CC BY
189
УДК 676.054.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСНО-СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ
© И.В. Воскобойников1, С.А. Константинова1, А.Н. Коротков1’2 , Л.С. Гальбрайх2, В.Ф. Иванов3,
С.Н. Никольский3, А.И. Михайлов3, А.И. Ремезов4
ФгУП «Государственный научный центр лесопромышленного комплекса»,
Нижняя Сыромятническая ул., 5, стр. 3а, Москва, 105120 (Россия), e-mail: [email protected]
2Московский государственный текстильный университет
им. А.Н. Косыгина, ул. Малая Калужская, 1, Москва, 119071 (Россия)
3Институт проблем химической физики Российской академии наук,
пр. Академика Н.Н. Семенова, 1, Черноголовка, Московская область, 142432
(Россия)
4ЗАО «Череповецкий фанерно-мебельный комбинат», ул. Проезжая, 4,
Череповец, 162604 (Россия)
Рассмотрено модифицирование гидрогелем нанокристаллической целлюлозы древесно-слоистых пластиков с целью повышения механической прочности. Исследованы механические показатели образцов фанеры при имитации различных воздействий окружающей среды (сухое и влажное состояние). Установлено, что использование нанокристал-лической целлюлозы в составе клеевой композиции приводит к увеличению прочностных свойств фанеры.
Ключевые слова: древесно-слоистые пластики, карбамидоформальдегидная смола, механические свойства, нано-кристаллическая целлюлоза.
Введение
Глубокая переработка древесины, разработка новых материалов на основе древесины - наиболее важные задачи, определенные в Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации. Согласно Стратегии, основными работами, обеспечивающими инновационное развитие в указанной области, является разработка современных ресурсосберегающих технологий для получения древесно-слоистых пластиков и древесно-полимерных композиционных материалов нового поколения [1].
Потребность в древесной продукции в настоящее время превосходит возможности, которыми обладают предприятия нашей страны, вырабатывающие древесно-слоистые пластики. Поэтому часть их импортируется. Реконструкция существующих предприятий затруднительна, так как они физически и морально устарели. Импортное оборудование, устанавливаемое в нашей стране, как правило, морально устаревшее и не отвечает последним достижениям науки.
Инвестиции в отрасль крайне ограничены. Актуальной становится задача повышения производительности труда и качества конечной продукции без существенных капитальных вложений. Одна из таких возможностей - вовлечение в производство приемов и методов химического модифицирования карбами-доформальдегидной смолы за счет использования нанотехнологии с тем, чтобы обеспечить повышение качества изготовляемых древесно-слоистых пластиков [2].
Цель настоящей работы - изучение влияния состава клея на показатели механической прочности композиционных материалов на основе древесного шпона (фанеры). Для частичной замены токсичной карбамидоформальдегидной смолы, которая широко применяется в промышленности в качестве связующего агента при производстве фанеры, использована нанокристаллическая целлюлоза.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Высокоупорядоченная бездефектная структура частиц нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) обеспечивает их высокую прочность, что создает предпосылки для ее применения в качестве компонента армирующей системы [3-5]. В работе была использована НКЦ, полученная согласно [6], частицы которой имели средние показатели длины 100-300 нм и диаметра 25-50 нм (рис.). Высокая способность наночастиц к образованию более крупных агрегатов делает целесообразным использование НКЦ в виде гидрогеля, образующегося в процессе его получения, сохраняющего уровень дисперсности наночастиц, что обеспечивает равномерное распределение при приготовлении клеевого состава.
Частицы НКЦ, выделенные из хлопковой микрокристаллической целлюлозы
Экспериментальная часть
При выборе рецептур были использованы нормативные документы ЗАО «Череповецкий фанерномебельный комбинат» [7-10], а также данные экспериментальных исследований, полученные при изготовлении композиционных материалов в лабораторных условиях.
Показатели используемой смолы СКФ-НМ и характеристики приготовленных клеевых составов приведены в таблице 1.
Добавление гидрогеля НКЦ в используемый на предприятии клей взамен части смолы СКФ-НМ в расчете на абсолютно сухое вещество составляло 2,5% масс. (вариант 1) и 5,0% масс. (вариант 2). Содержание сухих веществ в гидрогеле НКЦ составляло 18,0%.
Листы шпона березового были отобраны из одной партии. Размер листов (мм) - 640*640. Режимы нанесения клея на листы, формирования пакетов и прессования заготовок были одинаковы для всех вариантов изготовления продукции.
таблица i. Параметры клеевых составов
Наименование показателя Смола СКФ-НМ Смола, приготовленная по варианту i Смола, приготовленная по варианту 2
Смола СКФ-НМ, м.ч. iGG,G 97,5 95,G
Хлорид аммония, м.ч. i,G i,G i,G
Карбамид технический, м.ч. 3,G 3,G 3,G
Каолин, м. ч. 5,G 5,G 5,G
Нанокристаллическая целлюлоза, м.ч. G 2,5 5,G
Вязкость по вискозиметру ВЗ-4 после iGG 59 38
приготовления, с
Расход клея на 1 м2 поверхности листа ii5 i2G iG5
шпона, г
Время отверждения при 100 °С, с б5 б3 б5
\ s • ' ' ■■ X • ' 1 ' ■ \ \
4 , * * / 'Nv ' о • * !\\
-
V . -4 lUr • . f ; % v л •• • ■■ - V\ / і- і '* v'. . 'і і К •• і *,
100 nm EHT = 7.00 kV Signal A = InLenCate :1 Jul 2010 Gun Vacuum = 2 06e-009 mBar
WD - 2 mm Photo No. = 7769'ime :13:25:45 System Vacuum = 3.29e-006 mBar
Stage at T = 0.0 *
Прессование выполнено на прессе с паровым нагревом плит в соответствии с действующей технологической инструкцией:
- схема сборки пакетов фанеры: 1,15 мм - 6 слоев и средний слой 1,5 мм.
- продолжительность набора пакетов - 60 с;
- продолжительность установки пакетов в пресс - 14 с;
- продолжительность выдержки пакетов под давлением - 240 с;
- температура греющей поверхности 106-109 °С;
- давление между плитами пресса - 5,4 МПа;
- продолжительность подъема плит по окончании прессования - 13 с;
- продолжительность выгрузки пакетов фанеры из пресса - 10 с.
Была проведена оценка качества склеивания полученных образцов при введении в состав клеевой композиции нанокристаллической целлюлозы. Образцы толщиной 8 мм перед проведением испытаний выдерживали в воде при температуре 18-22 °С в течение 24 ч. Влажность образцов при этом составляла 6,36,5%. Для проведения испытаний фанеры на срез готовили 30 образцов фанеры длиной 250 мм и шириной 250 мм в поперечном и продольном направлении волокон древесины. Испытания проводили на универсальной разрывной машине при расстоянии между опорами 3,17 мм и скорости деформирования 9 мм/мин.
Изготовленные заготовки фланцев были испытаны по показателям качества в соответствии с [11, 12].
Полученные образцы фанеры толщиной 8 мм перед проведением испытаний кондиционировали на воздухе при температуре 25 °С в течение 24 ч. После сушки образцы распиливали, придерживаясь примерно следующих геометрических параметров: длина 210 мм, ширина 49 мм в поперечном и продольном направлении волокон древесины. Серии из 6 испытаний проводили на универсальной разрывной машине РгоЬше 2010 немецкой фирмы Е'шск/КоеИ при расстоянии между опорами 160 мм и скорости деформирования 30 мм/мин. Значения модуля упругости изгиба и прочности при изгибе были рассчитаны по программе 1еБ1Хрег1® II.
Обсуждение результатов
Согласно данным, приведенным в таблице 2, замена части карбамидоформальдегидной смолы на-нокристаллической целлюлозой приводит к повышению модуля упругости и прочности при изгибе в продольном направлении волокон древесины, причем при добавлении 2,5 и 5% в смолу СКФ-НМ нанокристаллической целлюлозы повышение прочности составляет примерно одинаковую величину. Модуль упругости и прочность в поперечном направлении изменяются незначительно. Однако следует отметить, что при введении 2,5% НКЦ происходит некоторое снижение этих характеристик по сравнению с холостым опытом, а при введении 5% НКЦ их увеличение. Можно сделать вывод, что содержание в смоле нанокристаллической целлюлозы в количестве 2,5% является достаточным для увеличения прочностных характеристик древесно-слоистых пластиков.
Полученные данные представлены в таблице 2 для фанеры, изготовленной с использованием смолы СКФ-НМ с содержанием нанокристаллической целлюлозы 0, 2,5 (вариант 1) и 5% (вариант 2) соответственно.
Из приведенных данных видно, что прочность скалывания по клеевому составу увеличивается лишь при содержании нанокристаллической целлюлозы в смоле в количестве 2,5%. По испытаниям на токсичность снижение содержания свободного формальдегида не отмечено.
Таблица 2. Результаты испытаний полученных образцов заготовок плоскоклееных фланцев
Наименование показателя Результаты испытаний
Смола СКФ-НМ Смола, приготовленная по варианту 1 Смола, приготовленная по варианту 2
Предел прочности при скалывании по 2,58±0,56 2,72±0,53 2,57±0,47
клеевому слою, МПа
Прочность при изгибе, МПа: 102,3±21,7 116,2±15,0 117,6±9,9
- вдоль волокон
- поперек волокон 72,3±7,6 70,5±5,3 81,7±3,3
Модуль упругости при изгибе, МПа:
- вдоль волокон 10516±1231 12131±358 12292±486
- поперек волокон 6312±353 6041±299 6534±257
Выводы
1. Образцы фанеры, изготовленные с использованием клея, в состав которого входил гидрогель нанокристаллической целлюлозы в количестве 2,5 и 5%, обладают более высокими физико-механическими характеристиками: предел прочности при скалывании увеличивается на 5%, прочность и модуль упругости при изгибе - на 10-15%.
2. Содержание в смоле нанокристаллической целлюлозы в количестве 2,5% является достаточным для увеличения прочностных характеристик древесно-слоистых пластиков.
Список литературы
1. Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации до 2020 года: Приказ Министерства промышленности и торговли РФ и Министерства лесного хозяйства РФ №243/482 от 31.10.2008 г.
2. Леонович А.А. Новые древесноплитные материалы. СПб., 2008. 160 с.
3. Kvien I., Tanem B.S., Oksman K. Characterization of cellulose whiskers and their nanocomposites by atomic force
and electron microscopy // Biomacromolecules J. 2005. N6. Pp. 3160-3165.
4. Oksman K., Mathew A., Bondeson D., Kvien I. Manufacturing process of cellulose whiskers-polylactic acid nano-
composites // Composites Science and Technology. 2006. N66. Pp. 2776-2784.
5. Bondeson D., Mathew A., Oksman K. Optimization of the isolation of nanocrystals from microcrystalline cellulose by acid hydrolysis // Cellulose. 2006. V. 13, №2. Pp. 171-180.
6. Воскобойников И.В., Константинова С.А., Коротков А.Н., Михайлов А.И., Никольский С.Н. Получение гидрогелей нанокристаллической целлюлозы из растительного сырья // Лесной вестник. 2010. №6. С. 151-154.
7. ТУ 13-00255094-50-98 Фанера березовая.
8. ТУ 13-00255094-53-01 Заготовки клееные и детали мебели.
9. СТО 00255094-062-2008 Смола карбамидоформальдегидная СКФ-НМ. Технические условия.
10. Технологическая инструкция на процесс изготовления плоскоклееных фланцев Череповецкого фанерно-
мебельного комбината от 17.12.2009 г. 10 с.
11. DIN EN 310:1993-08 Wood-based panels; determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength.
12. DIN EN 314-1:2005-03 Plywood - Bonding quality - Part 1: Test methods.
Поступило в редакцию 1 февраля 2011 г.
После переработки б мая 2011 г.
