Склеивание фанеры модифицированными клеями
Представляем результаты работы группы исследователей из Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета, целью которой было снижение токсичности фанеры и ускорение процесса склеивания шпона.
Анализ результатов этих исследований позволяет заключить, что наибольший интерес сегодня могут представлять физически и химически активные вещества - отходы различных производств. Их применение позволяет не только улучшать свойства клеев, используемых в производстве фанеры, но и утилизировать отходы, решая актуальную проблему загрязнения окружающей среды.
В настоящее время известно более 30 природных сорбентов, в числе которых малоизученные черные сланцы, и около 100 разновидностей синтетических. Одно из свойств черных сланцев - способность сорбировать небольшие по размерам молекулы, не меняя при этом свои физические и химические характеристики. Исследования по модифицированию карбамидоформальдегидной смолы черными сланцами показали возможность их применения для снижения токсичности фанеры. Применение черных сланцев позволяет не только снизить токсичность фанеры, но и ускорить процесс ее склеивания.
Таблица 2. Свойства клея на основе смолы КФ – МТ
Продолжительность желатинизации клея с введением модификатора сокращается. Это происходит в результате ускорения реакции поликонденсации. Повышение активности гидроксильных групп полимера можно объяснить каталитическими свойствами оксидов щелочных металлов, входящих в состав черных сланцев. Черные сланцы являются активными модификаторами и обладают способностью не только ускорять процесс отверждения карбамидоформальдегидных смол, но и снижать содержание свободного формальдегида в готовой продукции. Долю черных сланцев в клеевой композиции необходимо ограничивать для обеспечения требуемой прочности клеевого соединения.
Повышение эффективности работы деревообрабатывающей отрасли связано с развитием технологии процесса склеивания фанеры. Модификация синтетических смол является одним из распространенных и наиболее эффективных способов придания требуемых свойств клеям и лакокрасочным материалам. В большинстве случаев в качестве модификаторов используются низкомолекулярные соединения, в состав которых входят те или иные реакционноспособные функциональные группы либо низкомолекулярные соединения, улучшающие технологические свойства клеев.
Модификация карбамидоформальдегидных смол реакционноспособными наполнителями может придать ряд положительных технологических и эксплуатационных свойств производимой продукции. В качестве модификаторов для феноло- и карбамидоформальдегидных смол используются природные минералы [1-3]. Их вовлечению в промышленные производства способствует развитие таких направлений минералогии, как микроминералогия и наноминералогия.
Накопленный в настоящее время опыт изучения минерального состава разного сырья (океанических оксидных железомарганцевых руд с высоким содержанием марганца, цветных металлов и нерудного сырья - черных сланцев) показывает, что методический подход к модифицированию клеев оксидными рудами и нерудными материалами в обоих случаях может быть один. Получить всестороннюю и достоверную информацию об этих породах, а также продуктах их переработки можно только в результате комплекса минералого-аналитических исследований (высокоразрешающей оптической и электронной микроскопии, рентгенографии, инфракрасной спектроскопии, дериватографии, рентгенотомографии). Полезным может оказаться сочетание как минералого-аналитических, так и физико-химических методов. Такой подход к изучению исходного сырья, а также продуктов его переработки будет способствовать разработке безотходных технологий, а также созданию на основе природного сырья новых материалов с заданными свойствами.
Отечественная промышленность, производящая полимерные материалы, не удовлетворяет потребностям деревообрабатывающей отрасли в связующих, что наряду с дефицитом сырья и его высокой стоимостью является сдерживающим фактором развития производства клееной продукции из древесины. Зачастую химические комбинаты производят высокотоксичные смолы, что не позволяет деревообрабатывающим предприятиям выпускать продукцию класса Е0 или Е0,5, которая может конкурировать на мировом рынке.
В связи с этим одной из актуальных задач отрасли является поиск путей производства новых низкотоксичных клеящих смол, которые помогут свести токсичность клееных древесных материалов к минимуму.
Перечень веществ, используемых в качестве модификаторов для карбамидоформальдегидных смол, дает представление о том, в каких направлениях ведутся разработки модифицированных полимеров на протяжении последних лет. Результаты этих работ таковы: содержание свободного формальдегида значительно снизилось при сохранении прочности клеевых соединений, а в некоторых случаях и при ее увеличении. Однако уровень токсичности отечественной фанеры не соответствует требованиям потребителей, поэтому поиск путей снижения токсичности продукции должен быть продолжен.
Для получения конкурентоспособной высококачественной продукции особое внимание необходимо уделить вопросам разработки составов клеевых композиций, обеспечивающих минимальную продолжительность склеивания, максимальную степень отверждения, низкое содержание токсичных веществ.
Проведенные исследования показали возможность использования черных сланцев в качестве составляющего клеевой смеси на основе смолы КФ - МТ, которая позволяет снизить уровень токсичности фанеры и ускорить процесс ее склеивания.
Для проведения исследования использовали березовый шпон, а в качестве активного модификатора - черные сланцы. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 20907 и ГОСТ 9624, а исследования - по известным методикам [4]. Определению подлежали: продолжительность желатинизации клея, его условная вязкость и поверхностное натяжение, угол смачивания, содержание свободного формальдегида и прочность клеевого соединения при скалывании по клеевому слою.
Результаты исследования представлены в табл. 1 и 2. В процессе исследований установлено, что критическое поверхностное натяжение березового шпона составляет от 50 до 60 мН/м и сопоставимо с поверхностным натяжением карбамидоформальдегидных смол без модификатора, что свидетельствует о способности древесины удовлетворительно смачиваться этим связующим. Черные сланцы являются эффективным реакционноспособным модификатором, ускоряющим отверждение карбамидоформальдегидных клеев.
Черные сланцы снижают содержание свободного формальдегида (до 0,054% при введении в состав смолы 2,5-7,5 мас. ч. модификатора дисперсностью 200-350 мкм), это послужило основанием для глубокого исследования их влияния на свойства клея и фанеры. Результаты исследований представлены в виде уравнений регрессии:
где: τ - продолжительность желатинизации, с; η - условная вязкость, с; J - содержание свободного формальдегида (СН2О), %; σ - поверхностное натяжение, мН/м; θ - угол смачивания, град.; Х1 - количество черного сланца, мас. ч.; Х2 - размер частиц черного сланца, мкм.
Результаты эксперимента показывают, что продолжительность желатинизации с введением модификатора сокращается. Это происходит в результате ускорения реакции поликонденсации. Повышение активности гидроксильных групп полимера можно объяснить каталитическими свойствами оксидов щелочных металлов, входящих в состав черных сланцев. Условная вязкость клеевых композиций возрастает с увеличением количества и дисперсности черных сланцев, что ухудшает технологические и прочностные характеристики фанеры, поэтому количество вводимого черного сланца не должно превышать 7,5 мас. ч. Содержание свободного формальдегида в модифицированном клее снижается с увеличением количества модификатора и уменьшением размера его частиц.
Для обоснования условий и параметров режима склеивания был проведен многофакторный эксперимент, в ходе которого выполнялось склеивание фанеры толщиной 9 мм из березового шпона толщиной 1,5 мм с использованием клеевого состава, в котором на 100 мас. ч. смолы приходилось 7,5 мас. ч. черных сланцев. В качестве переменных факторов приняты: температура склеивания Т, °С; давление прессования Р, МПа; количество вводимого модификатора S, %; продолжительность прессования τ, мин; размер частиц черного сланца D, мм.
Основными показателями эффективности склеивания приняты: прочность фанеры при скалывании по клеевому слою после выдержки в воде в течение 24 ч и содержание свободного формальдегида. В результате математической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии:
где Yσ - прочность при скалывании по клеевому слою после вымачивания в воде в течение 24 ч, МПа; YΤ - содержание свободного формальдегида, %; Х1 - количество черных сланцев, мас. ч.; Х2 - давление прессования, МПа; Х3 - температура плит пресса, °С; Х4 - продолжительность склеивания, мин.; Х5 - размер частиц черных сланцев, мкм.
Полученные уравнения регрессии были использованы для обоснования режима склеивания шпона: продолжительность прессования - не менее 5,5 мин., температура плит пресса - 105 oС, давление прессования - 1,6 МПа, доля мас. ч. черных сланцев - 7,5, размер частиц модификатора - 200 мкм. При этом после вымачивания в течение 24 ч достигается прочность фанеры при скалывании по клеевому слою - 1,66 МПа, а содержание свободного формальдегида не превышает 0,054%.
Положительные результаты промышленной апробации разработанного состава клея и режимов склеивания шпона в ООО «Норма» дают возможность утверждать, что применение черных сланцев позволяет сократить продолжительность склеивания, дает возможность снизить температуру плит пресса, существенно снизить токсичность фанеры.
Черные сланцы являются активными модификаторами и обладают способностью не только ускорять отверждение карбамидоформальдегидных смол, но и снижать содержание свободного формальдегида в готовой продукции с 0,15 до 0,054%. Количество черных сланцев, вводимых в клеевой состав, необходимо ограничивать до 7,5 мас. ч. для обеспечения требуемой прочности клеевого соединения.
Полученные в результате экспериментальных исследований математические зависимости могут быть использованы для расчета количества вводимого модификатора, его дисперсности и технологических параметров режима склеивания фанеры.
Галина ВАРАНКИНА, д-р техн. наук
Дмитрий РУСАКОВ, канд. техн. наук
Анатолий ЧУБИНСКИЙ, проф., д-р техн. наук, СПбГЛТУ им. С. М. Кирова
Список использованной литературы
1. Кондратьев В. П. Синтетические клеи, применяемые в деревообработке. М.: Научный мир, 2004. 564 с.
2. Авторское свидетельство № 2114144. Низкотоксичная клеевая композиция на основе карбамидоформальдегидной смолы с алюмосиликатным наполнителем (Высоцкий А. В., Варанкина Г. С., Каменев В. П.). Опубл. в Бюл. изобр., 1998. № 18 (56).
3. Чубинский А. Н., Ермолаев Б. В., Сосна Л. М. и др. Свойства поверхности древесины во взаимодействии с жидким адгезивом. Деревообрабатывающая промышленность. 2003. № 1. С. 25-26.
4. Варанкина Г. С. Формирование низкотоксичных клееных древесных материалов / Г. С. Варанкина, А. Н. Чубинский. СПб. : Химиздат, 2014. 148 с.
