Исследование свойств клеевых соединений древесины образованных поливинилацетатно-карбамидноформальдегидными композициями

УДК 674.028.9

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДРЕВЕСИНЫ ОБРАЗОВАННЫХ ПОЛИВИНИЛАЦЕТАТНО-

КАРБАМИДНОФОРМАЛЬДЕГИДНЫМИ КОМПОЗИЦИЯМИ

THE RESEARCH OF PROPERTIES OF WOOD ADHESIVE JOINTS FORMED BY POLYVINYL ACETATE-UREA FORMALDEHYDE

COMPOSITION

Солонинка В.Р.

Приведены результаты экспериментальных исследований прочности клеевых соединений из древесины дуба. Сделаны выводы о возможных направлениях применения полученных клеевых композиций.

The results of the experimental research of connections strength changes of oak wood. Conclusions are done about the possible directions of application adhesive compositions.

Ключевые слова: поливинилацетат (ПВА), дисперсия, карбамидо-формальдегидная смола (КФС), совмещение

Key words: polyvinyl acetate (PVA), dispersion, urea formaldehyde resin, combination

Постановка проблемы. Одной из важных проблем деревообрабатывающей и мебельной отраслей производства является отсутствие универсальных клеевых композиций. На сегодняшний день для реализации процесса склеивания в зависимости от вида материалов и требований, предъявляемых к изделиям, используют большой ассортимент адгезивных материалов. Хотя только некоторые из них нашли широкое применение за совокупность положительных характеристик, существенно превосходящих их недостатки. И именно к таким клеям относятся композиции на основе ПВА дисперсий и карбамидоформальдегидных смол.

Однако в связи с постоянным повышением экологических требований, применение феноло-, меламино-, карбамидоформальдегидных и других термореактивных олигомеров в деревообработке или сокращается, или не находит новых сфер применения. В свою очередь, наращиванию объемов использования термопластичных клеевых композиций на основе ПВА дисперсий препятствует целый спектр неудовлетворительных характеристик соединений на их основе, связанных с природой полимера-основы. И если низкую водо- и теплостойкость можно частично или полностью устранить при разработке клеев по классам долговечности D3, D4 (в соответствии с EN 204 2001 «Classification of thermoplastic wood adhesives for non-structural applications»), то текучести полимера (ПВА) при статических нагрузках, даже в таких композициях устранить не удается [3].

Поэтому целью работы является изучение влияния на эксплуатационные характеристики клеевых соединений древесины совмещения КФС и ПВА

дисперсий отечественного производства. Дополнительным веществом для модифицирования избран ПВС, как полимер, присутствующий в ПВА дисперсиях, исполняющий функции защитного коллоида (эмульгатора), являющийся реакционно способным и пригодным к формированию клеевых соединений древесины.

Материалы и методы исследований. Для формирования соединений использовались древесина дуба и следующие клеевые материалы: ПВАД-51П пластифицированная дибутилфталатом в количестве 15% изготовлена в соответствии с ТУ У 24.3-25101682-010-2004; КФС с отвердителем - щавелевая кислота и 25%-й водный раствор ПВС Selvol 325.

Определение показателя прочности до и после испытаний осуществлялось в соответствии с ГОСТ 15613.1-84, а циклические температурно-влажностные испытания реализовывались в соответствии с ГОСТ 17580-82.

Изложение основного материала. Применение карбамидо-формальдегидных олигомеров для регулирования свойств ПВА дисперсий (и наоборот) изучается длительное время [1,2], хотя в последние годы такие исследования существенно сократились, поскольку удалось получить водостойкие термопластичные композиции на основе водных дисперсий ПВА [4]. Однако поскольку такие клеи по большей части являются иностранного производства, то целесообразно изучить поведение современных ПВА дисперсий отечественного производства (которые не соответствуют высоким требованиям по водостойкости) при введении в них КФС для холодного склеивания.

С целью охвата различных вариантов совмещения термопластичных и термореактивных клеевых материалов составлено матрицу планирования, представленную в таблице 1. По установленным соотношениям компонентов для каждой группы опытов готовились соответствующие композиции.

Таблица 1 - Процентное соотношение между компонентами исследуемых клеевых смесей

№ Содержание клеящих веществ в № Содержание клеящих веществ в ис-

опыта исследуемой композиции, % опыта следуемой композиции, %

ql

1 100 0 0 9 0 0 100

2 75 0 25 10 0 25 75

3 50 0 50 11 0 50 50

4 25 0 75 12 0 75 25

5 0 100 0 13 33,3 33,3 33,3

6 25 75 0 14 25 37,5 37,5

7 50 50 0 15 37,5 25 37,5

8 75 25 0 16 37,5 37,5 25

Формирование соединений древесины дуба осуществлялось в лабораторных условиях на одноэтажном прессе за нормативными режимными параметрами для холодного склеивания. Форма и размеры образцов соответствуют типу «б» по ГОСТ 15613.1-84, а результаты испытаний прочности на скалывание вдоль волокон до и после температурно-влажностных испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний клеевых соединений древесины дуба

№ опыта (рецептуры) Прочность на скалывание вдоль волокон после соответствующего цикла испытаний, т МПа

Контрольные образцы 1 2 3 5 10 20

1 11,07 7,2 5,34 1,83 0 0 0

2 8,04 7,69 4,09 2,83 1,21 0 0

3 6,08 2,62 1,85 0,91 0,74 0 0

4 10,69 8,1 6,02 2,63 1,56 0 0

5 11,56 11,14 9,56 5,49 4,97 4,91 4,72

6 12,25 12,27 6,1 4,21 3,86 3,92 3,84

7 11,94 8,62 5,45 5,04 4,69 3,29 2,07

8 11,12 6,74 4,54 4,04 3,93 2,93 1,86

9 9,26 6,38 3,98 2,15 0,05 0 0

10 12,19 10,22 5,1 4,04 2,87 1,18 0

11 12,26 9,58 6,89 5,89 3,94 2,83 0,8

12 11,59 9,79 9,11 5,47 4,1 3,1 1,66

13 11,04 4,12 3,43 2,53 2,44 2,36 2,36

14 11,49 7,24 6,77 3,42 2,11 2,07 1,88

15 10,83 3,67 2,12 1,74 1,67 1,49 0,82

16 11,14 5,07 4,42 2,2 2,18 2,01 1,31

Из полученных результатов видно, что большинство рецептур образуют соединения с высокими показателями прочности. Исключение составляют композиции с номером 2, 3 и 9. Однако высокая начальная прочность не всегда гарантирует долговечность соединений, особенно в условиях эксплуатации изделий в агрессивных средах. Поэтому для оценки характеристик полученных клеев целесообразно проводить анализ показателей прочности соединений после циклических температурно-влажностных испытаний. По результатам экспериментальных исследований прочности соединений после 20-го цикла испытаний построено следующую регрессионную зависимость: т = 0,0000022 + 0,000047^ +0,000052^+0,000047^ -0,001Ц^2 + 0,001Ц^3 +

+ 0,0011^^ +0,028^^^ - 0,00000047д2 +0,00047д2 -0,0000005я2 + + 0,000022д2^ -0,00001Ц2я3 + 0,000018д2^ -0,000008д2^ -0,0000^^ -

-0,0000Ц2я2 - 0,00028д2^^ -0,00028д2^^ -0,00028д32^^ -0,0000012д2я2 +

+ 0,0000000Ц1^2 - 0,00000012д2д2 где q1 - содержание ПВАД-51П в клеевой композиции; q2 - содержание КФС в клеевой композиции; q3 - содержание ПВС в клеевой композиции.

После выполнения оптимизации градиентными методами было установлено, что максимального значения прочности (т=5,45 МПа) склеенные образцы дуба будут достигать при использовании композиции, в состав которой входит: 8,3% ПВАД-51П (q1) и 91,7% КФС ^2). Более крупные показатели прочности в сравнении с использованием для формирования соединений только КФС (т=4,72 МПа) можно объяснить улучшением упруго-эластичных характеристик клеевого шва. Результатом данного явления есть высшая стойкость к развитию температурных, влажностных и как следствие деформационных напряжений в клеевом шве, без существенного уменьшения его водо-и теплостойкости.

Вместе с тем, высокие показатели прочности после температурно-влажностных испытаний демонстрируют клеевые соединения, сформированные с помощью клеящей смеси с ПВАД и КФС, где соотношение компонентов составляет 75:25% соответственно. Ведь образцы, изготовлены с помощью однокомпонентной ПВАД-51П, полностью разрушались до пятого цикла испытаний, а остаточная прочность после третьего цикла составляла 1,83 МПа. В то же время образцы, сформированные из смеси ПВАД-51П и КФС в соотношении 75: 25%, выдерживают все двадцать циклов и имеют остаточную прочность 1,86 МПа.

Положительный эффект от введения КФС в ПВА дисперсию наиболее вероятно можно объяснить формированием водородных связей типа ~ С = О—Н - N - и ~ С = О—Н - О - (с энергией в 30-40 кДж/моль) между функциональными группами ПВА и КФС. Кроме того, повышению устойчивости соединений к воздействию агрессивных сред, особенно воды и влаги окружающей среды, способствует связывание поливинилового спирта в химические соединения за счет прохождения реакций по схемам, приведенным на рисунке 1. Следует отметить, что такие реакции проходят как при использовании КФС линейной структуры, так и смол циклической структуры.

а) б)

Рисунок 1 - Схема прохождения реакций между ПВС и карбамидофор-мальдегидной смолой: а) КФС линейной структуры; б) КФС циклической

структуры

Данные реакции проходят при нормальных условиях и в результате взаимодействия с метилольными группами карбамидоформальдегидного оли-гомера образуются эфирные связи и пространственная молекулярная структура, что в первую очередь способствует росту водостойкости пленок и сформированных соединений в целом.

Прохождением аналогичных реакций можно объяснить рост устойчивости к циклическим температурно-влажностным испытаниям соединений созданных совмещенными ПВС-карбамидоформальдегидными композициями.

Однако поскольку ПВС дороже ПВАД, и изготавливается только зарубежными производителями, данный вариант клеевых композиций для практического применения не рассматривается.

Выводы. Согласно полученным результатам исследований установлено, что при регулировании свойств клеев на основе ПВА дисперсий или КФС их можно смешивать в произвольных пропорциях, тем самым устраняя или ослабляя влияние негативных характеристик каждой из отдельно взятых композиций.

Высокие показатели устойчивости к воздействию циклических темпера-турно-влажностных испытаний по полученным результатам исследований и выведенной регрессионной зависимости демонстрируют композиции, в состав которых входит ПВА дисперсия в количестве 5 ... 15% и КФС в количестве 95 ... 85%. Такие результаты можно объяснить изменением релаксационных показателей создаваемых пленок по сравнению с обычной термореактивной смолой.

В свою очередь для повышения водо- и теплостойкости клеевых соединений сформированных ПВА дисперсией можно рекомендовать введение в клеевую композицию КФС в количестве 10...20%. Такое модифицирование позволяет получить клеи для формирования соединений в изделиях, которые будут эксплуатироваться в помещениях с повышенным уровнем влаги окружающей среды и возможными кратковременными воздействиями воды.

Таким образом, при совмещении ПВА дисперсий и КФС можно получить клеевые композиции, которые будут дешевле аналогичных дисперсионных ПВА клеев зарубежного производства по классам долговечности D3 и D4, однако не будут уступать в эксплуатационных и прочностных характеристиках, а в отдельных аспектах и преобладать их.

Список использованных источников

1. Зигельбойм С.Н. Термопластичные клеи в производстве мебели. - М.: Лесная промышленность, 1978. - 104 с.

2. Фрейдин А.С. Полимерные водные клеи. - М.: Химия, 1985. - 144 с.

3. Официальный сайт Jowat Corporation. [Электронный ресурс]. - Доступен с http://www.jowat.com/.

4. Официальный сайт фирмы KLEBCHEMIE M.G. Becker GmbH & CoKG. [Электронный ресурс]. - Доступен с http://www.kleiberit.com/.