Способ изготовления плит из композиционного материала

Заявленное изобретение относится к способу производства строительных материалов и может быть использовано в деревообрабатывающей, мебельной и строительной промышленности. Техническим результатом заявленного способа является повышение физико-механических показателей плит из древесно-полимерного композита, а именно улучшение термодинамической совместимости компонентов и роста устойчивости древесно-полимерных композиций при переменно-влажностных условиях эксплуатации изделий, а также улучшение технологических и экологических условий изготовления композиционных материалов. Технический результат достигается в способе изготовления древесно-стружечных плит из отходов деревообрабатывающей промышленности. Способ включает фракционирование наполнителя, обработку наполнителя ингредиентом, повышающим совместимость наполнителя со связующим с последующей сушкой. Далее проводят совмещение модифицированных древесных частиц с полиэтиленом путем предварительного смешивания и нагревания с последующим вальцеванием на вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм. Затем полученную массу прессуют в пресс-форме гидравлического пресса при температуре 130-140°С и давлении 5 МПа. В древесно-полимерную композицию вводят в качестве ингредиента, повышающего совместимость полярного древесного наполнителя с неполярным термопластичным связующим в виде вторичного полиэтилена, сополимер 4-винилциклогексена и малеинового ангидрида (СВМ). При этом соотношение, мас.%: вторичный полиэтилен 59,0-70,5; древесные частицы 27-38; СВМ 2,5-3,0. 2 табл.

 

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано в деревообрабатывающей, мебельной и строительной промышленности.

Известен способ изготовления ДСтП на основе модифицированных латексными составами карбамидоформальдегидных смол, включающий обработку частиц композиционным связующим с последующим горячим прессованием (И.Иосифов и др. Свойства древесно-стружечных плит на основе модифицированных латексными составами карбамидоформальдегидных смол. Высший лесотех. ин-т, София, IX Симпозиум, 9, 1989, стр.185-189).

Недостатками данного способа являются использование бутадиен-стирольных латексов, не содержащих в своем составе карбоксильных групп, загущающих добавок в виде латекса с высоким содержанием метакриловых групп, а также отсутствие активного наполнителя, способного эффективно сорбировать остаточный формальдегид. Эмиссия из готовых плит данного соединения, обладающего канцерогенными и мутагенными свойствами, крайне затрудняет использование плит в строительстве и практически исключает их применение в мебельной промышленности.

Наиболее близок по технической сущности способ изготовления композиционного материала (С.С.Глазков, Е.Н.Левыкин, М.В.Енютина. / Древесно-полимерные композиции на основе вторичных материалов промышленности. // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2001. - Т.44. - Вып.2. - С.142-145), который включает несколько стадий: фракционирование наполнителя, обработка исследуемой фракции раствором СКЭПТ в нефрасе с последующей сушкой, совмещение модифицированных древесных частиц с полиэтиленом путем предварительного смешивания и нагревания с последующим вальцеванием на лабораторных вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60 при температуре 130-140°С и давлении 5 МПа, ДПК содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:

вторичный полиэтилен	59,0-70,5
древесные частицы	27-38
СКЭПТ	2,5-3,0.

В качестве древесных отходов использованы опилки, образующиеся в больших количествах на деревообрабатывающих производствах от круглопильных станков, лесопильных устройств и т.д. Вторичное полиэтиленовое сырье в соответствии с ТУ 63-476-32-90 ″Сырье полимерное вторичное необработанное″ представляло собой вышедшую из употребления пленку и пленочные изделия.

Недостатками данного способа являются относительно невысокие показатели прочности и водостойкости плит, а также технологические и экологические негативные моменты, связанные с определенными требованиями по составу исходных компонентов композиционного связующего.

Задачей изобретения является повышение физико-механических показателей плит на основе улучшения термодинамической совместимости компонентов и роста устойчивости древесно-полимерных композиций (ДПК) при переменно-влажностных условиях эксплуатации изделий, а также улучшение технологических и экологических условий изготовления композиционных материалов.

Для решения этой задачи в известном способе изготовления ДПК, включающем фракционирование наполнителя, обработку наполнителя раствором СКЭПТ в нефрасе с последующей сушкой, совмещение модифицированных древесных частиц с полиэтиленом путем предварительного смешивания и нагревания с последующим вальцеванием на лабораторных вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60 при температуре 130-140°С и давлении 5 МПа, в ДПК вводят в качестве ингредиента, повышающего совместимость полярного древесного наполнителя с неполярным термопластичным связующим в виде вторичного полиэтилена вместо синтетического каучука этиленпропиленового (СКЭПТ), сополимер 4 - винилциклогексена и малеинового ангидрида (СВМ) при следующем соотношении, мас.%:

вторичный полиэтилен	59,0-70,5
древесные частицы	27-38
СВМ	2,5-3,0.

Положительный эффект предлагаемого технического решения, а именно повышение показателей прочности и водостойкости готовых плит, достигается за счет введения в состав ДПК в качестве ингредиента, повышающего совместимость полярного древесного наполнителя с неполярным термопластичным связующим в виде вторичного полиэтилена, сополимер 4-винилциклогексена-1 и малеинового ангидрида (СВМ). При этом из состава ДПК исключается синтетический каучук этилен-пропиленовоый (СКЭПТ) (СКЭПТ - 40ТН ТУ. 2294-022-05766-801-2002 СКЭПТ по ТУ.38.103252-92), а также растворитель нефрас, необходимый для приготовления раствора данного компонента.

Последнее значительно улучшает технологические и экологические условия процесса изготовления плитных композиционных материалов, т.к. исключает применение растворителя, относящегося к легко летучим и легко воспламеняющимся жидкостям.

Получаемый эффект от использования предлагаемого состава связующего можно пояснить следующим.

Как было отмечено выше, обработка древесного наполнителя в виде опилок может осуществляться водными растворами сополимера 4-винилциклогексена-1 с малеиновым ангидридом, что значительно улучшает экологические характеристики процесса.

Получаемый эффект от использования данного пропитывающего материала можно пояснить следующим. Синтетический полимер (СВМ) является линейным реакционно-способным олигомером, содержащим ангидридные реакционные группы в количестве 6-36% мас. на макромолекулу олигомера. В присутствии влаги ангидридные группы переходят в карбоксильные, которые далее диссоциируют по следующей схеме:

При пропитке древесных частиц СВМ, содержащих полярные кислородсодержащие группы, в лучшем случае карбоксильные, велико значение остаточного содержания влаги в древесном наполнителе. Влага способствует диссоциации карбоксильных групп с отщеплением катиона водорода. При этом достаточно небольшого количества влаги (определяемой содержанием адсорбционной, связанной влаги в микрокапиллярах древесины) для диссоциации, так как при образовании солей такое же количество воды вновь выделяется, и она опять вызывает диссоциацию и т.д. по следующей схеме:

1. nR₁COOH+nH₂O→nR₁COO^- (Н₂O)_x+nH⁺(H₂O)_n-x;

2. Меⁿ⁺+nH₂O→Me(ОН)_n→Меⁿ⁺+nOH^-;

3. Меⁿ⁺+nR₁COO^-+nH⁺+nOH^-→(R₁COO)_nMe+nH₂O,

где Me - любой поливалентный металл;

R₁ - остаток макромолекулы сополимера 4-винилциклогексена-1 с малеиновым ангидридом (СВМ), образующийся в результате электролитической диссоциации макромолекулы полимерного стабилизатора.

Вода в этом случае является как бы своеобразным катализатором в реакции образования солей между окислами и кислотными группами. При взаимодействии катионов металла и анионов кислотных остатков СВМ могут возникнуть химические ионные связи, обеспечивающие очень высокую адгезию контактирующих тел. Данному процессу способствует повышение температуры на стадии сушки обработанных древесных частиц и их термозакаливании, когда высокая температура обеспечивает сближение и более тесное контактирование макромолекул олигомера СВМ.

При этом структурирование протекает не только между молекулами СВМ, но между молекулами СВМ и древесиной, содержащей в составе целлюлозы и лигнина функциональные группы (в основном гидроксильные), способные к эффективному взаимодействию с карбоксильными группами СВМ с образованием высокопрочной единой системы олигомер-древесина, ″сшитой″ химическими связями. В силу отмеченных особенностей реакционно-способного олигомера СВМ модифицированный данным продуктом древесный наполнитель характеризуются более высоким уровнем физико-механических показателей. При этом, обладая структурой и свойствами поверхностно-активного вещества, СВМ способен наряду с отмеченным ростом прочностных показателей древесного наполнителя также изменять химическую природу поверхности древесных частиц, что проявляется в повышении свободной поверхностной энергии и гидрофобности.

Прилипание тел в известных условиях может сопровождаться более прочными связями, чем межмолекулярные: между контактирующими молекулами могут образовываться химические связи, которые, как известно, в сотни раз более прочные, чем силы Ван-дер-Ваальса.

Ионные силы могут возникнуть, например, при контакте металлов и олифы, олифы в присутствии металлосодержащего сиккатива. Происходит взаимодействие карбоксильных групп олифы с катионами металлов с образованием ионной химической связи.

Благодаря последнему достигается достаточно высокая плотность "упаковки" полимера в межфибриальном и межклеточных пространствах древесины.

Необходимо также учесть, что в отличие от прототипа, где сополимер СКЭПТ получен с использованием винильных мономеров этилена и пропилена, у которых единственная двойная связь исчезает в процессе получения методом полимеризации, в предлагаемом решении используется сополимер, содержащий наряду с функциональными карбоксильными группами и реакционно-способную непредельную связь в боковой циклогексеновой группе. Поэтому кроме отмеченных преимуществ данный продукт будет способен к окислительному структурированию в сравнении с прототипом. Если внутри древесных частиц сополимер структурируется по выше приведенному механизму, то снаружи в условиях высокой температуры (140-160°С) и кислорода воздуха будет протекать дополнительная окислительная полимеризация по следующей схеме.

Под действием кислорода воздуха происходит гомолитический разрыв связи С-Н с образованием радикалов:

RH+O₂→R^·+O^·OH

и последующим взаимодействием с другой молекулой кислорода:

R^·+O₂→ROO^·

ROO^·+R′H→ROOH+R′^·

ROOH→RO^·+O^·H

Так как в системе происходит накопление свободных радикалов, то увеличение молекулярной массы низкомолекулярных сополимеров, а также образование пространственно-структурированных сополимеров происходит за счет радиальной полимеризации по оставшимся двойным связям макромолекул сополимеров.

Таким образом, данный полимерный продукт сочетает в себе высокую проникающую способность вследствие низкой молекулярной массы, способность к химическому структурированию за счет присутствия реакционно-способных функциональных групп и обладает эффектом самоотверждения в присутствии остаточной (сорбционной) влаги древесного наполнителя согласно приведенному выше механизму.

4-Винилциклогексен-1 является основным непредельным соединением (более 70% мас.) кубовых остатков ректификации возвратного растворителя, образующегося в больших количествах при производстве бутадиенового каучука на металлокомплексных катализаторах. В настоящее время в условиях Воронежского ОАО ″Воронежсинтезкаучук″ налажен процесс выделение 4-винилциклогексена-1 из кубовых остатков с последующим использованием в качестве индивидуального соединения, в том числе мономерного характера. Данное изобретение послужит дополнительным стимулом квалифицированного применения вторичного сырья и повышения эффективности действующего предприятия.

Способ осуществляется следующим образом.

Изготовление прессованных плит из композиционного материала включало несколько стадий: фракционирование наполнителя, обработка исследуемой фракции раствором вещества, повышающего совместимость гидрофильного наполнителя с гидрофобным полиэтиленом, совмещение модифицированных древесных частиц с полиэтиленом путем предварительного смешивания и нагревания с последующим вальцеванием на лабораторных вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60 при температуре 130-140°С и давлении 5 МПа.

Изготавливают однослойные плиты толщиной 12 мм. После прессования каждую плиту охлаждают в вертикальном положении без обдува при комнатной температуре. Испытания плит проводили не раньше, чем через 5 суток после изготовления.

В соответствии с приведенной технологией получали плиты по прототипу (пример 1) и предлагаемому способу, изменяя состав композиционного материала (примеры 2-6 таблицы 1).

Таблица 1
Компоненты	Содержание компонентов, мас.% по примеру
1 (прототип)	2	3	4	5	6
Вторичный полиэтилен	64,75	55,00	60,00	65,00	70,00	75,0
Древесные частицы	30,50	43,75	37,50	30,00	22,50	15,0
СКЭПТ	2,75	-	-	-	-	-
СВМ	-	1,25	2,50	5,00	7,50	10,0

Плиты с различным составом композиционного материала, изготовленные по выше приведенной технологии, подвергали испытаниям на физико-механические свойства и содержание свободного формальдегида. Показатели испытанных плит приведены в таблице 2.

Таблица 2
Показатели	Примеры
1 (прототип)	2	3	4	5	6
Предел прочности при изгибе, МПа	11,80	9,26	12,90	15,3	13,5	11,2
Предел прочности при растяжении параллельно пласта, МПа	7,12	6,45	7,87	9,56	8,64	7,10
Разбухание по толщине, % за 30 суток	1,00	1,52	0,74	0,65	0,81	1,12
Водопоглощение по массе, % за 30 суток	1,70	2,51	1,55	1,23	1,17	2,34
Плотность, кг/м3	720	750	810	820	815	760
Содержание свободного формальдегида, мг/100 г образца	3,42	1,02	2,02	2,48	3,42	1,02

Как следует из приведенных в таблице 2 данных, плиты, полученные по предлагаемому способу, имеют более высокие прочностные показатели и водостойкость, а эмиссия формальдегида не превышает уровень прототипа.

Способ изготовления древесностружечных плит из отходов деревообрабатывающей промышленности, включающий фракционирование наполнителя, обработку наполнителя ингредиентом, повышающим совместимость наполнителя со связующим, с последующей сушкой, совмещение модифицированных древесных частиц с полиэтиленом путем предварительного смешивания и нагревания с последующим вальцеванием на лабораторных вальцах с диаметром валков 180 мм и зазором между ними 1 мм, прессование полученной массы в пресс-форме гидравлического пресса марки ПГ-60 при температуре 130-140°С и давлении 5 МПа, в ДПК вводят в качестве ингредиента, повышающего совместимость полярного древесного наполнителя с неполярным термопластичным связующим в виде вторичного полиэтилена, сополимер 4-винилциклогексена и малеинового ангидрида (СВМ) при следующем соотношении, мас.%:

вторичный полиэтилен	59,0-70,5
древесные частицы	27-38
СВМ	2,5-3,0