Размещено на http://www.allbest.ru/

Модификация поливинилацетатных клеев

Барташевич А.А., Игнатович Л.В.,

Шетько С.В., Гайдук С.С.

(БГТУ, г. Минск, РБ)

Основное содержание исследования

Одним из приоритетных направлений повышения эффективности деревообрабатывающей промышленности Республики Беларусь является рациональное использование древесного сырья с целью получения продукции высокого качества. Особенно в больших объемах перерабатывают древесину при производстве мебели и в домостроении. Многие операции выполняют путем склеивания. В производстве мебели - при изготовлении мебельных щитов из массивной древесины, облицовывании, сборочных работах, в домостроении - при изготовлении клееных брусьев, столярных изделий (окон, дверей) и др.

Из клеев больше всего применяют карбамидоформальдегидные и дисперсионные (поливинилацетатные). Применение карбамидоформальдегидных клеев значительно ограничивается по экологическим требованиям, в тоже время поливинилацетатные клея получают все более широкое применение.

На сегодняшний день в Республике Беларусь практически все предприятия деревообрабатывающей промышленности работают с импортными поливинилацетатными клеями. В тоже время в стране есть собственное производство клеев. По европейскому стандарту DIN EN 204/205 "Классификация термопластичных клеев для древесины для применения не в производстве конструкционного силового бруса" клеевые соединения подразделяются на 4 класса нагрузки: D1, D2, D3 и D4. В деревообрабатывающей промышленности преимущественно используются клея D3. Клеи первых трех групп предназначены для изделий и конструкций, эксплуатируемых в закрытых помещениях, группы Д4 - и в открытом пространстве. Клеи группы D4 используются с отвердителем, благодаря которому водостойкость клеевых соединений значительно возрастает. В Республике Беларусь такие клеи не выпускаются.

поливинилацетатный клей древесное сырье

Испытания клеев на прочность склеивания и водостойкость проводили на кафедре технологии и дизайна изделий из древесины по европейской методике. Испытывался клей отечественного производства марки ДФ 51/15ВП и марки Клебит 303 (Германия).

Клей марки ДФ51/15ВП при 7-суточной выдержке образцов в комнатных условиях после склеивания имел прочность 10,98 МПа (при норме 10 МПа), что соответствует требованиям к клею группы D1. После дополнительной выдержки образцов в воде в течении 4 суток прочность склеивания отечественным клеем оказалась равной только 0,12 МПа, импортным клеем - в пределах до 3 МПа при норме 4 МПа (для группы D3). Но после дополнительной выдержки образцов в течении 7 суток при комнатных условиях прочность клеевого соединения клея ДФ51/15ВП увеличилась до 7,27 МПа при норме 8 МПа. Таким образом, слабым показателем отечественного клея является его водостойкость.

Из всего выше сказанного следует, что основным направлением модификации отечественных поливинилацетатных клеев является повышение водостойкости и прочности клеевых соединений.

Одним из направлений работы было исследование химического состава импортных и отечественных клеев ПВА и природы отвердителя. Эти исследования проводились на кафедре технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов. Установлено, что различия клеев состоят не в различных добавках в водную фазу клея, а в химических составах макромолекул ПВА. При этом коренное отличие состоит в том, что импортный клей в составе макромолекул содержит несколько процентов ОН-групп. Роль этих групп - образование (в зависимости от природы вводимой кислоты и условий реакции) нерастворимых сшитых полимеров, что резко повышает водостойкость и теплостойкость клеевых швов.

Вторым важным отличием ПВА-клев является добавление в импортные клеи отвердителя перед применением клея. Роль отвердителя выполняет двухосновная органическая себациновая кислота. При ее введении происходит химическая реакция взаимодействия ОН-групп макромолекул с СООН-группами кислоты с образованием нерастворимого сшитого полимера. Добавление отвердителя в клей ДФ51/15ВП не повышает его влагостойкости, так как в его макромолекулах нет ОН-групп.

На следующем этапе работы был проведен обзор модифицирующих добавок в ПВА клей, которые вводятся для повышения его водостойкости. Было выявлено два основных метода повышения водостойкости клеев за счет введения:

? карбамидной смолы [1];

? 5 % полиизоцианата, который превращает клей из термопластичного в термореактивный, делает его более твердым и водостойким.

Недостатком первой дисперсии является необходимость введения в нее отвердителя, к примеру, щавелевой или ортофосфорной кислоты, что представляет собой определенные неудобства в работе и опасность, связанную при работе с кислотой.

Недостатком второго клея является повышенная токсичность и кратковременное, до двух часов, действие полиизоцианата, после чего он утрачивает эффективность.

Следующим этапом исследований с целью повышения водостойкости ПВА-клеев явилась их модификация нанодобавками.

Под наноматериалами понимают материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы водном измерении не превышают 100 нм (1 нм=10^-9 м), и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

Нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм.

Наноматериалы и нанотехнологии получают все более широкое развитие и применение в таких странах, как США, Германия, Канада, Япония и др. В первую очередь это такие отрасли, как электроника и медицина. Находят они применение и в технике, в частности в автомобилестроении [2]. О применении наноматериалов в деревообработке и производстве мебели сообщений не имеется. До этих отраслей очередь еще не дошла, хотя и здесь нанотехнологии могут оказаться весьма эффективными.

Наиболее применимыми и перспективными материалами нанометрического диапазона являются нанопорошки металлов, диоксида кремния, диоксидов титана, сульфата бария, оксидов алюминия, циркония. В качестве наполнителей могут использоваться полимерные порошки, равномерно распределенные в пленкообразующем веществе. Особый интерес представляют наноматериалы на основе углерода (УНМ). На первом этапе проведенных исследований при изучении свойств модифицированного нанодобавками клея использовались углеродные нанотрубки (УНМ) марки "Суспензия" и силикатные наноматериалы (СНМ).

Одной из наиболее сложных задач при использовании нанодобавок является введение их в клеевой состав.

Первый способ получения клея с нанодобавками основывался на прямом введении углеродных нанодобавок обычным смешением в диссольвере. Способ недостаточно надежный, не позволяет равномерно распределить наноматериал по всей массе клея. При втором способе получения клея с нанодобавками вначале готовилась суспензия "жидкость-наноматериал", которая затем вводилась в клей и смесь перемешивалась.

Для наработки образцов составов клеев с нанодобавками вначале готовили суспензии "жидкость - наполнитель", то есть "вода - углеродные нанотрубки" концентрацией 5 г/л по режиму: двухкратное пневмораспыление под давлением 0,3 МПа с последующим ультразвуковым диспергированием в течении 20 минут.

Для суспензии "вода - силикатный наноматериал" была принята концентрация 10 г/л. Готовилась данная суспензия по режиму, аналогичному, как и суспензия "вода - УНМ". Расчетное количество суспензии вводилось в клей и смесь перемешивалась 15 минут.

Для определения прочности клеевых соединений использовали образцы древесины бука влажностью 8 % в виде пластинок размером 150Ч20Ч5 мм. Их склеивали попарно пластями.

Испытания образцов на прочность клеевых соединений проводили по европейскому методу DIN EN 205 "Установление прочности при продольном скалывании в результате проведения испытаний на растяжение". Испытания проводили на разрывной машине типа РМ-0,5. В каждом опыте испытывали по 12 образцов.

Контрольные образцы, то есть склеенные клеем без нанодобавок, испытывали после 7-суточной выдержки при комнатных условиях - как для группы нагрузки и водостойкости D1. Испытания образцов по методике, принятой для группы нагрузки и водостойкости D3, проводили после выдержки склеенных образцов в течении 7 суток и последующей выдержке в воде в течении 4 суток при комнатной температуре 20°С. Образцы испытывались сразу после извлечения из воды и после выдержки в течение 7 суток при комнатной температуре.

Результаты испытаний образцов, склеенных ПВА-клеями, модифицированными углеродными нанотрубками марки "Суспензия" и силикатными наноматериалами, а также контрольных образцов (склеенных клеями без нанодобавок) приведены в табл.1.

Повышение прочности клеевых соединений, выполненных клеевым составом с нанодобавками, происходит в результате того, что наноразмерные включения в полимерный материал многократно увеличивают степень развитости контакта фаз. Материалы, с введенными в их состав углеродными нанотрубками, имеют повышенные прочностные характеристики также и из-за того, что модуль упругости по оси нанотрубки превышает соответствующий модуль монокристаллического алмаза.

Таблица 1. Прочность склеивания древесины клеем, модифицированным нанодобавками

Исследования влияния нанодобавок на свойства клеевых соединений продолжаются, однако и полученные результаты свидетельствуют о целесообразности их применения в деревообрабатывающей отрасли промышленности.

Литература