Синтез и свойства карбамидных смол, модифицированных солями полифункциональных кислот

Авторы: Цветков Вячеслав Ефимович, Мачнева Ольга Павловна, Корнеев Артем Дмитриевич

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 64-69

Объём: 0,27

Опубликовано в: «Наука без границ» № 7 (24), июль 2018

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Цветков В. Е., Мачнева О. П., Корнеев А. Д. Синтез и свойства карбамидных смол, модифицированных солями полифункциональных кислот // Наука без границ. 2018. № 7 (24). С. 64-69.

Аннотация: В работе предложен катализатор-модификатор ЦН, разработана оптимальная рецептура модифицированной карбамидной смолы, предназначенной для получения древесностружечных плит, обладающих высокими физико-механическими характеристиками и классом токсичности Е1, оценен предполагаемый экономический эффект.

Древесностружечная плита (ДСтП) давно и прочно вошла в деревообрабатывающую промышленность как один из самых доступных и распространенных конструкционных материалов. Этот материал находит самое разнообразное применение.

Как известно, своим высоким физико-механическим свойствам ДСтП обязаны связующим, на основе которых они изготавливаются. Для изготовления ДСтП и других плитных материалов применяются преимущественно карбамидные смолы.

Однако, большинство современных карбамидных смол все еще не лишены своих основных недостатков: средняя водостойкость и несколько высокая токсичность [1].

Для устранения вышеуказанных недостатков постоянно ведутся многочисленные научно-исследовательские работы [2, 3]. Но, как правило, избавить карбамидную смолу одновременно от всех основных недостатков не всегда бывает возможно. Данная работа не стала исключением.

Поэтому, целью настоящей работы является разработка технологии получения низкотоксичных и водостойких карбамидных смол. Реализация цели работы возможна путем модифицирования карбамидных смол во время синтеза[1][2][3][4][5][6][7]. В качестве модификатора применялись соли полифункциональных органических кислот. Ранее проведенные работы показали, что добавка обладает комплексным действием, одновременно являясь и катализатором при синтезе и модификатором карбамидных смол.

Для решения поставленной цели необходимо решить ряд основных задач: определить вид и количество катализатора-модификатора, разработать оптимальную рецептуру карбамидной смолы, разработать технологию применения нового связующего для получения ДСтП, обладающими высокими физико-механическими показателями, а также для подтверждения целесообразности данного мероприятия оценить предполагаемый экономический эффект.

Для удобства обозначения катализатора-модификатора было введено обозначение ЦН.

Действие этого компонента при синтезе полимеров основано одновременно и на модифицировании смолы во время синтеза, и на создании необходимой рН-среды для синтеза, поскольку рН ЦН равен 7,5.

Как оказалось, в присутствии катализатора-модификатора ЦН синтез проходит в более стабильных условиях, чем при использовании обычного щелочного катализатора, а это является очень важным аспектом, особенно при производственных условиях проведения синтеза смол.

Полученная в результате данной работы карбамидоформальдегидная смола получила название КФК-ЦН, но вместо формалина применялся карбамидоформальдегидный концентрат КФК, свойства которого приведены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства КФК

Наименование показателя

Значение показателя

Внешний вид

Однородная вязкая жидкость от прозрачного до светло-желтого цвета без посторонних включений

Плотность, кг/м3

1,32

Показатель преломленя

1,472

Массовая доля основного вещества, %

85

Массовая доля общего формальдегида, %

60

Массовая доля общего карбамида, %

25

Массовая доля метилового спирта, %

0,3

Буферная емкость, мл

12

Вязкость по ВЗ-4, с

20-50

Концентрация водородных ионов, рН

7,0-8,5

Массовая доля метилольных групп, %

25

С целью определения оптимальной рецептуры модифицированных смол, применялись различные мольные соотношения основных исходных мономеров – карбамида и формальдегида от 1:1 до 1:1,3.

В табл. 2 представлены карбамидные смолы при разных мольных соотношениях карбамида к формальдегиду с применением КФК.

Таблица 2

Влияние мольного соотношения карбамида и формальдегида

Наименование показателя

Соотношение К:Ф

1:1

1:1,1

1:1,2

1:1,3

Вязкость, с

90

89

95

92

Время желатинизации при 100 °С с 1% NH4Cl, с

100

72

65

59

Содержание свободного формальдегида, %

0,03

0,06

0,11

0,18

Показатель преломления

1,475

1,470

1,472

1,472

рН

7,9

7,5

7,6

7,5

Анализ табл. 2 показывает, что наилучшими свойствами обладает смола с мольным отношением 1:1,2.

С целью определения оптимального количества модификатора, смолы синтезировались с различным его количеством: 0; 0,3; 0,6 и 0,9 %. Свойства полученных смол представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства смол КФК-ЦН с различным количеством ЦН

 

Наименование показателей

Содержание модификатора, %

0

0,3

0,6

0,9

Внешний вид

Однородная прозрачная или белая жидкость

Вязкость по ВЗ-4, с при 20 °C

90-95

Сухой остаток, %

65-75

рН

7,3-7,7

Содержание свободного формальдегида, %

0,11

0,06

0,03

0,015

Время отверждения при 100 °С с 1% NH4Cl, с

65

80

100

115

Показатель преломления

1,469-1,472

Анализ таблицы позволяет сделать вывод, что наилучшими характеристиками обладает смола с 0,3 % модификатора.

Далее была предложена технология получения плит при следующих режимах прессования: температура прессования – 180 °C; давление прессования – 2,5 МПа; время прессования – 0,3 мин/мм; расход связующего – 10 % толщина плиты – 16 мм; плотность плиты – 700 кг/м3; влажность стружки перед осмолением – 2 %. В качестве отвердителя применялся хлорид аммония в количестве 1 % по сухому веществу от массы смолы.

С применением предложенной технологии были получены ДСтП на основе смолы КФК-ЦН с различным содержанием модификатора. Свойства этих плит представлены в табл. 4.

Таблица 4

Физико-механические свойства ДСтП на основе модифицированных смол

 

Наименование показателей

Содержание модификатора, %

0

0,3

0,6

0,9

Предел прочности при:

   - статическом изгибе, МПа

   - разрыве перпендикулярно пласти, МПа

 

17,7

0,58

 

20,1

0,56

 

14,6

0,31

 

13,9

0,22

Плотность, кг/м3

700

Разбухание по толщине, %

23,0

21,0

24,0

21,0

Содержание формальдегида, мг/100 г абсолютно сухой плиты

21,45

7,10

15,3

17,04

Анализ табл. 4 показывает, что модифицированные смолы обеспечивают возможность получения плит с прочностными показателями, соответствующими европейскому стандарту EN 312. Однако наименьший показатель по эмиссии формальдегида EI и наивысшими физико-механическими свойствами наблюдается только у плиты, полученной с применением смолы, модифицированной 0,3 % ЦН, данная плита удовлетворяет требованиям ГОСТ 10632-2014[8].

Экономический эффект от использования смолы КФК-ЦН вместо известной смолы КФ-НФП определяется, исходя из дохода, полученного в результате замены одного связующего другим.

Годовой экономический эффект определяется, исходя из разницы стоимости используемого и разработанного связующих на годовую программу выпуска ДСтП, которая составляет, например, 50 тыс. м3 в год.

Стоимость 1 тонны смолы КФК-ЦН и КФ-НФП представлены в табл. 5.

Таблица 5

Стоимость 1 тонны смолы КФК-НФП и КФ-ЦН

Наименование материала

Цена

за 1 т, тыс. руб.

КФ-НФП (базовая)

КФК-ЦН (предлагаемая)

Норма расхода

на 1 т

Сумма, тыс. руб.

Норма расхода

на 1 т

Сумма, тыс. руб.

Карбамид

20,0

0,5140

10,28

0,360

7,73

Формалин

20,0

0,8356

16,71

-

-

КФК

35,0

-

-

0,480

16,80

Модификатор

54,0

-

-

0,0028

0,39

NaOH

50,0

0,001

0,05

0,0005

0,025

NH4Cl

35,0

0,0015

0,052

0,0008

0,028

Итого за 1 т, тыс. руб.

27,092

-

24,973

Годовой экономический эффект приведен в табл. 6, он составил 37687,0 тысяч рублей.

Таблица 6

Годовой экономический эффект

Наименование показателей

КФ-НФП (базовая)

КФ-ЦН (предлагаемая)

Цена за 1 т, тыс. руб.

27,092

24,973

Расход смолы на 1 м3 ДСтП, кг

120

100

Объем производства ДСтП, м3/год

50000

50000

Расход смолы на 50 тыс. м3/год, т

6000

5000

Затраты на смолу в год, тыс. руб.

162552,0

124865,0

Годовая экономия, тыс. руб.

37687,0

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы: при сохранении объема производства затраты на смолу сократились за счет экономии формалина, карбамида и растворов катализаторов, хотя собственно модификатор имеет свою стоимость, при этом качество ДСтП соответствует всем необходимым стандартам и классу эмиссии формальдегида EI.

Следует особо отметить, что рассчитанный экономический эффект складывается только из стоимости смол. Если еще учесть экономию электроэнергии из-за отсутствия вакуум-сушки у смолы КФК-ЦН и отсутствие затрат на переработку сточных вод, то экономических эффект станет еще более ощутимым.

Список литературы

  1. Цветков В. Е., Пасько Ю. В., Кремнев К. В., Мачнева О. П. Полимеры в производстве древесных материалов // М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2012. 55 с.
  2. Цветков В. Е., Мачнева О. П., Тесовский А. А., Ржевский И. А., Юдина Ю. С. Синтез и свойства модифицированных аминосмол // В сборнике: Forest complex today, view of young researchers: forest industry and engineering, landscape architecture, woodworking technology, management and economics Proceedings of the International scientific and practical conference. 2017. С. 205–206.
  3. Цветков В. Е., Зуева М. Ю., Мачнева О. П. Исследование влияния поверхностно-активных добавок на поверхностное натяжение модифицированных пропиточных олигомеров // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. 2011. № 5(81). C. 135–138.

Материал поступил в редакцию18.07.2018
© Цветков В. Е., Мачнева О. П., Корнеев А. Д., 2018


[1]Пат. 2527524 Российская Федерация, МПК В 27 N 3/02. Способ изготовления нетоксичных древесностружечных плит / Цветков В. Е., Зуева М.Ю., Мачнева О.П., Разуваева М.В., Екимова И.А., Екомов Н.Ю., Балюков В.В., Фахретдинов Х.А.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119166/13; заявл. 25.04.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. – 3 с.
[2] Пат. 2527786 Российская Федерация, МПК C 08 G 12/36 C 08 L 61/32 В 27 N 3/02. Способ изготовления карбамидоформальдегидного олигомера / Цветков В.Е., Цветкова Н.Н., Разуваева М.В., Мачнева О.П., Зуева М.Ю., Мачнева Н.А., Мачнев А.П., Колчев В.И.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119163/05; заявл. 25.04.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. – 7 с.
[3] Пат. 2534549 Российская Федерация, МПК C 09 J 161/28 C 08 L 61/28 В 27 G 11/00. Способ изготовления клея для производства клееного деревянного бруса / Цветков В.Е., Цветкова Н.Н., Приорова С.В., Разуваева М.В, Мачнева О.П., Зуева М.Ю., Колчев В.И., Колчева Е.В.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119173/05; заявл. 25.04.2013; опубл. 27.11.2014, Бюл. № 33. – 5 с.
[4] Пат. 2534550 Российская Федерация, МПК C 08 G 12/12. Способ изготовления карбамидоформальдегидного олигомера / Цветков В. Е., Зуева М.Ю., Мачнева О.П., Разуваева М.В., Екимова И.А., Екомов Н.Ю., Балюков В.В., Фахретдинов Х.А., Карпова Т.Н.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119174/05; заявл. 25.04.2013; опубл. 27.11.2014, Бюл. № 33. – 6 с.
[5] Пат. 2535226 Российская Федерация, МПК C 08 G 12/38 C 08 G 12/40 C 08 G 12/32. Способ изготовления пропиточных олигомеров / Цветков В. Е., Зуева М.Ю., Мачнева О.П., Разуваева М.В., Екимова И.А., Екомов Н.Ю., Балюков В.В., Фахретдинов Х.А.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119171/05; заявл. 25.04.2013; опубл. 10.12.2014, Бюл. № 34. – 4 с.
[6] Пат. 2537620 Российская Федерация, МПК C 08 G 12/12 C 08 L 61/32 В 27 N 3/02. Способ изготовления карбамидоформальдегидного олигомера / Цветков В.Е., Цветкова Н.Н., Приорова С.В., Разуваева М.В, Мачнева О.П., Зуева М.Ю., Мачнева Н.А., Мачнев А.П.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119168/05; заявл. 25.04.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1. – 7 с.
[7] Пат. 2547749 Российская Федерация, МПК C 08 L 61/28. Способ изготовления клея для производства водостойкой фанеры / Цветков В.Е., Цветкова Н.Н., Приорова С.В., Разуваева М.В, Мачнева О.П., Зуева М.Ю., Колчев В.И., Колчева Е.В.; заявитель и патентообладатель Цветков В.Е. – № 2013119164/05; заявл. 25.04.2013; опубл. 10.04.2015, Бюл. № 10. – 5 с.
[8] ГОСТ 10632–2014. Плиты древесностружечные. Технические условия.