CC BY
34
УДК 678.002:647.048
СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ, ОБРАБОТАННОЙ РАСТВОРОМ
МОДИФИЦИРОВАННОЙ НЕФТЕПОЛИМЕРНОЙ СМОЛЫ
1 2 2 А. И. Дмитренков , О. Н. Филимонова , С. С. Никулин
1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
2 - ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
chem@vglta.vrn.ru
Древесина - это уникальный и возобновляемый природой полимерный материал, находящий широкое применение в производственной деятельности человека. Специфические свойства древесины и материалов на её основе обуславливают широкое их применение в различных отраслях современной промышленности. Древесина является незаменимым строительным и отделочным материалом. Однако при всех положительных качествах она обладает рядом существенных недостатков: способность изменять свою форму и размеры при поглощении или испарении воды и др., что в ряде случаев сдерживает её широкое применение. Для защитной обработки древесины и получения на её основе материалов с новым комплексом свойств используют широкий спектр пропиточных составов и средств, как органического, так и неорганического происхождения.
Для модификации древесины лиственных пород применяют серу [1]. По этой технологии древесину с естественной влажностью или частично высушенную пропитывали в расплаве серы при температуре 155-160 °С с последующим извлечением из расплава и охлаждением. Такая обработка позволяет повысить твердость и снизить водопоглощение древесины. Однако для существенного улучшения ука-
занных свойств требуется значительное (более 50 % от массы изделия) количество пропиточного состава, что увеличивает жесткость и опасность растрескивания материала, а также резко повышает себестоимость получаемых изделий. В предыдущих работах [2, 3] исследована технология модифицирования древесины лиственных пород расплавом стеариновой кислоты, которая позволяет уменьшить водопо-глощение изделий из древесины, а также сократить продолжительность пропитки и расширить ее температурный интервал.
Следует учитывать и то, что дорогие защитные средства мало приемлемы для пропитки относительно дешевой древесины. В этой связи целесообразным представляется применение для этих целей относительно доступных и дешевых отходов и побочных продуктов химической промышленности и материалов, полученных на их основе.
Цель данной работы - изучение свойств древесины березы, обработанной углеводородным раствором нефтеполи-мерной смолы, модифицированной полибутадиеном, с использованием метода планирования эксперимента, построенного по плану греко-латинского квадрата четвертого порядка [4].
Оценку эффективности применения
нефтеполимерной смолы модифицированной полибутадиеном в качестве модифицирующего агента изучали на образцах древесины березы размером 20x20x30 мм. Пропитку осуществляли следующим образом. В пропиточную ванну загружали углеводородный раствор нефтеполимерной смолы, модифицированный полибутадиеном (10 % масс от массы нефтеполимерной смолы), с концентрацией 50-60 % масс. Пропиточный состав нагревали до заданной температуры и погружали в него образцы березы и выдерживали в течение установленного времени. После чего образцы древесины извлекали из ванны и подвергали термообработке. Содержание в древесине модификатора определяли гравиметрическим методом.
Изучение процесса модификации древесины березы проводили с использованием планирования эксперимента. Исследование влияния таких факторов как температура пропиточного состава, продолжительность пропитки, температура и продолжительность термообработки проводили с применением плана греко-латинского квадрата 4*4. Для каждого фактора были выбраны следующие уровни варьирования: фактор А - температура пропиточного состава - 40, 70, 100, 130 °С; фактор В - продолжительность пропитки -- водопоглощение, %
1, 3, 5, 7 ч; фактор С - температура термообработки - 110, 130, 150, 170 °С; фактор D - продолжительность термообработки -1, 3, 5, 7 ч.
В качестве функций отклика выбраны такие показатели как водопоглощение древесины, разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях. Испытания проводили путем погружения образцов модифицированной древесины в воду и выдерживанием в течение 1 и 30 суток.
На основе полученных экспериментальных данных установлено, что наиболее существенное влияние на гидрофобные свойства обработанной древесины оказывают продолжительность пропитки в углеводородном растворе модифицированной нефтеполимерной смолы, температура и продолжительность термообработки.
После обработки экспериментальных данных с использованием компьютерных программ получены уравнения регрессии, описывающие влияние основных технологических параметров процесса модификации на показатели водопоглоще-ния, разбухания в радиальном и тангенциальном направлениях образцов модифицированной древесины березы, после 1 и 30 суток испытания (нахождения образцов в воде):
Через 1 сутки:
y(a,в, c,D) = 7,39-10 -(25,37- 0,02a>(28,97- 1,246>(31,51- 0,0542с>(26,46 - 0,635d); - разбухание в радиальном направлении,
%
Ya,в, c, d) = 5,73-10"3-(5,898 - 0,007a>(5,68 - 0,02356>(6,287 - 0,005c>6,217 - 0,153d); - разбухание в тангенциальном направлении, %
Y(a, b, c, d) = 4,6-10"' Через 30 суток:
10 a)-(6,06 - 0,016
10"3c>(6,68- 0,16d);
- водопоглощение, %
У(А,в,С,О) = 1,49-10"6-(103,61-0,19а>(105,26-4,29й>(80,64-5,25-10"2с)-(88,50 - 0,23ЙО;
- разбухание в радиальном направлении, %
У(А,в, с, п) = 1,87-10"3-(8,64 - 6,Ы0"3аХ9,04 - 0,23Ь>(13,05 - 3,4840-2с>(8,59 - 0,11^);
- разбухание в тангенциальном направлении, %
УА в, С,П) = 9,41^10-4^(10,65-5,2^10-3а)^(10,11-2,35^10-2Ь)^(13,08-2,03^10-2с)^(10,53-8,20^10-2^.
По полученным уравнениям зави- делены наилучшие условия модификации,
симостей среднегеометрических значений представленные в табл. 1.
показателей от факторов А, В, С, П опре-
Таблица 1
Наилучшие условия модификации древесины березы_
Фактор Значение
Продолжительность пропитки, ч 7
Температура пропиточного состава, °С 130
Продолжительность термообработки, ч 7
Температура термообработки, °С 170
Сравнение расчетных и эксперимен- ных выше условиях, представлено в табл.
тальных значений, полученных по выше- 2. Анализ полученных результатов пока-
приведенным уравнениям и в обозначен- зывает их хорошую сходимость.
Таблица 2
Расчетные и экспериментальные значения показателей модифицированной древесины _березы_
Продолжительность испытания, сутки Водопоглоще-ние, % Разбухание в радиальном направлении, % Разбухание в тангенциальном направлении, %
1 16,8/15,3 4,3/4,0 5,1/4,7
30 55,1/53,2 6,1/5,3 8,9/8,0
Примечание: числитель - расчет; знаменатель - эксперимент
На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Для улучшения процесса пропитки древесины углеводородным раствором нефтеполимерной смолы, модифицированной полибутадиеном, температуру пропиточного состава необходимо выдерживать на уровне ~ 130°С.
2. Продолжительность выдержки древесины в пропиточном составе должна
быть максимальной (7 часов).
3. Температура термообработки должна быть не ниже 170 °С. Высокая температура термообработки оказывает положительное влияние на улучшение структуры и свойств получаемого материала. Это может быть связано с целым рядом процессов, протекающих при высоких температурах (свыше 150 °С) и приводящих к упрочнению структуры древесины за счет межмолекулярных сшивок мак-
ромолекул с образованием структурированного каркаса.
4. Продолжительность термообработки (7 ч.) также оказывает существенное влияния на свойства получаемого материала, так как процесс структурирования протекает во времени.
Библиографический список
1. Орловский Ю.И., Панов ВВ., Манзий С.А., Манзий В.П. Пропитка древесины серой // Строительство и архитектура. 1984, № 6. С. 76-80.
2. Дмитренков А.И., Бельчинская
Л.И., Никулин С.С. Модифицирование древесины расплавом стеариновой кислоты // Лесной журнал. 1992, № 1. С. 74-78.
3. Дмитренков А.И., Никулин С.С. Использование высших карбоновых кислот и полимерных отходов нефтехимии для модификации древесины // Инновационные проекты в охране окружающей среды : доклады Всерос. науч.-техн. конференции. Тула : Изд-во ТулГУ, 2008. 310 с.
4. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии / М. : Высш. шк., 1985. 328 с.
