Модифицированные карбамидоформальдегидные смолы при изготовлении древесностружечных плит

Аннотация: В статье рассматривается процесс химического модифицирования с помощью параформальдегида карбамидоформальдегидных смол, предназначенных для получения высококачественных древесностружечных плит, кроме того, полученные смолы, при разработке режимов и технологии изготовления, могут применятся для изготовления и других древесно-композиционных материалов. 

Чаще всего при синтезе карбамидоформальдегидных смол (КФС) формальдегид применяется в виде водного раствора 37 %-ой концентрации. Этот раствор называется формалином. Этот продукт имеет широкое применение и в других сферах.

На заводах по производству синтетических смол формалин обычно приходится некоторое время хранить в цистернах, находящихся на улице. Процесс хранения может быть иногда длительным и может протекать в холодное время года, следовательно, время и температура хранения формалина могут оказывать влияние на его свойства и не в лучшую сторону [1, 2].

Таким образом, при длительном хранении формалина в холодное время года образуется осадок белого цвета с резким удушливым запахом формальдегида, представляющий собой низкомолекулярные полиоксиметиленгликоли общей формулой HO(CH₂O)nH, где n>10. Полиоксиметиленгликоли имеют и другие названия, например, параформальдегид или параформ. Также известно, что переработка этого продукта затруднена, так как он не растворяется в воде (и других доступных растворителях) и плавится с разложением при температуре около 140 ^оC, поэтому утилизация параформальдегида путем его растворения или сжигания не является эффективной, поскольку сразу же возникают попутные проблемы, связанные с экологией [1, 2].

В данной работе предлагается способ «утилизации» параформальдегида путем его использования при синтезе КФС, как продукта, содержащего формальдегид и позволяющего заменить собой часть формалина, тем самым сэкономить сырье, благодаря чему себестоимость готовой смолы будет заметно снижена [3].

Основной целью данной работы является разработка рецептуры и условий синтеза КФС, модифицированной параформальдегидом (параформом).

Параформальдегид представляет собой бесцветное твердое вещество (иногда в виде порошка), содержащее 90…95 % формальдегида, плавящееся с разложением в интервале температур 120…160 ^оC.

Известно, что деполимеризация параформальдегида происходит при нагревании в присутствии щелочного или кислого катализаторов. Скорость растворения в воде (скорость гидролиза) зависит от температуры, кислотности среды и степени полимеризации.

В процессе изучения условий деструкции параформальдегида было установлено:

1) параформальдегид деполимеризуется под действием щелочей (40 % едкого натра), минеральных и органических кислот при рН=2,0…2,3;
2) устойчивые продукты деполимеризации образуются при растворении в кислоте и последующей нейтрализацией щелочью;
3) наиболее полное растворение (гидролиз) параформальдегида происходит в кислой среде в присутствии многоатомных спиртов при температуре 40…60 ^оC.

Схема реакции может быть представлена в следующем виде:

1) деполимеризация (CH₂O)n → n(CH₂O);
2) взаимодействие с многоатомными спиртами
2nCH₂O + n(HO – R – OH)→HO – (– CH – O – R – O – CH –)n – OH.

Такие соединения ведут себя как водные растворы формальдегида, поэтому при синтезе КФС их можно использовать как самостоятельные продукты, так и в смеси с формалином.

Синтез КФС в присутствии параформальдегида может осуществляется по двум направлениям:

1) карбамид + параформальдегид;
2) карбамид + параформальдегид + формалин.

Поскольку количество образующегося параформальдегида значительно меньше объема перерабатываемого формалина были разработаны условия синтеза карбамидных смол по 2–ой схеме, а именно: на основе карбамида, формалина и параформальдегида.

С целью определения оптимальной рецептуры получения карбамидных смол, модифицированных параформальдегидом, синтез проводился при различных мольных соотношениях карбамида к формальдегиду (К:Ф) равном 1:1,4…1:2 [3, 4].

Свойства полученных смол представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства модифицированных КФС

Анализ табл. 1 позволяет заключить, что наличие в смолах параформальдегида приводит к улучшению их свойств, а именно: при аналогичных мольных соотношениях К:Ф другие КФС, без введения параформальдегида, имеют более высокие показатели по содержанию свободного формальдегида, поэтому, полученные смолы являются менее токсичными при указанных мольных соотношениях, хотя эти мольные соотношения невозможно назвать низкими, следовательно, проведенные эксперименты указывают на наличие модифицирующего эффекта при введении параформальдегид при синтезе карбамидных смол.

Кроме того, смолы, синтезированные на основе карбамида и параформальдегида, отличаются не только низким содержанием свободного формальдегида, но и высокой клеящей способностью, и повышенной водостойкостью.

ДСтП, полученные на основе карбамидной смолы с мольным соотношением КФ = 1 : 1,4, характеризуются следующими физико-механическими показателями:

1) предел прочности при статическом изгибе – 20…25 МПа;
2) предел прочности перпендикулярно пласти плиты – 0,5…0,7 МПа;
3) разбухание по толщине плиты – 18…20 %;
4) выделение формальдегида по перфоратору – 5,0…6,5 мг/100 г абсолютно сухой плиты.

На основании представленных результатов можно сделать следующие выводы: модифицированная смола, синтезированная при общем мольном соотношении карбамида и формальдегида 1:1,4, содержит 0,10 % свободного формальдегида, в то время как обычные карбамидоформальдегидные смолы при этом же мольном соотношении содержат 0,4…0,6 % свободного формальдегида; ДСтП по физико-механическим показателям соответствуют ГОСТ 10632–2014 и евростандарту EN 312; содержание свободного формальдегида соответствует классу Е1 (менее 8 мг/100 г абсолютно сухой плиты)[1][2][3][4][5].

При разработке режимов и технологий получения с применением рассмотренных в статье КФС возможно создание и других древесных композиционных материалов, обладающих высокими физико-механическими показателями и являющихся низкотоксичными.

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., 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.

 

Материал поступил в редакцию 10.08.2018
© Мачнева О. П., 2018