CC BY
99
Новые материалы лесопромышленного комплекса с использованием наноцеллюлозы
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ПРОЦЕССАХ СКЛЕИВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Н.С. НИКУЛИНА, ВГЛТА, канд. техн. наук,
B. А. ШАМАЕВ, проф. каф. древесиноведения ВГЛТА, д-р техн. наук,
C. А. КОНСТАНТИНОВА, гл. науч. сотрудник ФГУП «ГНЦЛПК», канд. биол. наук,
И.Н. МЕДВЕДЕВ, директор ООО «Лигнум», канд. техн. наук
[email protected]; [email protected]; [email protected]
В настоящее время все более остро ощущается дефицит древесины твердых лиственных пород при малом вовлечении в переработку древесины мягких лиственных пород [2, 3]. В то же время свойства древесины мягких лиственных пород можно существенно повысить до плотности 800-1200 кг/м3 методом химико-механического модифицирования.
Потребление древесины твердых лиственных пород в мире составляет 500 млн м3 в год, из них на российский рынок приходится около 35 млн м3.
Вследствие того, что возобновление древесины твердых пород происходит в 7-10 раз медленнее, чем возобновление мягких пород, а их промышленные запасы остались только в заповедниках, в последнее время наметился и все более обостряется дефицит этого вида древесины
Это привело к значительному ее удорожанию как в России, непосредственно располагающей ее запасами, так и в других странах, активно перерабатывающих данную древесину развитых стран Европы, Азии и Америки, куда она завозится из развивающихся стран Африки и Южной Азии.
Технологические возможности производства модифицированной древесины позволяют получать конечный продукт с широким спектром декоративных, прочностных, физико-механических и эксплуатационных свойств, которые можно изменять в зависимости от требований потребителя или производителя. Наибольший экономический эффект прослеживается при модификации древесины из низкосортных и малоценных пород древесины, таких как береза, осина, ольха и прочие.
Существо технологий заключается в пропитке с торца под давлением оцилиндро-
ванной заготовки свежесрубленной древесины мягких лиственных пород и последующей сушке под механическим давлением 0,4-0,5 МПа в стандартных сушильных камерах, оборудованных гидроцилиндрами. Исходным сырьем служит древесина ольхи, березы, осины, тополя.
Получаемый конечный продукт сохраняет уже имеющиеся свойства исходной древесины и приобретает технологически задаваемый спектр новых качеств, например, повышенную твердость и низкую истираемость, плотность и прочность, био- влагоогнестойкость, новые декоративные свойства.
Для получения модифицированной древесины приготавливают пропиточный 30-40 %-ный водный раствор карбамида, содержащий форконденсат карбамидоформаль-дегидного олигомера (КФК), в который добавляют упрочнитель - 2 %-ный водный раствор наноцеллюлозы (НЦ) в количестве 15-18 % от массы КФК. Вода, используемая для приготовления раствора, активируется намагничиванием до аналита с окислительно-восстановительным потенциалом 800-900 Мв с рН=2,5.
Добавление в пропиточный раствор водного геля НЦ в указанном количестве, намагничивание воды до аналита обеспечивают получение модифицированной древесины требуемой прочности 120-130 МПа со степенью упрочнения для березы 15 %, для осины 25 %, то есть в два раза меньше, чем при модифицировании известным способом.
Введение водного геля НЦ увеличивает степень сшивки полимера с древесиной. За счет этого увеличивается жесткость и прочность модифицированной древесины.
Дополнительное намагничивание воды до аналита с окислительно-восстановительным потенциалом 800-900 Мв способствует активации водного геля НЦ, повышает
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
107
Новые материалы лесопромышленного комплекса с использованием наноцеллюлозы
Таблица
Характеристика модифицированной д ревесины
Характеристика материала и условия его получения Степень прессования, % Предел прочности при сжатии, МПа
Береза прессованная 15 80
Береза + КФК 15 92
Береза + КФК + НЦ 15 120
Береза + КФК + НЦ+ активированная вода 15 135
Осина прессованная 25 72
Осина + КФК 25 91
Осина + КФК + НЦ 25 104
Осина + КФК + НЦ+ активированная вода 50 120
степень полимеризации, что также способствует увеличению прочности модифицированной древесины.
Заготовки из древесины пропитывают полученным раствором с торца под давлением 0,4—0,5 МПа. После пропитки содержание карбамида в древесине составляет 15-20 % от массы сухой древесины, содержание КФК 1,52,4 % от массы сухой древесины, содержание НЦ 0,22-0,43 % от массы сухой древесины.
Далее заготовки высушивают при температуре 90 °С до влажности 10-15 %, после чего их прессуют поперек волокон под механическим давлением 0,5-0,6 МПа до степени уплотнения 15 % для березы и 25 % для осины и сушат в пресс-формах до влажности 4-5 %. Далее проводят термообработку при температуре 140 °С в течение 3 часов.
В результате получают модифицированную древесину, имеющую прочность при сжатии вдоль волокон 120-130 МПа и степень уплотнения 15 % для березы и 25 % для осины, т.е. использование предложенного способа позволяет снизить степень уплотнения в 2 раза по сравнению с известным способом, т.е. также повысить выход получаемого материла (таблица).
Снижение степени прессования для березы с 30 до 15 % позволяет повысить выход модифицированной древесины на 15 %, т.е. с 1 м3 экономия составит 0,15 м3, с 1000 м3 - 150 м3. При отпускной цене модифицированной древесины березы 30 тыс. руб. за 1 м3 экономия составит 150 х 30 = 4500 тыс. руб.
Снижение степени прессования для осины с 50 до 25 % позволяет повысить выход модифицированной древесины на 25 %,
т.е. с 1 м3 экономия составит 0,25 м3, с 1000 м3 - 250 м3. При отпускной цене модифицированной древесины осины 25 тыс. руб за 1 м3 экономия составит 250 х 25 = 6250 тыс. руб.
Склеивание материалов находит применение во многих областях техники. В промышленности массивную древесину склеивают по длине, ширине и толщине, в результате чего получается клееная продукция определенного назначения с различными прочностными характеристиками.
С недавнего времени в России освоено производство наноцеллюлозы, которая способствует увеличению прочности бумаги в 10 раз. Использование нанодобавок позволяет получать материалы с улучшенными свойствами.
Поэтому совмещение модифицированной малоценной древесины, обладающей свойствами древесины ценных пород, с добавками наноцеллюлозы в процессе склеивания, позволит получить прочные клеевые соединения, равные прочности самой модифицированной древесины. А как следствие этого - увеличение прочности клеевого соединения способствует повышению эксплуатации клееных изделий и приближается к сроку службы самой модифицированной древесины (50 лет).
Для проведения испытаний образцы изготавливали из модифицированной древесины марки «Дестам» [2]. Количество образцов для каждого испытания должно быть не менее 5 шт. Точность и качество изготовления образцов должны соответствовать требованиям ГОСТ 16483.0-78. Образцы с видимыми пороками древесины по ГОСТ 2140-81 и дефектами склеивания испытаниям не подлежат.
108
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012
Новые материалы лесопромышленного комплекса с использованием наноцеллюлозы
Рисунок. Диаграмма влияния рецептуры клеевого состава на предел прочности при скалывании: 1 - смола СФЖ-3014, 2 - смола СФЖ-3014+УЗ, 3 - смола СФЖ-3014+ИМП, 4 - смола СФЖ-3014+УЗ+ИМП; 5 - смола СФЖ-3014+УЗ+ИМП+НКЦ (1 %-ая); 4 - смола СФЖ-3014+УЗ+ИМП+НКЦ (6 %-ая); 7 - смола ПКП-52, 2 - смола ПКП-52+УЗ, 3 - смола ПКП-52+ИМП, 4 - смола ПКП-52+УЗ+ИМП; 5 - смола ПКП-52+УЗ+ИМП+НКЦ (1 %-ая); 4 - смола ПКП-52+УЗ+ИМП+НКЦ (6 %-ая)
В качестве клеев использовали карба-мидоформальдегидную смолу ПКП-52 (холодного способа склеивания) и фенолофор-мальдегидную смолу СФЖ-3014 (горячего способа склеивания). Выбор данных смол основан на рассмотрении влияния добавки наноцеллюлозы на прочность клеевого шва при использовании 2-х различных видов смол и способов их склеивания.
Так, при использовании карбамидофор-мальдегидной смолы ПКП-52 в нее добавляли необходимое количество наноцеллюлозы, тщательно все перемешивали и обрабатывали ультразвуком в течение 5 мин. Далее в полученный состав добавляли отвердитель - щавелевую кислоту в количестве 4 %.
При использовании фенолоформаль-дегидной смолы СФЖ-3014, кроме добавки наноцеллюлозы, использовали ПАВ (дрези-нат калия) в количестве 6 % (для избежания расслоения), все тщательно перемешивали и обрабатывали ультразвуком в течение 5 мин.
Для определения влияния и необходимого количества наноцеллюлозы на прочность клеевого соединения образцов модифицированной древесины ее вводили в смолу перед началом обработки ультразвуком (УЗ) и импульсным магнитным полем (ИМП) в количестве 4, 8 и 12 %. Исходя из ряда проведенных экспериментов установлено, что количество вво-
димой наноцеллюлозы в размере 8 % является достаточным для получения прочного клеевого соединения. Введение большего количества наноцеллюлозы существенного влияния на прочность при скалывании не оказывает.
После того как образцы и клеи подготовлены, осуществляли процесс склеивания, из расчета 150 г на 1 м2 поверхности. Клей наносили с помощью кисти однократно. После нанесения клея на поверхность осуществляли выдержку в течение 5 мин для лучшей адгезии клея к древесине. После этого образцы соединяли между собой и выдерживали под давлением 1,6 МПа, чтобы сблизить склеиваемые поверхности и получить равномерный клеевой шов минимальной толщины. Время выдержи под давлением составляет: для смолы ПКП-52 при комнатной температуре 5 ч, для смолы СФЖ-3014 при температуре 120 °С 1ч. Далее осуществлялась обработка клеевого шва импульсным магнитным полем. Напряженность магнитного поля регулируется в пределах от 0 до 24-104 А/м величиной тока и расстоянием межполюсного пространства. Обработка производилась в течении 20 мин, за это время клеевая композиция достигает предела магнитного насыщения, что подтверждается проведенными экспериментальными данными. Результаты полученных экспериментов представлены на рис. 1.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2012
109
