Связующее для изготовления древесных плит (варианты)

Настоящее изобретение относится к полимерным связующим, являющимся основой для изготовления древесных плит и фанеры. Техническая задача заключается в повышении прочности клеевого соединения, ускорении процесса отверждения, сокращении времени прессования древесных плит. Связующее для изготовления древесных плит и фанеры, включающее карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и воду, согласно первому варианту изобретения дополнительно содержит AlO(ОН), AlO(ОН)+Al₂O₃ аморфный и γ-Al₂O₃. Связующее для изготовления древесных плит и фанеры, включающее карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и воду, согласно второму варианту изобретения дополнительно содержит Al(ОН)₃. 2 н. п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к полимерным связующим, являющимся основой для изготовления древесных плит и фанеры.

Известно связующее, содержащее карбамидоформальдегидный олигомер, в которое для выравнивания различий в условиях отверждения связующего в слоях прессуемой плиты вводят раствор хлорида аммония. Для наружных слоев используют уменьшенное его количество, которое комбинируют с аммиачной водой или карбамидом. Действие хлорида аммония основано на его реакции с формальдегидом. Возможна реакция и с гидроксиметильными группами смолы. В результате образуется гексаметилентетрамин и кислота, катализирующая отверждение олигомеров, см. А.А.Леонович Физико-химические основы образования древесных плит. СПб., 2003, с.82-86 (копия ссылки прилагается).

Известно связующее, включающее карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и модифицирующее олигомер вещество, в частности, коллоидный полисиликат натрия, который способствует более полному отверждению, а также обеспечивает значительное снижение токсичности плит, см. А.А.Леонович и др. Влияние модуля коллоидного полисиликата натрия на свойства совмещенного с ним карбамидоформальдегидного полимера, материалы VI научно-практической конференции «Древесные плиты: теория и практика», СПб., 2003, с.81-84.

Известно также связующее для изготовления древесных плит и фанеры, включающее карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и кремнезоль, RU 2132272. Введение кремнезоля в композицию несколько увеличивает степень отверждения связующего и прочность склеивания древесины.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа для обоих вариантов настоящего изобретения.

Следует отметить, что прочность клеевого соединения и скорость протекания процесса отверждения при использовании прототипа все же недостаточны. Это объясняется тем, что используемый в прототипе полимерный кремнезем не имеет диспергированных частиц с удельной свободной энергией и энергетическая составляющая отсутствует. Изменения надмолекулярной структуры карбамидоформальдегидного полимера происходят за счет ориентационного эффекта кремнезема и выражены слабо. Кроме того, отсутствие четко развернутой структуры требует по прототипу продолжительного прессования, см. А.А.Леонович, Л.П.Коврижных, В.И.Корнеев, Г.А.Богоявленская. Силикатосодержащее связующее для ДСтП класса Е1 (Древесные плиты: теория и практика) под редакцией А.А. Леоновича: Второй науч.-практ.семинар, 17-18 марта 1999 г. - СПб., 1999, с.21-23.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения прочности клеевого соединения, ускорение процесса отверждения, сокращение времени прессования древесных плит.

Согласно первому варианту изобретения эта задача решается за счет того, что в связующем для изготовления древесных плит и фанеры, включающем карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и воду, дополнительно содержится AlO(ОН), AlO(ОН)+Al₂O₃ аморфный и γ-Al₂О₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбамидоформальдегидный олигомер	30-70
отвердитель	0,2-3
AlO(ОН)	0,6-15
AlO(ОН)+Al2O3 аморфный	0,6-10
γ-Al2О3	0,6-17
вода	остальное

Согласно второму варианту изобретения эта задача решается за счет того, что в связующем для изготовления древесных плит и фанеры, включающем карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и воду, дополнительно содержится Al(ОН)₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбамидоформальдегидный олигомер	30-70
отвердитель	0,2-3
Al(ОН)3	2-20
вода	остальное

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных какому-либо варианту настоящего изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает важный новый технический результат, который состоит в следующем.

Многофазная смесь оксидов алюминия в первом варианте изобретения или Al(ОН)₃ во втором варианте, выступающие в качестве модификаторов, в физическом отношении представляет собой тонкодисперсный порошок, частицы которого имеют форму неправильных параллелепипедов. Грани и особенно вершины таких частиц обладают повышенной в два и четыре раза соответственно удельной свободной поверхностной энергией. С уменьшением среднего размера частиц общая поверхностная энергия системы возрастает.

Взаимодействие частиц заявленной смеси оксидов алюминия или Al(ОН)₃ с карбамидоформальдегидным (КФ) олигомером, растворенным в воде (в производстве называется КФ-смолой), происходит на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Гетерогенный характер этого взаимодействия приводит к изменению надмолекулярной структуры образующегося при отверждении смеси карбамидоформальдегидного полимера. Это изменение обусловлено поверхностной энергией частиц модификатора, препятствующей возникновению глобулярной структуры полимера и ориентирующей расположение макромолекул полимера на поверхности частиц. Структура приближается к пачечной. Ориентационная перестройка происходит одновременно с образованием редкосетчатого КФ-полимера. По этой причине надмолекулярную структуру нельзя отнести строго к пачечной.

Следствием развернутой структуры КФ-полимера является большая доступность и возможность более полного взаимодействия его функциональных групп (главным образом, гидроксиметиловых) между собой и со склеиваемым субстратом: древесными частицами, волокном, шпоном. В результате этого прочность клеевого соединения возрастает, а процесс отверждения протекает быстрее (в глобулярных структурах функциональные группы медленно диффундируют друг в друга, а поверхность контакта с субстратом существенно уменьшена). При этом время прессования древесных плит сокращается не менее чем на 20%.

Связующее по п.2 формулы изобретения по сравнению со связующим по первому пункту формулы характеризуется постоянством состава и большей однородностью, что не требует технологической настройки рецептурных параметров у изготовителя. Качество получаемых с введением Al(ОН)₃ древесных плит дополнительно повышается. Однако цена Al(ОН)₃ выше, нежели смеси алюминатов. По этой причине изготовитель в зависимости от текущей конъюнктуры рынка должен принимать решение в пользу того или другого варианта настоящего изобретения.

Совершенно очевидно, что не только карбамидоформальдегидный олигомер марки КФ-МТ-15 может быть использован в данной композиции, а вообще любой. Карбамидоформальдегидные олигомеры давно известны, при этом имеются различные их марки. Известно, что карбамидоформальдегидный олигомер представляет собой продукт конденсации карбамида с формальдегидом в водном растворе и имеет в зависимости от условий синтеза следующие признаки: сухой остаток 30-70%, вязкость по ВЗ-246 10-100 с, рН 5,0-8,7, время желатинизации при 100°С 20-90 с (Кондратьев В.П., Кондращенко В.И. Синтетические клеи для древесных материалов. М.: Научный Мир, 2004, с.320). Для выравнивания различий в условиях отверждения связующего в слоях прессуемой плиты вводят раствор отвердителя. В качестве отвердителя используют латентные катализаторы - хлориды, сульфаты и фосфаты аммония (NH₄Cl, (NH₄)₂SO₄, NH₄H₂PO₄), персульфат аммония (NH₄)₂S₂O₈ или прямые катализаторы отверждения, например, H₃PO₄, НСООН и др. Для наружных слоев используют уменьшенное его количество, которое комбинируют с аммиачной водой или карбамидом.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, которые содержали бы сведения о влиянии отличительных признаков как в первом, так и во втором варианте изобретения на достигаемый технический результат. Изложенное выше позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии настоящего изобретения критерию «изобретательский уровень».

Реализация изобретения поясняется примерами.

В первом примере для изготовления плиты ДСП использовано связующее, содержащее карбамидоформальдегидный олигомер марки КФ-МТ-15 (ТУ 6-05-12-88), производства ОАО «АКРОН» (Россия) в количестве 30 мас.%, в качестве отвердителя применен хлористый аммоний - 0,2 мас.%, содержание воды - 27,8 мас.%, АЮ(ОН) - 15 мас.%, AlO(ОН)+Al₂O₃ аморфный - 10 мас.% и γ-Al₂О₃ - 17 мас.%.

Карбамидоформальдегидный олигомер синтезируется из карбамида и формальдегида в водной среде при t 85-95°C. Затем добавляют отвердитель и соединения алюминия.

Во втором и последующих примерах для изготовления плит ДСП использован тот же карбамидоформальдегидный олигомер, а в качестве отвердителя - хлористый аммоний. Для повышения концентрации олигомера произведено дополнительное вакуумирование.

Во втором и третьем примерах связующее содержит ингредиенты при следующих соотношениях, мас.%:

	Пример 2	Пример 3
карбамидоформальдегидный олигомер	70	48
отвердитель	3,0	1,2
AlO(ОН)	0,6	10
AlO(ОН)+Al2O3 аморфный	0,6	6
γ-Al2O3	0,6	11,8
вода	25,2	23

В четвертом, пятом и шестом примерах связующее содержит ингредиенты при следующих соотношениях, мас.%:

	Пример 4	Пример 5	Пример 6
карбамидоформальдегидный олигомер	30	54	70
отвердитель	0,2	2,0	3,0
Al(ОН)3	20	10	2
вода	49,8	34	25

При содержании карбамидоформальдегидного олигомера ниже 30 мас.% ухудшаются адгезионные свойства связующего, отверждение происходит недопустимо медленно, а при его содержании свыше 70 мас.% связующее получается слишком вязким, что препятствует изготовлению древесной плиты.

При содержании отвердителя менее 0,2 мас.% отверждение практически не происходит, а при его содержании более 3 мас.% отверждение происходит слишком быстро, до формирования структуры плиты.

При содержании соединений алюминия ниже указанных минимальных значений их действие на характеристики связующего незначительно, а при их содержании выше указанных максимальных значений резко возрастает вязкость связующего, что недопустимо по техническим условиям. Кроме того, соединения алюминия являются наиболее дорогостоящим компонентом связующего, и их перерасход экономически нецелесообразен.

Характеристики древесных плит, изготовленных методом горячего прессования с использованием обоих вариантов связующего согласно настоящему изобретению, приведены в таблице 1.

Заявленное изобретение реализуется с использованием широко известных недефицитных ингредиентов.

Для реализации изобретения использовано обычное несложное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Таблица 1
№ примера	Характеристики древесных плит	1	2	3	4	5	6
1. Предел прочности при статическом изгибе плиты σизг, МПа	15	14	21	13	26	16
2. Предел прочности при растяжении перпендикулярной поверхности плиты σ⊥, МПа	0,2	0,3	0,65	0,2	0,54	0,3
3. Разбухание, %	28	26	20	25,1	15,6	23,4

1. Связующее для изготовления древесных плит и фанеры, включающее карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и воду, отличающееся тем, что дополнительно содержит AlO(ОН), AlO(ОН)+Al₂O₃ аморфный и γ-Al₂O₃, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбамидоформальдегидный олигомер	30-70
Отвердитель	0,2-3
AlO(ОН)	0,6-15
AlO(ОН)+Al2O3	0,6-10
γ-Al2О3	0,6-17
Вода	Остальное

2. Связующее для изготовления древесных плит и фанеры, включающее карбамидоформальдегидный олигомер, отвердитель и воду, отличающееся тем, что дополнительно содержит Al(ОН)₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Карбамидоформальдегидный олигомер	30-70
Отвердитель	0,2-3
Al(ОН)3	2-20
Вода	Остальное