Низкотоксичные карбамидные смолы для древесных материалов

Аннотация: В статье представлены результаты научно-исследовательской работы, посвященной разработке технологии получения синтетических смол на основе карбамида, формальдегида и раствора параформальдегида, предназначенных для получения древесностружечных плит (ДСтП) и других древесных плитных материалов.

Вопрос о получении низкотоксичных древесных материалов, несмотря на многочисленные работы [1, 5, 6, 7], посвященные данному вопросу, все еще остается актуальным и требующим комплексного подхода к его решению.

На свойства древесных плит может оказывать влияние множество различных факторов. На каждой операции процесса производства необходимо четкое соблюдение всех технологических режимов (температура и давление прессования, время выдержки, расход связующих веществ). От свойств связующего во многом зависят такие параметры древесных плит, как прочность, водостойкость, токсичность и другие показатели. Также известно, что многие современные синтетические смолы все еще имеют определенные существенные недостатки, устранить которые возможно, чаще всего, только путем модифицирования и доработки условий синтеза.

Данная работа посвящена вопросам модифицирования карбамидоформальдегидных смол (КФС), широко применяемых в деревообрабатывающей промышленности в качестве основ для клеев и пленкообразующих веществ. Карбамидные смолы имеют среднюю водостойкость и несколько повышенную токсичность. Современные низкомольные КФС обладают низкой токсичностью, еще более низкой водостойкостью и клеящей способностью. В таких случаях модифицирование связующих является необходимостью, поскольку они не позволят получать высококачественные древесные материалы.

Ранее были проведены исследования, в результате которых получили КФС [1, 9], отличающиеся высокой клеящей способностью, несколько повышенным содержанием свободного формальдегида и повышенной водостойкостью [2].

Это были предварительные исследования, доказывающие возможность применения растворов низкомолекулярных полиоксиметиленгликолей (параформальдегида – продукта, выпадающего в осадок при хранении формалина) при синтезе КФС [3, 4, 8]. Повышенное содержание формальдегида объясняется тем, что смолы были синтезированы при высоком мольном соотношении карбамида к формальдегиду, равном 1 : 2 (К : Ф = 1 : 2).

Исследования настоящей работы были направлены на получение низкотоксичных КФС, имеющих более низкое мольное отношение карбамида к формальдегиду, свойства которых должны соответствовать всем необходимым требованиям, что позволит получать высококачественные древесные композиционные материалы. Также важно отметить, что на свойства материалов оказывают влияние не только связующие, но и природа отвердителей, применяемых при их изготовлении [5, 6, 10].

В данных исследованиях модификатором карбамидных смол является раствор параформальдегида. Все особенности по его приготовлению были подробно описаны в работах [1, 2, 9]. В указанных работах представляется ряд различных растворов параформальдегида.

Растворение параформальдегида является достаточно длительным процессом. Известно, что он не способен растворяться ни в одном из известных и доступных растворителей, однако, такие растворители были получены путем многочисленных экспериментов. Растворение проводилось как при повышенной, так и при температуре окружающей среды. Для производственных условий наибольший интерес представляет растворение при естественных условиях, поскольку не всегда есть возможность проводить растворение с обогревом в больших масштабах. В естественных условиях полученные составы растворяют параформальдегид в среднем в течении двух недель, но здесь есть одно условие – температура окружающей среды не должна быть ниже 15 °С, поскольку при низких температурах параформальдегид выпадает в осадок.

В данном случае был выбран только один раствор, свойства которого представлены в табл. 1. Выбор данного раствора был сделан исходя из длительности растворения параформальдегида, которая была минимальной по сравнению с другими растворами.

 Таблица 1

Свойства раствора параформальдегида

В присутствии указанного в табл. 1 раствора были получены КФС при общих мольных соотношениях К : Ф = 1 : 2…1 : 1,4.

Сущность получения модифицированных смол заключается в том, что определенная часть формалина заменяется раствором параформальдегила, и, как следствие, наблюдается заметная экономия формалина и снижение себестоимости готовых смол.

В данном случае синтез карбамидных смол осуществляется по следующей схеме: [Формалин + РП] + карбамид.

Свойства полученных смол с различными мольными соотношениями исходных мономеров представлены в табл. 2.

 Таблица 2

Свойства модифицированных смол

Анализируя табл. 2, можно заключить следующее: смола при К : Ф = 1 : 1,4 обладает наилучшими свойствами по сравнению со смолами, полученными при других мольных соотношениях карбамида и формальдегида. Это выражается в понижении содержания свободного формальдегида при сохранении других высоких характеристик. Указанное мольное соотношение на сегодняшний день не является низким, но свойства модификатора и разработанные условия получения позволяют синтезировать смолы с хорошей клеящей способностью и сниженной токсичностью. Дальнейшее понижение мольного соотношения смысла не имеет, поскольку в результате смолы утратят хорошую клеящую способность и водостойкость. С применением выбранной смолы были изготовлены ДСтП при следующих режимах прессования: давление – 2,5 МПа, температура – 180 °С, время выдержки в горячем прессе – 0,35 мин/мм толщины плиты, расход связующего – 12 %. Отвердитель – хлорид аммония в количестве 1 % по сухому веществу. Полученные ДСтП характеризуются свойствами, представленными в табл. 3.

 Таблица 3

Свойства ДСтП на основе КФС при К : Ф = 1 : 1,4

Согласно данным, приведенным в табл. 3, полученные плиты обладают достаточно высокими прочностными свойствами, как при изгибе, так и при разрыве, низким разбуханием и классом токсичности Е1 (менее 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты).

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что предлагаемая технология модифицирования КФС позволяет получать низкотоксичные древесные материалы, в данном случае, это древесностружечные плиты. Но, исходя из этого, можно предположить, что модифицированная карбамидная смола обеспечит возможность получения и других древесных материалов, например, фанеры или пластиков, обладающих высокими показателями качества.

Список литературы
1. Мачнева О. П. Древесностружечные плиты на основе карбамидоформальдегидных смол, модифицированных параформом: дис. канд. техн. наук. М. : МГУЛ, 2006. 178 с.
2. Мачнева О. П. Древесностружечные плиты на основе карбамидоформальдегидных смол, модифицированных параформом: автореф. дис. … канд. техн. наук. М. : МГУЛ, 2006. 18 с.
3. Цветков В. Е., Мачнева О. П. Исследование процессов химической деструкции параформа при синтезе карбамидоформальдегидных олигомеров // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. 2007. № 6 (55). С. 106–113.
4. Цветков В. Е., Мачнева О. П. Исследование влияния поверхностно-активных добавок на поверхностное натяжение модифицированных пропиточных олигомеров // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. 2011. № 5(81). С. 135–137.
5. Цветков В. Е., Пасько А. С., Тесовский А. А., Мачнева О. П., Семочкин Ю. А. Особенности изготовления декоративных бумажно-слоистых пластиков на основе меламиноформальдегидных смол // Строительные материалы. 2016. № 7. С. 71–73.
6. Мачнева О. П., Екимова М. Ю., Виклов Р. И., Дюжаков Д. С. Пропиточные смолы для производства ламинированных древесностружечных плит // Научно-техническая конференция МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана. Тезисы докладов. 2017. С. 144–146.
7. 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.
8. Мачнева О. П. Модифицированные карбамидоформальдегидные смолы при изготовлении древесностружечных плит // Наука без границ. 2018. № 8(25). С. 15–18.
9. Мачнева О. П. Растворенный параформальдегид при синтезе карбамидных смол // Наука без границ. 2018. № 9(26). С. 14–18.
10. Мачнева О. П. Влияния различных отвердителей на свойства древесностружечных плит // Наука без границ. 2018. № 10 (27). С. 57-61.

 Материал поступил в редакцию 02.11.2018
© Мачнева О. П., 2018