Клеевая композиция для склеивания древесины (с лигнином) Российский патент 2023 года по МПК C09J161/10 C09J103/02 C09J11/04 C09J11/06 C08L61/10 

Изобретение относится к деревоперерабатывающей промышленности, в частности к клеевым композициям, использующимся для склеивания древесных материалов, в частности, фанеры, шпона, древесноволокнистых плит и других эквивалентных материалов.

Клеи на основе синтетических смол, в частности, фенолформальдегидных смол, характерны тем, что они обеспечивают образование наиболее прочных и водостойких клеевых соединений. Опыт промышленного применения таких клеев показывает, что материалы, склеенные этими клеями, приобретают способность хорошо переносить переменные воздействия влажности и температуры окружающей среды. Особое место среди указанной группы составов занимают клеи, увеличивающиеся в объеме в процессе отверждения за счет частичного вспенивания (подвспенивания).

Так, из уровня техники RU 2345103 C2, 27.01.2009 известна клеевая композиция, являющаяся вспениваемой, в том числе, для многослойной фанеры, содержащая смолу в количестве 40-80% мас., наполнитель, в частности, мел, мука, крахмал, карбонат калия(поташ) и другие, в количестве 5-30% мас., воду в количестве от 0 до 40% мас. и пенообразователь в количестве 0,1-10% мас. Такой клей не является вязким, и он легко растекается.

Из WO 2019202478 А1, 24.10.2019 известен клей для производства фанеры, включающий фенолформальдегидную смолу, раствор лигнина, наполнитель/отвердитель и воду. Такой клей обеспечивает повышение адгезионных свойств и снижение расхода фенолформальдегидной смолы при увеличении расхода такого возобновляемого материала, как лигнин. Однако в указанном клее отсутствует такой важный компонент, как карбамид, который непосредственно влияет на прочностные свойства клея.

Также из уровня техники GB 1504451, 22.03.1978 известен клеевой состав для склеивания древесных материалов, содержащий фенолформальдегидную смолу, раствор сульфата лигнина, наполнитель, состоящий из древесного порошка, мела и пшеничной муки, и воду. Указанный состав не обеспечивает заданную прочность склеивания.

Из уровня техники известен патент RU 2113982 C1, 27.06.1998, в котором описана сухая порошкообразная клеевая смесь компонента A, состоящего из 90-93 мас. % твердой фенолформальдегидной смолы и 7-10 мас. % уротропина, с гидролизным лигнином и карбамидом в соотношении, мас. %: компонент A - 40-95, гидролизный лигнин - 5-60, карбамид - 0,5-5. Недостатками указанного клея является высокий расход фенолформальдегидной смолы, низкие эксплуатационные свойства, а также узкая направленность при использовании такого состава клея для улучшения огнестойкости фанеры при применении антипиренов.

Кроме того, из литературных данных (ВАРАНКИНА Г.С. Формирование низкотоксичных клееных древесных материалов, Дисс. на соискание уч.ст. д.т.н., СПб, 2014, С. 32) известно, что применение свыше 20 % наполнителя (по объему) позволяет уменьшить расход базового полимерного связующего, в частности смолы, при производстве клеевых композиционных материалов.

В качестве ближайшего аналога заявленного изобретения можно использовать источник информации CA 2981722 А1, 20.10.2016, описывающий клеевые композиции для фанеры, в которых часть фенолформальдегидной смолы заменена на различные щелочные растворы лигнина. Такие композиции содержат также пшеничную муку, наполнитель, карбонат натрия и растворитель. При этом использование растворов лигнина позволяет увеличить вязкость клея и утилизировать отходы в виде лигнина. Однако не позволяет увеличить прочностные свойства, в том числе, устойчивость к воздействию внешних условий окружающей среды.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение расхода фенолформальдегидной смолы при одновременном увеличении прочностных свойств клеевой композиции в том числе, при изменяющихся температурно-временных условиях окружающей среды.

Указанный технический результат достигается за счет использования клеевой композиции для склеивания древесины, содержащей фенолформальдегидную смолу, муку, наполнитель - раствор лигнина и воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит мел и карбамид при следующем соотношении исходных компонентов, % мас.:

фенолформальдегидная смола - 50-60

мел - 5-10

мука - 3-5

карбамид - 1-5

раствор лигнина - 15-25

вода - остальное до 100.

В качестве фенолформальдегидной смолы могут быть использованы смолы марки СФЖ-3014 по ГОСТ 20907, а также различные смолы других производителей.

В качестве муки клеевая композиция может содержать муку ржаную хлебопекарную, сорт обдирная по ГОСТ 7045.

Также используется мел марки ММС-2 по ГОСТ 12085 в качестве инертного наполнителя клея. Допускается использовать мел других марок и по другим нормативным документам.

Также в заявленном изобретении используется в качестве активного наполнителя карбамид марки А, высший сорт по ГОСТ 2081 и калий углекислый технический (поташ) по ГОСТ 10690.

В качестве растворителя применяется вода очищенная или техническая (далее - вода).

Содержание смолы, воды и муки влияет на вязкость клеевого состава и обеспечивает достаточное «время жизни» без ухудшения потребительских свойств. Снижение концентрации смолы, равно как и увеличение содержания воды приводит к непроклею в древесине, обратная ситуация способствует увеличению вязкости и нарушении режима текучести, что приводит к повышенному расходу клея или полной остановке производства.

Содержание муки в указанном диапазоне также обеспечивает достаточную степень холодной подпрессовки. Уменьшение содержания не позволяет точно контролировать вязкость состава, не обеспечивает холодную подпрессовку. Увеличение содержание муки приводит к неконтролируемому изменению вязкости, образованию агломератов твердой фазы, нарушению режима склеивания композита.

Мел применяется в качестве наполнителя для минимизации фактора парового удара при горячем прессовании, а также с целью удешевления технологии производства. Изменение его содержания в большую сторону приводит к уменьшению прочности клеевого шва, в меньшую - повышенному расходу смолы и клеевого состава соответственно.

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что использование в качестве активного наполнителя раствора лигнина в 10%-ном NaOH разной концентрации совместно с добавленным карбамидом в небольшом количестве обеспечивает улучшение прочностных свойств клея. Возможно, данный факт связан с синергетическим эффектом совместного использования карбамида с раствором лигнина. При этом изменение количеств указанных компонентов приводит к снижению прочности склеивания и ухудшению адгезионных характеристик.

Были приготовлены четыре различных раствора лигнина в 10 мас. % NaOH. Концентрации лигнина составляли 10, 15, 20 и 25 мас. %. Растворы перемешивали до полного диспергирования лигнина. Через несколько часов лигнин в растворах лигнина с 10 мас. %, 15 мас. % и 20 мас. % полностью диспергировался, и растворы выглядели стабильными. Лигнин в 25 мас. % растворе было труднее диспергировать, и осадок всегда присутствовал. Поэтому для дальнейших исследований использовали стабильные растворы лигнина в 10%-ном растворе NaOH с концентрацией 10-20 мас.

Далее описаны конкретные примеры выполнения изобретения.

Пример 1. Изготавливали клеевую композиции для склеивания древесины. Для этого сначала готовили жидкую фазу путем смешивания смолы СФЖ-3014 в количестве 60% мас. с водой в количестве 11% мас. Одновременно готовили суспензию, состоящую из мела в количестве 7,0% мас., карбамида в количестве 3% мас. и 10%-ного раствора лигнина в NaOH в количестве 15% мас., которые смешивались отдельно до получения однородной массы в виде суспензии.

Полученная суспензия постепенно добавлялась в жидкую фазу при непрерывном перемешивании. Дальнейшее перемешивание осуществлялось до достижения однородного состояния клеевой массы. Для контроля вязкости клеевого состава, одновременно с твердой фазой подавалась ржаная мука в количестве 4,0%. Вязкость клея составила 450 сП при 25°С.

Пример 2. Изготавливали клеевую композиции для склеивания древесины. Для этого сначала готовили жидкую фазу путем смешивания смолы СФЖ-3014 в количестве 50% мас. с водой в количестве 10% мас. Одновременно готовили суспензию, состоящую из мела в количестве 8,0% мас., карбамида в количестве 4% мас. и 10%-ного раствора лигнина в NaOH в количестве 25% мас., которые смешивались отдельно до получения однородной массы в виде суспензии.

Полученная суспензия постепенно добавлялась в жидкую фазу при непрерывном перемешивании. Дальнейшее перемешивание осуществлялось до достижения однородного состояния клеевой массы. Для контроля вязкости клеевого состава, одновременно с твердой фазой подавалась пшеничная мука в количестве 3,0%. Вязкость клея составила 400 сП.

Пример 3. Изготавливали клеевую композиции для склеивания древесины. Для этого сначала готовили жидкую фазу путем смешивания смолы СФЖ-3014 в количестве 55% мас. с водой в количестве 10% мас. Одновременно готовили суспензию, состоящую из мела в количестве 7,0% мас., карбамида в количестве 4% мас. и 10%-ного раствора лигнина в NaOH в количестве 20% мас., которые смешивались отдельно до получения однородной массы в виде суспензии.

Полученная суспензия постепенно добавлялась в жидкую фазу при непрерывном перемешивании. Дальнейшее перемешивание осуществлялось до достижения однородного состояния клеевой массы. Для контроля вязкости клеевого состава, одновременно с твердой фазой подавалась ржаная мука в количестве 4,0%. Вязкость клея составила 430 сП.

Аналогичные эксперименты были проведены с 15%-ным раствором лигнина в NaOH, при этом показано, что концентрация раствора лигнина практически не влияла на вязкость полученных клеевых композиций.

Далее для изучения прочностных и адгезионных свойств клеевые составы, полученные по примерам 1-3, наносились на поверхность шпона в количестве 150-160 г/м².

Преимущества заявленного изобретения доказываются путем сравнения прочностных характеристик клеевой композиции по аналогу, где использовали клеевую композицию, содержащую фенолформальдегидную смолу в количестве 80% мас., лигнин в количестве 20% мас. и дополнительно вносили карбамид в количестве 30% мас. (вязкость 450 сП) и клеевых композиций, полученных по примерам 1-3.

Прочность образцов на скалывание определялась в соответствии с межгосударственным стандартом ГОСТ 33120-2014. «Конструкции деревянные клееные. Методы определения прочности клеевых соединений». Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты испытания прочности клеевых соединений

Образцы клеевых композиций Среднее значение прочности клеевых соединений на скалывание вдоль волокон, МПа, по результатам испытаний склеивания 20 образцов соснового шпона Не подвергавшихся циклам ускоренного старения После 40 циклов ускоренного старения по ГОСТ 33120-2014 Аналог 4,8 3,8 Пример 1 5,1 4,1 Пример 2 5,3 4,3 Пример 3 5,5 4,4

Относительную прочность клеевых соединений рассчитывали с погрешностью 1% по формуле: А=(σц/σк)*100%

где σц - среднее арифметическое результатов испытаний образцов после цикличных температурно-влажностных воздействий; σк - среднее арифметическое результатов испытаний контрольных образцов. Группу стойкости клеевых соединений к цикличным температурно-влажностным воздействиям определяют в зависимости от их относительной прочности: - при А до 30% - низкая стойкость; - при А от 30 до 60% - средняя стойкость; - при А более 60% - повышенная стойкость.

Расчетная относительная прочность клеевых соединений по аналогу составила 79,16%, для клеевой композиции по примеру 1 - 80,39%, для клеевой композиции по примеру 2 - 81,13%, для клеевой композиции по примеру 3 - 80,0%.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать следующие выводы:

- предел прочности опытных клеевых композиций при скалывании вдоль волокон выше, чем у клеевой композиции по аналогу;

- относительная прочность опытных клеевых соединений незначительно отличается от контрольного, полученного по аналогу. Однако расход ингредиентов, в частности карбамида и смолы значительно ниже в настоящем изобретении гораздо ниже, чем в аналоге.

Таким образом, полученные клеевые композиции обладают высокими прочностными свойствами при сниженном расходе исходных ингредиентов для приготовления клеевой композиции.

Изобретение относится к клеевым композициям, использующимся для склеивания древесных материалов. Предложена клеевая композиция для склеивания древесины, содержащая фенолформальдегидную смолу, муку, раствор лигнина, карбамид, мел и воду. Технический результат - снижение расхода фенолформальдегидной смолы при одновременном увеличении прочностных свойств клеевой композиции в том числе, при изменяющихся температурно-временных условиях окружающей среды. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Клеевая композиция для склеивания древесины, содержащая фенолформальдегидную смолу, муку, наполнитель - раствор лигнина и воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит мел и карбамид при следующем соотношении исходных компонентов, % мас.:

фенолформальдегидная смола 50-60 мел 5-10 мука 3-5 карбамид 1-5 раствор лигнина 15-25 вода остальное до 100

2. Клеевая композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве муки используют ржаную или пшеничную муку.

3. Клеевая композиция по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что используется для склеивания древесины, выбранной из фанеры, шпона, древесно-волокнистых плит и других эквивалентных материалов.