Модифицирование древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модифицирование древесины - целенаправленное изменение свойств древесины. Методы М. д. условно делятся на физические и химические. М. д. физич. методами заключается в прессовании древесины поперёк волокон, введении в неё инертных материалов, не проникающих в материал клеточных стенок (моно-, олиго-, полимеров, масел, металлов, парафинов и др.), или же в сочетании перечисл. методов. Химич. методы заключаются в воздействии на древесину аминов, ангидридов карбоновых к-т, альдегидов и др. веществ, в т. ч. мономеров и олигомеров, изменяющих состав и свойства материала клеточных стенок.

Обычно сочетаются физич. и химич. методы. Модифицируется чаще всего древесина листв. пород (ольхи, осины, берёзы, бука, клёна и др.). Прессование древесины после предварит. пропаривания, нагревания и (или) обработки щелочами увеличивает её плотность, прочность, жёсткость, твёрдость, ударную вязкость. При воздействии влаги прессованная древесина разбухает и последующая её сушка не восстанавливает приданную ей при прессовании форму, за исключением того случая, когда древесина модифицируется щелочами перед прессованием. Прессованная древесина хорошо гасит вибрации, поглощает абразивные частицы, образующиеся в процессе трения соприкасающихся деталей.

Модифицирование полимерами снижает гигроскопичность, водопоглощение и водопроницаемость древесины, уменьшает её разбухание, повышает прочность, жёсткость и твёрдость, но часто снижает ударную вязкость. Полимеризация мономеров и поликонденсация синтетич. смол (фенолоформальдегидных смол, стирола, сложных ненасыщ. полиэфиров, метилметакрилата и др. и продуктов их модификации) в древесине осуществляются термокаталитическим или радиационным воздействием (напр., 7-излучением).

Модифицирование щелочами в присутствии воды уменьшает жёсткость древесины, повышает разбухание, улучшает декор. вид древесины, так как её цвет меняется от светло - до тёмно-коричневого (для отдельных пород - до чёрного), и повышает плотность.

М.д. уксусным ангидридом (ацетилирование) даёт возможность одновременно повысить биостойкость, уменьшить влаго- и водопоглощение, повысить формостабильность в условиях изменения влажности. По внеш. виду ацетилир. древесина практически не отличается от натуральной. Механич. свойства древесины в результате ацетилирования изменяются незначительно, за исключением нек-рого повышения её хрупкости.

Модифицированная древесина применяется в машиностроении, стр.-ве, судостроении и др. отраслях х-ва.

Модифицирование древесины, целенаправленное изменение св-в древесины. В результате модифицирования (М.) мех. прочность древесины повышается не менее чем в 3 раза, водостойкость-в 2-3 раза, хим. стойкость-в 3-4 раза. Благодаря этому в переработку м. б. вовлечена не только деловая древесина, но и древесина низкого качества, особенно мягких лиственных пород. Модифицированию подвергают обычно заготовки (доски, брусья, пластины, ролики, втулки, кольца и др.), высушенные до влажности 8-25%. Модифицир. древесину применяют для изготовления паркета, деталей мебели, музыкальных инструментов, литейных моделей, ткацких станков и шпулек, элементов наголовников, используемых при забивке свай, как заменитель черных и цветных металлов в деталях машин, эксплуатируемых в узлах трения, и др.

Термомеханическое М. заключается в уплотнении древесины, нагретой сухим или влажным способом до 90°С. Уплотнение осуществляют прессованием при давлении до 50 МПа в одном или одновременно в двух направлениях либо контурным прессованием (напр., продавливанием через конус), а также методом прокатки. Затем заготовки подвергают термообработке в камерах при 100-200°С для снижения влажности и стабилизации их размеров. Продолжительность цикла обработки брусков толщиной 50-60 мм в прессе составляет 3,5-4 ч; уплотнение заготовок м. б. до 50%.

При химико-механическом М. уплотняют древесину, пластифицированную к.-л. хим. в-вом, напр. аммиаком (этот материал наз. лигнамон) или мочевиной (дестам). Лигнамон получают обработкой заготовки газообразным NH3 в течение 2 сут в автоклаве с послед. уплотнением в прессе при 135-145 °С и 2-3 МПа (1,5 мин на 1 мм толщины готового материала), охлаждением до 30-50 °С (0,5 мин на 1 мм толщины) и выдержкой в помещении в течение 5-10 сут. При получении дестама заготовку обрабатывают 30%-ным р-ром мочевины в горячей и холодной ваннах (соотв. в течение 2 и 10-12 ч), сушат в камере при 90-120 °С до влажности 15-20%, уплотняют в прессформе при давлении до 20 МПа и выдерживают 7 ч при 170 °С. Уплотнение заготовок достигает 55%.

Термохимическое М. включает пропитку заготовки (напр., фенолоспиртами, полиэфирными смолами, метил-метакрилатом), ее сушку и отверждение пропиточного состава. В случае применения фенолоспиртов заготовку пропитывают в автоклаве сначала при разрежении ок. 90 кПа, затем при давлении 0,8-0,9 МПа. После удаления избытка пропиточного состава (иногда с применением дополнит. вакуумирования) материал выдерживают 10-12 ч на открытой площадке при 18-23°С, в сушильной камере при 70-120°С (заготовку толщиной 30-40 мм-в течение 9 ч), охлаждают и снова выдерживают при 18-23°С. Средняя продолжительность цикла модифицирования заготовки из березовой древесины составляет 2-3 сут.

Химическое М. предусматривает обработку древесины реагентами, повышающими ее водо- и биостойкость, напр. аммиаком, уксусным ангидридом. При обработке аммиаком древесина темнеет, благодаря чему улучшаются и ее декоративные св-ва. Ацетилированию подвергают древесину, вакуумированную в течение 2-4 ч до остаточного давления 49-98 Па. После подачи жидкого уксусного ангидрида т-ру повышают до 125-130°С и обрабатывают заготовку 30 ч при 0,7 МПа. Остаток ангидрида удаляют сушкой заготовки при 90-100°С и 98-490 Па.

Термообработанная древесина

Термическое модифицирование древесины было известно еще нашим предкам - при изготовлении посуды и прочей деревянной утвари древесину предварительно вываривали в масле. Это придавало ей свойства, которые невозможно было получить при воздушной сушке: древесина практически не впитывала воду, а значит, изделия из нее сохраняли свою геометрию в любых влажностных условиях и были устойчивы к гниению без дополнительной пропитки спец. составами и поверхностной обработки.

В 1987 году в г. Новый - Уренгой Тюменской области (на базе Красноградской УБР) при организации мебельного производства мы, взяв за основу старинный способ обработки древесины, разработали собственную технологию глубокой переработки древесины. Из подготовленного таким образом материала мы делали мебель, спортивные тренажеры и пр.

Параллельно с этим велись многочисленные эксперименты по поиску оптимальных технологических режимов для повышения качества древесины и придания ей различной цветовой окраски (по всей массе заготовки), вплоть до получения цветовой гаммы тропических пород деревьев.

Полученное в результате экспериментов качество материала и потенциальные объемы его производства теперь позволяют нам представить созданный в результате многолетних испытаний продукт на рынок строительных материалов под названием ТМД - Термомодифицированная Древесина.

Термодревесина превосходит традиционные материалы из древесины по ряду важных характеристик:

Практически не впитывает влагу (сохраняет изначальную геометрию изделия при любых климатических воздействиях);

теплопроводность уменьшается и не зависит от влажности окружающей среды;

устойчивость против гниения (без дополнительной обработки антисептиками);

объемный вес ТМД в 2,5 раза ниже обычной древесины;

полученный при термообработке цвет ТМД содержит в полном объеме изделия, что освобождает от его подкрашивания (цветовая гамма от цвета натурального дерева до темно-коричневого);

абсолютно экологически чистое.

Материал открывает новые возможности для работы с деревом в архитектуре и строительстве, дизайне и ландшафтных работах, при внутренней и внешней отделке. Посмотрите на ТМД не как на дерево, а как на новый материал и области применения окажутся безграничны.

Используя материалы из термодревесины, вы помогаете нашей планете. ТМД не сгниет, не потеряет свой внешний вид. Не надо будет вырубать новые леса, чтобы каждые 5-10 лет обновлять свой дом.

Где используется термообработанная древесина?

Благодаря красивому внешнему виду и уникальным свойствам термообработанной древесины ее можно использовать во многих областях, в том числе для внутренней отделки саун, для наружной обшивки строений, устройства полов, как паркетных, так и дощатых, изготовления садовой мебели, лодок, музыкальных инструментов и т.п.

С точки зрения планетарной экологии в качестве материала для полоков в сауне и бане термообработанная древесина (в том числе, хвойных пород) является достойной альтернативой традиционному абашу-самбо, которое растет только в экваториальных вечнозеленых, так называемых, «дождевых» лесах - основном источнике кислорода в атмосфере Земли, которые невозможно восстановить.»

Что происходит с деревом при термообработке?

Смола высыхает или полностью испаряется;

Цвет становиться темным;

Теплопроводность 0-30%;

Поверхностная прочность возрастает;

Способность впитывать влагу уменьшается;

Бактериостойкость увеличивается;

Чувствительность к воздействию неблагопрятных условия окружающей среды уменьшается;

Склонность к деформации на 30-90% ниже по сравнению с необработанной;

Балансовая влажность на 10-50% меньше по сравнению с необработанной;

Меняется клеточная структура дерева, становясь такой, как если бы дерево сушили несколько сотен лет.

свойства пропиточного состава, модифицирующего древесину.

Перспективным методом комплексной защиты от увлажнения, биологических повреждений и возгораний, а также от воздействия агрессивных сред является модифицирование древесины полимерами [1].

Модифицированная древесина является продуктом в котором использован проникающий мономер или низковязкий олигомер, который затем переходит в твердое состояние (полимеризуется) под действием тепла, химических реагентов или ионизирующих излучений [2].

В качестве мономеров были использованы стирол и латекс, а для обеспечения необходимой экологической чистоты применяли полиэфирмалеинатную смолу. Стирол СН=СН₂ является углеводным ароматическим соединением с ненасыщенной боковой группой - СН=СН₂ (ГОСТ 10003-81). Он представляет собой прозрачную однородную жидкость без механических примесей и нерастворенной влагой с вместительностью основного вещества не меньшее 99,6% и плотностью при 20⁰С 0,906 г/см³. Стирол имеет молекулярную массу 104,15, практически не растворяется в воде (0,26 г. на 100 г. воды), но хорошо растворяется в спирте, эфире и других органических растворителях. Винилбензол С₆Н₅СН = СН₂ плавится при 30,6⁰С и имеет температуру кипения 145,2⁰С.

Полимеризация стирола происходит при повышенных температурах в присутствии пероксидных инициаторов. Но уже при температуре 20°С он медленно и самопроизвольно полимеризуется. Это объясняется тем, что стирол окисляется кислородом воздуха, создавая соединения перекисного характера. Эти соединения катализируют дальнейшее окисление мономера и вызывают его полимеризацию. При использовании для пропитки древесины стиролом процесс отверждения пропиточного вещества осуществляется с помощью добавления инициаторов, которые при увеличенных температурах расщепляются на активные радикалы, то есть создаются активные центры полимеризации [3].

Инициатор добавляют к пропиточному веществу непосредственно перед пропиткой древесины. При этом пропитка должна проводиться при температуре, которая выше температуры расщепления инициатора и ниже температуры кипения пропиточного состава.

В процессе получения дерево-полимерного материала в качестве инициатора полимеризации стирола в порах и капиллярах древесины использовался пероксид лаурила (ТУ 6-05-1998-85). Пероксид лаурила представляет собой гранулированный порошок белого цвета. Массовая частица основного вещества не менее 98%, активного кислорода не менее 1,94%, железа не более 0,0008%, воды не более 0,28% и свободных жирных кислот не более 0,75%.

Пероксид лаурила (С₁₁Н₂₃СОО)₂ является продуктом взаимодействия хлористого лаурила и пероксида натрия, имеет молекулярную массу 398,55 г./см³ и следующую структурную формулу:

древесина полимер термообработанный сырье

СН₃ - (СН₂)₁₀ - С - О- О - С - (СН₂)₁₀ - СН₃

Пероксид лаурила применяется в производстве полиэтилена высокого давления, полистирола, полистирольных пластиков, синтетического каучука, при отверждении смол, переработке акрилонитрила и др.

С целью обеспечения экологической безопасности дерево-полимерных материалов, а также технологии их получения была применена новая рецептура пленкообразующей композиции на основе полиэфирмалеинатной смолы (ТУ 6-05-101-59-86).

Полиэфирная ненасыщенная смола ПН-609-21К является безстирольной смолой общего назначения и представляет собой раствор в олигоэфиракрилате ТГМ-З (ТУ 6-16-2010-82) продукта поликонденсации этиленгликоля (ГОСТ 19710 - 83) с малеиновым (ГОСТ 11153 - 75) и фталевым (ГОСТ 7119 - 77) ангидридами, модифицированным ускорителем КІ - раствором Н - бутилфталата кобальта в олигоэфиракрилате ТГМ -3.

Полиэфирмалеинатная смола представляет собой прозрачную вяжущую жидкость розового, зеленоватого или коричневого цвета с условной вязкостью по ВЗ-1 равной 30-45 с при температуре 20 ⁰С и плотностью при этой же температуре 1,15 - 1,19. Время желатизации при 20⁰С составляет 10-50 часов, а при 70⁰С - 20-40 минут. Массовая частица ТГМ-3 составляет 55-65%, металлического кобальта 0,09-0,13%. Максимальная температура в процессе отверждения составляет 150-190⁰С.

Полиэфирная смола ПН-609-21К является горючей пожароопасной жидкостью. Пожароопасность и токсичность смолы определяется компонентом ТГМ-З, входящий в ее состав, который содержит 3% толуола. По токсичности ТГМ-З относится к 4 классу опасности (ГОСТ 12.1.007 - 76), то есть к классу практически нетоксичных соединений. Поэтому полиэфирная смола ПН-609-21К с экологической точки зрения не является токсичной и может использоваться для получения дерево-полимерного материала. При термохимической модификации древесины смола при вышеуказанной температуре отверждается (ОСТ 6-05-431-78).

Разрушающее напряжение отвержденной смолы ПН-609-21К соответственно составляет при растяжении 40,0-60,0, при изгибе 55,0-80,0 и при сжатии 90,0-140,0 МПа. Относительное удлинение при разрыве равняется 1,8-3,3%. Показатель твердости за Бринеллем равен 15-20 кГс/см². Удельная ударная вязкость соответствует 8 кГс/см². Теплоемкость по методу Мартенсона в пределах 50-70⁰С, а по методу Викома 160-175⁰С.

В состав новой пленкообразующей композиции на основе полиэфирмалеината также входят фенолоспирты и бутадиенстирольный каучук.

Бутадиенстирольный каучук получают при общей полимеризации бутадиена (С₄Н₆) и стирола (СН₂ = СН - С₆Н5). Его химическая формула:

[- СН₂ - СН = СН - СН2 - СН₂ - СН -]_n

Это наиболее распространенный каучук общего назначения плотностью 919-944 кг/м³ и границей прочности 19-32 МПа. Относительное удлинение составляет 500-800%, а остаточное - 12-20%. Рабочая температура рекомендуемая для данного каучука - 80-130⁰С, а температура хрупкости находится в границах 48-77⁰С. Наблюдается довольно высокий показатель набухания в смеси бензин-бензола (за 24 часа 200-600%).

Как мономер нами также использовался натуральный латекс (ГОСТ 29081-91). Латекс - молочный сок каучуконосных растений - представляет собой водную дисперсию каучука, содержимое которого достигает 40% [4]. Натуральный латекс содержит воду, каучук, смолы, белки, сахаристые и минеральные вещества. Состав его зависит от возраста дерева, климатических условий, поры года и способа получения, вида грунтов. Характерным есть следующий состав латекса [5]: вода - 60,0%; каучук - 34,0%; белки - 2,0%; смолы -1,7%; сахаристые вещества - 1,6%; минеральные вещества - 0,7%.

Латексы (цис - 1,4 - полиизопрен) - это коллоидные водные дисперсии полимеров, ограничено набухающих в воде с частичками, диаметр которых находится в интервале 50-300 нм.

Товарные натуральные латексы в отличие от природного латекса гевеи представляют собой концентраты с содержимым сухого вещества 60-75%. Они отличаются от исходного латекса тем, что имеют специальные примеси (аммиака, защитных коллоидов и др.), которые вводятся для предотвращения самовольной коагуляции, развития бактериальных процессов, которые обеспечивают способность латекса к долгодействующему сохранению [6].

Натуральный латекс имеет не ярко выраженный голубой или серый цвет. Массовая доля сухого каучука в процентном соотношении не меньше 66%, каучуковых веществ не более 2%, коагулянта 0,05%, шлака 0,10%. Щелочность (NH₃) данного вещества по массе составляет не меньше 0,55%. Концентрация марганца и меди на 1 кг общего содержимого сухого остатка составляет соответственно по 8 мг.

Мировое производство натурального каучука имеет тенденцию к возрастанию. Жесткая централизованная замена натурального каучука на его синтетические аналоги, которые проводилась много лет, стала к этому времени практически нецелесообразной, поскольку внутренние цены на синтетический каучук уравнялись с ценами на импортный натуральный каучук.

На основе синтетических полимеров и древесины изготавливают: древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанеру, клееные деревянные конструкции, древесные прессовочные массы и другие изделия. Технологические преимущества и особые свойства синтетических полимеров позволяют использовать их для производства мебели, облицовочных деталей, изготовлении декоративных и отделочных материалов.

Полимеры также входят основной частью в состав клеевых композиций. Клеи представляют собой простые или сложные композиции, способные при определенных условиях соединять друг с другом однородные или разнородные материалы за счет сил адгезии. Кроме полимерного материала, в состав композиции могут входить растворители, наполнители, пластификаторы или катализаторы отверждения, стабилизаторы, пенообразователи. Эти вещества в клеевых композициях имеют различное назначение: растворители понижают вязкость и увеличивают жизнеспособность полимерного связующего; наполнители повышают вязкость, уменьшают усадку, влияют на гидрофобность клея и удешевляют его; пластификаторы уменьшают хрупкость композиции, увеличивают ее подвижность; отвердители обеспечивают образование трехмерной структуры; замедлители или стабилизаторы снижают скорость отверждения и увеличивают жизнеспособность композиции, пенообразователи увеличивают расход клея, снижая его расход.

Полимеры широко используются в производстве лакокрасочных материалов, например, на основе модифицированных меламиноформальдегидных полимеров при совмещении с полиэфирами получены лаки, устойчивые к действию влаги и химических реагентов. Пленки на их основе выдерживают нагревание до 2600С без изменения свойств.

В настоящее время полимерные материалы находят большое применение в мебельной промышленности. Обладая высокой формуемостью и рядом ценных свойств, пластмассы на основе полимеров делают возможным создание новых оригинальных конструкций мебели.

Требования к полимерам, используемым в производстве древесных материалов.

Назначение изделия из древесного сырья, условия его эксплуатации определяют выбор синтетического полимера, используемого в качестве связующего, клея или пленкообразователя. В зависимости от вида древесного материала и области его применения к синтетическим полимерам предъявляют различные требования: обеспеченность сырьевой базой, простота и дешевизна изготовления, стабильность при хранении, нетоксичность рабочих растворов связующих, клеев и лаков, высокая скорость и простота переработки, необходимая адгезионная и когезионная прочность, удовлетворительная теплостойкость и водостойкость, биологическая устойчивость и безвредность. Кроме перечисленных, к полимерам предъявляют дополнительные требования, обусловленные особенностями производства и назначением готовых изделий на их основе. Так, при изготовлении древесных материалов с нагревом (древесностружечные и древесноволокнистые плиты, изделия из пресс композиций) необходимо, чтобы полимерное составляющее их было достаточно термостабильно.

При изготовлении фанеры, клееной древесины, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности, применяемые клеи после отверждения должны иметь повышенную водостойкость. Для этих целей применяют клеи, приготовленные из олигомеров на основе различных фенолов и формальдегида или фурфурола, меламина и формальдегида, а также некоторые модифицированные карбамидоформальдегидные олигомеры. Олигомеры, применяемые для облицовывания и склеивания деталей ir узлов мебели, должны быть бесцветными, не вступать во взаимодействие с компонентами древесины, приводящее к образованию окрашенных пятен.

Для склеивания в поле токов высокой частоты олигомеры должны обладать необходимыми электрическими свойствами и высокой скоростью отверждения. Этим требованиям отвечают некоторые марки карбамиде и меламиноформальдегидных олигомеров. В производстве древеснослоистых пластиков электромеханического назначения необходимо исключить наличие связующих оснований и кислот, солей и других соединений, снижающих диэлектрические свойства материала. Олигомеры, применяемые для изготовления тары под пищевые продукты, а также материалов для жилищного строительства и отделки, не должны содержать вредных веществ (фенола, формальдегида, анилина), которые оказывают токсическое действие на организм человека.

Требования на когезионные и адгезионные свойства полимеров во многом зависят от их структуры, химического состава и молекулярной массы, а также природы склеиваемого материала и состояния его поверхности. При образовании любого композиционного материала, в том числе и древесного, необходимо, чтобы когезионная прочность связующего или клеевого соединения не уступала прочности наполнителя или субстрата.

Когезионная прочность адгезива (клеящего вещества) наполнителя или субстрата определяется совокупностью взаимодействия атомов, звеньев или сегментов макромолекул. Поэтому когезионная прочность - индивидуальная характеристика каждого вещества, зависящая от его химического состава и строения. Рассматривая связь химического строения и структуры полимеров с их клеящими свойствами, можно заметить, что на адгезионные и, в некоторой степени, когезионные свойства влияет природа функциональных групп олигомерных и полимерных соединений.

Для создания высокопрочного материала или клеевого соединения необходимо присутствие в связующем (клее) и в наполнителе (субстрате) полярных или способных поляризоваться групп.

Неполярные полимеры с высокой молекулярной массой, обладая высокой когезионной прочностью, не обеспечивают удовлетворительную адгезионную прочность из-за плохой растворимости и высокой температуры плавления. Лучшую адгезионную прочность дают высшие олигомергомологи, содержащие полярные реакционноспособные группы, которые в условиях изготовления материала образуют пространственную структуру.

Специфической особенностью целлюлозных материалов (древесины, бумаги) является их пористость, наличие большого числа функциональных групп, а также подверженность гидролизу при применении связующих и клеев, содержащих кислотные компоненты. При склеивании древесины и получении композиционных материалов с использованием карбамиде-, мела-мино- или фенолоформальдегидных олигомеров адгезионная прочность возникает дополнительно за счет химического взаимодействия метилольных групп синтетического олигомера и гидроксильных групп древесины.

Применение полиизоционатных и полиуретановых клеев позволяет прочно склеивать целлюлозные материалы в результате химического взаимодействия между изоционатными группами клея и гидроксилами целлюлозы. Хорошие результаты дают эпоксидные олигомеры при использовании их для склеивания древесины и других целлюлозных материалов, что также обусловлено химическим взаимодействием между функциональными группами клея (связующего или лака) и субстрата.

Поверхностное натяжение клея можно изменить химическим модифицированием его полимерной основы. Так, при фторировании эпоксидного олигомера поверхностное натяжение клей-воздух снижается в 2 раза, и таким клеем могут быть склеены любые полимерные материалы. Поэтому при склеивании древесины и древесных материалов необходимо подбирать клей, исходя из его способности смачивать их поверхности и минимального краевого угла смачивания.

Смачиваемость можно регулировать, добавляя в клеи поверхностно-активное вещество, разбавители, пластификаторы, наполнители и другие добавки. При выборе олигомерной и полимерной основы древесного материала необходимо учитывать их релаксационные характеристики.

Причиной возникновения адгезии является действие межмолекулярных сил или сил химического воздействия между клеем (адгезивом) и склеиваемым материалом (субстратом). Если связь осуществляется между однородными материалами, говорят о действии аутогезионных сил, а само явление называют аутогезией (автогезией).

Почти все применяемые в практике адгезивы представляют собой полимерные системы, за исключением неорганических веществ типа цементов и припоев. Об адгезии (аутогезии) обычно судят по работе разрушения адгезионнбго слоя, т.е. по адгезионной прочности, которую определяют методами отрыва или расслаивания одной части адгезионного соединения от другой. Характеристикой адгезионной прочности служит не только усилие разрушения клеевых соединений, но и предел прочности пластиков при изгибе и растяжении.

Размещено на Allbest.ru