CC BY
27
Деревообрабатывающая промышленность
119
УДК 674.048.5
О. К. Леонович
Белорусский государственный технологический университет
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ФЕНОЛЬНОЙ СМОЛОЙ СО СНИЖЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВРЕМЕНИ ТЕРМООБРАБОТКИ
Работа посвящена усовершенствованию технологии и состава для модифицирования древесины, в частности, состава, содержащего отход производства фенола кумольным методом и гек-саметилентетрамин.
Недостатком данного состава является длительность его приготовления из-за медленного и ограниченного растворения гексаметилентетрамина в фенольной смоле - отходах производства фенола кумольным методом, образование твердого комплекса гексаметилентетра-мина с компонентами отходов, который плавится при температуре 35-40°С, что требует подогрева состава перед пропиткой, высокая температура отверждения состава, относительно высокая длительность процесса и низкие предел прочности при статическом изгибе и ударная вязкость.
Для повышения качества модифицированной древесины и снижения температуры и времени термообработки предложено в состав для модифицирования древесины содержащий фенольную смолу - отход производства фенола кумольным методом и гексаметилентетрамин, ввести дополнительно уксусную кислоту.
Оптимальное содержание компонентов в составе определялось по результатам исследований по Р-плану.
Установлено, что присутствие в составе дополнительно 5-7% уксусной кислоты снижает температуру термообработки пропитанной древесины до 120°С вместо 135-138°С и приводит к получению модифицированной древесины с повышенным пределом прочности при статическом изгибе и повышенной ударной вязкости.
Ключевые слова: модифицирование, древесина, фенол, гексаметилентетрамин, кислота, термообработка.
O. K. Leonovich
Belarusian State Technological University
WOOD MODIFICATION BY PHENOLIC RESIN WITH REDUCTION OF TEMPERATURE AND HEAT TREATMENT TIME
The work is dedicated to the improvement of technology and mixture to modify wood, in particular mixture containing waste product of phenol modify production by cumene method and hex-amethylenetetramine. The disadvantage of this mixture is duration of its preparation because of the slow and limited dissolution of hexamethylenetetramine in the phenolic resin-waste production of phenol by cumene method, formation of the solid complex of hexamethylenetetramine with components of waste, which melts at temperature of 35-40°C, which requires mixture heating before impregnation, high temperature of curing, relatively high process duration and low tensile strength at static bending and impact toughness.
To improve the quality of the modified wood and to lower the temperature and time of heat treatment, it is suggested to introduce additional acetic acid in the composition to modify the timber containing phenolic resin-waste product of phenol to cumene method and hexamethylenetetramine.
The optimum components content in the composition was determined by the results research according to р-plan. It is found that the presence of 5-7% of acetic acid in the mixture reduces the temperature of heat treatment of the impregnated wood to 120°C instead of 135-138°C and results in the modified wood with high tensile strength at static bending and increased impact toughness.
Key words: modifying wood, phenol, hexamethylenetetramine, acid, heat treatment.
Введение. Модифицирование древесины позволяет значительно увеличить ее прочность, расширить область применения, особенно при эксплуатации древесины при высокой влажности и при контакте с землей. Древесина, моди-
фицированная фенольной смолой с гексамети-лентетрамином, может быть использована для производства деревянных опор линий связи и электропередачи и для других наружных конструкций [1].
120_ISSN 1683-0377. Трулы БГТУ. 2015. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность
Основная часть. В статье проанализированы возможные варианты усовершенствования технологии модифицирования древесины отходами нефтехимического производства. В частности, исследована возможность усовершенствования защитного средства, содержащего отход производства фенола кумоль-ным методом и гексаметилентетрамин, при следующем соотношении компонентов, масс. %: фенольная смола - 93,5-94,5; гексаметилен-тетрамин - 5,5-6,5 [1].
Недостатком данного состава является длительность его приготовления из-за медленного и ограниченного растворения гекса-метилентетрамина в фенольной смоле, образование твердого комплекса гексаметилен-тетрамина с компонентами отходов, который плавится при температуре 35-40°С, что требует подогрева состава перед пропиткой, высокая температура отверждения состава, относительно высокая длительность процесса и низкие предел прочности при статическом изгибе и ударная вязкость.
Цель работы - повышение качества модифицированной древесины за счет увеличения предела прочности при статическом изгибе и ударной вязкости, снижение температуры и времени термообработки.
Поставленная цель достигается тем, что в состав для модифицирования древесины кроме фенольной смолы - отхода производства фенола кумольным методом и гексаметилен-тетрамина - добавлена уксусная кислота.
Для приготовления предлагаемого модифицирующего состава компоненты смешиваются в любой последовательности. Для полного растворения гексаметилентетрамина смесь перемешивают 0,5 часа при 40 С или 1,5 часа при 20-22° С.
Результаты исследований представлены в таблице и пояснены примерами 1-5, рис.1-2.
Пример 1. Образцы древесины березы и сосны (по 10 штук) размером 10 х 10 х 150 мм пропитывали составом, содержащим 92,5% фенольной смолы, 5% гексаметилентетра-мина, 2,5% уксусной кислоты, способом вакуум-давление. Вакуум 0,085 МПа в течение 20 минут. Давление 1 МПа в течение 1 часа. Образцы подвергали термообработке в течение 1 часа при 90 ° С и 3 часа при 135°С. Получена древесина березы, имеющая предел прочности при статическом изгибе 168 МПа, ударную вязкость 5 х 10-4 Дж/м2, и древесина сосны, имеющая предел прочности при статическом изгибе 142,6 МПа, ударную вязкость 3,3 х 10"4 Дж/м2.
Примеры 2-8. Пропитку и термообработку древесины проводили при тех же условиях, что и в примере 1, но при других соотношениях компонентов в пропитывающем составе. В таблице представлены значения предела прочности при статическом изгибе и ударной вязкости в зависимости от пропитывающего состава, температуры и времени термообработки для березы и сосны. На рис. 1, 2 отражены изменения прочности модифицированной древесины при статическом изгибе в зависимости от изменения содержания уксусной кислоты, температуры и продолжительности отверждения.
Рис. 1. Температура отверждения образцов березы, пропитанных составом, содержащим 7% уксусной кислоты, при различной продолжительности отверждения (пример 4 )
Рис. 2. Температура отверждения образцов березы, пропитанных составом, содержащим 5% уксусной кислоты, при различной продолжительности отверждения (пример 3)
Сопоставительный анализ физико-механических показателей древесины березы и сосны, модифицированной известным и заявляемым составами
Физико-механический показатель Единица измерения Температура термообработки, °С Физико-механические показатели древесины, модифицированной известным и заявляемым составами
Составы, мае. %
Пример 1 (прототип) Пример 2 Пример 3
Фенольная смола 93,5 Фенольная смола 92,5 Фенольная смола 89,0
Гексаметилентетрамин 6,5 Гексаметилентетрамин 5,0 Гексаметилентетрамин 6,0
Уксусная кислота 2,5 Уксусная кислота 5,0
Время термообработки, ч
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Береза. Статический изгиб МПа 90 139 141 145 147 146 150 149 168,3 192 185 172 181 191 190 186
110 141 145 158 140 150 165 158 165 170 168 170 176 190 192 185
120 140 155 160 155 150 168 165 171 164 160 168 182 200 197 195
130 152 161 170 164 160 170 161 169,7 169 170 165 165,7 188 199 191
135 151 160 172 171,1 168 169 170 168 175 165 170 175 189 200 196
Береза. Ударная вязкость Дж/м2 х 10"1 90 3,9 3,28 6,23 4,79 4,5 4,0 4,5 4,13 4,91 4,5 6,1 7,62 7,66 4,65 4,2
110 4,0 5,0 6,0 5,0 4,82 4,2 6,0 5,0 6,2 5,5 6,5 7,0 7,0 5,0 5Д
120 3,9 4,0 5,0 5,6 4,51 4,5 5,7 6,0 5,91 5,85 6,2 6,7 6,5 6,6 6,6
130 3,8 2,08 5,0 5,5 4,9 4,8 5,0 5,85 5,9 5,9 6,1 6,65 6,52 6,5 6,4
135 5,0 4,0 5,2 5,5 4,85 5,2 4,9 5,0 5,7 5,7 6,0 6,59 6,6 6,3 6,0
Сосна. Статический изгиб МПа 90 115 114,7 130,3 131,9 131 138 149,6 140 135,5 134 130 129 145,6 140 137
110 116 122 120 121 121 128 145 130,1 138 137 131 138 145,7 144 135
120 126 125 115,5 115,5 114 130 140 139 139 135 128 139 144,5 143 136
130 128 141,7 145 141,1 140 131 135 138,9 139 136 131 129,5 145 142 135
135 135 130 148,6 142 140 132 137 141 140 137 129 131 145,1 145 138
Сосна. Ударная вязкость Дж/м2 х 10"1 90 3,3 3,33 4,0 3,68 3,5 4,1 4,12 4,28 3,66 3,5 4,3 4,47 3,86 4,5 4,4
110 3,5 3,8 4,0 3,5 3,3 3,9 4,0 4,1 4,0 3,5 4,2 4,3 3,9 3,85 3,8
120 3,2 4,1 4,0 3,15 3,0 3,8 4,1 4,2 4,0 3,9 4,1 4,2 4,2 4,0 3,9
130 3,1 4,18 4,26 3,2 3,0 3,5 3,6 3,65 3,6 3,0 4,0 4,13 4,1 4,1 4,0
135 3,0 4,0 4,1 3,1 3,0 3,4 3,3 3,35 3,4 3,0 3,8 3,3 3,9 4,0 3,9
Продолжение таблицы
Физико-механический показатель Единица измерения Температура термообработки, °С Физико-механические показатели древесины, модифицированной известным и заявляемым составами
Составы, мае. %
Пример 4 Пример 5
Фенольная смола 88,0 Фенольная смола 87,0
Гексаметилентетрамин 5,0 Гексаметилентетрамин 5,0
Уксусная кислота 7,0 Уксусная кислота 9,0
Время термообработки, ч
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Береза. Статический изгиб МПа 90 170 181 185 180 178 170 147,2 127,2 144 148
110 168 187 190 185 185 170 169 168 170 171
120 175 186 196 198 193 168 178 194 190 190
130 176 186 195 200 196 176 198 201 205 200
135 175 185 197 201,5 190 177 199 200 203 200
Береза. Ударная вязкость Дж/м2 х 1(Г4 90 5,9 6,1 6,0 6,0 5,5 5,0 5,42 3,0 3,92 3,8
110 5,8 6,8 6,4 6,4 6,0 6,5 7,0 6,4 4,5 4,61
120 6,0 7,0 6,1 6,1 5,9 5,9 7,1 6,2 5,0 5Д
130 5,8 6,7 5,95 5,9 5,6 6,3 8,46 6,5 5,8 5,75
135 5,75 5,9 5,85 5,8 5,5 6,1 7,9 6,4 5,8 5,61
Сосна. Статический изгиб МПа 90 118 128 137 136 130 130 135 120,8 127,1 126
110 120 131 138 138 132 125 137 125 124 125
120 128 135 140 139 135 128 139 138,4 137 139
130 126 130 136 135 130 132 136,4 139 132 132
135 125 135 137 138 131 134 137 140 136 136
Сосна. Ударная вязкость Дж/м2 х 1(Г4 90 4,1 4,3 4,2 4,0 3,81 3,91 3,91 4,11 3,72 3,7
110 3,9 4,3 4,2 4,0 3,85 3,85 3,9 4,2 4,1 4,15
120 3,9 4,0 4,1 4,2 3,9 4,41 4,5 4,6 4,5 4,45
130 4,0 4,23 4,2 4,0 3,9 4,7 4,7 4,5 4,2 4,21
135 3,8 3,9 3,85 3,7 3,5 4,6 4,6 4,4 4,0 4,0
Деревообрабатывающая промышленность
123
Из приведенных в таблице данных видно, что:
1) предел прочности при статическом изгибе для березы и сосны при выбранном режиме термообработки практически не зависит от времени термообработки и температуры. Наблюдается лишь слабая тенденция к уменьшению предела прочности при статическом изгибе с увеличением температуры, что связано, по-видимому, с частичным разложением древесины при термообработке (опыты 1, 2, 4, 5). Аналогичная картина наблюдается и для ударной вязкости;
2) предел прочности при статическом изгибе и ударная вязкость зависят в значительной степени от содержания в пропитывающем составе уксусной кислоты: оба показателя увеличиваются с увеличением содержания в растворе уксусной кислоты с 2,5 до 9,0%. При добавлении 2,5% уксусной кислоты предел прочности модифицированной древесины сосны при статическом изгибе возрастает на 9,7%, а модифицированной древесины березы остается на том же уровне. Ударная вязкость для березы и сосны остается на уровне прототипа (сравните примеры 1, 2 и 8). При содержании уксусной кислоты 5% предел прочности при статическом изгибе возрастает для березы на 16-17% и на 612% для сосны. Ударная вязкость также возрастает для березы на 9-10%, для сосны на 3033% в сравнении с прототипом;
3) примеры 1, 2 являются запредельными, так как увеличение предела прочности при статическом изгибе для березы такое же, как у прототипа, хотя для сосны наблюдается увеличение на 9,7%. Ударная вязкость как для березы, так и для сосны остается в этих примерах на уровне прототипа;
4) пример 6 также является запредельным, так как увеличение концентрации уксусной кислоты в составе с 7 до 9% практически не оказывает влияния на предел прочности при статическом изгибе и ударную вязкость как березы, так и сосны;
5) наличие в составе уксусной кислоты позволяет снизить температуру термообработки древесины с 135 °С (прототип) до 120° С (предлагаемый состав) для получения оптимальных физико-механических показателей модифицированной древесины;
6) следует также отметить, что присутствие в составе уксусной кислоты в количестве 5-7% приводит к сокращению времени растворения гексаметилентетрамина в 2 раза: 1,5 ч - для предлагаемого состава и 3 ч - для прототипа. Образовавшийся раствор более стабилен, в присутствии уксусной кислоты не выпадает осадок и нет необходимости подогревать раствор перед пропиткой для растворения осадка.
Оптимальным является состав при следующем соотношении компонентов, масс. %: фе-нольная смола - 87-90; гексаметилентетрамин -5-6; уксусная кислота - 5-7. Отличительной особенностью состава является присутствие уксусной кислоты, которая способствует более быстрому растворению в фенольной смоле гек-саметилентетрамина, снижает температуру термообработки пропитанной древесины до 120°С вместо 135-138°С и приводит к получению модифицированной древесины с повышенным пределом прочности при статическом изгибе и повышенной ударной вязкости, т. е. совместное действие фенольной смолы, гекса-метилентетрамина и уксусной кислоты позволяет получить указанный положительный эффект. Использование уксусной кислоты для сокращения времени и температуры термообработки или повышения предела прочности при статическом изгибе и ударной вязкости неизвестно.
Заключение. Установлены с помощью в математического плана оптимальное количество уксусной кислоты - 5-7% к составу, содержащему фенольную смолу и гексаметилентет-рамин, которое способствует более быстрому растворению в фенольной смоле гексаметилен-тетрамина, снижает температуру термообработки пропитанной древесины от 138 С до 120°С. Модифицированная таким образом древесина имеет повышенный предел прочности при статическом изгибе и повышенную ударную вязкость.
Установлена возможность использования уксусной кислоты для сокращения времени и температуры термообработки фенольных соединений, а также повышения физико-механических свойств модифицированной древесины.
Литература
1. Леонович О. К. Технология производства модифицированной древесины для опор линий связи и электропередачи: Дисс. канд. техн. наук. Минск, 1988. 351 с.
References
1. Leonovich O. K. Tehnologiya proizvodstva modifitsirovannoy drevesiny dlya opor liniy svyazi i elektroperedachi: Diss. kand. tehn. nauk [Technology of production of modified wood for poles and power lines. Cand. of leg. sci.]. Minsk, 1988. 351 p.
124_ISSN 1683-0377. Труды БГТУ. 2015. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность
Информация об авторе
Леонович Олег Константинович - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии деревообрабатывающих производств, заведующий научно-исследовательской лабораторией огнезащиты строительных конструкций и материалов. Белорусский государственный технологический университет (22006, Минск, ул. Свердлова 13a, Республика Беларусь. E-mail: [email protected]
Information about the author
Leonovich Oleg Konstantinovich, Ph. D. Engineering, associate professor, Department of technology of wood working production, head of research accredited laboratory of bilding designs and materials. Belaru-sian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: [email protected]
Поступила 20.02.2015
