CC BY
84
Section 5. Materials Science
Section 5. Materials Science Секция 5. Материаловедение
Pitukhin Alexander Vasilyevich, Petrozavodsk State University, professor, Faculty of Forest Engineering E-mail: pitukhin@psu.karelia.ru Vasilyev Sergey Borisovich, Petrozavodsk State University, professor, Faculty of Forest Engineering E-mail: servas@psu.karelia.ru Panov Nikolai Gennadievich, Petrozavodsk State University, lecturer, Faculty of Forest Engineering E-mail: supernicola@yandex.ru Kolesnikov Gennady Nikolayevich, Petrozavodsk State University, professor, Faculty of Industrial and Civil Engineering
E-mail: kgn@petrsu.ru
Nanostructure of glue and strength of wood particle board
Abstract: The reinforcing nanostructure of glue based on urea-formaldehyde resin with shungite nanopowder addition is presented in the article. The goal of the addition, is to increase the strength of wood particle board. According to the result of investigation by means of electronic microscope the glue reinforcing nanostructure is a mesh with a characteristic cell-size about 36 nm.
Keywords: shungite, urea-formaldehyde resin, structure
Питухин Александр Васильевич, Петрозаводский государственный университет,
профессор, лесоинженерный факультет E-mail: pitukhin@psu.karelia.ru Васильев Сергей Борисович, Петрозаводский государственный университет,
профессор, лесоинженерный факультет E-mail: servas@psu.karelia.ru Панов Николай Геннадьевич, Петрозаводский государственный университет,
преподаватель, лесоинженерный факультет E-mail: supernicola@yandex.ru Колесников Геннадий Николаевич, Петрозаводский государственный университет,
профессор, строительный факультет E-mail: kgn@petrsu.ru
Наноструктура клея и прочность древесно-стружечных плит
Аннотация: Рассмотрена армирующая наноструктура в клея на основе карбамидо-формальдегидной смолы с добавкой в виде нанодисперсного порошка шунгита. Цель добавки — повышение прочности древесностружечных плит. По результатам электронной микроскопии показано, что армирующая наноструктура клея представляет собой сетку с характерным размером ячеек около 36 нм.
Ключевые слова: шунгит, карбамидо-формальдегидная смола, структура
22
Секция 5. Материаловедение
Нанотехнологии составляют основу разработок новых материалов, в том числе материалов функционального и конструкционного назначения [1, 2]. Углеродсодержащие наночастицы используются как модификаторы при создании многих композитных материалов конструкционного назначения [3, 4]. Новым направлением в этой области является исследование композитных материалов на основе измельченной древесины [5, 6, 7]. Предварительные исследования показали, что использование добавок наноматериалов позволяет создавать практически новое поколение композитов, отвечающих современным требованиям экологической безопасности и экономической целесообразности [7, 8, 9]. Анализ публикаций показывает, что необходимо продолжение исследований взаимосвязи структуры упомянутых материалов с их прочностными характеристиками.
В производстве древесно-стружечных плит существует проблема уменьшения свободного формальдегида, который содержится в смолах, используемых в качестве клея для консолидации древесных частиц. Для её решения применяют смолы с пониженной эмиссией формальдегида [8]. Однако это ведёт к уменьшению прочности материала. Одним из способов повышения прочности плит является применение наномодификаторов при их производстве [3, 10]. Новые возможности в данном направлении связаны с применением нанодисперсного порошка шунгита,
содержащего углерод и кремнезем в соотношении примерно 30/60 [11]. Применение данного порошка в качестве модификатора клеевых композиций для изготовления древесно-стружечных плит экспериментально обосновано в работе [12]. Модификация клеевой композиции нанодисперсным порошком шунгита позволила увеличить прочность образцов древесностружечных плит при изгибе на 41%, а прочность при растяжении перпендикулярно срединной плоскости плиты выросла на 104% [15]. В работе [6] экспериментально установлено, что максимум прочности плиты достигается, если доля нанодисперсного порошка шунгита составляет около 10% от сухого остатка смолы.
Указанный выше эффект увеличения прочности объясняется [13] способностью наночастиц углерода и кремнезема образовывать вторичные структуры в виде цепочек и трехмерной сетки (см.рис.). Эта сетка выполняет функции армирующего каркаса для клеевой композиции и обеспечивает указанное выше увеличение прочности. В работе [11, с. 35] установлено, что «конденсация водной дисперсии нанокластеров шунгитового углерода приводит к образованию трехмерной углеродной сетки». Этот вывод подтвержден в производственном эксперименте [6], в котором эффект увеличения прочности достигался при определенной влажности сырьевой смеси.
Рисунок. Образованная наночастицами сетка (снимок сделан с использованием сканирующего электронного микроскопа HITACHI SU-1510)
Приведенные выше данные электронной микроскопии согласуются с выводами работы [11] о том, что агрегация основных структурных элементов ведет к образованию глобулярных агрегатов, а их взаимо-
действие приводит к появлению кластеров агрегатов размерами 10-100 нм. Можно считать, что в нашем случае вторичные кластеры имеют характерный размер примерно 36 нм.
23
Section 5. Materials Science
Новизна и практическая значимость клеевой композиции с наномодификатором подтверждена патентом РФ [12]. Представленные выше данные дополняют известные результаты [14, 15, 16], подтверждают
преимущества и целесообразность использования нанодисперсного порошка шунгита в качестве модификатора клеевой композиции при изготовлении древесно-стружечных плит.
Список литературы:
1. Акатенков Р. В., Алексашин В. Н., Аношкин И. В., Бабин А. Н., Богатов В. А., Грачев В. П., Кондрашов С. В., Минаков В. Т., Раков Э. Г. Влияние малых количеств функционализированных нанотрубок на физико-механические свойства и структуру эпоксидных композиций//Деформация и разрушение материалов. 2011. № 11. С. 35-39.
2. Ivanchev S. S., Ozerin A. N. Nanostructures in polymer systems//Polymer Science. Series B. 2006. V. 48. № 7-8. P. 213-225.
3. Алферов Ж. И., Асеев А. Л., Гапонов С. В., Копьев П. С., Панов В. И., Полторацкий Э. А., Сибельдин Н. Н., Сурис Р. А. Наноматериалы и нанотехнологии//Нано- и микросистемная техника. 2003. № 8. С. 3-13.
4. Kablov E. N., Kondrashov S. V., Yurkov G. Y. Prospects of using carbonaceous nanoparticles in binders for polymer composites//Nanotechnologies in Russia. 2013. V. 8. № 3-4. P. 163-185.
5. Candan, Zeki, Turgay Akbulut. Nano-engineered plywood panels: Performance properties//Composites Part B: Engineering. 2014. V. 64. P. 155-161.
6. Панов Н. Г., Питухин А. В., Рожков С. С., Цветков В. Е., Санаев В. Г., Фирюлина О. В. Древесно-стружечные плиты на основе карбамидоформальдегидной смолы, модифицированной наноразмерным шунги-том//Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2012. № 2. С. 135-138.
7. Stefan Veigel, Jörn Rathke, Martin Weigl, and Wolfgang Gindl-Altmutter. Particle Board and Oriented Strand Board Prepared with Nanocellulose-Reinforced Adhesive//Journal of Nanomaterials. 2012. V. 2012. Article ID 158503, doi:10.1155/2012/158503.
8. Варанкина Г., Чубинский А. Снижение токсичности древесных плитных материалов//ЛесПромИнформ. 2011. № 1 (75). URL: http://www.lesprominform.ru/jarchive/articles/itemshow/2166
9. Баранов Е. В., Незнамова О. М., Чернышов Е. М., Пустовгар А. П. Исследование рациональных составов композита из древесной щепы на основе силикатного и цементного связующего для стеновых панелей быстровозводимых малоэтажных зданий//Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 131-139.
10. Шуклин С. Г., Бузилов С. В., Шуклин Д. С. Модифицированные полимеры, содержащие углеродные нано-трубки//Перспективные материалы. 2010. № 4. С. 61-65.
11. Рожкова Н. Н. Наноуглерод шунгитов//Карельский научный центр РАН: Институт геологии. Петрозаводск. 2011. 98 c.
12. Рожкова Н. Н., Панов Н. Г., Питухин А. В., Рожков С. С., Васильев С. Б., Колесников Г. Н. Клеевая композиция с наномодификатором для древесностружечных плит//Патент РФ № 2520449. Опубликовано: 27.06.2014.
13. Рожкова Н. Н. Наноуглерод шунгитов: структурные и физико-химические свойства, механизмы ак-тивации//Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук. Санкт-Петербург. 2013. 39 с. URL: http://vak2.ed.gov.ru/idcUploadAutoref/renderFile/140265
14. Питухин А. В., Васильев С. Б., Панов Н. Г., Рожков С. С., Колесников Г. Н., Копарев В. С. Древесно-стружечная плита//Патент РФ № 137500. Опубликовано: 20.02.2014.
15. Питухин А. В., Панов Н. Г., Колесников Г. Н., Васильев С. Б. Влияние добавки нанопорошка шунгита в клеевой раствор для изготовления трёхслойных древесностружечных плит на их физико-механические свой-ства//Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. С. 147.
16. Питухин А. В., Васильев С. Б., Колесников Г. Н., Панов Н. Г., Копарев В. С. Модель разрушения древесностружечных плит при растяжении перпендикулярно пласти//Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013. № 6 (135). С. 68-72.
17. Васильев С. Б., Девятникова Л. А., Колесников Г. Н., Симонова И. В. Технологические решения для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу//Петрозаводск: Издательство ПетрГУ. 2013. 92 с.
24
