на основе водно-дисперсионных ПВА-сополимеров под торговой маркой «ВИАР-Д4.1», что подтверждает наше представление о сути клеевой системы ЭПИ, особенностях технологии ее применения и производства, а также перспективах развития в направлении повышения ее качества.

Следует добавить, что в последнее время производители клееных изделий из дерева (а конкретнее - балок и конструкционного бруса) используют меламиновые смолы. Мы также разработали и получили новую МКФ-композицию с практически полным отсутствием формальдегида, которая в настоящее время проходит процедуру сертификации для использования на российском рынке.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории ООО ПКФ «НКТ». Измерения вязкости композиций для определения времени желатинизации производились по методу Брукфельда на приборе LVT (шп. 6, 20 об./мин., 25°С). Исследования характеристик клеевого шва в соответствии с вышеуказанными ГОСТами проводились в лаборатории Нижегородской строительной академии, при участии доцента Андрея Исаева.

Дмитрий Саньков,  директор ООО ПКФ «НКТ»,
Александр Фокеев, к.х.н., главный технолог ООО ПКФ «НКТ»
Тел./факс: (831) 229-99-89
himteh-nn-s@list.ru