Оценка работы адгезии модифицированного фенолформальдегидного олигомера Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ОЦЕНКА РАБОТЫ АДГЕЗИИ МОДИФИЦИРОВАННОГО ФЕНОЛФОРМАЛЬДЕГИДНОГО ОЛИГОМЕРА

B. Е. ЦВЕТКОВ, проф. каф. технологии производства древесных плит и пластиков МГУЛ, д-р техн. наук,

C. А. УГРЮМОВ, доц. каф. механической технологии древесины КГТУ, канд. техн. наук

tsvetkov@mgul.ac.ru; nis@kstu.edu.ru

В настоящее время перед отечественным производством древесных композиционных материалов остро стоят задачи восстановления и увеличения объемов, повышения качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, организации эффективной переработки образующихся отходов.

Особо актуален вопрос снижения материалоемкости, расходов сырья и материалов на изготовление единицы продукции при сохранении качества. Одним из путей решения вопроса является использование различных прессованных клееных материалов всех возможных отходов как деревообработки, так и сельского хозяйства.

Сельскохозяйственные отходы, например костра льна, в настоящее время не находят широкого применения в производстве клееных материалов. Как правило, они сжигаются для производства теплоэнергии или вывозятся на поля для запахивания. В то же время они являются дешевым сырьем для мебельных плит и других прессованных материалов высокого качества.

Производство костроплит - основное направление эффективной переработки льняной костры. Костра по анатомическому и химическому строению сходна с древесиной, она содержит много стойких химических соединений - лигнин, целлюлозу, высокополимерные пентозаны, может склеиваться с применением традиционных клеев. На основе костры возможно изготовление как конструкционных строительных и мебельных плит плотностью от 600 кг/м3, так и теплоизоляционных плотностью порядка 300 кг/м3.

Экспериментально установлено, что прочностные показатели костроплит, изготовленных по традиционным технологиям, ниже, чем у древесностружечных, что обус-

ловлено, главным образом, особенностями адгезионного взаимодействия костры с клеевым составом. Так, при осмолении костры связующим на основе фенолформальдегидных олигомеров сложно достичь равномерного его распределения по поверхности всех частиц. Неравномерность осмоления костры приводит к нестабильности свойств по толщине и формату плиты, что негативно отражается на качестве продукции.

Адгезия между адгезивом (клеем) и субстратом (наполнителем) определяется взаимодействием на границе раздела фаз. Это взаимодействие зависит от величин, которые обусловливают свойства контактирующих поверхностей, прежде всего - от поверхностного натяжения (а). Для достижения хорошего смачивания и высокой адгезии необходимо, чтобы поверхностное натяжение субстрата было больше соответствующей характеристики адгезива.

Однако по экспериментальным данным поверхностное натяжение фенолформальдегидных смол, широко применяемых в плитных производствах, превышает натяжение древесины, но в большей степени - костры льна. Так, поверхностное натяжение олигомера СФЖ-3014 составляет 73,2 МДж/м2, березы - 49 МДж/м2, сосны - 47 МДж/м2, костры льна - 45 МДж/м2 [1].

Улучшение качественных показателей клееных материалов, произведенных с применением костры, невозможно без модифицирования клеевых композиций.

Анализ экспериментальных результатов показал, что при модификации фенолформальдегидных смол спиртами снижается их поверхностное натяжение и вязкость, что приводит к уменьшению углов смачивания и повышению растекаемости по поверхности частиц наполнителя.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

127

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Эффективность такой модификации можно оценить путем расчета работы адгезии, которую надо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности, то есть для восстановления исходного состояния контактирующих тел. Работа адгезии (Ж) определяется соотношением поверхностных энергий адгезива, субстрата, а также межфазной энергии [2]

W = о +о - о , (1)

а жг тг тж7 4 у

где ожг - поверхностное натяжение жидкости (адгезива) на границе с газом (воздухом), МДж/м2;

отг - поверхностное натяжение твердого тела (субстрата) на границе с газом (воздухом), МДж/м2;

о - межфазное поверхностное натяжение, МДж/м2.

Равновесие капли жидкости на поверхности твердого тела подчиняется уравнению Юнга [2]

о = о + о cos 0, (2)

тг тж жг

где 0 - краевой угол смачивания, град.

Согласно правилу Юнга (2), в условиях равновесия капли можно записать

о • cos 0 = о - о , (3)

о = о + о cos 0. (4)

тг тж жг

С учетом уравнения (4) формулу (1) можно привести к виду

W = ожг (1 + cos 0). (5)

В данном уравнении не учитывается величина межфазного взаимодействия субстрата с адгезивом, поэтому расчет работы адгезии не является точным.

Для повышения точности расчета необходимо учесть коэффициент пропорциональности b, имеющий величину tg угла наклона прямой зависимости cos9 = _Дож) к оси абсцисс [3]. При этом зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезива будет иметь вид

cos9 = 1 - Ь(о - о ), (6)

где о^ - критическое значение поверхностного натяжения адгезива, при котором обеспечивается полное смачивание, МДж/м2 (по величине равно значению поверхностного натяжения субстрата).

Подставив данную зависимость (6) в уравнение для расчета работы адгезии (5), получим

W = о (2 + b-о ) - b-о

а жг кр

(7)

2

Поверхностное натяжение адгезива, МДж/м2

Рис. 1. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения фенолформальдегидной смолы СФЖ-3014, модифицированной бутанолом: 1 - субстрат береза; 2 - субстрат сосна; 3 - субстрат костра льна

Рис. 2. Схема определения коэффициента пропорциональности b

30 40 50 60 70 80

Поверхностное натяжение, МДж/м2

Рис. 3. Зависимость работы адгезии от поверхностного натяжения фенолформальдегидного олигомера СФЖ-3014: 1 - субстрат береза, 2 - субстрат сосна; 3 - субстрат костра льна

Т а б л и ц а 1

Значения коэффициента пропорциональности

Олигомер Субстрат Коэффициент пропорциональности b

Береза 0,039

СФЖ-3014 Сосна 0,030

Костра льна 0,058

128

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 2

Расчет величины максимальной работы адгезии

Олигомер Субстрат Максимальная работа адгезии W , МДж/м2 Поверхностное натяжение адгезива для максимальной работы адгезии ож, МДж/м2 Количество модификатора (бутанола), %

СФЖ-3014 Береза 98,1 50,1 1,2

Сосна 96,9 56,8 0,6

Костра льна 91,6 39,7 2,2

Таблица 3

Сравнительные свойства костроплит на основе смолы СФж-3014

Количество модификатора (бутанола), % Плотность плиты, кг/м3 Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при перпендикулярном отрыве, МПа Разбухание по толщине, % Водопоглощение, %

0 740 11,0 0,26 32,1 81,2

1 738 16,3 0,46 25,2 68,1

1,5 745 18,4 0,52 7,5 39,0

2 748 18,8 0,55 6,4 35,6

3 754 16,8 0,48 8,8 40,3

Данная зависимость представляет уравнение параболы, вершина которой находится при следующем значении поверхностного натяжения адгезива

о = 1 / b + 0,5о . (8)

При этом максимальная работа адгезии определяется зависимостью вида

W = 1 / b + о + 0,25-Ь-о 2. (9)

Коэффициент пропорциональности b определим как тангенс угла наклона графических зависимостей cos9 = _Дож), построенных по значениям для модифицированных составов на участках, описание которых возможно в виде прямых зависимостей (рис. 1).

Коэффициент пропорциональности определяется как тангенс угла наклона построенных прямых к оси абсцисс по схеме, представленной на рис. 2.

b = tg а = у / х. (10)

В табл. 1 представлены величины коэффициента пропорциональности b для основных субстратов.

Подставив значения, представленные в табл. 1, в уравнение (7), получим уравнения для расчета работы адгезии

W к = о (2 + 0,039-49) - 0,039-о 2 =

а береза ж 4 7 /у ж

= 3,911- о - 0,039-о 2;

жж

W = о (2 + 0,03-47) - 0,030-о 2 =

а сосна ж 4 7 / у ж

= 3,41-о - 0,03-о 2;

жж

W = о (2 + 0,058-45) - 0,058-о 2 =

а костра ж 4 7 / у ж

= 4,61- о - 0,058-о 2.

жж

На рис. 3 представлена графическая интерпретация зависимости работы адгезии от поверхностного натяжения адгезивов.

Максимальная работа адгезии при этом будет наблюдаться при значениях поверхностного натяжения адгезивов, представленных в табл. 2.

Экспериментально подтверждено, что физико-механические характеристики плитных материалов на основе костры при модификации клеев спиртами существенно увеличиваются (табл. 3).

Таким образом, модификация синтетических смол спиртами позволяет снизить их поверхностное натяжение до уровня субстрата, повысить смачиваемость и равномерность распределения по частицам наполнителя, увеличить работу адгезии, что положительным образом сказывается на качестве готовой продукции.

Библиографический список

1. Угрюмов, С.А. Применение основных положений теории адгезии для расчета поверхностного натяжения костры льна / С.А. Угрюмов, В.Е. Цветков // Деревообрабатывающая промышленность. - 2008. - № 1. - С. 22-23.

2. Берлин, А.А. Основы адгезии полимеров / А. А. Берлин, В.Е. Басин. - М.: Химия, 1974. - 392 с.

3. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / под ред. Ю.Г. Фролова, А.С. Гродского. - М.: Химия, 1986. - 214 с.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2009

129