CC BY
48
А.И. Криворотова, В.М. Ушанова. Улучшение экологических свойств и качественных характеристик фанерной продукции...
УДК 674-419.32
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФАНЕРНОЙ ПРОДУКЦИИ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЛЕЕВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ЭКСТРАКТАМИ КОРЫ ХВОЙНЫХ
А.И. Криворотова, В.М. Ушанова
ФГБОУ ВО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира, e-mail: tkmkai@mail.ru
В статье приведены результаты исследований физико-механических свойств фанерной продукции и физико-химических свойств клеев, модифицированных экстрактами коры хвойных пород древесины. Установлено, что модификация фенолоформальдегидных смол экстрактами коры хвойных пород позволяет снизить выделение свободного формальдегида их фанерной продукции, повысить на 20 % прочность фанеры при скалывании и статическом изгибе, уменьшить себестоимость фанеры.
Ключевые слова: фанера, экстракты, повышение прочности, экологичность.
In the article results of research of physical and mechanical properties of plywood products and physico-chemical properties of adhesives modified with extracts of bark of coniferous wood species. It is established that the modification of phenolformaldehyde resin extracts of bark of conifers reduces the release of free formaldehyde of their plywood products, increase by 20 %, the strength of plywood shearing and static bending, to reduce the cost of plywood.
Keywords: plywood, extracts, increase the strength, sustainability
ВВЕДЕНИЕ
Основным недостатком использования феноло-формальдегидных смол в производстве фанеры является их токсичность. Токсичность обусловлена содержанием в используемых смолах фенола и формальдегида. В связи с этим производство фанеры на фенолоформальдегидных смолах является экологически опасным как для окружающей среды, так и для здоровья человека.
Перспективным направлением в модификации фенолоформальдегидных смол является применение в клеевых смесях для склеивания шпона экстрактов, выделенных из коры и содержащих фенольные компоненты (ВНИПИЭИлеспром, 1986).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И
ОБСУЖДЕНИЕ
Согласно принятой схеме исследований в экспериментах применяли смолу марки СФЖ-3013, экстракты коры хвойных древесины, параформ, сосновый и березовый лущеный шпон. В качестве модификаторов использовались экстракты, полученные из коры хвойных пород древесины с применением неорганических и органических растворителей (воды, водных растворов гидроксида натрия и изопропилового спирта). Первоначально определялись физико-химические свойства экстрактов и модифицированных ими клеев (Петровская, 2009).
Основными свойствами экстрактивных веществ, влияющими на свойства модифицированных ими клеевых составов и клееных материалов, являются органолептические свойства, вязкость, рН-среды, показатель преломления, содержание полифенольных
веществ. В таблицах 1 и 2 приведены основные физико-химические свойства исследуемых экстрактов.
Таблица 1- Физико- химические свойства экстрактов из коры пихты
Экстракция коры пихты
Наименование по- -----
казателей холодной горячей изопропано-водой водой лом
Внешний вид мутная жидкость жидкость
Условная вязкость 11,01 10,96 9,91
по ВЗ-4, с
Цвет светло- темно- красно - ко-
желтый желтый ричневый
Запах древесный растворителя
рН среды 6,50 5,80 3,00
Таблица 2 - Физико-химические свойства экстрактов из коры лиственницы
Экстракция коры лиственницы Наименование по- -----
казателей холодной водой горячей водой изопропано-лом
Внешний вид мутная жидкость жидкость
Условная вязкость 9,81 12,60 10,01
по ВЗ-4, с
Цвет светло- темно- красно -
желтый желтый коричневый
Запах древесный растворителя
рН среды 6,38 5,750 2,90
Одними из самых важных свойств экстрактов, от которых зависят свойства модифицированного клея, являются выход полифенольных и экстрактивных веществ. На рисунке 1 представлены зависимости выхода полифенольных и экстрактивных веществ от породы древесины и концентрации растворителя
Хвойные бореальной зоны, XXXII, № 1 - 2, 2014
(водного раствора гидроксида натрия). Установлено, что с увеличением концентрации растворителя наблюдается увеличение количественного выхода по-лифенольных и экстрактивных веществ. При этом у лиственницы количественный выход полифенольных и экстрактивных веществ больше, чем у пихты.
Увеличение концентрации экстрактивных веществ приводит к увеличению вязкости экстрактов. Высокая молекулярная масса фенольных компонентов и межмолекулярные взаимодействия, возрастающие по мере увеличения концентрации, повышают вязкость. Изменение концентрации на 50 % приводит к изменению вязкости водного экстракта на 34 %, изопро-панольного экстракта на 25 %.
Полученные экстракты вводили в клеевой состав на основе СФЖ-3013. Анализ физико-химических свойств полученных композиций показывает, что с увеличением концентрации полифенольных веществ в экстракте в модифицированной композиции увеличивается массовая доля щелочи и количество бромируемых веществ, уменьшается время желатинизации. Остальные свойства практически не изменяются. Срок хранения модифицированного клея без изменения основных физико-химических свойств составляет не менее 72 ч.
Для определения физико-механических свойств фанеры на основе модифицированных клеевых композиций был проведен трехфакторный эксперимент. Факторы и уровни их варьирования приведены в таблице 3.
X
3 I
м
К \0
Н о^
« -
ев П
а н
н о
и
т «
о X 3 И
15 12 9 6 3 0
_■ ■ ■ ■ I ■ . ■ I . 1 1 1 . 1 1 ^
2 _____
■ ВЭ2 = 0,57 + 1,03 X к л— ^
" R = 0,99
/ ---- \ 1
ВЭ = 1,56 + 1,64 х К "
.¿г R = 0,992 :
~ 1 ... 1 ... 1 . . . 1 ... 1 . . . 1
2
4 6 8 10
Концентрация растворителя, %
Порода древесины: 1 - пихта, 2 - лиственница Рисунок 1 -Зависимость выхода экстрактивных веществ от концентрации растворителя
Таблица 3 - Факторы и уровни варьирования
12
Образцы фанеры марки ФСФ в лабораторных условиях изготавливали следующим образом. В феноло-формальдегидную смолу вводится параформ в сухом виде, перемешивается в течение 3-5 мин., затем вводится экстракт и снова перемешивается в течение 3-5 мин. На листы шпона с перпендикулярным расположением слоев друг к другу наносится клеевой состав, листы
укладываются в пакет, производится холодная под-прессовка в течение 6-8 мин. с последующим горячим прессованием. Удельная продолжительность выдержки составила 0,8 мм/мин. Уровни варьирования давления и температуры прессования выбраны на основании анализа литературных данных (Волынский, 2003). Испытания на скалывание фанеры осуществляли в соответствие с требованиями стандарта (ГОСТ 9624-87).
В результате математической обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии, выражающее зависимость предела прочности при скалывании по клеевому слою фанеры на модифицированном связующем от режима прессования:
о = 1,48 + 0,106у + 0,098Р + 0,032Т - 0,09у2 -
скл
0,035УР + 0,0УТ - - 0,07Р2 + 0,025РТ - 0,08Т2
Оценку влияния исследуемых факторов на прочность при скалывании по клеевому слою проводили по графической интерпретации уравнения регрессии и графикам эффектов факторов и их взаимодействий, приведенных на рисунках 2, 3, 4.
Как следует из приведенных графических зависимостей, наименьшее влияние на прочность оказывает температура прессования. Зависимость прочности от температуры прессования носит экстремальный характер. Увеличение прочности наблюдается при увеличении температуры до 160 °С, затем происходит снижение прочности. Практически идентичное влияние на прочность оказывают количество экстрактивных веществ и давление прессования. При увеличении давления прессования с 1,2 до 1,8 МПа прочность возрастает на 0,11 МПа, а при изменении количества экстрактивных веществ от 15 до 25 масс.ч. - на 0,12 МПа.
1,5 р
8 2 12
1,4 -
1,3 Ь
-1,0 1,0
Количество кстрактивных веществ, м.ч
-1,0 1,0
Давление прессования, МПа
-1,0 1,0
Температура прессования, °С
Наименование Верхний Основной Нижний
фактора уровень уровень уровень
Давление прессования, МПа 1,8 1,6 1,2
Количество экстрактивных 35 25 15
веществ, м.ч
Температура прессования, 0С 200 160 120
Рисунок 2- График эффектов факторов 1,6
1,5 1 ,4
1 ,3 1 ,2
я 2 & §
-1,0 1,0
Количество экстрактивных веществ, м.ч Давление прессования, МПа
-1,0 1,0
Количество экстрактивных веществ, м.ч Температура прессования, °С
1,0 1,0
Давление прессования, МПа Температура прессования,°С
Рисунок 3 - График эффектов взаимодействий факторов
А.И. Криворотова, В.М. Ушанова. Улучшение экологических свойств и качественных характеристик фанерной продукции.
2 1,6
о ' -
5 1,5
О
| 1,4
§ 1,3
я
* 1 2 Ш 1 I*"
Количество экстрактивных веществ, м.ч
Давление прессования,-МПа
р 2 с
& § I
еа рв С л
Температура прессования, °С
1,6 1,5 1,4
1,3
-0,5
-1 -1
0,5
0,5
Количество экстрактивных веществ, м.ч
-0,5
Температура прессования, °С
-1 -1
0,5
-0,5 0
Давление прессования, МПа
Таким образом, максимальные прочностные показатели фанеры на основе модифицированных экстрактами смол достигаются при удельном давлении прессования - 1,8 МПа, температуре прессования - 160 оС, удельной продолжительности выдержки - 0,8 мм/мин.
В соответствии с принятыми режимами, для определения влияния количества добавляемого экстракта на предел прочности при скалывании по клеевому слою и предел прочности при статическом изгибе были изготовлены образцы тринадцатислойной фанеры. Порода шпона - береза. Рецептура клея приведена в таблице 4.
Таблица 4 - Рецептура клея
Компонент клея Количество, масс.ч., для вариантов
0 1 2 3 4
Смола 100 100 100 100 100
Экстракт - 15 20 25 35
Древесная мука 2,5 2,5 2,5 5,0 5,0
Параформальдегид 0,5 1,5 5,5 6,0 7,0
При добавлении модификатора менее 10 масс. ч. не происходит снижения токсичности готовой фанеры, а при добавлении более 50 масс. ч. происходит снижение прочности фанеры и увеличивается количество брака по расслою.
При использовании параформа менее 2 масс. ч. не происходит снижения токсичности фанеры, а при более 5 масс. ч. токсичность фанеры увеличивается.
На рисунке 5 представлены показатели прочности фанеры марки ФСФ.
8 1,65
Рисунок 4 - Зависимость прочности фанеры марки ФСФ от давления прессования, количества экстрактивных веществ, температуры прессования
Анализ характера совместного влияния факторов на прочность при скалывании (рисунок 3) показал, что количество экстрактивных веществ больше влияет на прочность при нижнем уровне варьирования давления прессования (изменение прочности составляет 0,14 МПа). Изменение прочности при верхнем уровне варьирования давления составляет всего 0,08 МПа, причем зависимость носит экстремальный характер с точкой перегиба при 25 масс. ч. экстрактивных веществ. Изменение прочности при изменении количества экстрактивных веществ при минимальной и максимальной температуре прессования носит одинаковый характер, разница между показателями составляет от 0,02 до 0,03 МПа, что говорит о незначительном влиянии температуры на прочность клеевых соединений на модифицированных клеях. Аналогичный характер наблюдается при изменении давления и температуры прессования. При нахождении давления прессования на нижнем уровне (1,2 МПа) температура прессования не влияет на прочность клеевого соединения. При повышении давления прессования до 1,8 МПа разница в прочности между образцами, спрессованными при температуре 120 и 200 °С, составляет 0,05 МПа.
Ч С и ^
1,60
Ц S 1,55 я ч я ° * b
1 СП
о о 1,50
1,45
1,40
74
72
70
68
0 15 20 25 35
Количество экстрактивных веществ, м.ч
о д
Й В 66
64
62
60
58
Рисунок 5 -ФСФ
0 15 20 25 35
Количество экстрактивных веществ, м.ч
Показатели прочности фанеры марки
1
Хвойные бореальной зоны, XXXII, № 1 - 2, 2014
Как видно из рисунка 5, наибольшей прочностью среди образцов, с использованием модифицированных клеев, обладают образцы, изготовленные с применением клея, содержащего 25 масс. ч. экстракта. Образцы фанеры, изготовленные с применением клея, содержащего 15 масс. ч. экстракта, по пределу прочности при скалывании уступают требованиям стандарта (при использовании березового шпона предел прочности при скалывании по клеевому слою после кипячения в течение 1 ч составляет для ФСФ 1,5 МПа), по пределу прочности при статическом изгибе находятся на нижней его границе. Это объясняется недостаточным для протекания реакции поликонденсации количеством в клеевом составе введенных полифенольных веществ, при одновременном снижении вязкости, рН-среды и увеличении времени желатинизации смолы. Глубина протекания реакции поликонденсации зависит от количества свободного реакционно-способного фенола, которое при модификации экстрактами будет зависеть от содержания полифенольных веществ.
Параформ, добавляемый в клеевую композицию при модификации фенолоформальдегидных смол экстрактами коры хвойных пород древесины, является источником свободного формальдегида, который оказывает вредное воздействие на человека и окружающую среду. Поэтому важным фактором, определяющим возможность использования предлагаемой клеевой композиции для прессования фанеры, является количество свободного формальдегида, выделяемого из готовой фанеры. Количество выделенного формальдегида (газоаналитический метод) из испытанных образцов составило от 1,5 до 3,6 мг/м3*ч, что соответствует классу эмиссии Е1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований установлена возможность использования для модификации фенолофор-мальдегидных смол экстрактов хвойных пород деревьев, полученных с использованием неорганических
и органических растворителей (воды, водных растворов гидроксида натрия и изопропилового спирта), с добавление параформа. Введение в клеевую композицию вышеуказанных экстрактов позволяет снизить токсичность фанеры на основе фенолоформальдегид-ных смол за счет снижения концентрации фенола и формальдегида в клеевом составе, повысить физико-механические свойства фанеры. Указанный результат достигается при соотношении компонентов, масс. ч.: фенолоформальдегидная смола марки СФЖ-3013 -100; модификатор-экстракт коры хвойных деревьев - 10-50; параформ - 2-5. Стоимость модифицированного клеевого состава составляет 35 % от стоимости фенолоформальдегидной смолы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Использование экстрактов коры ели в клеях для фанеры/ Плиты и фанера: Экспресс информация, заруб. опыт -№ 5. ВНИПИЭИлеспром, 1986. - с. 2-10. Свойства экстрактивных веществ коры сосны вида Ртш halepensis/ Плиты и фанера: Экспресс информация, заруб. опыт - № 5. ВНИПИЭИлеспром, 1986. - с.10-14 Петровская, Я.А. Использование коры пихты и ели в производстве композиционных материалов [Текст] / Я.А. Петровская // Всероссийская научно-практич. конф. студентов и молодых ученых «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» Сб. статей. Рук. В.М. Ушанова - Красноярск, 2009. - С. 359 - 362. Волынский, В.Н. Технология клееных материалов [Текст]: учебное пособие для вузов/ В.Н. Волынский .- Архангельск: изд. Архангельский гос. Техн. ун-т, 2003.-208 с. Соколова, Ю.М. Модификация синтетических смол экстрактами коры хвойных пород [Текст] / Ю.М. Соколова, А.И. Криворотова // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практич. конф. «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011». Том 2. Технические науки.- Одесса: Черноморье, 2011.- 100 с. Патент РФ №: 2440890. Фанера: ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет/ В.В. Ушанова, А.И. Криворотова, заявл. 05.07.2010, № 2010127766/13, опубл. 27.01.2012 Бюл. №3 МПК В27D 1/04 (20006/01)
По ступила в редакцию 04.02.14 Принята к печати 26.05.14
