Композиция для получения композиционных материалов для деревообрабатывающей и строительной промышленности
Владельцы патента RU 2378287:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области композиционных материалов на основе лигноцеллюлозного сырья, в частности к пресс-композициям, и может быть использовано в деревопереработке и строительстве. Композиционный материал получают из связующего - ацетилированной древесины осины с дополнительным введением добавки - порошкообразного неорганического вещества из группы: Al, AlCl3*6H2O, Al(ОН)3 при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%: Лигноцеллюлозное связующее - от 30 до 70, добавка - остальное. Изобретение способствует расширению составов композиционных материалов, увеличению прочности, термостойкости и водостойкости композитов. 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно к композиционным материалам на основе лигноцеллюлозного сырья, и может быть использовано при изготовлении композиционных материалов (термостойких, пожаробезопасных покрытий для стеновых панелей, мебели, отделочных декоративных покрытий, электропроводящих потолочных панелей) для деревообрабатывающей и строительной промышленности.
Композиционные материалы такого типа представляют собой составы на основе термопластичного или другого связующего, наполнителя и различных добавок.
Рассмотрим известный композиционный материал для древесно-стружечных плит, где в качестве связующего используется карбамидоформальдегидная смола, в качестве наполнителя - древесные опилки или стружка, а для улучшения механических характеристик в материал вводят добавку стеарокса и других веществ [А.С. №1416499, Кл. C08L 97/02, 1986]. Несмотря на комплекс положительных характеристик, этот материал имеет низкую экологичность. Указанный недостаток аналога может быть устранен использованием связующих других типов.
Известно, что изготовление древесно-минеральных композиционных материалов на основе целлюлозосодержащего заполнителя, включающее обработку его химическими добавками (жидким стеклом, хлористым кальцием и др.) и совмещении с минеральным вяжущим, например портландцементом, и последующим формованием и окончательной обработкой изделий [Щербаков А.С., Мельникова Л.В., Гамова И.А. Технология древесных композиционных материалов. - М.: Экология, 1992, С.10-74]. Использование портландцемента в качестве связующего позволяет получить более экологичные материалы. Однако и этот аналог имеет недостатки: сложная технология изготовления изделий, низкие физико-механические показатели материала и низкая водостойкость.
Из известных композиционных материалов на основе целлюлозосодержащего сырья наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является полимерная композиция, включающая 10-30 мас.% термопластичного связующего и измельченную древесину, причем в качестве связующего в составе применяется смешанный сложный эфир целлюлозы, уксусной и алифатической кислот [Патент РФ №2092507, Кл. C08L 97/02, 1997]. Несмотря на то, что прототип устраняет основные недостатки описанного выше аналога - повышает прочность материалов при изгибе, водостойкость и упрощается процесс приготовления композиции, ему также присущи недостатки: низкая температура эксплуатации и слабая теплопроводность, что ограничивает область применения композиционного материала в строительстве при изготовлении изделий из композиционных материалов.
Основная задача заявляемого изобретения - создать композиции для получения композиционных материалов, обладающие водостойкостью, высокой прочностью и электропроводностью, огнестойкие и пожаробезопасные для применения в деревообрабатывающей и строительной промышленности.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в композицию для получения композиционных материалов, содержащую в качестве связующего лигноцеллюлозное связующее - ацетилированную древесину осины, и дополнительно вводят добавку порошкообразного неорганического вещества из группы: Al, AlCl3*Н2О, Al(ОН)3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: лигноцеллюлозное связующее - от 30 до 70, добавка - остальное.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Для активации лигноцеллюлозного материала (древесных опилок и стружки) перед получением лигноцеллюлозного связующего проводят его предварительную обработку на роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора не менее 3000 об/мин. Навеску воздушно-сухих опилок или стружек древесины осины (фракция 1÷3 мм) массой 500 г помещают в стальной сосуд емкостью 50 л и заливают 8÷10 л воды, перемешивают при температуре 60÷70°С в течение 30 минут. Затем обработанную древесину отфильтровывают через полотняный фильтр, промывают водой до нейтральной среды, отжимают на фильтре и высушивают на воздухе до постоянной массы.
Получение лигноцеллюлозного связующего - ацетилированной древесины осины (АДО) на основе активированного лигноцеллюлозного материала проводят следующим образом. Навеску воздушно-сухих активированных опилок древесины осины массой 3,0 г помещают в круглодонную колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником и помещенную на масляную баню (термостат). В колбу добавляют суспензию сульфата аммония (20% от массы взятой древесины) в 3 моль уксусного ангидрида. Реакционную смесь выдерживают при температуре 125÷130°С в течении 4 ч. Затем колбу охлаждают до комнатной температуры и добавляют в нее 100 мл дистиллированной воды. Смесь отфильтровывают на пористом стеклянном фильтре (класс пор 160) и промывают дистиллированной водой от уксусной кислоты и катализатора до нейтральной среды и отсутствия сульфат ионов (контроль по BaCl2).
Содержание связанных ацетильных групп определяют путем омыления образцов ацетилированной древесины 0,5 М спиртовым раствором гидроксида натрия с последующим обратным кондуктометрическим титрованием избытка щелочи 0,5 М соляной кислотой. Содержание связанных ацетильных групп в полученном связующем составляет 46 мас.%. Высокая термопластичность ацетилированной древесины, гидрофобные свойства, хорошая адгезия к минеральным, особенно, органическим веществам определяют возможности ее использования в качестве лигноцеллюлозного связующего для изготовления композиционных материалов для деревообрабатывающий и строительной промышленности.
Пример 2.
При изготовлении композиции для получения композиционного материала с добавкой (наполнителем) алюминия в шаровой мельнице без мелющих тел или в лопастном смесителе смешивают лигноцеллюлозное связующее, подготовленное по примеру 1, и порошок алюминия Al марки ПАП, АП-1,2 в течение 15÷20 мин. в следующих соотношениях, мас.%:
Лигноцеллюлозное связующее 30÷70,
наполнитель (порошок алюминия) - остальное.
Полученную смесь помещают в пробирку и нагревают не более 2 ч при 120°С, прессуют в виде таблеток (для удобства изучения свойств материала) диаметром 1 см, что соответствует диаметру отверстия в цилиндрической пресс-форме, под действием силы 15 кН. Свойства полученных материалов (образцы 2-6) приведены в табл.1.
Полученные композиционные материалы имеют прочность до 21,0 МПа, металлический блеск и используются для получения отделочных декоративных покрытий в деревообрабатывающей и строительной промышленности.
Пример 3.
При изготовлении композиции для получения композиционного материала с добавкой гидрата хлорида алюминия поступают аналогично примеру 2 с той разницей, что в качестве добавки к лигноцеллюлозному связующему берут порошок гидрата хлорида алюминия AlCl3*6Н2О, квалификации х.ч, предварительно доведенный до постоянный массы при 110÷120°С в течение 1,5÷2 ч и измельченный до размера частиц 100÷200 мкм. Свойства полученных лигноцеллюлозных композиционных материалов (образцы 7-11) приведены в табл.1.
Полученные композиции имеют прочность до 19,6 МПа, электропроводящие свойства (удельное электросопротивление до 104 Ом*см-1) и используются для получения электропроводящих потолочных панелей в деревообрабатывающей и строительной промышленности.
Пример 4.
При изготовлении композиции для получения композиционного материала с добавкой гидрата хлорида алюминия поступают аналогично примеру 2, с той разницей, что в качестве добавки (наполнителя) к лигноцеллюлозному связующему используют порошок гидроксида алюминия Al(ОН)3, полученный осаждением из водного раствора соли алюминия (например AlCl3*6Н2О) 0,5 М раствором гидроксида аммония, высушенным массы при 110÷120°С в течение 1,5÷2 ч. Свойства полученных материалов (образцы 12-16) приведены в табл.1.
Полученные композиции имеют наибольшую термостабильность (до 210°С) и используются для получения композиционного материала в деревообрабатывающей и строительной промышленности в качестве термостойких, пожаробезопасных покрытий для стеновых панелей, мебели.
Как видно из данных таблицы 1, полученные композиции при содержании всех видов добавок (неорганических наполнителей) 30-70% имеют наилучшие показатели свойств. Прочность полученных композитов составляет до 21,0 МПа (214 кг/см2), что сравнимо с прототипом. К тому же данные материалы имеют низкие значения водопоглощения до 6,5% (табл.1). А также методом дифференциального термического анализа наблюдают термическую стабильность исходного и полученных материалов (табл.2): образец 3 (фиг.1) термоустойчив до 140°С, а образцы 8, 13 (фиг.2-3 соответственно) - до 210°С, что лучше прототипа. На основании данных показателей полученные композиции могут быть использованы для изготовления композиционных материалов (термостойких, пожаробезопасных покрытий для стеновых панелей, мебели, отделочных декоративных покрытий, электропроводящих потолочных панелей) в деревообрабатывающей и строительной промышленности.
| Таблица 1. Удельное электросопротивление, предел прочности разрушения и водопоглощение композиций |
|||||
| Образец | Состав образца | Содержание наполнителя, % | Удельное электросопротивление, Ом*см-1 | Предел прочности разрушения, МПа | Водопоглощение, % |
| 1 | АДО | - | Более 106 | 12.0 | 0.4 |
| 2 | АДО+Al | 10 | Более 106 | 12.7 | 0.6 |
| 3 | 30 | Более 106 | 21.0 | 0.6 | |
| 4 | 50 | Более 106 | 17.2 | 0.8 | |
| 5 | 70 | Более 106 | 20.5 | 0.9 | |
| 6 | 90 | Более 106 | 19.5 | 0.9 | |
| 7 | АДО+AlCl3*6H2O | 10 | Более 106 | 16.9 | 1.6 |
| 8 | 30 | Более 106 | 19.6 | 2.3 | |
| 9 | 50 | Более 106 | 17.3 | 3.8 | |
| 10 | 70 | 105 | 18.3 | 4.7 | |
| 11 | 90 | 104 | 19.3 | 5.2 | |
| 12 | АДО+δ-Al(ОН)3 | 10 | Более 106 | 9.3 | 1.8 |
| 13 | 30 | Более 106 | 10.9 | 2.7 | |
| 14 | 50 | Более 106 | 10.4 | 4.1 | |
| 15 | 70 | Более 106 | 10.7 | 5.0 | |
| 16 | 90 | Более 106 | 10.8 | 6.5 |
| Таблица 2. Термический анализ композиций |
||||||||
| Образец | Состав образца | Масса навески, мг | № пика | Вид эффекта | Тнач., °С | Тмакс., °С | Ткон., °С | Потеря массы, мг |
| Исходная древесина | 49,00 | 115 | 3,5 | |||||
| 1 | Экзо- | 180 | 265 | 340 | 34,5 | |||
| 2 | Экзо- | 340 | 390 | 450 | 8,5 | |||
| 1 | АДО | 125 | 0,42 | |||||
| 1 | Экзо- | 205 | 280 | 350 | 14,80 | |||
| 2 | Экзо- | 380 | 405 | 475 | 4,48 | |||
| 3 | АДО, Al | 22,50 | 1 | Эндо- | 60 | 95 | 125 | 0,24 |
| 2 | Экзо- | 140 | 190 | 225 | 7,94 | |||
| 3 | Экзо- | 225 | 285 | 470 | 13,12 | |||
| 8 | АДО, AlCl3·6H2O | 43,75 | 1 | Эндо- | 60 | 70 | 80 | - |
| 2 | Эндо- | 130 | 135 | 145 | - | |||
| 3 | Эндо- | 165 | 175 | 185 | - | |||
| 4 | Экзо- | 200 | 245 | 280 | 41,31 | |||
| 13 | АДО, δ-Al(ОН)3 | 30,00 | - | 180 | 1,52 | |||
| 1 | Экзо- | 210 | 315 | 480 | 19,44 |
Композиция для получения композиционных материалов для деревообрабатывающей и строительной промышленности, включающая термопластичное связующее и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве связующего используют лигноцеллюлозное связующее - ацетилированную древесину осины и дополнительно вводят добавку - порошкообразное неорганическое вещество из группы: Al, Al Cl3·6Н2О, Al(ОН)3 при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%:
| лигноцеллюлозное связующее | 30-70 |
| добавка | остальное |
