CC BY
4 А. А. Леонович,
доктор технических наук, профессор А. С. Бутузов, ведущий инженер
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРАФИНОВОЙ ЭМУЛЬСИИ ERGOWAX 60 ДЛЯ ГИДРОФОБИЗАЦИИ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ
Под гидрофобизацией древесностружечных плит (ДСП) понимаются мероприятия, обеспечивающие снижение сродства их с водой. Они сводятся либо к блокировке полярных групп древесного комплекса за счет химических реакций с модифицирующими соединениями, либо к изменению смачиваемости поверхностей древесных частиц специальными веществами. Их называют гидрофобизаторами, а достигаемую водостойкость ДСП - временной.
Взаимодействие ДСП с водой может сопровождаться поглощением воды из жидкой фазы или из паровой фазы. Механизмы принципиально различаются. В стандарте на ДСП [1] используется показатель разбухания по толщине за 2 или 24 ч нахождения образцов в воде. Отметим, что для других древесноплитных и целлюлозных материалов используется термин набухание [2].
В настоящей статье рассматривается формостабильность ДСП при длительном нахождении образцов в воде. ДСП изготовлены при использовании в качестве гидрофобизатора тонкодисперсную парафиновую эмульсию (ПЭ). Особенность ДСП заключается в том, что микроскопические частицы парафина должны ухудшать смачиваемость древесных частиц водой, но при этом должна оставаться доля их поверхности, достаточная для установления адгезии с применяемым полярным связующем.
Методическая часть
Для изготовления образцов ДСП использовали стружку древесины березы (ООО «Завод Невский ламинат»). Парафиновая эмульсия марки ERGOWAX 60 (ПЭ) поставлена изготовителем ООО «Эрготек»; она имела следующие параметры: концентрация 60 %; рН 9; размер частиц d приведен на рис. 1, d^ = 0,9 мкм; вязкость по ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм 29,2 с.
{ SHAPE \* MERGEFORMAT }
Рис. 1. Распределение доли частиц парафиновой эмульсии (Эі) по их эффективному диаметру
Стружку обрабатывали ПЭ с расходом 0,2; 0,6; 1,0 % а. с. массы стружки путем пневматического распыления. Затем наносили карбамидо-формальдегидное связующее (КФС) на основе смолы марки КФ-МТ-15 [3], содержания сухого остатка 70 %. В качестве отвердителя использовали NH4Cl (1 %). Связующее разбавляли водой до рабочей концентрации 55 %, а расход связующего составлял 10 и 14 % массы стружки, в расчете на сухие вещества. ДСП толщиной 16 мм прессовали при температуре 190 °С по режиму 0,6 мин/мм.
Образцы ДСП испытывали по ГОСТ 10634-88. По физико-механическим показателям они соответствуют ДСП марки П-А. Водопоглощение и разбухание определяли при нахождении образцов в воде продолжительностью до 12 суток с последующей сушкой в комнатных условиях (Т = = 20 ± 2 оС; φ = 60 ± 3 %) до равновесного состояния.
Поверхностное натяжение и работу адгезии связующего определяли в присутствии ПЭ, для чего ПЭ наносили из расчета 0,04 г на 100 см2 внешней поверхности стружки (расчет выполнен относительно фракции, прошедшей через сито с диаметром отверстий 5 мм и оставшейся в сите - 3 мм, которую обозначают 5/3; она составляет большую часть в массе древесных частиц). Краевой угол смачивания древесины связующим Θ определяли с помощью стереоскопического микроскопа МБС-2 на капле объемом 0,03 см3. Работу адгезии W^. (Дж/м2) рассчитывали по формуле
Ww = Ожг (1 + cos Θ),
где ожг - поверхностное натяжение капли на границе жидкость-газ, Н/м.
Формостабильность определяли как отношение показателей водопоглощения и набухания с нахождением коэффициента корреляции.
Результаты и обсуждения
Процесс длительного водопоглощения и разбухания ДСП показан на рис. 2. Кинетика водопоглощения в начальной стадии определяется физико-химическими закономерностями и, в частности, тем, что ПЭ ухудшает смачивание. Эффект гидрофобизации оценивали отношением соответствующих показателей контрольных образцов (с индексом к) к показателю
гидрофобизированных образцов (с индексом э). В табл. 1 приведено относительное изменение достигаемого эффекта Wk/W31 и AS^AS^, где Wk и ASk - показатели водопоглощения и набухания для контрольного образца, а W31 и AS31 - показатели для образца с /'-содержанием ПЭ. Как на рисунке, так и по данным таблицы видно, что в присутствии ПЭ существенно снижается стандартное водопоглощение и соответственно уменьшает разбухание. Однако если при увеличении расхода ПЭ от 0,2 до 0,6 % а. с. стружки гидрофобность удваивается, то при последующем увеличении на такую же величину эффект был менее выражен. Это указывает на границы расходного показателя, который целесообразно назначить 0,6 мас. % ПЭ на 100 а. с. стружки.
Рассматривая во времени изменение достигаемого эффекта гидрофо-бизации с использованием ПЭ можно видеть, что эффект более существенен в начале процесса, в последующем он затухает. Данные наглядно иллюстрируют понятие временная водостойкость: эффект гидрофобизации со временем вымачивания практически исчезает, а остаточные явления обусловлены частичным заполнением пространств в капиллярно-пористой структуре ДСП.
{ EMBED Word.Picture.8 } { EMBED Word.Picture.8 }{ SHAPE \* MERGEFORMAT }{ SHAPE \* MERGEFORMAT }
Рис. 2. Длительное водопоглощение (W) и разбухание (AS) образцов ДСП как функция содержания парафиновой эмульсии при расходе связующего 10 % (а) и расходе связующего 14 % (б): 1 - контроль; 2 - 0,2 %; 3 - 0,6 %; 4 - 1,0 %
Таблица 1
Эффект гидрофобизации
Время выма- Wk^0,2 ASк/ASэo,2 Wk/ Wэ0,6 ASк/ASэo,6 Wk^^ ASk/AS^
чивания, ч
при расходе связующего 10 %
2 3,08 4,44 5,37 8,64 5,29 10,03
6 1,65 2,12 2,99 5,77 3,27 6,22
24 1,23 1,30 1,80 2,25 1,85 2,50
120 1,08 1,22 1,16 1,25 1,16 1,35
288 1,10 1,20 1,14 1,22 1,13 1,29
при расходе связующего 14 %
2 2,82 4,00 1 3,16 1 5,13 4,51 7,69
6 1,72 2,36 2,20 3,65 2,97 6,85
24 1,26 1,40 1,48 1,89 1,86 2,85
120 1,04 1,16 1,08 1,31 1,17 1,35
288 1,06 1,11 1,05 1,24 1,10 1,23
Одновременно с изучением влияния ПЭ на водостойкость ДСП рассматривали и вклад карбамидоформальдегидного связующего (КФС). Два уровня расхода связующего назначили для моделирования внутреннего слоя (10 %) и наружных слоев (14 %). Полученные результаты имеют и самостоятельное значение как позволяющие раскрыть роль связующего в обеспечении гидрофобности ДСП (роль в обеспечении прочности очевидна).
В отношении взаимодействия КФС и ПЭ в условиях прессования ДСП необходимо рассмотреть влияние ПЭ на адгезию связующего к древесным частицам. В табл. 2 приведены результаты установления адгезионного взаимодействия КФС с древесиной, покрытой ПЭ с расходом, соответствующим расходу при гидрофобизации древесных частиц наиболее представительной фракции 5/3.
Таблица 2
Краевой угол смачивания связующего и работа адгезии в присутствии парафиновой эмульсии
Расход Площадь Угол Θ Угол Θ Работа адгезии Работа адгезии
парафиновой капли, вдоль поперек вдоль волокон, поперек волокон,
эмульсии, % мм2 волокон, 0 волокон,0 Дж/м2 Дж/м2
0,2 30,72 45,10 57,17 35,50 18,06
0,6 25,54 59,67 64,66 16,76 8,85
1,0 25,77 59,00 70,53 17,28 7,51
Контроль 40,84 26,77 43,07 56,42 28,72
ПЭ занимает определенную поверхность и распределение ее мозаично. Примем, что эта поверхность пропорциональна массе ПЭ, а мозаичность указывает на некоторую долю общей поверхности, которую она покрывает (отметим, что из-за отсутствия смачиваемости распределяться по поверхности древесины ПЭ не будет молекулярным слоем). Примем, что площадь, занимаемая КФС, также пропорциональна его массе. При допущении равной толщины слоя обоих компонентов отношение занимаемое ими поверхностей будет пропорционально отношению их расходных масс и составит 0,6 : (10...14). Следовательно, расчет по порядку величины указывает, что
площадь, занимаемая КФС, будет существенно перекрывать площадь, занимаемую ПЭ независимо от степени ее дисперсности.
Чем выше дисперсность, тем на большем числе микроучастков будет присутствовать ПЭ, создавая гидрофобизирующий эффект. Но по ограниченности массы ПЭ на поверхности древесных частиц останутся участки для прямого взаимодействия КФС с древесиной.
Изложенное предположение не имеет строгого расчета и нуждается в прямой экспериментальной проверке. С этой целью изготовили ДСП, результаты испытания которых приведены в табл. 3. Из испытаний следует, что предположение, на качественной основе объясняющее эффект, справедливо. Из него вытекает также, что увеличение до 1 % ПЭ замедляет рост эффекта как в отношении прочности, так и в отношении водостойкости. Из приведенных данных становится понятным, почему целесообразный расход ПЭ должен составлять величину около 0,6 мас. % а. с. стружки.
Таблица 3
Влияние парафиновой эмульсии на прочность ДСП приведенной плотности 750 кг/м3
Содержание парафиновой Расход связующего, %
эмульсии, % 10 14
Прочность при статическом изгибе, МПа
0,2 19,9 22.7
0,6 20,7 20.8
1,0 21,0 22,8
Контроль 16,1 21,1
Прочность при рас гяжении перпендикулярне пласти, МПа
0,2 0,31 0,38
0,6 0,31 0,37
1,0 0,32 0,39
Контроль 0,30 0,39
Относительно роли связующего в обеспечении водостойкости известно, что карбамидоформальдегидный полимер фиксирует структуру ДСП и ограничивает изменение размеров при водопоглощении в пределах, пока давление набухания [4] не оказывается больше прочности межчастичных связей. При нарушении этого условия равновесие устанавливается на новом уровне. Повышение расхода связующего с 10 до 14 % во всех вариантах содержания ПЭ повышает водостойкость ДСП. Дополнительная при-
чина состоит в некотором заполнении отвержденным (перешедшем в водонерастворимое состояние) карбамидоформальдегидным полимером капиллярно-пористой структуры ДСП и тем самым создании барьера для дальнейшего заполнения ее водой и проникновения в клеточную стенку. Разумеется, это явление носит неполный характер, поскольку объем полимера существенно меньше суммарного объема пор в ДСП, состоящего из объема пор древесных частиц и объема пустот, возникших между частицами при формировании ковра и не полностью исчезающих при горячем прессовании плиты [5].
Естественно, чем больше доля полимера в ДСП, тем выше явление блокирования пор и выше сопротивление давлению набухания, что проявляется в большей водостойкости готовой продукции. Формостабильность ДСП при вымачивании образцов можно оценить коэффициентом формостабильности Кф, представляющим количество воды, поглощаемое образцом, чтобы его размер по толщине увеличился на 1 %. Рассмотрим формостабильность в широком диапазоне разбухания на одном варианте образцов ДСП с 0,6 %-м содержанием ПЭ.
На начальной стадии испытания коэффициент формостабильности (рис. 3) оказывается большим, что указывает на то, что вода проникает преимущественно в пустоты и незначительно в клеточные стенки, в силу чего разбухание почти не происходит. Сравнение с контрольными образцами (не содержащими ПЭ), водопоглощение и разбухание которых даже на начальной стадии испытания симбатно, указывает на роль ПЭ, состоящую в том, что она препятствует проникновению воды в клеточную стенку и тем самым уменьшает движущую силу разбухания. За некоторым пределом хп эффект гидрофобизации теряется, и разбухание характеризуется постоянством коэффициентов.
{ SHAPE \* MERGEFORMAT }
Рис. 3. Изменение формостабильности Кф ДСП, изготовленных с различным связующим, от продолжительности выдержки образцов в воде (сплошная линия -содержание парафиновой эмульсии 0,6 % а. с. стружки, пунктирная - контроль):
1, 2 - расход связующего 14 %; 3, 4 - расход связующего 10 %
Таким образом, в присутствии ПЭ смачиваемость клеточных стенок и древесных частиц существенно ухудшается, что угнетает процесс проникновения в них воды и соответственно разбухания по толщине ДСП в целом. Однако эффект гидрофобизации проявляется в ограниченном отрезке времени испытания (порядка 25...50 ч), но некоторое последействие сохраня-
ется и далее на всем диапазоне испытания. Относительно КФС отметим, что трехмерная структура отвержденного полимера стабилизующе влияние на разбухание ДСП независимо от наличия ПЭ, придавая условно постоянную водостойкость. Условно потому, что на базе 300-часового испытания не фиксируется полного прекращения процессов водопоглощения. Вероятно, могут включаться иные процессы гидролитического характера, вызывающие некоторый (хотя и незначительный) рост толщины образцов.
В заключение следует упомянуть о том, что по условиям эксплуатации ДСП общего назначения столь длительное нахождение в воде исключается. Эффект гидрофобизации, достигаемый с использованием ПЭ, обеспечивает улучшение стандартной характеристики ДСП и имеет важное практическое значение.
Выводы
1. Раскрыто понятие временной водостойкости древесностружечных плит как явления снижающего смачиваемость в начальный период и исчезающего при длительном нахождении образцов в воде свыше 36 ч.
2. Показана эффективность парафиновой эмульсии марки ERGOWAX 60 как гидрофобизатора, обеспечивающего стандартное качество древесностружечных плит в отношении разбухания при низком содержании парафиновой эмульсии с оптимальным расходом 0,6 мас. % а. с. стружки.
3. Повышение доли карбамидоформальдегидного полимера в ДСП от 10 до 14 мас. % увеличивает их водостойкость, и этот эффект носит длительный характер. Для кратковременного сопротивления воздействию воды на ДСП более рационально использовать прием гидрофобизации тонкодисперной парафиновой эмульсией.
Библиографический список
1. ГОСТ 10632-89. Плиты древесностружечные. Технические условия [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1989.
2. Папков, С. П. Взаимодействие целлюлозы и целлюлозных материалов с водой [Текст] / С. П. Папков, Э. З. Файнберг. - М.: Химия, 1976. - 232 с.
3. ТУ 6-06-12-88. Смола карбамидоформальдегидная КФ-МТ-15. Технические условия [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1988.
4. Хрулев, В. М. Долговечность древесностружечных плит [Текст] / В. М. Хру-лев, К. Я. Мартынов. - М.: Лесн. пром-сть, 1977. - 168 с.
5. Леонович, А. А. Физико-химические основы образования древесных плит [Текст] / А. А. Леонович. - СПб.: Химиздат, 2003. - 192 с.
В статье раскрыто понятие временной водостойкости древесностружечных плит как явления снижающего смачиваемость в начальный период и исчезающего при длительном нахождении образцов в воде. Показана эффективность парафиновой эмульсии марки ERGOWAX 60 как гидрофобизатора, обеспечивающего стандартное качество древесностружечных плит в отношении разбухания при низком содержании парафиновой эмульсии с оптимальным расходом 0,6 мас. % абсолютно сухой стружки.
* * *
This article concept of time water resistance of wood particle board as the phenomena reducing wet ability on the initial stage and disappearing the samples are in water for a long time. The efficiency of paraffin emulsion marked ERGOWAX 60 as waterproofing, providing standard quality wood particle board concerning swelling is shown at the low maintenance paraffin emulsion at the optimum expense of 0,6 % of the weight of absolutely dry shavings.
Файл: леонович
Каталог: C:\Documents and Settings\User\MoH документы\выпуски\185\ворды-185
Шаблон: C:\Documents and Settings\user.LAUTNER\Application
Data\Microsoft\Шаблоны\NormaLdot Заголовок: Х
Содержание:
Автор: Лена
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 02.11.2010 11:16:00
Число сохранений: 2
Дата сохранения: 02.11.2010 11:16:00
Сохранил: user
Полное время правки: 1 мин.
Дата печати: 02.11.2010 12:07:00
При последней печати
страниц: 8
слов: 2 201 (прибл.)
знаков: 12 547 (прибл.)
