Древесно-стружечные плиты на основе карбамидоформальдегидной смолы, модифицированной наноразмерным шунгитом

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Библиографический список

1. Крылатов, Ю.А. Проклейка бумаги / Ю.А. Кры-латов, И.Н. Ковернинский - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 288 с.

2. Азаров, В.И. Синтез катионных крахмалокарба-мидоформальдегидных полимеров / В.И. Азаров, С.М. Тарасов, М.А. Лукоянова - Науч. тр. - Вып. 329(6). - М.: МГУЛ, 2005. - С. 39-42.

3. Тарасов, С.М. Модификация карбамидоформаль-дегидных олигомеров различными видами катионного крахмала / С.М. Тарасов, В.И. Азаров, М.А. Тарасова - Науч. тр. - Вып. 335. - М.: МГУЛ, 2006. - С. 71-74.

4. Тарасов, С.М. Опыт использования модифицированных аминоформальдегидных олигомеров в производстве бумажно-картонных материалов / С.М. Тарасов, В.И. Азаров, ГН. Кононов и др. - Науч. тр. - Вып. 334 (7). - М.: МГУЛ, 2006. - С. 52-55.

5. Тарасов, С.М. Исследование стабильности дисперсий аминоальдегидных олигомеров, модифицированных катионными крахмалами / С.М. Тарасов, А.М. Иванова - Науч. тр. - Вып. 349. - М.: МГУЛ, 2010. - С. 132-141.

6. Абрамзон, А.А. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: справочник / А.А. Аб-рамзон, Л.Е. Боброва, Л.П. Зайченко и др. - Л.: Химия, 1984. - 392 с.

ДРЕВЕСНО-СТРУЖЕЧНЫЕ ПЛИТЫ НА ОСНОВЕ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ,

модифицированной наноразмерным шунгитом

Н.Г ПАНОВ, асп. каф. технологии металлов и ремонта ПетрГУ,

A. В. ПИТУХИН, проф. каф. технологии металлов и ремонта ПетрГУ, д-р техн. наук,

С.С. РОЖКОВ, н. с. лаборатории физико-химических исследований наноуглеродных материалов Института геологии Карельского научного центра РАН, канд. хим. наук,

B. Е. ЦВЕТКОВ, проф. каф. технологии древесных плит и пластиковМГУЛ, д-р техн. наук, В.Г. САНАЕВ, проф. каф. древесиноведения МГУЛ, д-р техн. наук,

О.В. ФИРЮЛИНА, асп. каф. технологии и оборудования лесного комплекса ПетрГУ

tsvetkov@mgul.as.ru

Ранее было показано, что в процессе отверждения меламиноформальдегидной, фенолформальдегидной и карбамидофор-мальдегидной смолы с шунгитом образуется трехмерная сетка, которая повышает физикомеханические свойства материала [4]. Это достигается при модифицировании связующего на основе соответствующих смол путем введения тонкодисперсного шунгитового наполнителя вследствие аналогичного механизма взаимодействия смолы с наноуглеродом [5, 6]. По результатам этих исследований было принято решение изучить влияние наноразмерного шунгитового наполнителя (НШН) на физико-механические, водостойкие и экологические свойства ДСП.

Высокоуглеродистые шунгитовые породы добывают на Зажогинском месторождении в Медвежьегорском районе Республики Карелия. Перед добавлением в связующее шунгит был измельчен и подвергнут специальной обработке для выделения

Развитие нанотехнологий в России приобретает все большее значение. Перспективным направлением в данной области является получение новых композиционных материалов на основе древесины, а именно - модификация наноразмерными наполнителями древесных материалов, таких как древесностружечные плиты (ДСП). Однако такие наполнители пока не применяются в производстве древесных плит, несмотря на их большое разнообразие и актуальную необходимость повышения потребительских свойств ДСП, таких как водостойкость и физико-механическая прочность [1-3]. Помимо этих характеристик актуальна и экологичность плит, а именно - низкое содержание свободного формальдегида в ДСП. Вследствие этого возникает потребность модернизации ДСП, т.е. модифицирование структуры связующего ДСП, состоящего из карбамидоформальдегидной смолы и хлорида аммония, на уровне, соизмеримом с наноразмерным.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

135

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

наноструктурных элементов и их стабилизации [7].

Целью данной работы является исследование влияния НШН на физико-механические и водостойкие свойства однослойных древесно-стружечных плит на основе карба-мидоформальдегидного связующего, а также оценка влияния наполнителя на экологические свойства

Образцы однослойных плит для испытаний были изготовлены в лаборатории кафедры технологии древесных плит и пластиков Московского государственного университета леса. Применялась стружка фракции 3/0, содержащая 60 мас. % хвойных и 40 мас. % лиственных пород. Влажность стружки составляла W = 4 %.

Связующее готовили на основе следующих компонентов:

- водный раствор карбамидоформаль-дегидной смолы (КФС) марки КФ-НФП производства ПК «Корпорация Электрогорск мебель» концентрацией 66 %;

- хлорид аммония в виде водного раствора концентрацией 20 %.

Для модифицирования ДСП в связующее вводили НШН с размером частиц 50-100 нм, влажностью 0,7 % и удельной поверхностью 120 м1/г. НШН был предоставлен лабо-

Т а б л и ц а 1

Состав наноразмерного шунгитового наполнителя

Содержание компонентов в порошке Вес, %

С 28,0 - 31,0

SiO2 56,0 - 60,0

А120з 4,3 - 5,5

Fe2O3 2,0 - 6,0

K2O 1,3 - 1,5

MgO 0,9 - 1,4

TiO2 < 0,45

Na2O < 0,4

CaO ~ 0,1

Т а б л и ц а 2

Зависимость времени желатинизации карбамидоформальдегидной смолы от концентрации НШН

Содержание НШН, мас.ч. 0 5 10 15 20

T жел, с 73 71,5 69 69,5 69

раторией физико-химических исследований наноуглеродных материалов Института геологии КарНЦ РАН. Состав наполнителя представлен в табл. 1.

Содержание связующего составляло 13 мас. % от стружки, количество НШН варьировалось в пределах 0-20 мас. % от водного раствора КФС. Режимы прессования: Т

г г г плит прес-

=200 0С, скорость прессования ^= 0,35 мин/ мм и давление Р=2,5 МПа.

Полученные однослойные ДСП были испытаны на:

1. Прочность при статическом изгибе.

Проведенные испытания соответствуют ГОСТ 10635-88 [8]

2. Прочность при растяжении.

Проведенные испытания соответствуют ГОСТ 10636-88 [9]

3. Водостойкость.

Проведенные испытания соответствуют ГОСТ 10634-88 [10]

4. Содержание свободного формальдегида.

Проведенные испытания, соответствуют ГОСТ 27678-88[11]

Для оценки активности наноразмерного наполнителя в связующем определили время желатинизации смолы при изменении концентрации наполнителя. Испытания проводили по ГОСТ 14231-88 [12]. Результаты, представленные в табл. 2, показывают, что заметное снижение времени желатинизации происходит при увеличении НШН от 0 до 10 мас. %.

Были получены и исследованы лабораторные образцы ДСП с содержанием НШН (Ф) от 0 до 20 мас. %.

На рис. 1 представлены зависимости предела прочности при статическом изгибе (а) и при растяжении перпендикулярно плас-ти плиты (б) от концентрации НШН.

Из зависимостей, представленных на рис. 1, видно, что при введении НШН до 10 мас. % в композицию ДСП наблюдается значительный рост показателей прочности. По сравнению с контролем прочность при статическом изгибе увеличилась на 41 %, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты выросла на 104 %. Такие

136

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 1. Зависимости предела прочности композиций ДСП при статическом изгибе а) - (с ) и при растяжении перпендикулярно пласти плиты б) - (с±) от концентрации НШН

Рис. 2. Зависимость разбухания (AS) по толщине от Рис. 3. Зависимость водопоглощения (AM) по массе от концентрации НШН концентрации НШН

Содержание свободного формальдегида в ДСП

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012

137

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

высокие показатели физико-механических свойств можно объяснить установленной ранее способностью НШН образовывать трехмерную наноуглеродную сетку в структуре ДСП, распространяющуюся по всему объему материала, приводящую к формированию более прочной структуры [13]. Обе зависимости (рис.1) имеют максимум при одинаковой концентрации НШН 10 мас. %, что соответствует максимальной прочности образующейся наноразмерной сетки.

На рис. 2 и 3 представлены зависимости показателей разбухания и водопоглощения плит от концентрации НШН.

Из графиков видно, что при введении НШН в связующее ДСП происходит значительное уменьшение показателей разбухания и водопоглощения плит, что говорит о повышении водостойкости данного продукта. Такие показатели можно объяснить высокой прочностью и низкой проницаемостью по воде пленки смола-наноуглерод, концентрация которой увеличивается на поверхности плиты по сравнению с объемом при прессовании [14].

Также из рис. 2 и 3 видно, что максимальным показателям водостойкости соответствуют составы с концентрацией НШН 10 мас. %.

На гистограмме (рис. 4) показана зависимость содержания свободного формальдегида в ДСП от концентрации НШН. Оказалось, что при введении НШН в карба-мидоформальдегидную смолу, наблюдается существенное снижение содержания свободного формальдегида. Данный эффект растет с увеличением концентрации наночастиц и связан с химическим взаимодействием наноуглерода с формальдегидом.

Кроме того, из данной гистограммы следует, что при концентрации НШН 10 мас. % наблюдается значительное снижение содержания свободного формальдегида.

Таким образом, для получения оптимума прочностных и технологических свойств ДСП необходимо вводить 10 мас. % НШН.

Выводы

1. Получены композиции ДСП на основе карбамидоформальдегидной смолы КФ-

НФП с наноразмерным шунгитовым наполнителем при концентрациях от 0 до 20 мас. %.

2. Максимальные значения предела прочности при статическом изгибе и растяжении перпендикулярно пласти наблюдаются для образцов плиты при концентрации НШН 10 мас. %. При этом показатели возрастают на 41 % и 104 % при изгибе и растяжении.

3. Введение НШН приводит к повышению водостойкости ДСП. При оптимальной концентрации 10 мас. % НШН разбухание по толщине за 24 часа уменьшается на 32 %, а водопоглощение снижается в 1.5 раза,

4. Наблюдается снижение содержания свободного формальдегида в готовой продукции при содержании 10 % НШН на 21 %.

Библиографический список

1. Леонович, А.А. Физико-механические основы образования древесных плит / А.А. Леонович.

- СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003 - 192 с.

2. Панов, Н.Г. Повышение прочностных свойств древесных материалов на основе применения нанотехнологии / Н.Г. Панов // Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева. Химия древесины. - СПб.: СПбГЛА, - 2010. -С. 173-176.

3. Панов, Н.Г. Нанотехнологии и их перспективы в машиностроении: тез. докл. 61 научная студенческая конференция / Н.Г. Панов. - Петрозаводск: ПетрГУ, 2009. - С. 82-83.

4. Рожкова, Н.Н. Наноуглерод шунгитов / Н.Н. Рожкова. - Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. - 100 с.

5. Рожкова, Н.Н. Влияние модифицирования шун-гитового наполнителя с помощью поверхностноактивных веществ и его влияние на физико-механические и проводящие свойства полимерных композиционных материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н.Н. Рожкова. - СПб., - 1992.

- 20 с.

6. B. Voigt, McQueen D. H., Pelis“kova M., Rozhkova N. Electrical and Mechanical Properties of Melamine-Formaldehyde-Based Laminates With Shungite Filler//Polymer. Composite, 2005, 26(4).P.552-562.

7. Рожкова, Н.Н. Технологии для многоуровневой активации наноуглерода шунгитовых пород / Н.Н. Рожкова // Геодинамика, магматизм, седи-ментогенез и минерагения Северо-Запада России.

- Петрозаводск: Институт геологии КарНЦ РАН, 2007. - C. 335-339.

8. ГОСТ 10635-88. Плиты древесно-стружечные. Методы определения предела прочности и модуля упругости при изгибе. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 4 с.

138

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2012