СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ СВЯЗУЮЩЕГО
METHOD OF TESTING BINDER

Изобретение относится к методам испытания связующего и может быть использовано для предварительной оценки термогидролитической устойчивости связующего, используемого в производстве древесных композиционных материалов, в частности атмосферостойких и экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов.
Известен метод испытания и оценки свойств смол и связующих, используемых в производстве древесностружечных плит, включающий определение концентрации (сухого остатка), вязкости, концентрации водородных ионов рН, жизнеспособности раствора связующего и времени отверждения связующего, массовой доли свободного формальдегида (В.Д.Модлин, И.А.Отлев. Производство древесностружечных плит. М.: Высшая школа, 1973, с.220-227).
Известен также метод испытания и оценки свойств смол и связующих, используемых в производстве древесностружечных плит, включающий определение концентрации (сухого остатка), вязкости, концентрации водородных ионов рН, жизнеспособности раствора связующего и времени отверждения связующего, массовой доли свободного формальдегида (ГОСТ 14231-88 Смолы карбамидоформальдегидные, технические условия. - прототип).
Недостатком известных технических решений является отсутствие возможности предварительной оценки термогидролитической устойчивости (ТГУ) связующего, что является необходимым при выборе связующих в производстве атмосферостойких, экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов.
При изготовлении композиционных древесных материалов (КДМ) в качестве связующего вещества используются мономерно-олигомерные композиции (смолы) на основе продуктов неполной конденсации формальдегида с различными аминами, амидами, фенолами и прочими реакционно-способными соединениями.
Непосредственно перед изготовлением КДМ приготовляется смесь, содержащая как минимум смолу, катализатор поликонденсации (отвердитель) и древесные частицы. Эта композиция подвергается дальнейшей обработке (под давлением, повышенной температуре и т.п.), при этом происходит дальнейшая поликонденсация формальдегида с образованием полимерной твердой структуры, обеспечивающей упрочнение связей между древесными частицами, следовательно, прочностные свойства КДМ.
Процесс поликонденсации формальдегида с карбамидом и меламином является обратимым процессом и при эксплуатации КДМ во влажных условиях, и при повышенной температуре происходит разрушение полимерной структуры связующего вещества, обеспечивающей прочностные свойства КДМ. Твердые связующие вещества, полученные различными способами, в том числе и на основе различных рецептур (составов), т.е. имеющие в своей основе различные полимеры, или выполненные по различным режимам проведения поликонденсации, разрушаются с различной скоростью, т.е. имеют различную устойчивость к действию влаги и тепла (термогидролитическую устойчивость).
При использовании КДМ в качестве строительного материала термогидролитическая устойчивость (ТГУ) его связующей полимерной твердой структуры может оказать решающую роль в долговечности и надежности всего строения в целом.
Техническая задача изобретения - повышение эффективности способа испытания связующего за счет обеспечения возможности предварительной оценки термогидролитической устойчивости связующего, используемого в производстве композиционных древесных материалов, в частности атмосферостойких и экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов, создание базы показателей термогидролитической устойчивости различных связующих, позволяющей путем сравнения показателей термогидролитической устойчивости выбрать наиболее эффективные связующие для изготовления водо- и атмосферостойких материалов.
Для оценки ТГУ связующего проводят испытание полимерной структуры отвержденного связующего, что исключает влияние различных добавок, древесного наполнителя и пр.
Поскольку разрушение полимерной структуры связующего может происходить как с отрывом крупных фрагментов, так и с отщеплением молекул мономера (формальдегида), заявитель считает, что оценку ТГУ необходимо производить на основе показателей потери массы и выделения формальдегида отвержденным связующим.
Поставленная задача достигается тем, что в способе проведения испытания связующего, включающем изготовление образцов, испытания проводят на полимере отвержденного связующего, изготавливают бумажно-смоляные образцы, часть которых подвергают гидротермообработке путем кипячения, при этом определяют величину потери массы и на основе ее - показатель термогидролитической устойчивости по потере массы, а другую часть подвергают гидротермообработке путем выдержки в воде при повышенной температуре, при этом определяют величину выделения формальдегида и на основе ее - показатель термогидролитической устойчивости по выделению формальдегида, а на основании полученных показателей проводят предварительную оценку возможности применения связующего для изготовления водо- и атмосферостойких материалов.
Изобретение имеет следующие отличия от прототипа:
- испытания проводят на полимере отвержденного связующего;
- изготавливают бумажно-смоляные образцы;
- часть бумажно-смоляных образцов подвергают гидротермообработке путем кипячения, при этом определяют величину потери массы и на ее основе - показатель термогидролитической устойчивости по потере массы;
- другую часть бумажно-смоляных образцов подвергают гидротермообработке путем выдержки в воде при повышенной температуре, при этом определяют величину выделения формальдегида и на основе ее - показатель термогидролитической устойчивости по выделению формальдегида;
- на основании полученных показателей проводят предварительную оценку возможности применения связующего для изготовления водо- и атмосферостойких материалов.
Это позволит повысить эффективность способа испытания связующего за счет обеспечения возможности предварительной оценки термогидролитической устойчивости связующего, используемого в производстве древесных композиционных материалов, в частности, атмосферостойких и экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов. Проведение испытаний на полимере отвержденного связующего исключает влияние различных добавок, древесного наполнителя и пр.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений с указанными отличительными признаками.
Заявленное техническое решение применимо и будет использовано в отрасли в 2010-2011 г.г. для предварительной оценки термогидролитической устойчивости связующего, предназначенного для использования в производстве древесных композиционных материалов, в частности атмосферостойких и экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов.
Способ выполняли следующим образом.
ПРИМЕР 1
В примере 1 проводили испытание связующего на основе широко распространенной марки карбамидоформальдегидной смолы КФ-МТ-15 для производства древесно-стружечных и древесноволокнистых плит. Испытания проводили на полимере отвержденного связующего. Изготавливали бумажно-смоляные образцы (БСО), часть которых затем подвергали гидротермообработке путем кипячения, при этом определяли величину потери массы и на основе ее - показатель термогидролитической устойчивости по потере массы, а другую часть подвергали гидротермообработке путем выдержки в воде при повышенной температуре, при этом определяли величину выделения формальдегида и на основе ее - показатель термогидролитической устойчивости по выделению формальдегида, а на основании полученных показателей проводили предварительную оценку возможности применения связующего для изготовления водо- и атмосферостойких материалов.
Изготовление БСО
Вырезали из фильтровальной бумаги квадраты размером 30×30 мм. Масса квадратов бумаги составляла в среднем 67 мг.
Взвешивали на весах в чашку навеску синтетической смолы марки КФ-МТ-15 промышленного производства согласно ТУ 6-06-12-88 и добавляли в нее в качестве отвердителя 1% хлористого аммония (по сухим веществам) в виде 20%-ного раствора.
Смешивали растворы смолы и отвердителя в чашке, интенсивно перемешивая их стеклянной палочкой. Затем погружали в полученную смесь вырезанные бумажные квадраты так, чтоб под ними не оставалось воздушных пузырей и выдерживали в течение 5 мин.
Пропитанные образцы вынимали, снимали излишки смолы стеклянной палочкой и раскладывали их на листе полиэтиленовой пленки и оставляли на воздухе в течение от 1 до 2 часов.
Следует отметить, что во всех примерах определяли ТГУ полимера отвержденного связующего, находящегося в среднем слое древесно-стружечных плит, поэтому подготовленные образцы нагревали в термошкафу при температуре (105±2)°С 30 мин, т.е. моделировали процесс отверждения связующего в среднем слое древесно-стружечных плит.
Образцы (БСО) до испытания хранили завернутыми в полиэтиленовую пленку. Влажность образцов составляла в среднем 5,7%.
Определение потери массы
3
4 штуки БСО взвешивали, помещали в конические колбы, добавляли туда от 50 до 100 см дистиллированной воды в каждую и накрывали фольгой. Затем колбы ставили на включенную электроплитку или разогретую песчанную баню и кипятили в течение 4-х часов от начала кипения, перемешивая содержимое колб 1-2 раза в час.
После кипячения БСО вынимали из колбы, удаляли влагу с поверхности салфеткой и высушивали 30 мин в сушильном шкафу при температуре (105±2)°С и вновь взвешивали.
Величину потери массы сухого полимера из БСО (L, %) после кипячения рассчитывали по формуле:
0
где m - средняя начальная масса БСО;
1
m - средняя конечная масса БСО;
W - средняя влажность БСО;
Р - средняя масса бумажных квадратов.
Полученная величина потери массы составила L=32,3%. Величина потери массы тем больше, чем меньше устойчивость отвержденного связующего, т.е. имеет место обратная зависимость. Поэтому показатели ТГУ определяли по прямо зависящей величине отношения оставшейся массы к ее потере по формуле ТГУпм=(100-L)/L=2,1 в настоящем примере.
Следует отметить, что такой способ определения показателя ТГУпм не является обязательным и в настоящее время он (у заявителя также имеются и другие) находится в стадии исследования, но вполне пригоден для проведения предварительных исследований.
Ход определения выделения формальдегида
3
2 штуки БСО взвешивали и помещали в конические колбы, добавляли туда по 50 см дистиллированной воды в каждую и закрывали колбы фольгой. Затем помещали колбы в предварительно разогретую до 60°С водяную баню и начинали отсчет времени, перемешивая содержимое колбы 1-2 раза в час.
1
Вынимали колбы из бани через 1 час, и определяли концентрацию формальдегида в растворе, C.
3
4
Вынимали колбы из бани через 4 часа и удаляли оттуда образцы. Растворы охлаждали до комнатной температуры, а затем помещали их в мерную колбу на 50 см. Объем растворов доводили водой до метки и перемешивали. Затем определяли концентрацию формальдегида в растворах, С.
Поскольку в первый час происходит разогрев содержимого колб и удаление формальдегида, сорбированного на связующем, то выделение формальдегида, обусловленное термогидролитическим разложением отвержденного связующего, определяли за последующие 3 часа.
Величину выделение формальдегида (F, мг/г в час) рассчитывали по формуле:
1
4
3
где C и С - концентрация формальдегида в колбе в 1-й и в 4-й час соответственно, мг/дм;
0
m- средняя начальная масса БСО;
W - средняя влажность БСО;
Р - средняя масса бумажных квадратов.
Полученная величина выделения формальдегида составила F=0,832 мг/г в час. Величина выделения формальдегида тем больше, чем меньше устойчивость отвержденного связующего, т.е. имеет место обратная зависимость. Поэтому показатели ТГУ определяли по величине отношения единицы к выделению формальдегида по формуле ТГУвф=1/F=1,2 в настоящем примере. Следует отметить, что такой способ определения показателя ТГУвф не является обязательным и в настоящее время он (у заявителя также имеются и другие) находится в стадии исследования, но вполне пригоден для проведения предварительных исследований.
ПРИМЕР 2
В примере 2 проводили испытание связующего на основе карбамидомеламиноформальдегидной экспериментальной смолы марки «Терамин». Испытания проводили на полимере отвержденного связующего. Изготавливали бумажно-смоляные образцы (БСО).
В примере 2 изучали изменение ТГУ полимера отвержденного связующего при замене смолы марки КФ-МТ-15 на карбамидомеламиноформальдегидную экспериментальную смолу марки «Терамин». По утверждению производителей этой марки смолы, КДМ на ее основе обладают повышенной устойчивостью к влаге.
Способ оценки термогидролитической устойчивости полимера отвержденного связующего выполняли по примеру 1, но вместо смолы марки КФ-МТ-15 использовали смолу марки «Терамин».
В результате получены следующие значения, подтверждающие заявление изготовителей смолы:
ТГУпм=8,1; ТГУвф=4,2
ПРИМЕР 3
В примере 3 проводили испытание связующего на основе карбамидомеламиноформальдегидной экспериментальной смолы марки «Терамин» при изменении конечного мольного соотношения в смоле. Испытания проводили на полимере отвержденного связующего. Изготавливали бумажно-смоляные образцы (БСО).
В примере 3 изучали изменение ТГУ полимера отвержденного связующего при изменении конечного мольного соотношения в смоле марки «Терамин». По утверждению производителей этой марки смолы, КДМ при этом обладают пониженным выделением формальдегида.
Способ оценки термогидролитической устойчивости полимера отвержденного связующего выполняли по примеру 2, но вместо смолы марки «Терамин» с мольным соотношением 1,3 брали смолу этой же марки с мольным соотношением 1,23.
В результате получены следующие значения, подтверждающие понижение выделения формальдегида, но одновременно значительное снижение устойчивости, определяемой по потере массы ТГУпм=2,48, ТГУвф=5,49.
Результаты всех проведенных экспериментов представлены в таблице.
Таким образом, заявленное техническое решение позволит повысить эффективность способа испытания связующего за счет обеспечения возможности предварительной оценки термогидролитической устойчивости связующего, используемого в производстве композиционных древесных материалов, в частности атмосферостойких и экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов, а на основании полученных показателей для различных связующих проводят путем сравнения предварительную оценку возможности и эффективности применения испытываемого связующего для изготовления водо- и атмосферостойких материалов.
В результате проведения в рамках вышеуказанного контракта исследований получена и продолжает пополняться база показателей термогидролитической устойчивости для различных связующих, полученных различными способами, в том числе и на основе различных рецептур (составов), т.е. имеющие в своей основе различные полимеры, или выполненные по различным режимам проведения поликонденсации, и имеющие различную устойчивость к действию влаги и тепла (термогидролитическую устойчивость), которая позволяет путем сравнительного анализа предварительно оценить термогидролитическую устойчивость (ТГУ) связующего при выборе связующих в производстве атмосферостойких, экологически чистых древесных плит, фанеры и других строительных материалов, а также корректировать испытываемые связующие (состав, режимы их получения и т.п.) для повышения их термогидролитической устойчивости и создавать новые термогидролитически устойчивые связующие.
Сводная таблица предварительной оценки термогидролитической устойчивости (ТГУ) отвержденного связующего с использованием бумажно-смоляных образцов
Наименование параметра
ПРИМЕРЫ
Примечания
Терамин 1
Терамин 2
Терамин 3
Терамин 4
КФ-МТ-15
ДАННЫЕ СМОЛЫ
Мольное соотношение формальдегида к карбамиду, k<sub>f</sub>
1,3
1,23
1,3
-
1,3
Содержание меламина, %
-
20
23,2
-
0
Сухой остаток, %
68,5
68,5
-
-
67
РЕЗУЛЬТАТЫ
По методике
Осмоление, %
79
49,1
78,3
78,8
79,2
Влажность (W), %
7,1
6,1
6,4
7,5
5,7
Потеря массы (L), %
11,1
28,7
15,2
13,2
32,3
ТГУпм
8,01
2,48
5,58
6,58
2,10
(100-L)/L
Выд. форм-да (F), мг/г в час
0,238
0,182
0,239
0,290
0,832
ТГУвф
4,20
5,49
4,18
3,45
1,20
1/F
Примечание - прочерк (-) означает отсутствие данных.