CC BY
94
Деревопереработка. Химические технологии
DOI: 10.12737/3360 УДК 674.812
ИССЛЕДОВАНИЕ СКЛЕИВАНИЯ ФАНЕРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры древесиноведения В. А. Шамаев1 заведующий кафедрой механической технологии древесины, доктор технических наук,
профессор Е. М. Разиньков1
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры механической технологии
древесины Т. Л. Ищенко1
2
кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. Э. Зиемелис 1 - ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
2 - Рижский технический университет [email protected], [email protected], tl [email protected], [email protected]
В процессах деревообработки все более широкое применение находят наноматериалы, в первую очередь наноцеллюлоза [1, 2]. Так добавки НКЦ в карбамидофор-мальдегидные и фенолоформальдегидные смолы в 1,5...2 раза увеличивают прочность клеевого шва при склеивании массивной модифицированной древесины марки «Дестам» [3].
Сама по себе наноцеллюлоза достаточно пассивный материал и наносвойства проявляются лишь после химической или физической активации.
Химическая активация кислотами или щелочами происходит, например, в процессе варки древесины при получении бумаги [4]. Физические методы активации наноцеллюлозы [5] более предпочтительны, т.к. не меняют свойства материалов, на которые воздействует НКЦ. К ним относится воздействие ультразвука, импульсного магнитного поля, сильного постоянного магнитного поля.
Ранее проводимые исследования показали, что нанофибриллярная и нанокристаллическая целлюлоза без активации при
добавлении в клеевые составы незначительно увеличивают прочность древесностружечных плит, фанеры и других древесных материалов (в среднем на 4.6 %). Активированная нанокристаллическая целлюлоза проявляет свойства, присущие всем классическим наноматериалам, т.е. в момент фазового перехода образует активные центры, на которых отверждающийся состав образует более прочную кристаллическую решетку, в результате чего значительно увеличивается прочность твердой фазы [6, 7]. Так, при отверждении карба-мидо- и фенолоформальдегидных смол в присутствии НКЦ вместо ортогональной кристаллической решетки образуется новая решетка, близкая к гексагональной.
Рабочей гипотезой, использованной в настоящей работе, было предположение, что в условиях получения фанеры добавки НКЦ в карбамидо-меламино-формальде-гидную смолу увеличат прочность получаемого материала, в первую очередь, за счет увеличения прочности клеевого шва. Поскольку в этом случае прочность клеевого шва может оказаться выше прочности
Лесотехнический журнал 1/2014
151
Деревопереработка. Химические технологии
березового шпона, пакет шпона усиливался базальтовой тканью.
Методика эксперимента.
Сырье - шпон древесины березы Be-tula verrucosa L.толщиной 1,5 мм, заготовленный в г. Цесис (Латвия);
Смола карбамидо-меламмно-форм-альдегидная Prefere со следующей характеристикой:
- плотность при 20 °С - 1,29 г/см3;
- концентрация 67 %;
- вязкость при 20 °С 43 с;
- рН - 8,9;
- свободные формальдегиды 0,2 %;
- срок хранения при 20 °С - 5 недель.
Отвердитель Prefere 24F782 плотность 0,55 г/см3;
2 %-й водный гель кристаллической наноцеллюлозы (НКЦ) со следующей характеристикой:
- исходное сырье: целлюлоза, выделенная из водной дисперсии WHISHERS методом сублимационной сушки;
- концентрация гидрогеля - 2 %;
- длина волокон 200.. .400 нм;
- ширина волокон - 10 нм;
- вязкость гидрогеля - 29 с;
Методика получения и свойства НКЦ
описана в работах [8, 9, 10].
Обработка ультразвуком:
- частота колебаний 21 кГц;
- интенсивность колебаний 13 Вт/см2;
- время обработки - 30 с.
Приготовление клеящего состава с
НКЦ.
В смолу добавлялось соответствующее количество 2 %-го гидрогеля НКЦ, перемешивалась полученная смесь и обрабатывалась ультразвуком (УЗ). Так полу-
чалась концентрация НКЦ 0,4 и 0,8 % по отношению к массе сухой древесины. Для получения более высоких концентраций НКЦ на шпон с двух сторон наносилось соответствующее количество гидрогеля НКЦ, после чего лист шпона подсушивался до первоначальной влажности.
Обработка импульсным магнитным полем:
- серия симметричных треугольных импульсов № 1500.3000;
- длительность импульсов - 10 мкс;
- амплитуда колебаний В-0,3Тл;
- частота следования - 10 мс;
- частота колебаний - 50 Гц;
- напряженность поля - 18-104 А/м;
- время обработки - 60 с.
Базальтовая ткань:
- толщина слоя - 0,4 мм;
- количество слоев в пакете - 9.
Смола СФЖ-3013 по ГОСТ 20907-75
Режим прессования фанеры без базальтовой ткани:
- количество слоев шпона - 7;
- размеры образцов: 300х300 мм;
- нанесения клея вручную;
- расход клея - 160 г/см2;
- температура плит - 125±3 °С;
- давление 2 ± 0,05 МПа;
- продолжительность выдержки в прессе - 7 мин.
Режим прессования фанеры с базальтовой тканью:
- расположение слоев ткани относительно шпона - под верхним и над нижним слоями шпона;
- смола для склеивания базальтовой ткани - эпоксидная (препрег);
- смола для склеивания шпона -
152
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
СФЖ-3013;
- нанесения клея - вручную;
- расход клея - 180 г/см2;
- температура 125±3 °С;
- давление 2 ± 0,05 МПа;
- продолжительность выдержки в прессе - 10 мин.
Обсуждение результатов.
Было проведено 18 опытных запрессовок шпона с получением семислойной фанеры средней толщиной 9,4 мм и проведены ее испытания на предел прочности при скалывании по клеевому слою по
ГОСТ 9624-93.
Условия эксперимента и результаты испытаний приведены в табл.
Как видно из таблицы, можно получить предел прочности до 5 МПа за счет применения базальтовой ткани. Наилучшие результаты для фанеры без ткани получаются при содержании НКЦ 2 % с обработкой ультразвуком и ИМП.
На рисунке показана зависимость предела прочности при скалывании от содержания НКЦ в фанере.
Как видно из рисунка, с увеличением
Таблица
Результаты испытаний
Листа Состав клея: Смола/ отверд/вода Вид обработки клея Вид обработки фанеры Содержание НКЦ, сух. Предел прочности при склеивании по клеевому слою МПа
1 63/16/21 - - - 2,24
2 63/16/21 Ультразвук - 0,4 % 2,60
3 63/16/21 Ультразвук ИМП 0,4 % 2,75
4 126/32/42 Ультразвук - 0,8 % 3,00
5 126/32/42 Ультразвук ИМП 0,8 % 3,29
6 63/16/42 Ультразвук - 2,0 % 3,32
7 63/16/42 Ультразвук ИМП 2,0 % 3,20
8 63/16/42 Ультразвук - 2,0 % 2,71
9 63/16/42 Ультразвук ИМП 2,0 % 3,09
10 63/16/42 Ультразвук - 2,0 % 3,25
11 63/16/42 Ультразвук ИМП 2,0 % 3,79
12 63/16/42 Ультразвук - 2,0 % 3,00
13 63/16/42 Ультразвук ИМП 2,0 % 3,32
14 63/16/42 Ультразвук - 0,4 % 2,66
15 63/16/42 Ультразвук ИМП 0,4 % 3,29
16 СФЖ 3013 Ультразвук ИМП - 4,95
17 СФЖ 3013 Ультразвук - - Расклеивание
18 СФЖ 3013 Ультразвук ИМП - 3,43
Примечание: 1. В опытах 2.. .15 вода при изготовлении клея заменена 2 %-м водным гелем НКЦ. 2. Для опытов 6.13 на средние слои шпона наносился 2 %-й водный гель НКЦ, после чего высушивался при 40 °С в течение 20 мин в поле СВЧ. 3. В опытах 16.18 использовалась базальтовая ткань.
Лесотехнический журнал 1/2014
153
Деревопереработка. Химические технологии
Рисунок. Зависимость предела прочности при скалывании по клеевому слою а МПа от содержания обработанной УЗ НКЦ с %
в шпоне: 1 - без обработки ИМП;
2 - с обработкой ИМП
содержания НКЦ предел прочности линейно возрастает как для обработанной ИМП фанеры, так и для необработанной.
Полученные результаты имеют не только научный, но и прикладной интерес [11,12].
Выводы:
1. При активации НКЦ ультразвуком предел прочности по клеевому шву в сухом состоянии возрастает по сравнению с контрольным образцом на 16 %, а при добавочной обработке склеенной фанеры ИМП на 23 %. Общее среднее увеличение прочности при содеожании НКЦ до 2 % с последующей обработкой ультразвуком и ИМП составило 50 %.
2. Замена двух слоев шпона на базальтовую ткань (9 слоев) под внешними слоями фанеры дало увеличение предела прочности по клеву шву по сравнению с контрольным образцом 220 %.
3. Увеличение прочности при скалы-
вании следует ожидать при использовании гидрогеля нанофибриллярной целлюлозы, ионизированной в сильном магнитном поле.
Библиографический список
1. Обливин, А. Н. Нанотехнологии и наноматериалы в лесном комплексе [Текст] : монография / А. Н. Обливин. - М.
: МГУЛ, 2011. - 221 с.
2. Наноцеллюлоза и получение бумаги на ее основе [Текст] / О. П. Прошина, Г. Л. Олиференко, Ю. М. Евдокимов [и др.] // Лесной вестник МГУЛ. - 2012. - № 7 (90). - С. 112-114.
3. Применение наноцеллюлозы в процессах склеивания и модифицирования древесины [Текст] / В. А. Шамаев, Н. С. Никулина, С. А. Константинова [и др.] // Лесной вестник МГУЛ. - 2012. - № 8 (91).
- С. 107-110.
4. Ottner G. Dic Fottentwicrlunq der Mahlunq fur Kurzfaser und Altpapierstoffe [Text] / G. Ottner // Wochenblatt fur Papicr-fabrication. - 2007. - № 5. - pp. 200-204.
5. Шамаев, В. А. Модифицирование древесины [Текст] : монография / В. А. Шамаев, Н. С. Никулина, Н. И. Медведев.
- М.: «Флинта-Наука», 2013. - 445 с.
6. Kalsjn, H. AB Zorentzen & Wettre [Text] / H. Kalsjn / Box 4, SF - 164 93, Kista, Sweden. - P.118.
7. Гусев, А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии [Текст] : монография / А. И. Гусев. - М.: ФИЗМТЛИТ, 2005. - 416 с.
8. Биомасса древесины - возобновляемый источник новых природных наноматериалов [Текст] / В. А. Кондратюк,
154
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
М. Ю. Клинов, С. А. Константинова [и др.] // Лесной вестник МГУЛ. - 2012. - № 8 (91). - С.100-107.
9. Структурные исследования полисахаридов и нанокомпозиций на их основе [Текст] / С.А. Фазилова [и др.] // Химия растительного сырья. - 2010. - № 1. -
С. 13-19.
10. Целлюлоза, выделенная из водной
дисперсии «Whishers» методом сублимационной сушки: «структура и свойства»
[Текст] / А. Г. Захаров [и др.] // Химия растительного сырья. - 2010. - № 4. - С. 31-36.
11. Патент на изобретение 2476311 РФ МПК В27К 3/50. Способ получения
модифицированной древесины [Текст] /
В. А. Шамаев, Н. С. Никулина, И. Н. Медведев, М. В. Губанова, И. В. Воскобойников ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». - №
2011138351/13 ; завл. 19.09.2011 ; опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6. - 4 с.
12. Патент на изобретение 2454444 РФ МПК ^9j 5/00. Способ склеивания модифицированной древесины [Текст] / М. Н. Левин, В. А. Шамаев, Н. С. Никулина, Ю. Н. Копейкин ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». - № 2011103269/05 ; завл. 01.02.2011 ; опубл. 27.06.2012, Бюл. №22. - 6 с.
Лесотехнический журнал 1/2014
155
