Низкотоксичные карбамидные смолы для древесных материалов

УДК 674.815

НИЗКОТОКСИЧНЫЕ КАРБАМИДНЫЕ СМОЛЫ ДЛЯ ДРЕВЕСНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Мачнева Ольга Павловна, кандидат технических наук, доцент; МФ Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Мытищи, РФ

В статье представлены результаты научно-исследовательской работы, посвященной разработке технологии получения синтетических смол на основе карбамида, формальдегида и раствора параформальдегида, предназначенных для получения древесностружечных плит (ДСтП) и других древесных плитных материалов.

Ключевые слова: карбамидоформальдегидные смолы (КФС); растворы; древесностружечные плиты (ДСтП); свойства смол; свойства плит.

LOW TOXIC UREA RESINS FOR WOOD-BASED MATERIALS

Machneva Ol'ga Pavlovna, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor, BMSTU, Mytishchi, Russia

The article presents the results ofresearch work on the development of technology for the production of synthetic resins based on urea, formaldehyde and paraformaldehyde solution intended for the production of woodchip board and other wood board materials.

Keywords: urea-formaldehyde resins; solutions; woodchip board; properties of resin; the properties of the plates.

Для цитирования: Мачнева О. П. Низкотоксичные карбамидные смолы для древесных материалов // Наука без границ. 2018. № 11 (28). С. 30-35.

Вопрос о получении низкотоксичных древесных материалов, несмотря на многочисленные работы [1, 5, 6, 7], посвященные данному вопросу, все еще остается актуальным и требующим комплексного подхода к его решению.

На свойства древесных плит может оказывать влияние множество различных факторов. На каждой операции процесса производства необходимо четкое соблюдение всех технологических режимов (температура и давление прессования, время выдержки, расход связующих веществ). От свойств связующего во многом зависят такие параметры древесных плит, как

прочность, водостойкость, токсичность и другие показатели. Также известно, что многие современные синтетические смолы все еще имеют определенные существенные недостатки, устранить которые возможно, чаще всего, только путем модифицирования и доработки условий синтеза.

Данная работа посвящена вопросам модифицирования карбамидоформальдегид-ных смол (КФС), широко применяемых в деревообрабатывающей промышленности в качестве основ для клеев и пленкообразующих веществ. Карбамидные смолы имеют среднюю водостойкость и несколько

повышенную токсичность. Современные низкомольные КФС обладают низкой токсичностью, еще более низкой водостойкостью и клеящей способностью. В таких случаях модифицирование связующих является необходимостью, поскольку они не позволят получать высококачественные древесные материалы.

Ранее были проведены исследования, в результате которых получили КФС [1, 9], отличающиеся высокой клеящей способностью, несколько повышенным содержанием свободного формальдегида и повышенной водостойкостью [2].

Это были предварительные исследования, доказывающие возможность применения растворов низкомолекулярных полиоксиметиленгликолей (параформаль-дегида - продукта, выпадающего в осадок при хранении формалина) при синтезе КФС [3, 4, 8]. Повышенное содержание формальдегида объясняется тем, что смолы были синтезированы при высоком мольном соотношении карбамида к формальдегиду, равном 1 : 2 (К : Ф = 1 : 2).

Исследования настоящей работы были направлены на получение низкотоксичных КФС, имеющих более низкое мольное отношение карбамида к формальдегиду, свойства которых должны соответствовать всем необходимым требованиям, что позволит получать высококачественные древесные композиционные материалы. Также важно отметить, что на свойства материалов оказывают влияние не только связующие, но и природа отвердителей, применяемых при их изготовлении [5, 6, 10].

В данных исследованиях модификатором карбамидных смол является раствор параформальдегида. Все особенности по его приготовлению были подробно описаны в работах [1, 2, 9]. В указанных работах представляется ряд различных растворов параформальдегида.

Растворение параформальдегида является достаточно длительным процессом. Известно, что он не способен растворяться ни в одном из известных и доступных растворителей, однако, такие растворители были получены путем многочисленных экспериментов. Растворение проводилось как при повышенной, так и при температуре окружающей среды. Для производственных условий наибольший интерес представляет растворение при естественных условиях, поскольку не всегда есть возможность проводить растворение с обогревом в больших масштабах. В естественных условиях полученные составы растворяют параформальдегид в среднем в течении двух недель, но здесь есть одно условие - температура окружающей среды не должна быть ниже 15 °С, поскольку при низких температурах параформальде-гид выпадает в осадок.

В данном случае был выбран только один раствор, свойства которого представлены в табл. 1. Выбор данного раствора был сделан исходя из длительности растворения параформальдегида, которая была минимальной по сравнению с другими растворами.

В присутствии указанного в табл. 1 раствора были получены КФС при общих мольных соотношениях К : Ф = 1 : 2...1 : 1,4.

Сущность получения модифицированных смол заключается в том, что определенная часть формалина заменяется раствором параформальдегила, и, как следствие, наблюдается заметная экономия формалина и снижение себестоимости готовых смол.

В данном случае синтез карбамидных смол осуществляется по следующей схеме: [Формалин + РП] + карбамид.

Свойства полученных смол с различными мольными соотношениями исходных мономеров представлены в табл. 2.

Таблица 1

Свойства раствора параформальдегида

Свойства раствора Значения

1 2

Внешний вид Бесцветная (прозрачная) жидкость

Показатель преломления 1,382

рН 0,50

Плотность, кг/м3 1,085

Содержание св. формальдегида, % 21,0

Длительность растворения - при 20 °С, сут. - при 100 °С, мин. не более 14 не более 12

Таблица 2 Свойства модифицированных смол

Наименование свойств Мольные соотношения карбамида и формальдегида

1:2 1:1,8 1:1,6 1:1,4

1 2 3 4 5

Показатель преломления 1,462 1.464 1,466 1,466

Вязкость по ВЗ - 4, с 205 180 104 96

рН 7,59 7,74 7,60 7,54

Содержание свободного формальдегида, % 1,12 0,78 0,49 0,11

Сухой остаток, % 74 69 69 68

Время желатинизации при 100 оС с хлоридом аммония 35 59 68 75

Анализируя табл. 2, можно заключить следующее: смола при К : Ф = 1 : 1,4 обладает наилучшими свойствами по сравнению со смолами, полученными при других мольных соотношениях карбамида и формальдегида. Это выражается в понижении содержания свободного формальдегида при сохранении других высоких характеристик. Указанное мольное соотношение на сегодняшний день не является низким, но свойства модификатора и разработанные условия получения позволяют синтезировать смолы с хорошей клеящей способностью и сниженной токсично-

стью. Дальнейшее понижение мольного соотношения смысла не имеет, поскольку в результате смолы утратят хорошую клеящую способность и водостойкость. С применением выбранной смолы были изготовлены ДСтП при следующих режимах прессования: давление - 2,5 МПа, температура - 180 °С, время выдержки в горячем прессе - 0,35 мин/мм толщины плиты, расход связующего - 12 %. Отвердитель - хлорид аммония в количестве 1 % по сухому веществу. Полученные ДСтП характеризуются свойствами, представленными в табл. 3.

Наименование показателей Единицы измерения Численные значения показателей

1 2 3

Предел прочности при изгибе МПа 22-27

Предел прочности при разрыве перпендикулярно к пласти плиты МПа 0,6-0,8

Разбухание по толщине % 18-20

Эмиссия формальдегида мг/г а. с. п. 7,0-7,5

Таблица 3

Свойства ДСтП на основе КФС при К : Ф = 1 : 1,4

Согласно данным, приведенным в табл. 3, полученные плиты обладают достаточно высокими прочностными свойствами, как при изгибе, так и при разрыве, низким разбуханием и классом токсичности Е1 (менее 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предлагаемая технология модифицирования КФС позволяет полу-

чать низкотоксичные древесные материалы, в данном случае, это древесностружечные плиты. Но, исходя из этого, можно предположить, что модифицированная карбамидная смола обеспечит возможность получения и других древесных материалов, например, фанеры или пластиков, обладающих высокими показателями качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мачнева О. П. Древесностружечные плиты на основе карбамидоформальдегидных смол, модифицированных параформом: дис. канд. техн. наук. М. : МГУЛ, 2006. 178 с.

2. Мачнева О. П. Древесностружечные плиты на основе карбамидоформальдегидных смол, модифицированных параформом: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М. : МГУЛ, 2006. 18 с.

3. Цветков В. Е., Мачнева О. П. Исследование процессов химической деструкции пара-форма при синтезе карбамидоформальдегидных олигомеров // Вестник МГУЛ - Лесной вестник. 2007. № 6 (55). С. 106-113.

4. Цветков В. Е., Мачнева О. П. Исследование влияния поверхностно-активных добавок на поверхностное натяжение модифицированных пропиточных олигомеров // Вестник МГУЛ

- Лесной вестник. 2011. № 5(81). С. 135-137.

5. Цветков В. Е., Пасько А. С., Тесовский А. А., Мачнева О. П., Семочкин Ю. А. Особенности изготовления декоративных бумажно-слоистых пластиков на основе меламиноформаль-дегидных смол // Строительные материалы. 2016. № 7. С. 71-73.

6. Мачнева О. П., Екимова М. Ю., Виклов Р. И., Дюжаков Д. С. Пропиточные смолы для производства ламинированных древесностружечных плит // Научно-техническая конференция МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тезисы докладов. 2017. С. 144-146.

7. Цветков В. Е., Мачнева О. П., Корнеев А. Д. Синтез и свойства карбамидных смол, модифицированных солями полифункциональных кислот // Наука без границ. 2018. № 7(24). С. 64-69.

8. Мачнева О. П. Модифицированные карбамидоформальдегидные смолы при изготовлении древесностружечных плит // Наука без границ. 2018. № 8(25). С. 15-18.

9. Мачнева О. П. Растворенный параформальдегид при синтезе карбамидных смол // Наука без границ. 2018. № 9(26). С. 14-18.

10. Мачнева О. П. Влияния различных отвердителей на свойства древесностружечных плит // Наука без границ. 2018. № 10 (27). С. 57-61.

REFERENCES

Machneva O. P. Drevesnostruzhechnye plity na osnove karbamidoformal'degidnyh smol, modifitsirovannyh paraformom [Particle board based on urea-formaldehyde resins modified by paraform]. Ph. D. thesis. Moscow, MGUL, 2006, 178 p.

2. Machneva O. P. Drevesnostruzhechnye plity na osnove karbamidoformal'degidnyh smol, modifitsirovannyh paraformom [Particle Board based on urea-formaldehyde resins modified by paraform]. Abstract of Ph. D. thesis. Moscow, MGUL, 2006. 18 p.

3. Tsvetkov V. E., Machneva O. P. Issledovanie protsessov himicheskoi destruktsii paraforma pri sinteze karbamidoformal'degidnyh oligomerov [The study of the processes of chemical destruction of paraform in the synthesis of urea-formaldehyde oligomers]. Vestnik MGUL - Lesnoi vestnik, 2007, no. 6(55), pp. 106-113.

4. Tsvetkov V. E., Machneva O. P. Issledovanie vliyaniya poverhnostno-aktivnyh dobavok na poverhnostnoe natyazhenie modifitsirovannyh propitochnyh oligomerov [Study of the effect of surface-active additives on the surface tension of modified impregnating oligomers]. Vestnik MGUL

- Lesnoi vestnik, 2011, no. 5(81), pp. 135-137.

5. Tsvetkov V. E., Pas'ko A. S., Tesovskii A. A., Machneva O. P., Semochkin Yu. A. Osobennosti izgotovleniya dekorativnyh bumazhno-sloistyh plastikov na osnove melaminoformal'degidnyh smol [Features of decorative paper-laminated plastics based on melamine-formaldehyde resins]. Stroitel'nye materialy, 2016, no. 7, pp. 71-73.

6. Machneva O. P., Ekimova M. Yu., Viklov R. I., Dyuzhakov D. S. Propitochnye smoly dlya proizvodstva laminirovannyh drevesnostruzhechnyh plit [Impregnating resins for the production of

laminated chipboard]. Nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya MF MGTU im. N.E. Baumana. Tezisy dokladov, 2017, pp. 144-146.

7. Tsvetkov V. E., Machneva O. P., Korneev A. D. Sintez i svoistva karbamidnyh smol, modifitsirovannyh solyami polifunktsional'nyh kislot [Synthesis and properties of carbamide resins modified with salts of polyfunctional acids]. Nauka bez granic, 2018, no. 7(24), pp. 64-69.

8. Machneva O. P. Modifitsirovannye karbamidoformal'degidnye smoly pri izgotovlenii drevesnostruzhechnyh plit [Modified urea-formaldehyde resin in the manufacture of chipboards]. Nauka bez granic, 2018, no. 8(25), pp. 15-18.

9. Machneva O. P. Rastvorennyi paraformal'degid pri sinteze karbamidnyh smol [Dissolved paraformaldehyde in the synthesis of urea resins]. Nauka bez granic, 2018, no. 9(26), pp. 14-18.

10. Machneva O. P. Vliyaniya razlichnyh otverditelei na svoistva drevesnostruzhechnyh plit [Effects of various hardeners on the properties of particle boards]. Nauka bez granic, 2018, no. 10 (27), pp. 57-61.

Материал поступил в редакцию 02.11.2018

© Мачнева О. П., 2018