Цеолитный Наполнитель, активированный в электромагнитных полях, для производства фанеры Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

DOI: 10.12737/2186 УДК 674.8: 574

ЦЕОЛИТНЫЙ НАПОЛНИТЕЛЬ, АКТИВИРОВАННЫЙ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПОЛЯХ, ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФАНЕРЫ

аспирант кафедры химии М. В. Анисимов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

maxmailwork@gmail.com

В настоящее время древесные плитные материалы (ДИМ) получили широкое распространение в строительстве, деревообработке и мебельном производстве, изготовлении отделочных материалов и других отраслях производства. Изготовление разнообразных древесных плитных материалов (фанера, ДСтИ, ДВП и др.) проводится с применением клеевых композиций. При ежегодном возрастании спроса на ДИМ к ним предъявляются все более жесткие требования по физико-механическим и экологическим показателями, которые должны соответствовать не только российским, но и зарубежным стандартам. Это обусловлено так же стремлением отечественных производителей выйти на европейский и мировой рынок строительных материалов с привлечением российских компаний к совместным проектам с зарубежными производителями.

Необходимость увеличения объемов производства ДИМ связана с планами Правительства России по развитию строительства. Согласно правительственному постановлению "О федеральной целевой программе "Жилище" на 2011...2015 годы", темпы строительства жилья должны быть увеличены в 1,5 раза и составлять 90 миллионов м2 в год (по материалам сайта www.fcpdom.ru).

Таким образом, целью данной рабо-

ты является создание экологически безопасных древесных плитных материалов, обладающих эксплуатационными характеристиками, которые отвечают предъявляемым стандартам качества, как в России, так и за рубежом.

В большинстве современных клеевых композитных связующих, по данным, представленным Куликовым В.А. и Чубо-вым А.Б., используются минеральные, органические или синтетические наполнители для улучшения физико-механических характеристик. К неорганическим наполнителям относятся каолин, мел, асбест, гипс, сажа, тонко размолотое стекло, высокодисперсные металлические порошки, цеолиты, природные глины и другие. Эти наполнители не набухают в воде и не растворяются в ней, хорошо закрывают сосуды древесины, тем самым, препятствуя просачиванию клея через тонкие слои шпона. Они снижают влияние толщины клеевого слоя на прочность клеевого соединения. Неорганические наполнители традиционно применяются только в качестве регулятора вязкости используемого связующего, обеспечивая тем самым снижение его расхода при производстве ДИМ. Природа наполнителя влияет на технологические свойства клеёв. Например, наличие ионов алюминия в неорганическом наполнителе способствует, согласно работе

Эльберта А.А. и др., понижению времени желатинизации и жизнеспосбности, а также снижению продолжительности склеивания.

В литературе [1, 2, 3] приводятся данные об адсорбционных свойствах, используемого в данной работе цеолитового наполнителя клеевых композиций (кли-ноптилолита). Возможность использования данного наполнителя для изготовления фанеры описана в работе [4].

Клиноптилолит является одним из представителей природных наполнителей

цеолитовой группы, обладающий нанопо-ристой структурой и имеющий активные центры различной природы: неэкраниро-ванные (или частично экранированные) катионы, комплексы из многозарядного катиона и гидроксильных групп, бренсте-довские и льюисовские кислотные центры, мостиковые атомы кислорода, дефекты кристаллической структуры. Внутрикри-сталлическое пространство клиноптилоли-та занято обменными катионами щелочных и щелочно-земельных металлов и молекулами воды (рис. 1) [1].

Рис. 1. Структурная схема клиноптилолита

Для сорбционных процессов определяющими являются размеры и расположение каналов. Кроме каналов цеолитные каркасы содержат пустоты, образующие совместно с каналами полиэдры, внутри которых имеются свободные объемы размерами 0,6__1,1 нм. В структуре клиноп-

тилолита имеется 4 типа каналов эллипти-

ческого сечения. Размеры десятичных каналов равны 0,705x0,395, а восьмичленных

- 0,46x0,395 нм. Матрица клиноптилолита

- каркасная открытая, с расположением обменных ионов в открытых полостях и каналах [5].

В ходе проведенных исследований установлено, что в нативной форме ад-

сорбционная емкость цеолита (клиноптилолита) недостаточна для использования в качестве сорбента формальдегида - свободного мономера карбамидоформальде-гидных смол, что совпадает с данными литературных источников. В связи с этим возникла необходимость в повышении адсорбционной емкости минерала. Широко распространенна химическая и термическая модификация сорбента (согласно данным Арипов, Э.Я., Баталова Ш.). Данные способы позволяют добиться значительного увеличения сорбционной емкости. Однако необходимо отметить ряд существенных недостатков этих способов активации. Термоактивация является длительным и энергозатратным процессом, в масштабах производственной деятельности она экономически не выгодна. Кроме этого при большом объеме производства достаточно сложно добиться равномерного прогрева материала по всему объему, что приводит к его частичному спеканию, в результате материал теряет свои адсорбционные свойства. Реагентная модификация (кислотная, щелочная и др.) отличаются большой трудоемкостью, длительностью процесса, энергозатратна и не экологична. При данном виде активации происходит изменение кислотности минерала, что сказывается на времени желатинизации и жизнеспособности связующего при введении сорбента-наполнителя. Эти изменения требуют корректировки рецептуры клеев, перенастройки оборудования, а также в большей степени лимитируют время использования связующего.

Кроме описанных выше методов в работах [3, 6, 7, 8, 9, 10] показана возмож-

ность активации клиноптилолита электромагнитными полями (ЭМ) СВЧ и слабыми импульсными магнитными полями (ИМИ). Время активации в ЭМИ значительно снижено: в ЭМ СВЧ в 15 раз, в ИМИ в 120 раз в сравнении с термо- и химической модификациями.

Для активации сорбента использовалась установка СВЧ с максимальной мощностью микроволн 800 Вт и две установки для получения импульсного магнитного поля с величиной магнитной индукции 1,9 и 71 мТл соответственно (электропитание осуществляется от сети 220 В с частотой 50 Гц).

В ходе исследований использовались следующие виды связующих для получения ДИМ: малотоксичная смола словацкого происхождения (содержание свободного формальдегида 0,10 %) и отечественная смола КФ-Н66Ф (количество мономерного формальдегида 0,15 %).

В роли отвердителя использовался хлорид аммония, традиционно применяемый в промышленности при горячем способе отверждения. Вязкость импортного клея регулировалась наполнителем (древесная мука), в отечественном функцию регулятора выполнял каолин. В данной работе частично заменяли традиционные наполнители клиноптилолитом. Рецептуры используемых клеев и соотношения наполнителей 1 и 2 приведены в табл. 1.

Для определения эмиссии свободного формальдегида из готовой фанеры используются различные методы измерений: перфораторный, камерный (EN 717-1:2004, КО 12460-2:2007, ASTM D 6007), эксика-торный. Определение эмиссии формальдегида из фанеры проводили на лаборатор-

Таблица 1

Рецептуры применяемых клеевых композиций

№ образца Клей (мас. ч.) Отвердитель (мас. ч.) Наполнитель 1 (мас. ч.) Наполнитель 2 (мас. ч.)

Образец 1 KRONORES СВ 1100 (100) Хлористый аммоний (0,8) Древесная мука (10) -

Образец 2 KRONORES СВ 1100 (100) Хлористый аммоний (0,8) Древесная мука (7,8) Клиноптилолит, активированный в СВЧ (2,2)

Образец 3 KRONORES СВ 1100 (100) Хлористый аммоний (0,8) Древесная мука (7,8) Клиноптилолит, активированный в ИМИ (2,2)

Образец 4 Смола КФ-Н66Ф (100) Хлористый аммоний (0,6) Каолин (10) -

Образец 5 Смола КФ-Н66Ф (100) Хлористый аммоний (0,6) Каолин (7,8) Клиноптилолит, активированный в СВЧ (2,2)

Образец 6 Смола КФ-Н66Ф (100) Хлористый аммоний (0,6) Каолин (7,8) Клиноптилолит, активированный в ИМИ (2,2)

ной установке, показанной на рис. 2. В табл. 2 показаны результаты определения эмиссии формальдегида из фанеры камер-

ным методом (образцы 1_3) [11] и экси каторным методом, приближенным к ре альным условиям (образцы 4_6).

2 1 10 9 8

Рис. 2. Схема лабораторной установки для определения формальдегида: 1 - эксикатор с отверстием в крышке; 2 - термостат; 3 - образцы; 4 - керамический круг с отверстиями;

5 - стеклянные трубки; 6 - коническая колба; 7 - вода; 8 - компрессор; 9 - латексные трубки;

10 - зажимы

Основная цель применения эксика-торного лабораторного метода - оценка уровня экологичности фанеры по величине эмиссии формальдегида. Этот метод может

быть использован при испытании экологичности других ДИМ и связующих. Образцы фанеры (9) размером 25 мм х 25 мм определенной толщины помещали в экси-

Таблица 2

Эмиссия формальдегида из фанеры______________________________

Номер образца 1 2 3 4 5 6

Эмиссия формальдегида из фанеры, С, мг/м3 0,091 0,077 0,085 0,134 0,090 0,101

5, % - 15 7 - 33 25

Примечание: номер образцов соответствует определенному клеевому составу, типу обработки и типу наполнителя приведены в табл. 1.

катор (1) объемом 4 л и выдерживали без доступа воздуха в течение 48 часов. Эксикатор термостатировали при температуре Т = 293 К. Через 48 часов к системе подсоединяли коническую колбу объемом 250 мл с дистиллированной водой. Циркуляцию воздуха в системе по замкнутому кругу обеспечивали компрессором (3).

Формальдегид, выделившийся из образцов фанеры (9) (с помощью компрессора) пропускался через дистиллированную воду, где он растворялся. Через 1 час компрессор выключался и прекращался доступ воздуха в коническую колбу. В течение 15 мин колба была закрыта для более полного растворения формальдегида в воде. Затем колба отсоединялась от установки и закрывалась притертой пробкой. Концентрация формальдегида в водном растворе определялась фотометрически (ацетилацето-новым методом). Погрешность метода составляет ±1 %.

Концентрация (С, мг/м3) свободного формальдегида выделившегося из фанеры при введении в клеевую композицию различных наполнителей представленна в табл. 2.

ц - относительное снижение эмиссии свободного формальдегида из готовой фа-

неры, %

Относительное снижение эмиссии свободного формальдегида из готовой фанеры определяли по следующей формуле:

С - С'

„= ф-д ф-д -100%. (1)

Сф-д

где п - относительное снижение эмиссии свободного формальдегида из готовой фанеры, %;

Сф-д - концентрация свободного формальдегида, выделившегося из фанеры при использовании наполнителей без активации в ЭМИ;

С ’ф-д - концентрация свободного формальдегида, выделившегося из фанеры при использовании наполнителей активированных в ЭМИ;

Клиноптилолит является чрезвычайно сложной системой, которая представляет собой некий «химический реактор», где могут происходить химические и физикохимические процессы. Согласно представленным в табл. 2 данным выделение формальдегида из фанеры снижается при предварительной обработке наполнителя в ЭМИ. Активация цеолита в ЭМИ СВЧ более эффективно сравнительно с воздейст-

вием с ИМИ: эмиссия формальдегида из фанеры, изготовленной на основе клея KRONORES СВ 1100, снижается на 15 %, при использовании фанеры на основе смолы КФ-Н66Ф - на 33 % (образцы 2 и 5 в табл. 2). Обработка клиноптилолита ЭМ ИМИ в меньшей степени способствует выделению формальдегида из фанеры на 7 %

Иредварительная обработка клиноп-тилолита полем СВЧ позволяет добиться увеличения предела прочности при скалывании по клеевому слою на 48 % при использовании импортного связующего и на 56 % - с применением отечественного связующего. Активация цеолита ЭМ ИМИ приводит к увеличению аналогичного показателя на 33 % и 26 % соответственно.

Механизм действия электромагнитных волн СВЧ заключается в наличии термодиффузионных процессов, приводящих к равномерному нагреву всего объема материала (наполнителя) за короткий промежуток времени (согласно работам В.С. Ио-бединского).

Электромагнитные волны СВЧ оказывают воздействие на весь объем активируемого сорбента, что обеспечивает его равномерный нагрев за более короткие

и 33 % соответственно (образцы 3 и 6 в табл. 2) .

Для полученных материалов проводились физико-механические испытания (ГОСТ 9621-94) по определению предела прочности при скалывании по клеевому шву [12] (табл. 3).

сроки. Это обусловлено поглощением в доли секунды энергии волны в большей степени адсорбционно-связанными молекулами воды [3] в составе клиноптилолита. Как установлено в данной работе, процесс активации ЭМ СВЧ происходит в 15 раз быстрее теромообработки. При этом разрываются межмолекулярные связи между молекулами воды и структурной матрицей клиноптилолита. Иод воздействием поля СВЧ диполи воды непрерывно вращаются перпендикулярно направлению движения электромагнитной волны и при достижении температуры 100 °С происходит ее испарение. Имеющиеся в структуре минерала ионы приобретают направленное положение в сторону действия силовых линий поля, и, за счет частой смены этого направления, происходит их интенсивное трение с выделением тепла. Суммарное

Таблица 3

Результаты испытаний образцов на скалывание по клеевому слою

Номер образца 1 2 3 4 5 6

Иредел прочности при скалывании, Рскал, Мпа 1,64 3,15 2,43 1,53 3,46 2,06

в, % - 48 33 - 56 26

Примечание: в - процент увеличения предела прочности при скалывании по клеевому

слою.

движение дипольных молекул и ионов структуры минерала приводит к быстрому разогреву образца.

При воздействии ЭМ СВЧ в клиноп-тилолите предположительно появляются поляризационные процессы, обусловленные смещением под воздействием поля электрических зарядов и связанных с ним молекул и более крупных структурных единиц: упругая - при сильной связи между молекулами и релаксационная - при слабой связи. Наиболее часто встречающимся видом релаксационной поляризации, которая проявляется совместно с упругой, является дипольная поляризация, имеющая место в полярных диэлектриках, к которым относится клиноптилолит, при наличие слабых связях между молекулами. Дипольная поляризация сопровождается принудительной переориентацией диполей по направлению вектора напряженности электрического поля. Иолярные молекулы или более крупные структурные единицы вследствие дипольной поляризации приобретают вращательный момент. Иод действием электрического момента диполи, ориентируясь в направлении вектора напряженности, совершают колебательное движение в такт пульсации электрического поля. Для перемещения молекул затрачивается энергия, которая из-за наличия межмолекулярного трения выделяется в материале в форме теплоты (согласно работам В.С. Иобединского).

В работах Бучаченко, Салихова, Бинге, Левина и др. говорится о том, что при воздействии слабых ИМИ на сложные системы происходит активация на уровне спиновой подсистемы. В рамках данного

подхода наиболее вероятно спиновое разу-порядочивание в группах AlOH, FeOH, MgOH, гидроксилированных катионах и др., и, как следствие, образование радикальных пар, являющихся активными центрами. Индуцируемое переменным импульсным магнитным полем вихревое электрическое поле, вероятно, способствует поляризации диполей активных сорбционных центров и отражается на их ориентации, что так же объясняет большее воздействие активации в ИМП на адсорбционную емкость для клиноптилоита, обладающего сложной химической структурой. Таким образом, эффект использования ИМП для активации адсорбционных свойств клиноптилолита возможен в связи с тем, что на поверхности минерала находятся функциональные группы, обладающие тем или иным зарядом, сорбат, в свою очередь, имеет собственные электрические и магнитные параметры, поэтому воздействие импульсного поля имеет значительный эффект.

Индуцируемое переменным импульсным магнитным полем вихревое электрическое поле, по-видимому, не оказывает аналогичного по величине воздействия с полем СВЧ за счет разницы в частотах полей. Используемое ЭМП СВЧ, обладает частотой 2450 МГц, тогда как ИМП обладает частотой всего 50 Гц, которой очевидно не достаточно для нагрева молекул воды до температуры 100 °С, под действием которой происходит разрыв связей гидратированной воды с матрицей клиноптилолита. Использование СВЧ активации обеспечивает нагрев цеолита до 154 °С, тогда как воздействие ИМП увеличивает температуру

минерала на 4...5 °С. Таким образом, можно предположить, что воздействие ЭМП СВЧ происходит за счет удаления гидратированной влаги и освобождения имеющихся активных центров минерала, в то время как под влиянием ИМП происходит структурирование внутри кристаллической решетки клиноптилолита с образованием новых активных центров.

Таким образом, эмиссия формальдегида из готовой фанеры, при использование активированного различными ЭМП клиноптилолита, зависит от следующих факторов: частота используемых полей, температура нагрева минерала, время активации минерала, величина магнитной индукции ИПМ, мощность ЭМП СВЧ.

Библиографический список

1. Природные цеолиты / Г.В. Цициш-вили, Т.Г. Андроникашвили, Г.Н. Киров [и др.]. М.: Химия, 1985. 224 с.

2. Бельчинская Л.И. Комплекс природозащитных технологических решений при использовании лаковых композиций и мол в деревообрабатывающей промышленности: дисс. ... докт. техн. наук. Воронеж, 1996. 534 с.

3. Neutralization of waste water from formaldehyde and heavy metals by activated clinoptilolite in electromagnetic fields / M.V. Anisimov, L.I. Belchinskaya, K.V. Strokova, [et. al] // Adhesives in woodworking industry : Zbornic referatov XXI International Sympo-zium, 26-28.06.2013. Zvolen: Technical University in Zvolen, 2013. PP.80-85.

4. Бельчинская Л.И., Анисимов М.В. Влияние нанонаполнителей клеевой ком-

позиции для обеспечения экологической безопасности фанеры // Научный вестник. Строительство и архитектура. 2012. №1.

5. Челищев Н.Ф., Беренштейн Б.Г., Володин В.Ф. Цеолиты - новый тип минерального сырья. М.: Недра, 1987. 176 с.

6. Ходосова Н.А., Бельчинская Л.И., Анисимов М.В. Сорбционные изменения природного цеолита и искусственного кремнезема при различных видах физической обработки // Сорбенты как фактор качества жизни и здоровья : материалы IV междунар. науч. конф. (Белгород, 24-28 сентября 2012 г.). Белгород: ИД «Белгород», 2012. С.171-176.

7. Анисимов М.В., Бельчинская Л.И. Электромагнитная обработка наноразмер-ных наполнителей для производства клееных материалов // Инновационные технологии и материалы (ИТМ-2011): сб. док. всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Воронеж,

15-16 ноября 2011 г.) / редкол.: А.Д. Пова-ляев [и др.]. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронеж. гос. техн. ун-т», 2011. С.194-197. 1 электрон. опт. диск (CD-R).

8. Активации клиноптилолита в электромагнитных полях для очистки сточных вод от формальдегида / М.В. Анисимов, Л.И. Бельчинская, Ю.С. Струкова, [и др.] // Актуальные вопросы химической технологии и защиты окружающей среды: сб. мат. всерос. конф. 25-26 октября 2012 г. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2012. С.39-40.

9. Анисимов М.В., Ходосова Н.А., Бельчинская Л.И. Физическая обработка как фактор активации сорбционной способности клиноптилолита // Отдельный дополнительный сборник материалов: Экология Россий-

ской Федерации, обзор проблем, динамики и текущего состояния окружающей среды. Пермь: ООО «Стиль-МГ» по заказу ФГБУ «Центральное бюро информации Минприроды России», 2013. С. 177-181.

10. Анисимов М.В.Электромагнитная обработка нанонаполнителей для производства клееных материалов // Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона: сб. док. Региональной науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Воронеж,

16-17 апреля 2012 г. Воронеж: Фонд содействия развитию малых форм предпри-

ятия в научно-технической сфере; Прав. Вор. Обл.; ВИТЦ, 2012. С. 113-114.

11. Liptakova E., Sedliacik M. Chemia a aplikaciapomocnych latok v drevarskom priemysle. Bratislava, 1989. 520 c.

12. Разиньков Е.М., Мурзин В.С., Лавлинская О.В. Технология клееных материалов и древесных плит. Изготовление и испытание материалов: метод. указание к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 260200 (250303) -Технология деревообработки. Воронеж: Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА», 2007. 52 с.

DOI: 10.12737/2187 УДК 674.093.6 - 413.82

О ВЛИЯНИИ СКОРОСТИ ПОДАЧИ ПИЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ЛЕНТОЧНОПИЛЬНОГО СТАНКА НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ПИЛОПРОДУКЦИИ кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин А. И. Максименков ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

mai-mlx@yandex.ru

Задача использования древесного сырья связана с его рациональной переработкой. В настоящее время в лесопилении применяют круглопильные станки, лесопильные рамы и ленточнопильные станки. Значительная часть пиломатериалов в современной лесопильно-деревообрабатывающей промышленности производится на лесопильных рамах. Вместе с тем растет заинтересованность в использовании ленточнопильного оборудования, более перспективного с точки зрения производительности, эффективности и требований к качеству поверхности пиломатериалов,

чем рамные пилы.

При существующей технологии переработки и применяемом оборудовании (лесопильные рамы и круглопильные станки), деловой выход древесины с учетом пороков, очень низок и не превышает 50...60 %, что обусловлено рядом причин: большие потери в опилки 18.20 %; не оптимальная схема раскроя пиловочного сырья; низкое качество получаемых пиломатериалов. Это приводит к нерациональному использованию ресурсно-сырьевой базы особенно в степной и лесостепной зонах Центрально-Черноземного региона и