CC BY
68
Нанотехнологии композитов с использованием древесины
Рис. 3 Изменение деформации во время опыта - ясень, растяжение, танг. t = 80 °C, Wнач = 86 %, W = 2 %, P = 50 H: кривая 0-1-2 - упруго-эластическая деформация влажной древесины eev1 = 0,015; кривая 2-3-4 отражает сушку под нагрузкой; на участке 4-5-6 показано возвращение упруго-эластической деформации сухой древесины eev2 = 0,006 после разгрузки и некоторой выдержки; на графике точкой 11 отмечена величина свободной усушки в = 0,106, отложенной от точки 2’. Величину невозвращенной деформации отражает отрезок 6-11. Она включает замороженную деформацию ef = 0,015 - 0,006 = 0,009, соответствующую отрезку 6-8; затем образец вымачивают; величина свободного разбухания, равного свободной усушке, отмечена точкой 12
ной деформации, но и возникновение замороженной усушки.
Дальнейшее изучение деформационных превращений древесины открывает новые возможности создания эффективных нанокомпозитных древесных материалов.
Библиографический список
1. Уголев, Б.Н. Наноструктурные изменения древесины как природного «умного» материала. - Нано-
технологии и наноматериалы в лесном комплексе: монография / Б.Н. Уголев. - М: МГУЛ, 2011. -С. 52-73.
2. Уголев, Б.Н. О деформировании древесины при нагружении в условиях сушки / Б.Н. Уголев, Ю.Г. Лапшин // Лесной журнал. - № 3. - 1971.
- С. 63-65.
3. Уголев, Б.Н. Эффект «замораживания» деформаций при сушке древесины / Б.Н. Уголев, В.П. Галкин, Г.А. Горбачева, А.А. Калинина // сб. науч. тр.
- Вып. 349. -М.: МГУЛ, 2010. - С. 6-14.
НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫЕ КЛЕЕВЫЕ СОСТАВЫ
для производства плитных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна
С.А. УГРЮМОВ, проф. каф. механической технологии древесины КГТУ, д-р техн. наук, В.Е. ЦВЕТКОВ, проф. каф. технологии производства древесных плит и пластиков МГУЛ, д-р техн. наук
Одним из направлений эффективной переработки костры является производство плитных конструкционных материалов, например костроплит, изготавливаемых по технологии древесно-стружечных плит. Костра
ugr-s@yandex.ru, tsvetkov@mgul.ac.ru льна является дешевым и доступным сырьем. Однако при осмолении костры традиционными синтетическими смолами (карбамидофор-мальдегидными, фенолформальдегидными) сложно достичь равномерного их распреде-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
127
Нанотехнологии композитов с использованием древесины
ления по всем частицам. Неравномерность осмоления костры приводит к нестабильности свойств по толщине и формату плиты, что негативно отражается на эксплуатационных характеристиках продукции.
Улучшение качественных показателей клееных материалов, произведенных с применением костры, возможно путем применения соответствующих клеевых композиций, обеспечивающих полное и равномерное смачивание частиц наполнителя. Практический вопрос подбора типа и рецептур клеевых составов для производства плитных материалов на основе костры, или на основе костры в смеси с древесными частицами может быть решен на основе привлечения результатов фундаментальных наук в области адгезии, поверхностных явлений и смачивания.
Адгезия - сложный комплекс физикохимических явлений, в основе которых лежит молекулярное взаимодействие приведенных в контакт разнородных материалов. Это взаимодействие вызывает уменьшение свободной энергии системы. Оперируя такими термодинамическими понятиями, как свободная поверхностная энергия (у) и поверхностное натяжение (о), можно описать некоторые этапы адгезионного взаимодействия, например, смачивания адгезивом поверхности субстрата [1, 2]. Смачивание - это также проявление молекулярных сил, проявление сродства адгезива к субстрату. Изучение смачивания различных субстратов представляет интерес в том отношении, что позволяет выявить сродство адгезива к субстрату, сравнивать молекулярные силы, действующие в различных системах адгезив-субстрат и, кроме этого, определить рациональные клеевые составы, при использовании которых прогнозируются максимальные эксплуатационные характеристики произведенных клееных материалов.
Полимерные составы, применяемые при осмолении наполнителей, должны обеспечивать полное смачивание поверхности субстрата, а также межфазный контакт между адгезивом и субстратом и межфазное или адсорбционное взаимодействие на границе двух фаз, то есть на границе полимер-наполнитель. Физико-химические аспекты этих
явлений обстоятельно изложены в работах
[3-5].
Явление смачивания связано с соотношением поверхностных энергий адгезива и субстрата. Для достижения хорошего смачивания и хорошей адгезии необходимо, чтобы поверхностная энергия и поверхностное натяжение субстрата было больше поверхностной энергии и поверхностного натяжения адгезива
Y > Y
* субстрат * адгезив 5
о , > о .
субстрат адгезив
Поверхностное натяжение карбами-доформальдегидной смолы марки КФН-66 составляет 63,4 МДж/м2, фенолформальдегидной смолы СФЖ-3013 - 73,2 МДж/м2, при этом поверхностное натяжение древесных субстратов гораздо ниже, а именно, у березы - 49 МДж/м2, у сосны - 47 МДж/м2, у костры льна - 45 МДж/м2 [6], то есть условие полного смачивания с термодинамической точки зрения не выполняется.
При производстве плитных материалов на основе древесных частиц даже при использовании клеев с большим значением поверхностного натяжения равномерное распределение клея по поверхности частиц возможно за счет их перетирания в процессе выполнения операции осмоления. При использовании костры льна этот процесс затруднен, так как частицы костры обладают меньшей жесткостью и в процессе осмоления при контакте друг с другом деформируются, затрудняя поверхностный контакт и перенос клея.
Для повышения смачивающей способности клеевых составов необходимо снижать величину их поверхностного натяжения до уровня осмоляемых субстратов, что возможно путем введения в состав клеев наномодификаторов, например, простых спиртов или составов, содержащих спирты. Концентрируясь на поверхности раздела фаз, как правило, слоем, толщиной в мономолекулярный слой, спирты вызывают снижение поверхностного натяжения клеевого состава. Регулируя тип и количество добавляемого спирта, или иной спиртосодержащей добавки, можно создать клеевую композицию с требуемым значени-
128
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Нанотехнологии композитов с использованием древесины
Рис. 1. Влияние типа и количества спиртов на поверхностное натяжение модифицированных клеевых составов на основе смолы КФН-66
Рис. 2. Влияние типа и количества спиртов, добавляемых в смолу КФН-66, на краевой угол смачивания
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2012
129
Нанотехнологии композитов с использованием древесины
ем поверхностного натяжения, необходимого для полного осмоления наполнителя.
В качестве примера на рис. 1, 2 представлено влияние типа и количества спиртов на поверхностное натяжение и краевой угол смачивания модифицированных клеевых составов на основе карбамидоформальдегидной смолы КФН-66 при контактировании с наполнителем древесных плит - кострой льна.
Путем теоретических и экспериментальных исследований разработаны клеевые композиции на основе синтетических смол, модифицированные спиртами и спиртосодержащими соединениями, обеспечивающие полное смачивание костры льна как наполнителя древесных плит.
1. Клей на основе карбамидоформаль-дегидной смолы и модификатора бутилового спирта (бутанола-1), который готовится при следующем соотношении компонентов, масс. ч:
- карбамидоформальдегидная смола жидкая КФН-66 (основа клея) 100;
- хлористый аммоний (отвердитель) 0,6-0,65;
- бутанол-1 (модификатор) 1-2.
2. Клей на основе фенолформальдегидной смолы и модификатора бутилового спирта (бутанола-1) , который готовится при следующем соотношении компонентов, масс. ч:
- фенолформальдегидная смола СФЖ-3014 жидкая (основа клея) 100;
- бутанол-1 (модификатор) 1,5-2,5.
3. Клей на основе карбамидоформаль-дегидной смолы и модификатора поливинилацетатной дисперсии, который готовится при следующем соотношении компонентов, масс. ч:
- карбамидоформальдегидная смола КФН-66 (основа клея) 100;
- хлористый аммоний (отвердитель) 0,6-0,65;
- поливинилацетатная дисперсия (модификатор) 10-20.
4. Клей на основе фенолформальдегидной смолы и модификатора поливинилацетатной дисперсии, который готовится при следующем соотношении компонентов, масс. ч:
- фенолформальдегидная смола СФЖ-3014 (основа клея) 100;
- поливинилацетатная дисперсия (модификатор) 10-20.
При приготовлении данных клеев исходные компоненты смешивают в установках приготовления связующего непрерывного действия. Компоненты связующего (смола, от-вердитель, модификатор) в соответствующих пропорциях подаются раздельно насосамидозаторами в лабиринтную мешалку, где происходит смешивание компонентов клея между собой и образование однородного клеевого состава. При необходимости в клеевой состав дополнительно может быть введен растворитель для снижения вязкости раствора и специальные добавки (антисептики, антипирены и др.). Из лабиринтной мешалки подготовленное связующее подается в высокооборотный смеситель на стадию осмоления костры. Осмоленная костра направляется на формирование ковра плиты и его горячее прессование.
Экспериментально установлено, что физико-механические свойства плитных материалов на основе костры, а также на основе совмещенных наполнителей (древесины и костры в различных соотношениях) при применении данных клеев существенно увеличиваются, что объясняется повышением равномерности распределения связующего по поверхности частиц, а также повышением адгезионных свойств.
Библиографический список
1. Зимон, А.Д. Адгезия жидкости и смачивание / А.Д. Зимон. - М.: Химия, 1974. - 416 с.
2. Дерягин, Б.В. Адгезия твердых тел / Б.В.Дерягин, Н.А. Кротова, В.П. Смилга. - М.: Наука, 1973. -279 с.
3. Берлин, А.А. Основы адгезии полимеров / А.А. Берлин, В.Е. Басин. - М.: Химия, 1974. - 392 с.
4. Басин, В.Е. Адгезионная прочность / В.Е. Басин. - М.: Химия, 1981. - 208 с.
5. Липатов, Ю.С. Межфазные явления в полимерах / Ю.С. Липатов. - Киев: Наукова думка, 1980. - 259 с.
6. Угрюмов, С.А. Повышение эксплуатационных характеристик костроплит путем модификации карбамидоформальдегидного связующего поливинилацетатной дисперсией / С.А. Угрюмов, В.Е. Цветков // Клеи. Герметики. Технологии. - М.: Наука и технологии, 2008. - № 5. - С. 20-24.
130
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
