Применение теории адгезии и смачивания для модификации фенолформальдегидного олигомера, используемого для осмоления костры

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ АДГЕЗИИ И СМАЧИВАНИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНОГО ОЛИГОМЕРА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ОСМОЛЕНИЯ КОСТРЫ

С.А. УГРЮМОВ, доц. каф. механической технологии древесины КГТУ, канд. техн. наук, В.Е. ЦВЕТКОВ, проф. каф. технологии производства древесных плит и пластиков МГУЛ, д-р техн. наук

При осмолении костры синтетическим связующим сложно достичь его равномерного распределения по наружной поверхности всех частиц. Особенно трудно равномерно распределить клеевые составы, обладающие повышенной концентрацией и вязкостью, например фенолформальдегидные. На лицевых сторонах изготовленной костроплиты, как правило, наблюдаются участки с повышенным содержанием связующего в виде пятен и участки мало осмоленные. Неравномерность осмоления костры приводит к нестабильности свойств по толщине и формату плиты, что негативно отражается на качестве продукции.

Улучшение процесса осмоления, то есть повышение равномерности распределения относительно небольшого количества связующего по поверхностям частиц наполнителя возможно на основе применения теории адгезии и смачивания [1,2]. Согласно данной теории, клеевые составы, применяемые при осмолении дискретных наполнителей, должны обеспечивать полное смачивание их поверхностей, а также образовывать межфазный контакт между адгезивом и субстратом и межфазное или адсорбционное взаимодействие на границе раздела фаз полимер-наполнитель. А для достижения высокой адгезии необходимо, чтобы поверхностное натяжение жидкости имело высокие значения. Также необходимо, чтобы поверхностная энергия (у) и поверхностное натяжение (а) твердого тела были больше

поверхностной энергии и поверхностного натяжения жидкости, соприкасающейся с ним, при этом будет обеспечиваться смачивание адгезивом поверхности субстрата

Y > Y О > О

* субстрат * адгезив 5 субстрат адгезив '

В экспериментальной части работы для определения поверхностного натяжения фенолформальдегидного связующего на основе смолы СФЖ-3014 применялся метод отрыва кольца, сущность которого состоит в измерении силы, необходимой для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости. Для снижения поверхностного натяжения и, соответственно, для повышения смачивающей способности олигомера, в его состав вводился спирт бутанол-1 в качестве поверхностноактивного вещества. Результаты определения поверхностного натяжения и вязкости исследуемых составов представлены в табл. 1.

Анализ полученных результатов показал, что введение в клеевой состав бутанола способствует снижению его поверхностного натяжения, при этом несколько уменьшается и вязкость, что должно положительно отразиться на процессе осмоления костры льна.

Исследования краевого угла смачивания целлюлозосодержащих субстратов исследуемыми составами проводились на основе методики [3] с использованием окуляра - микрометра, позволяющего измерить размеры капли адгезива, нанесенной на поверхность субстрата.

Т а б л и ц а 1

Поверхностное натяжение исследуемых адгезивов

Исследуемый состав Вязкость по ВЗ-4, с Поверхностное натяжение, о, мДж/м2

Смола СФЖ-3014 63 73,2

Смола СФЖ-3014 + 0,5 % бутанола 61 57,9

Смола СФЖ-3014 + 1 % бутанола 59 52,7

Смола СФЖ-3014 + 1,5 % бутанола 58 47,8

Смола СФЖ-3014 + 2 % бутанола 57 43,3

104

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2008

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 2

Сводные результаты определения косинусов краевых углов смачивания

Адгезив Косинусы углов смачивания для субстратов

береза сосна наружный слой костры внутренний слой костры среднее значение для костры

СФЖ-3014 0,510 0,561 0,306 0,332 0,319

СФЖ-3014 + 0,5 % бутанола 0,642 0,682 0,440 0,493 0,467

СФЖ-3014 + 1 % бутанола 0,834 0,783 0,519 0,570 0,545

СФЖ-3014 + 1,5 % бутанола 0,977 0,962 0,717 0,766 0,742

СФЖ-3014 + 2 % бутанола 1,0 1,0 0,956 0,987 0,972

Таблица 3

Сводные результаты определения краевых углов смачивания

Адгезив Углы смачивания, град. для субстратов

береза сосна наружный слой костры внутренний слой костры среднее значение для костры

СФЖ-3014 59°18’ 55° 54’ 72° 12’ 70° 36’ 71° 18’

СФЖ-3014 + 0,5 % бутанола 50° 0’ 47° 0’ 63° 54’ 60° 24’ 62° 12’

СФЖ-3014 + 1 % бутанола 33° 30’ 38° 30’ 58° 42’ 55° 12’ 57° 0’

СФЖ-3014 + 1,5 % бутанола 12° 18’ 15° 48’ 44° 36’ 40° 0’ 42° 18’

СФЖ-3014 + 2 % бутанола 0° 0° 17° 0’ 9° 12’ 11° 24’

Таблица 4

Поверхностное натяжение полимеров

Материал Поверхностное натяжение, МДж/м2

Фенолформальдегидная смола (среднее значение) 68...79

Смола СФЖ-3014 (фактическое значение) 73,2

Древесина (среднее значение) 44...50

- береза (фактическое значение) 49

- сосна (фактическое значение) 47

К = 0 % К = 1 % К = 2 %

Рис. 1. Вид капель фенолформальдегидного адгезива на поверхности костры

Сводные результаты определения косинусов краевых углов смачивания представлены в табл. 2-3. На рис. 1. представлен внешний вид рассматриваемых капель. Практические

вопросы адгезионной прочности в структуре композиционных материалов могут быть решены только с учетом соотношений поверхностных натяжений адгезива и субстрата.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2008

105

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Я Количество модификатора, %

♦ субстрат - береза  субстрат - сосна

* субстрат - костра льна

Рис. 2. Влияние количества модификатора (бутанола-1), добавляемого в смолу СФЖ-3014, на краевой угол смачивания адгезивов

Рис. 3. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения фенолформальдегидной смолы СФЖ-3014, модифицированной бутанолом: 1 - субстрат - береза; 2 - субстрат - сосна; 3 - субстрат - костра льна

Поверхностное натяжение различных древесных пород отличается в зависимости от породы, анатомического строения, плотности, пористости и других факторов (табл. 4).

В литературных источниках отсутствуют сведения о величине поверхностного натяжения костры льна, однако определение данного показателя очень важно для прогнозирования адгезионной прочности и эксплуатационных свойств композиционных материалов на ее основе.

Определить поверхностное натяжение костры можно графическим способом на основе оценки взаимосвязи поверхностного натяжения различных адгезивов и косинуса краевого угла смачивания ими поверхности субстрата.Графическая оценка представлена на рис. 3.

Фактическое поверхностное натяжение костры льна определено экстраполированием кривой линии, выражающей зависимость cos0 = f(o) до значения cos0 = 1, при котором происходит полное смачивание. Таким образом, поверхностное натяжение костры составило 45 МДж/м2. Для достижения полного смачивания и высокой адгезии необходимо, чтобы полимерные составы, применяемые для ее осмоления, имели поверхностное натяжение до 45 МДж/м2. Это достигается при модифицировании фенолформальдегидной смолы СФЖ-3014 бутанолом в количестве порядка 2 %. Такое модифицирование позволит обеспечить полное смачивание костры при осмолении и обеспечить высокую адгезию.

Библиографический список

1. Зимон, А.Д. Адгезия жидкости и смачивание / А.Д. Зимон. - М.: Химия, 1974. - 416 с.

2. Берлин, А.А. Основы адгезии полимеров / А.А. Берлин, В.Е. Басин. - М.: Химия, 1974. -392 с.

3. Практикум по коллоидной химии (коллоидная химия латексов и поверхностно-активных веществ) / Под ред. Р.Э. Неймана. - М.: Высшая школа, 1971.

- 176 с.

4. Басин, В.Е. Адгезионная прочность / В.Е. Басин.

- М.: Химия, 1981. - 208 с.

5. Фрейдин, А.С. Прочность и долговечность клеевых соединений / А.С. Фрейдин. - 2-изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1981. - 270 с.

106

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2008