Клеевая композиция для склеивания древесины (с поташем)
ADHESIVE COMPOSITION FOR GLUING WOOD (WITH POTASH)

Изобретение относится к деревоперерабатывающей промышленности, в частности к клеевым композициям, использующимся для склеивания древесных материалов, в частности, фанеры, шпона, древесно-волокнистых плит и других эквивалентных материалов.
Клеи на основе синтетических смол, в частности, фенолформальдегидных смол, характерны тем, что они обеспечивают образование наиболее прочных и водостойких клеевых соединений. Опыт промышленного применения таких клеев показывает, что материалы, склеенные этими клеями, приобретают способность хорошо переносить переменные воздействия влажности и температуры окружающей среды. Особое место среди указанной группы составов занимают клеи, увеличивающиеся в объеме в процессе отверждения за счет частичного вспенивания (подвспенивания).
Так, из уровня техники RU 2345103 C2, 27.01.2009 известна клеевая композиция, являющаяся вспениваемой, в том числе, для многослойной фанеры, содержащая смолу в количестве 40-80 % мас., наполнитель, в частности, мел, мука, крахмал, карбонат калия(поташ) и другие, в количестве 5-30 % мас., воду в количестве от 0 до 40 % мас. и пенообразователь в количестве 0,1-10 % мас. Такой клей не является вязким, и он легко растекается.
Также из уровня техники SU 729226 A1, 25.04.1980 известен клей для крепления облицовочных материалов к древесине, содержащий латекс, загуститель, наполнитель, ПАВ, тиксотропную добавку, 20 %-ный раствор поташа и воду. Прочность крепления материалов этим клеем невелика. При этом к недостаткам клеев на основе латексов также относятся низкие морозостойкость и водостойкость, т.е. они подвержены воздействию внешних условий окружающей среды.
Из уровня техники GB 1504451, 22.03.1978 также известен клеевой состав для склеивания древесных материалов, содержащий фенолформальдегидную смолу, раствор сульфата лигнина, наполнитель, состоящий из древесного порошка, мела и пшеничной муки, и воду. Указанный состав не обеспечивает заданную прочность склеивания.
Из уровня техники RU 2113982 C1, 27.06.1998 известно использование только карбамида в количестве 0,5-5% мас. в составе клея для фанеры на основе фенолформальдегидной смолы. Недостатками указанного клея является невысокая прочность, низкие эксплуатационные свойства.
Что касается совместного применения карбамида и поташа в составе клеевой композиции, то из «Основные типы клеев, применяемых в деревообработке», опубл.10.01.2017 по ссылке https://chemi.by/arhiv-novostej/stati/osnovnye-tipy-kleev-primenyaemyh-v-derevoobrabotke.html известно, что для различных смол СФЖ-3014, СФЖ-Н, Экстер-417 и Экстер-442 можно использовать углекислый калий (К2СО3) в виде 50%-ного раствора или комбинированный отвердитель (КО), который готовят путем растворения двухромовокислого калия или натрия в воде, нагретой до 60°С. Туда же загружают карбамид до полного растворения. Такие смеси используются для приготовления клеев на основе ФФС. Однако в указанном источнике не сказано о соотношении используемого карбамида и поташа и влияния такого соотношения на прочностные и эксплуатационные характеристики клея.
В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения можно использовать источник информации RU 2757429 С1, 15.10.2021, в котором описан синтетический клей для производства фанеры, содержащий смолу, мел, муку и воду, который дополнительно содержит железосодержащий мелкодисперсный наполнитель, в качестве которого используют пылевидные отходы металлургического производства с содержанием железа не менее 30,0 %, при следующем соотношении компонентов, мас. %: смола 65-78 %, мел - 5-10 %, мука - 5-8, вода - 8-14, наполнитель - 0,05-6,0. Недостатками указанного клея являются невысокая прочность склеивания, увеличенный расход и использование отходов металлургического производства, которые необходимы для использования в заявленном способе.
Техническим результатом заявленного изобретения является высокие прочностные свойства клеевой композиции, в том числе, при изменяющихся температурно-временных условиях окружающей среды.
Указанный технический результат достигается за счет использования клеевой композиции для склеивания древесины, содержащей смолу, мел, муку, активный наполнитель и воду, при этом в качестве активного наполнителя используют карбамид и водный раствор поташа, взятые в соотношении от 5 : 1 до 1 : 0,1, при следующем соотношении исходных компонентов, % мас.:
Смола
65-75
Мел
5-10
Мука
3-5
активный наполнитель
5-7
вода
остальное до 100
Дополнительно в качестве смолы заявленная клеевая композиция содержит фенолформальдегидную смолу. В качестве фенолформальдегидных смол могут быть использованы смолы марки СФЖ-3014 по ГОСТ 20907, марки Primere 14Jпо ТУ 2221-016-72149825, а также смолы других производителей.
В качестве муки клеевая композиция может содержать муку ржаную хлебопекарную, сорт обдирная по ГОСТ 7045.
Также используется мел марки ММС-2 по ГОСТ 12085 в качестве инертного наполнителя клея. Допускается использовать мел других марок и по другим нормативным документам.
Также в заявленном изобретении используется в качестве активного наполнителя карбамид марки А, высший сорт по ГОСТ 2081 и калий углекислый технический (поташ) по ГОСТ 10690.
В качестве растворителя применяется вода очищенная или техническая (далее - вода).
Содержание смолы, воды и муки влияет на вязкость клеевого состава и обеспечивает достаточное «время жизни» без ухудшения потребительских свойств. Снижение концентрации смолы, равно как и увеличение содержания воды приводит к непроклею в древесине, обратная ситуация способствует увеличению вязкости и нарушении режима текучести, что приводит к повышенному расходу клея или полной остановке производства.
Содержание муки в указанном диапазоне также обеспечивает достаточную степень холодной подпрессовки. Уменьшение содержания не позволяет точно контролировать вязкость состава, не обеспечивает холодную подпрессовку. Увеличение содержание муки приводит к неконтролируемому изменению вязкости, образованию агломератов твердой фазы, нарушению режима склеивания композита.
Мел применяется в качестве наполнителя для минимизации фактора парового удара при горячем прессовании, а также с целью удешевления технологии производства. Изменение его содержания в большую сторону приводит к уменьшению прочности клеевого шва, в меньшую - повышенному расходу смолы и клеевого состава соответственно.
Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что использование в качестве активного наполнителя карбамида совместно с водным раствором поташа в заявленном соотношении обеспечивает улучшение прочностных свойств клея. Возможно, данный факт связан с повышением степени поликонденсации связующих либо синергетическим эффектом совместного использования карбамида с поташом в заявленных соотношениях. При этом изменение указанного соотношения и количества активного наполнителя приводит к снижению прочности склеивания и ухудшению адгезионных характеристик.
Указанный технический результат также достигается за счет способа производства заявленной клеевой композиции, включающего получение жидкой фазы, включающей смешивание смолы с водой, приготовление твердой фазы, включающей смешивание мела и активного наполнителя, постепенное добавление твердой фазы и муки в жидкую при непрерывном перемешивании с дальнейшим перемешиванием до достижения однородного состояния клеевой массы.
Далее описаны конкретные примеры выполнения изобретения.
Пример 1. Изготавливали клеевую композиции для склеивания древесины. Для этого сначала готовили жидкую фазу путем смешивания смолы СФЖ-3014 в количестве 65 % мас. с водой в количестве 16,5 % мас. Одновременно готовили суспензию, состоящую из мела в количестве 7,0% мас. и активного наполнителя - карбамида и 20 %-ного водного раствора поташа, взятых в соотношении 5 : 1 в количестве 7,0 % мас., которые смешивались отдельно до получения однородной массы в виде суспензии.
Полученная суспензия постепенно добавлялась в жидкую фазу при непрерывном перемешивании. Дальнейшее перемешивание осуществлялось до достижения однородного состояния клеевой массы. Для контроля вязкости клеевого состава, одновременно с твердой фазой подавалась мука в количестве 4,5%. Вязкость клея составила 100 с по В3-4 при 20°С.
Пример 2. Изготавливали клеевую композицию для склеивания древесины. Для этого сначала готовили жидкую фазу путем смешивания смолы СФЖ-3014 в количестве 70 % мас. с водой в количестве 11,0 % мас. Одновременно готовили суспензию, состоящую из мела в количестве 8,0% мас. и активного наполнителя - карбамида и 20 %-ного водного раствора поташа, взятых в соотношении 1 : 0,1 в количестве 7,0 % мас., которые смешивались отдельно до получения однородной массы в виде суспензии.
Полученная суспензия постепенно добавлялась в жидкую фазу при непрерывном перемешивании. Дальнейшее перемешивание осуществлялось до достижения однородного состояния клеевой массы. Для контроля вязкости клеевого состава, одновременно с твердой фазой подавалась мука в количестве 4 %. Вязкость клея составила 113 с по В3-4 при 20°С.
Пример 3. Изготавливали клеевую композиции для склеивания древесины. Для этого сначала готовили жидкую фазу путем смешивания смолы СФЖ-3014 в количестве 75 % мас. с водой в количестве 6,5 % мас. Одновременно готовили суспензию, состоящую из мела в количестве 5,0% мас. и активного наполнителя - карбамида и 20 %-ного водного раствора поташа, взятых в соотношении 7 : 1 в количестве 10,0 % мас., которые смешивались отдельно до получения однородной массы в виде суспензии.
Полученная суспензия постепенно добавлялась в жидкую фазу при непрерывном перемешивании. Дальнейшее перемешивание осуществлялось до достижения однородного состояния клеевой массы. Для контроля вязкости клеевого состава, одновременно с твердой фазой подавалась мука в количестве 3,5 %. Вязкость клея составила 106 с по В3-4 при 20°С.
Пример 4. Изготавливали клеевую композицию согласно примеру 1 с тем отличием, что в качестве смолы использовали фенолформальдегидную смолу марки Primere 14J. Вязкость клея составила 80 с по В3-4 при 20°С.
Пример 5. Изготавливали клеевую композицию согласно примеру 2 с тем отличием, что в качестве смолы использовали фенолформальдегидную смолу марки Primere 14J. Вязкость клея составила 90 с по В3-4 при 20°С.
Пример 6. Изготавливали клеевую композицию согласно примеру 3 с тем отличием, что в качестве смолы использовали фенолформальдегидную смолу марки Primere 14J. Вязкость клея составила 87 с по В3-4 при 20°С.
2
Далее для изучения прочностных и адгезионных свойств клеевые составы, полученные по примерам 1-6, наносились на поверхность шпона в количестве 150-160 г/м.
Преимущества заявленного изобретения доказываются путем сравнения прочностных характеристик клеевой композиции по аналогу и клеевых композиций, полученных по примерам 1-3.
Прочность образцов на скалывание определялась в соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 33120-2014. «Конструкции деревянные клееные. Методы определения прочности клеевых соединений». Результаты испытаний представлены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты испытания прочности клеевых соединений
Образцы клеевых композиций
Среднее значение прочности клеевых соединений на скалывание вдоль волокон, МПа, по результатам испытаний склеивания 20 образцов соснового шпона
Не подвергавшихся циклам ускоренного старения
После 40 циклов ускоренного старения по ГОСТ 33120-2014
Аналог
4,9
2,9
Пример 1
5,2
4,1
Пример 2
5,4
4,3
Пример 3
5,5
4,3
Относительную прочность клеевых соединений рассчитывали с погрешностью 1% по формуле: А = (σц/ σк ) * 100 %
где σц - среднее арифметическое результатов испытаний образцов после цикличных температурно-влажностных воздействий; σк - среднее арифметическое результатов испытаний контрольных образцов. Группу стойкости клеевых соединений к цикличным температурно-влажностным воздействиям определяют в зависимости от их относительной прочности: - при А до 30% - низкая стойкость; - при А от 30 до 60% - средняя стойкость; - при А более 60% - повышенная стойкость.
Расчетная относительная прочность клеевых соединений по аналогу составила 59,1%, для клеевой композиции по примеру 1 - 78,85 %, для клеевой композиции по примеру 2 - 79,63 %, для клеевой композиции по примеру 3 - 78,18 %.
Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы:
- предел прочности опытных клеевых композиций при скалывании вдоль волокон выше, чем у клеевой композиции по аналогу;
- максимальную стойкость к цикличным температурно-влажностным воздействиям (А= 78,18-79,63 %) показали клеевые соединения, полученные при использовании клеевых композиций, полученных по примерам 1-3. Их стойкость может быть классифицирована по ГОСТ 33121-2014 как повышенная.
Аналогичные эксперименты были проведены с использованием клеевых композиций, полученных по примерам 4-6. При этом было показано, что конкретный вид фенолформальдегидной смолы, используемой для приготовления клеевой композиции не оказывает существенного влияния на прочностные свойства. При этом расчетная относительная прочность для клеевой композиции по примеру 4 составила 78,1 %, по примеру 5 - 79 %, по примеру 6 - 78,2 %, что также значительно выше, чем у композиции по аналогу.
Как уже упоминалось выше клеи на основе фенолформальдегидных смол допускают склеивание древесины с повышенной влажностью, однако конкретные экспериментальные данные, из которых можно было бы сделать вывод о предельно допустимой влажности при склеивании, в литературе отсутствуют. Поэтому решено было провести эксперимент, целью которого является определение зависимости прочности клеевого соединения на основе опытной клеевой композиции от влажности древесины, подвергаемой склеиванию. В результате проведенных испытаний было установлено, что прочность такой клеевой композиции при варьировании влажности древесины в диапазоне от 8 до 25% изменяется несущественно и составляет 5,1-5,3 МПа.
Таким образом, полученные клеевые композиции обладают высокими прочностными свойствами, в том числе, при изменяющихся температурно-временных условиях окружающей среды.