Получение пленкообразующих материалов из суберина коры березы повислой Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 547.474:630.892.4

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНКООБРАЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ СУБЕРИНА КОРЫ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ

© И.Г. Судакова, Б.Н. Кузнецов , И.П. Иванов, Н.М. Иванченко

Институт химии и химической технологии CO РАН,

ул. К. Маркса, 42, Красноярск 660049 (Россия) e-mail: [email protected]

Изучено влияние температуры и продолжительности нагрева суберина, выделенного из бересты березы повислой (Betula pendula Roth.), на некоторые пленкообразующие свойства материалов, получаемых на его основе. Осуществлен подбор оптимальных условий процесса термической поликонденсации суберина, обеспечивающих получение при его растворении в стироле и скипидаре пленкообразующих материалов с характеристиками, близкими к товарному лаку ПФ-060.

Введение

Лакокрасочный материал представляет собой композицию, которая после нанесения на поверхность окрашиваемого изделия формирует в результате сложных физических и химических превращений сплошное полимерное покрытие с определенными свойствами (защитными, декоративными, специальными). Основным компонентом любого лакокрасочного материала, определяющим свойства получаемого покрытия, является пленкообразующее вещество [1-2].

К природным пленкообразующим веществам относятся растительные масла, подвергнутые специальной обработке, смолы естественного происхождения, битумы и асфальты, белковые вещества, специально обработанная целлюлоза. Группа синтетических пленкообразующих веществ, используемых в производстве лакокрасочных материалов, гораздо шире и разнообразнее. Она представлена алкидными, эпоксидными, фенолформальдегидными и другими смолами [2].

В связи с естественными процессами постепенного истощения запасов ископаемого органического сырья возрастает интерес к расширению использования возобновляемых источников сырья в производстве полимеров, лакокрасочных и клеевых композиций. Наиболее развитые направления практического применения возобновляемой растительной биомассы для получения такого рода продукции связаны с химической технологией целлюлозы, канифоли, растительных масел. В настоящее время ведутся исследования по поиску рациональных методов утилизации побочных продуктов химической переработки древесного сырья. В частности, изучаются возможности создания полимерных покрытий с использованием отходов лигнина и суберина.

Суберин является природным полиэфиром, содержание которого в бересте достигает 20,43% масс. [3]. В разрабатываемых технологиях получения из бересты биологически активного тритерпеноида - бетулина суберин является сопутствующим продуктом, для которого необходимо найти наиболее рациональные пути использования.

В литературе имеются сведения о возможности использования продуктов термической конденсации суберина в составе лакокрасочных композиций, свойства которых определяются степенью конденсации суберина [4].

Целью настоящей работы являлось изучение влияния условий термической конденсации суберина на некоторые пленкообразующие свойства получаемых смол.

* Автор, с которым следует вести переписку.

Экспериментальная часть

Для исследования возможности получения пленкообразующих лаковых смол были использованы образцы суберина, полученные водно-щелочной и спирто-щелочной экстракцией бересты березы повислой (Betula pendula Roth.) (Красноярский край, Манский район) по методике, разработанной в Институте химии и химической технологии СО РАН [5-6].

Физико-химические показатели образцов исходного суберина представлены в таблице 1. Полученные образцы суберина имеют одинаковый внешний вид (воскообразное аморфное вещество светлокоричневого цвета) и близкие физико-химические показатели (табл. 1). Поэтому в дальнейшей работе использовали смесь образцов суберина, которую тщательно усредняли механическим перемешиванием.

Поликонденсацию суберина проводили во вращающемся стеклянном реакторе объемом 500 мл при температурах 110-160 °С. Контроль и поддержание заданной температуры осуществляли с помощью хромель-алюмелевой термопары.

Степень конденсации суберина оценивали по условной вязкости и растворимости в скипидаре и стироле [4]. Образцы выдерживали в изотермических условиях в течение 15 мин, затем охлаждали до температуры 20 °С, растворяли в стироле и скипидаре. Условную вязкость растворов суберина определяли с помощью вискозиметра ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм. Растворимость суберина оценивали по степени пропускания света через 10 мм кювету на спектрофотометре марки «Spekol-4» [7].

В полученных поликонденсированных образцах суберина определяли кислотное число по стандартной методике [8], условную вязкость по ГОСТу 9070-75, эластичность пленки при изгибе, стойкость покрытия к статическому воздействию воды при температуре 18-22 °С и время высыхания до степени 3 при температуре 20 °С по ГОСТу 28196-89.

Пригодность использования полученных полимерных смол в качестве пленкообразующих лаков оценивали сравнением полученных результатов с показателями качества товарного лака, содержащего до 35% модифицированного растительного масла, ПФ ТУ 6-10-612-76.

Результаты и обсуждение

Основными показателями пригодности поликонденсированных смол из суберина являются вязкость и растворимость. Поэтому контроль качества полученных образцов пленкообразующих лаков оценивали по изменению этих параметров.

Результаты изучения влияния температуры предварительной обработки суберина, влияющей на степень его поликонденсации, приведены на рисунках 1 и 2.

Как следует из рисунка 1, условная вязкость растворов суберина в стироле и скипидаре изменяется аналогичным образом с ростом температуры его предобработки. При повышении температуры процесса со 110 до 150 °С условная вязкость растворов поликонденсированного суберина возрастает с 45 и 38 до 113 и 98 с для скипидара и стирола соответственно.

Образец поликонденсированного суберина, полученный обработкой при 160 °С, не растворяется ни в скипидаре, ни в стироле.

Из представленных на рисунке 2 данных следует, что прозрачность растворов суберина, поликонденсированного при 110-130 °С, уменьшается незначительно. При дальнейшем повышении температуры обработки суберина происходит резкое уменьшение его растворимости, что приводит к образованию коллоидного раствора. Степень пропускания его растворов значительно уменьшается и составляет 30% для стирола и 42% для скипидара. По-видимому, при повышении температуры термической обработке суберина до 130 °С образуются линейные полимеры, а дальнейший рост температуры способствует образованию пространственного эластомера, нерастворимого в органических растворителях.

Таблица 1. Физико-химические показатели суберина

Наименование образцов Температура плавления, °С Кислотное число, мг КОН/1 г Йодное число, г I2/100 г

Суберин, полученный водно- 59-72 138 27

щелочной экстракцией

Суберин, полученный спирто- 54-73 141 24

щелочной экстракцией

Дальнейшие исследования процесса получения пленкообразующих лаков из суберина проводили, варьируя продолжительность обработки суберина при температуре 130 “С от 5 до 25 мин. Полученные данные по влиянию времени выдержки на условную вязкость и прозрачность растворов поликонденсированных образцов суберина представлены на рисунках 3 и 4.

Как следует из рисунка 3, наиболее высокие значения вязкости получены для растворов образцов поликонденсированного суберина, обработанного в течение 25 мин при температуре 130 “С (равны 103 с и 112 с, соответственно для стирола и скипидара).

Из приведенных на рисунке 4 данных можно сделать вывод о том, что для получения поликонденсированного суберина с приемлемой прозрачностью его органических растворов необходимое время его термообработки при 130 “С должно составлять 15-20 мин. Дальнейшее увеличение продолжительности нагрева приводит к резкому снижению растворимости поликонденсированных образцов суберина, что отражается в снижении степени пропускания до 32 и 45% для его растворов в стироле и скипидаре соответственно.

Таким образом, оптимальными условиями для получения пленкообразующих смол из суберина являются: температура 125-135 “С и продолжительность выдержки при заданной температуре 15-20 мин. Влажность исходного суберина при этом не должна быть менее 10%, рН ~ 6,0-7,0 [5].

Основными факторами, определяющими качество пленкообразующих лаков, являются их кислотное число, эластичность пленки при изгибе и стойкость покрытия к воздействию воды.

При проведении процесса поликонденсации суберина в подобранных оптимальных условиях были получены образцы, показатели качества которых представлены в таблице 2. Для сравнения здесь же приведены основные показатели качества товарного лака ПФ-060 (ТУ 6-10-612-76).

Температура, С

Температура, С

Рис. 1. Зависимость условной вязкости раствора поликонденсированного суберина (20,5% масс.) в стироле (1) и скипидаре (2) от температуры его предобработки

Рис. 2. Зависимость степени пропускания растворов поликонденсированного суберина (20,5% масс.) в стироле (1) и скипидаре (2) от температуры его предобработки

н

е

G

е

Н

О

Время выдержки, мин

Время выдержки, мин

Рис. 3. Зависимость условной вязкости растворов поликонденсированного суберина (20,5% масс.) в стироле (1) и скипидаре (2) от продолжительности его обработки при 130 “С

Рис. 4. Зависимость степени пропускания растворов поликонденсированного суберина (20,5% масс.) в стироле (1) и скипидаре (2) от продолжительности его обработки при 130 “С

Таблица 2. Основные показатели качества пленкообразующих материалов

Наименование показателей Раствор поликонденсированного суберина в скипидаре Раствор поликонденсированного суберина в стироле Лак ПФ-060 (ТУ 6-10-612-76)

Внешний вид Светло-коричневый, Светло -коричневый Прозрачный

слегка опалесцирующий прозрачный

Условная вязкость, с 70-80 60-70 60-90

Кислотное число лака, 42 35 20

мг КОН/ г

Эластичность пленки при 1,0 0,9 1,0

изгибе, мм

Время высыхания до 46 24 24

степени 3 при 20 °С, ч

Стойкость покрытия к выдерживает выдерживает выдерживает

статическому

воздействию воды при

18-22°С, 48ч

Как следует из полученных данных, основные характеристики пленкообразующей композиции на основе растворенного в стироле поликонденсированного лигнина близки к характеристикам товарного лака ПФ-060 (ТУ 6-10-612-76). Раствор поликонденсированного лигнина в скипидаре имеет более высокую продолжительность высыхания и кислотное число, чем лак ПФ-060 и его раствор в стироле.

Выводы

Исследована возможность получения пленкообразующих смол термической поликонденсацией суберина, выделенного щелочной экстракцией бересты. Получены сведения о влиянии температуры и продолжительности нагрева суберина на некоторые пленкообразующие свойства на основе его материалов.

Осуществлен подбор условий процесса поликонденсации суберина, обеспечивающих приемлемые значения вязкости и прозрачности его растворов в стироле и скипидаре. Установлено, что оптимальными режимными параметрами процесса получения поликонденсированного суберина, способного к

формированию пленкообразующих материалов с требуемой вязкостью и прозрачностью, являются:

температура 125-135 °С, продолжительность выдержки при заданной температуре 15-20 мин, влажность исходного суберина не менее 10% и рН ~ 6,0-7,0.

При проведении процесса поликонденсации суберина в указанных условиях и последующего растворения поликонденсированного суберина в стироле и скипидаре были получены пленкообразующие материалы с технологическими характеристиками, близкими к характеристикам товарного лака ПФ-060 (ТУ 6-10-612-76).

Список литературы

1. Яковлев А. Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий. Л., 1989. 384 с.

2. Кондратьев В.П., Доронин Ю.Г. Водостойкие клеи в деревообработке. М., 1988. 216 с.

3. А.с. №382657 СССР. Способ выделения бетулина и суберина / Федорищев Т.И., Калайков В.Г. // БИ. 1973. №23. С. 66.

4. Жученко А.Г., Черкасова А.И. Обоснование направления исследований по утилизации березовой коры // Сборник трудов СвердНИИПДрев. М., 1969. Вып. 4.

5. Кузнецов Б.Н., Левданский В.А., Еськин А.П., Полежаева Н.И. Выделение бетулина и суберина из коры березы, активированной в условиях взрывного автогидролиза // Химия растительного сырья. 1998. № 1. С. 5-9.

6. Патент №2119503 РФ. Способ получения бетулина из коры березы / Левданский В.А., Еськин А.П., Полежаева Н.И., Кузнецов Б.Н. // БИ. 1999. №1.

7. Методические разработки к практикуму по коллоидной химии. 6-е изд. Под ред. А.В. Перцова. М., 1999.

8. Бычков Ф.А., Смит В.А. Органический синтез. М., 1987. 520 с.

Поступило в редакцию 5 марта 2004 г.