CC BY
101
УДК 621.792.053:678.061
А. А. Барташевич, кандидат технических наук, профессор (БГТУ);
С. С. Гайдук, аспирант (БГТУ);
Н. А. Бедик, научный сотрудник (ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Беларуси)
ПОВЫШЕНИЕ ВОДОСТОЙКОСТИ ПОЛИВИНИЛАЦЕТАТНЫХ КЛЕЕВ
Рассмотрены варианты повышения водостойкости поливинилацетатного клея марки ДФ51/15ВП введением нанодобавок и путем модификации клеем Клебит 303. Приведены данные о клеевых соединениях, образованных модифицированным клеем.
Variants of increase of water resistance glue of mark DF51/15VP by introduction nanomaterials and by updating by glue of Klebit 303 are considered. The data of the glutinous connections formed by modified glue is cited.
Введение. В мебельной и деревообрабатывающей промышленности в большом объеме применяются поливинилацетатные клеи. Требования к ним во многом определяются условиями эксплуатации. По степени водостойкости и нагрузки ПВА-клеи подразделяют, по европейскому стандарту DIN EN 205, на 4 группы -Д1, Д2, Д3 и Д4. Клеи первых трех групп предназначены для изделий и конструкций, эксплуатируемых в закрытых помещениях, группы Д4 - и в открытом пространстве.
Испытания клеев на прочность склеивания и водостойкость проводили на кафедре технологии и дизайна изделий из древесины по европейской методике. Испытывался клей отечественного производства (ОАО «Лакокраска») марки ДФ 51/15ВП и марки Клебит 303 (Германия).
Клей марки ДФ51/15ВП при 7-суточной выдержке образцов в комнатных условиях после склеивания имел прочность 10,98 МПа (при норме 10 МПа), что соответствует требованиям к клею группы Д1. После дополнительной выдержки образцов в воде в течение 4 сут прочность склеивания оказалась равной только 0,12 МПа при норме 4 МПа (для группы Д3). Иностранного клея - в пределах до 3 МПа. Но после дополнительной выдержки образцов в течение 7 сут при комнатных условиях прочность клеевого соединения клея ДФ51/15ВП увеличилась до 7,27 МПа при норме 8 МПа. Таким образом, слабым показателем отечественного клея является его водостойкость.
Клеи группы Д4 используются с отвердите-лем, благодаря которому водостойкость клеевых соединений значительно возрастает. В Республике Беларусь такие клеи не выпускаются. Что собой представляет отвердитель - остается тайной фирм-производителей.
Основная часть. Ставилась задача исследовать химические составы ПВА клеев и природу отвердителей с тем, чтобы можно было повысить свойства клеев и клеевых соединений соответственно. Основным методом исследования являлась ИК-спектроскопия (прибор Ther-
mo №со1й, США). Эти исследования проводились на кафедре технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов.
Установлено, что различия клеев состоят не в различных добавках в водную фазу клея, а в химических составах макромолекул ПВА. При этом коренное отличие состоит в том, что импортный клей в составе макромолекул содержит несколько процентов ОН-групп. Роль этих групп - образование (в зависимости от природы вводимой кислоты и условий реакции) нерастворимых сшитых полимеров, что резко повышает водостойкость и теплостойкость клеевых швов.
Вторым важным отличием ПВА-клев является добавление в импортные клеи отвердителя перед применением клея. Роль отвердителя выполняет двухосновная органическая себацино-вая кислота. При ее введении происходит химическая реакция взаимодействия ОН-групп макромолекул с СООН-группами кислоты с образованием нерастворимого сшитого полимера.
Добавление отвердителя в клей ДФ51/15ВП не повышает его влагостойкости, так как в его макромолекулах нет ОН-групп.
Следующим этапом исследований с целью повышения водостойкости ПВА-клеев явилась их модификация нанодобавками.
Наноматериалы и нанотехнологии получают все более широкое развитие и применение в США, Германии, Канаде, Японии и других странах. В первую очередь это такие отрасли, как электроника и медицина. Находят они применение и в технике, в частности в автомобилестроении [1]. О применении наноматериалов в деревообработке и производстве мебели сообщений не имеется. До этих отраслей очередь еще не дошла, хотя и здесь нанотехнологии могут оказаться весьма эффективными.
Наиболее применимыми и перспективными материалами нанометрического диапазона являются нанопорошки металлов, диоксида кремния, диоксидов титана, сульфата бария, оксидов алюминия, циркония. В качестве на-
Деревообрабатывающая промышленность
149
полнителей могут использоваться полимерные порошки, равномерно распределенные в пленкообразующем веществе.
Особый интерес представляют наномате-риалы на основе углерода (УНМ). На первом этапе проведенных исследований при изучении свойств модифицированного нанодобавками клея использовались углеродные нанотрубки (УНМ) марки «Суспензия» и силикатные нано-материалы (СНМ).
Одной из наиболее сложных задач при использовании нанодобавок является введение их в клеевой состав.
Первый способ получения клея с нанодо-бавками основывался на прямом введении углеродных нанодобавок обычным смешением в диссольвере. Способ недостаточно надежный, не позволяет равномерно распределить нанома-териал по всей массе клея. В последующем использовались новые методики подготовки образцов нанодобавок.
Лабораторно-технологическая установка для получения высокодисперсных систем «жидкость - наноматериал» (наножидкостей) разработана Научно-исследовательским центром НАН Беларуси (руководитель академик Свириденок А. И.). Она состоит из гидро-(пневмо)динамического и бароакустического диспергаторов. В установке предусмотрена многоступенчатая обработка нанонаполненных жидкостей: первичное механоакустическое, затем пневмо(гидро)диспергирование, ударно-механическое разрушение капель и совмещенное акустокавитационное воздействие в условиях избыточного статического давления. Базовая технология изготовления наноструктуриро-ванных материалов включает [2-5]:
- подготовку суспензии жидкость - наполнитель путем механического смешения компонентов и предварительной обработки смеси в ультразвуковой камере 15-30 мин при воздействии ультразвуковых колебаний частотой 25-35 кГц;
- двухступенчатую обработку, включающую гидро(и пневмо)распыление и ударное диспергирование струйно-капельного факела до дисперсности 0,1-10 мкм с целью получения нано-микроструктурированной жидкой системы;
- финишную обработку полученной высокодисперсной жидкой системы при помощи бароакустического диспергатора с целью дополнительного ультразвукового кавитационно-го диспергирования и стабилизации системы в условиях статического давления с добавлением в жидкую среду необходимых добавок (поверхностно-активных веществ и др.).
Наилучшей дисперсностью и наиболее длительной устойчивостью обладают суспензии,
обработанные пневмораспылением и ультразвуком.
Для наработки образцов составов клеев с нанодобавками вначале готовили суспензии жидкость - наполнитель, то есть вода - углеродные нанотрубки концентрацией 5 г/л по режиму: двухкратное пневмораспыление под давлением 0,3 МПа с последующим ультразвуковым диспергированием в течение 20 мин.
Для суспензии вода - силикатный наномате-риал была принята концентрация 10 г/л. Готовилась данная суспензия по режиму, аналогичному, как и суспензия вода - УНМ.
Расчетное количество суспензии вводилось в клей, и смесь перемешивалась 15 мин.
В ПВА-клей марки ДФ51/15ВП суспензия вводилась в количестве, обеспечивающем долю наноматериала в клее в объеме 0,025 и 0,05%.
Для определения прочности клеевых соединений использовали образцы древесины бука влажностью 8% в виде пластинок размером 150^20x5 мм. Их склеивали попарно пластями.
Испытания образцов на прочность клеевых соединений проводили по европейскому методу DIN EN 205 «Установление прочности при продольном скалывании в результате проведения испытаний на растяжение». Использовали разрывную машину типа РМ-0,5, в каждом опыте - по 12 образцов.
Контрольные образцы, то есть склеенные клеем без нанодобавок, испытывали после 7-су-точной выдержки при комнатных условиях -как для группы нагрузки и водостойкости Д1. Испытания образцов по методике, принятой для группы нагрузки и водостойкости D3, проводили после выдержки склеенных образцов в течение 7 сут и последующей выдержке в воде в течение 4 сут при комнатной температуре 20°С. Образцы испытывались сразу после извлечения из воды и после выдержки в течение 7 сут при комнатной температуре.
Результаты испытаний образцов, склеенных ПВА-клеями, модифицированными углеродными нанотрубками марки «Суспензия» и силикатными наноматериалами, а также контрольных образцов (склеенных клеями без нанодобавок) приведены в табл. 1.
Повышение прочности соединений, выполненных клеевым составом с нанодобавками, происходит в результате того, что наноразмер-ные включения в полимерный материал многократно увеличивают степень развитости контакта фаз. Материалы с введенными в их состав углеродными нанотрубками имеют повышенные прочностные характеристики также и из-за того, что модуль упругости по оси нанотрубки превышает соответствующий модуль монокристаллического алмаза.
Таблица 1
Прочность склеивания древесины клеем, модифицированным нанодобавками
Вид клея Прочность при продольном скалывании, МПа
после выдержки 7 сут после склеивания после выдержки 7 сут + в воде 4 сут после выдержки 7 сут + в воде 4 сут + + 7 сут при 20°С
ДФ51/15ВП + 0,025 % УНМ 10,98 (разрушение по древесине) 1,28 (разрушение по клеевому слою) 7,75 (разрушение по древесине - 60%)
ДФ51/15ВП + 0,05% УНМ 9,87 (разрушение по древесине) 1,35 (разрушение по клеевому слою) 8,06 (разрушение по древесине)
ДФ51/15ВП + 0,025% СНМ 10,16 (разрушение по древесине) 1,42 (разрушение по клеевому слою) 8,55 (разрушение по клеевому слою)
ДФ51/15 ВП + 0,05% СНМ 10,62 (разрушение по древесине) 1,46 (разрушение по клеевому слою) 8,62 (разрушение по древесине - 70%)
ДФ51/15ВП - без нанодоба-вок (контрольный образец) 9,53 (разрушение по древесине - 70 %) 0,12 (разрушение по клеевому слою) 7,27 (разрушение по клеевому слою)
Проведены исследования по определению прочности склеивания древесины комбинированным клеем, состоящим из клея марки ДФ51/15ВП, в который добавлен клей марки Клебит 303 в количестве 15 и 30% (по массе). Испытания склеенных образцов проводили по европейскому методу, как и для клея группы Д3. В каждом опыте - по 12 образцов.
Данные опыты представляют практический интерес с целью определения возможности повышения водостойкости ПВА-клеев отечественного производства, а также уменьшения объемов клея, приобретаемого по импорту.
Результаты данных опытов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Прочность склеивания древесины клеем ДФ51/15ВП, модифицированным клеем Клебит 303
Заключение. Модификация клея ДФ51/15ВП нанодобавками, а также клеем марки Клебит 303 существенно увеличивают его водостойкость, что повышает надежность использования данного клея и дает возможность намного уменьшить объем импортируемого клея.
Наиболее сложной технологической операцией при использовании нанодобавок является введение наноматериала в клеевой состав. Установлено, что лучший способ - это предварительная подготовка суспензии «жидкость - наноматериал» и введение ее в клеевой состав с последующим перемешиванием композиции.
Литература
1. Нанотехнологии. Наноматериалы. Нано-системная техника / под ред. П. П. Мальцева. -М.: Техносфера, 2008.
2. Устройство для исследования эрозии при ударном воздействии высокоскоростной жидко-капельной струи / А. И. Свириденок [и др.] // Трение и износ. - 2004. - Т. 25, № 4.
3. Борисенко, Е. В. Физико-химические основы производства эмульсий / Е. В. Борисенко // Пищевые ингредиенты. - 2002. - № 2.
4. Микро- и наногеометрия и физико-механические свойства эродированных поверхностей / А. И. Свириденок // НАН Беларуси. 2004. - Т. 48, № 2.
5. Микроэмульсии. Структура и динамика / под ред. С. Е. Фридберга и П. Ботореля. - М.: Мир, 1990.
Поступила 03.03.2011
Состав клея Прочность при продольном скалывании, МПа
после выдержки 7 сут после склеивания после выдержки 7 сут + + в воде 4 сут после выдержки 7 сут после склеивания
ДФ51/15ВП -85% + Клебит 303 - 15% 10,16 (разрушение по древесине) ДФ51/15В П - 85% + Клебит 303 - 15% 10,16 (разрушение по древесине)
ДФ51/15ВП -70% + Клебит 303 - 30% 10,51 (разрушение по древесине) ДФ51/15В П - 70% + Клебит 303 - 30% 10,51 (разрушение по древесине)
