CC BY
37
4/2010 М1 ВЕСТНИК
ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ РЕАКЦИЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ФОСФОРОРГАНПЧЕСКНХ СОЕДИНЕНИЙ И ПОЛИУРЕТАНОВ ПОНИЖЕННОЙ ГОРЮЧЕСТИ С ИСТОРИЧЕСКОЙ И СОВРЕМЕННОЙ
ДРЕВЕСИНОЙ
THE INTERACTION REACTIONS BETWEEN PROTECTIVE COMPOUNDS, BASED ON ORGANOPHOSPHORUS AND DECREASED FLAMMABILITY POLYURETHANE COMPOSITION, AND OLD OR NEW WOOD STUDING WITH THE HELP OF THE
IR-SPECTROSCOPY
E.H. Покровская, И.Н. Чистов, H.C. Сазонова
E.N. Pokrovskaya, I.N. Chistov, N.S. Sazonova
ГОУ ВПО МГСУ
В статье с помощью методов ИК-Фуръе спектроскопии изучаются реакции взаимодействия основных составляющих компонентов комплексной защитной композиции с древесиной.
The reactions of interacting between the main parts of protective compound and the wood are studying. All researches are done with the help of IR-spectroscopy.
Древесина активно используется в современном строительстве. Сейчас в России реализуется приоритетный национальный проект «Доступное и комфортное жилье -гражданам России», в рамках этого проекта предполагается строительство деревянных коттеджей. Кроме того, ежегодно используется 10-15 тысяч кубических метров клееной древесины для постройки большепролетных сооружений. Проблема сохранения новой древесины и древесины памятников архитектуры является важной актуальной задачей. На сегодняшний день отсутствуют защитные составы для древесины, имеющие комплексное огне-, био-, влагозащитное действие, сохраняющееся длительное время, с укрепляющим эффектом.
Нами было предложено использовать для защиты древесины композицию на основе фосфорсодержащих соединений (ФОС) и полиуретанов (ПУ) пониженной горючести. В качестве ФОС был выбран диметилфосфит (ДМФ). При поверхностном модифицировании ДМФ происходит реакция переэтирификации, при этом создаются стабильные биозащитные свойства. В работе [1] взаимодействие целлюлозы, как основного компонента древесины, с ДМФ описывается уравнением:
О о
У У
Целл-ОН + (СНзО>2 - Р -► Целл-0 -Р- ОСН3 + СН3ОН
Н Н
Целлюлоза выделялась из древесины по азотно-кислотному методу Кюршнера-Хоффера. Исследование проводилось с помощью ИК-Фурье спектроскопии на инфракрасном фурье-спектрометре Magna 750 фирмы Nicolet (США) в области от 4000 до 400 см-1.
Рис. 1 ИК-спектр целлюлозы
Как показали проведенные исследования, взаимодействие древесины исторических памятников и современной древесины имеет одинаковый механизм фосфорили-рования ДМФ. Взаимодействие протекает по вышепредставленной схеме реакции, но степень фосфорилирования древесины исторических объектов несколько выше: процентное содержание фосфора в целлюлозе 0,8%, в лигнине 1,25%, в древесине 1,8%. В ИК-спектрах фосфорилированной целлюлозы, выделенной из древесины исторических построек, появляются полосы поглощения 1236 см-1 (Р=0), а также Р-Н (2428 см-1) [2].
Для создания укрепляющего эффекта на разрушенной древесине, а также увеличения влагостойкости нами было предложено использовать полиуретановый лак.
Взаимодействие лака ПУ с древесиной было изучено с помощью ИК-спектроскопии. Для этого снимались спектры целлюлозы и древесины (исторической и современной), а также древесины обработанной лаком ПУ, лаков ПУ. ПК-спектры образцов целлюлозы модифицированных лаком ПУ были сняты после экстракции в
4/2010
ВЕСТНИК _МГСУ
ацетоне в аппарате Сокслета. Как видно из рисунков 1,2,3, взаимодействие происходит по реакционно-способным группам N00. Схему реакции можно представить в следующем виде[3]. Реакция подтверждается появлением новых полос в спектрах продукта реакции. Это полосы 1629см-1 и 1569см-1. Данные полосы характерны для С-Ы связей (рис.2, 3), которых нет в исходной целлюлозе (рис.1).
0 _^
Целл-ОН+ N00-^-^0=0 II
Чч0-Я-0-С-№И- ^-N00
0
0
Целл-О-С^И- ^-N^=0 II
\0-R-0-C-NH- R1-NC0
Я - это (СН2)4 -0-С0-(СН2)4 -С0-0-(СН2)4; Я1 - это (СН2)6
Рис.2 ИК-спектр лака ПУ
Далее было решено проверить, происходит ли взаимодействие между ДМФ и лаком ПУ. Для этого были сняты спектры продуктов отверждения ДМФ с лаком ПУ. Образцы готовились следующим образом: частицы отвержденных лаков выдерживались в ДМФ, а затем после высушивания -экстрагировались в аппарате Сокслета. По-
лученные таким образом образцы измельчались в агатовой ступке, прессовались с КВг. После этого снимались ПК-спектры (рис.4, 5).
Рис.3 ИК-спектр целлюлозы, обработанной лаком ПУ, затем проэкстрагированной в
Сокслете
Рис.4 ИК-спектр отвержденного лака ПУ-ДМФ. Соотношение ПУ к ДМФ 1:1
4/2010 М1 ВЕСТНИК
В полученных спектрах отсутствуют полосы, характерные для ДМФ(1236см-1 (Р=0), 2428см-1 (Р-Н)), что свидетельствует об отсутствии химического взаимодействия ДМФ с лаком ПУ в исследуемых условиях (25°С).
Рис.5 ИК-спектр отвержденного лака ПУ- ДМФ. ДМФ взято в избытке
Таким образом, можно заключить, что взаимодействие происходит только между древесиной и составными компонентами композиции - ДМФ и лака ПУ. В то время как взаимодействия между ДМФ и лаком ПУ не наблюдается.
Однако использование лака ПУ повышает горючесть древесины. Для повышения огнезащищенности в состав лака был введен алюмосиликат- бентонит. Добавление 5% по массе бентонита позволило получить 2-ой класс огнезащищенности по ГОСТ Р532192. Для полиуретанового покрытия это является очень высоким результатом. Исследование свойств полученного покрытия приведено в работе [4].
Также были изучены спектры лака ПУ с добавкой бентонита. Можно заключить, что химического взаимодействия с бентонитом не происходит [5].
Итак, с помощью метода ИК-спектроскопии изучен композиционный материал, который состоит из фосфорилированной древесины (1слой) и полиуретана пониженной горючести (2слой), при этом полиуретаны взаимодействуют с фосфорилированной древесиной только по свободным гидроксильным группам. Таким образом, получается покрытие поверхности по типу зебры: фосфорильные группы -изоцианатные группы. Полученный материал обладает высокой биостойкостью, влагостойкостью, огнезащищенностью. Прочность разрушенной древесины, обработанной этим составом, возрастает до 2-х раз.
Разработанный принцип создания композитного материала может быть использован для реставрации и сохранения исторической древесины, а также для увеличения долговечности современной древесины, работающей в жестких атмосферных условиях.
Литература
1. Покровская Е.Н. Химико-физические основы увеличения долговечности древесины. М.: Издательство АСВ, 2009, стр.11.
2. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ,ИК, ЯМР спектроскопии в органической химии. М. Изд-во МГУ, 1968.
3. Роговин З.А. Химия целлюлозы. М., 1972, стр.466.
4. Покровская Е.Н., Чистов И.Н., Шепталин Р.А. Сэндвичевые покрытия по древесине с использованием нанокомпозитов // Строительные материалы. 2010, №7, стр.78-81.
5. Ломакин С.М., Заиков Г.Е. Полимерные нанокомпозиты пониженной горючести на основе слоистых силикатов // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б - 2005, Т.47, №1, стр.104120.
Literature
1. Pokrovskaya E.N. Himiko-phizicheskie osnovi uvelicheniya dolgovechnosti drevesini. M.: Izdatelstvo ASV 2009, str.11.
2. Kazitsina L.A., Kupletskaya L. B. Primenenie UF,IK, YAMR spectroskopii v organichescoi himii. M.: Izdatelstvo MGU, 1968.
3. Rogovin Z.A. Himiya tselulozi. M., 1972, str.466.
4. Pokrovskaya E.N., Chistov I.N., Sheptalin R.A. Sendvichevie pokritiya po drewvesine s is-polzovaniem nanokompozitov // Stroitelnie materiali. 2010, №7, str.78-81.
5. Lomakin S.M., Zaikov G.E..Polimernie nanokompoziti ponizhennoi goruchesti na osnove sloistih silikatov // Visokomolecularnie soedineniya. Ser. B. T.47, №1, str.104-120.
Ключевые слова: защитные композиции для древесины, фосфорсодержащие органические соединения, полиуретаны пониженной горючести, ИК -спектроскопия
Key words: Protective compounds for wood, phosphorus-containing organic compound, isocya-nate plastics with decreasedflammability, IR-spectroscopy
E-mail авторов: chistov_ilya@mail.ru
Рецензент: Орешкин Дмитрий Владимирович, д.т.н., профессор, зав. каф. «Строительные материалы», ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета
