Патент на изобретение №2378287

(54) КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ И СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области композиционных материалов на основе лигноцеллюлозного сырья, в частности к пресс-композициям, и может быть использовано в деревопереработке и строительстве. Композиционный материал получают из связующего – ацетилированной древесины осины с дополнительным введением добавки – порошкообразного неорганического вещества из группы: Al, AlCl₃*6H₂O, Al(ОН)₃ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%: Лигноцеллюлозное связующее – от 30 до 70, добавка – остальное. Изобретение способствует расширению составов композиционных материалов, увеличению прочности, термостойкости и водостойкости композитов. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно к композиционным материалам на основе лигноцеллюлозного сырья, и может быть использовано при изготовлении композиционных материалов (термостойких, пожаробезопасных покрытий для стеновых панелей, мебели, отделочных декоративных покрытий, электропроводящих потолочных панелей) для деревообрабатывающей и строительной промышленности.

Композиционные материалы такого типа представляют собой составы на основе термопластичного или другого связующего, наполнителя и различных добавок.

Рассмотрим известный композиционный материал для древесно-стружечных плит, где в качестве связующего используется карбамидоформальдегидная смола, в качестве наполнителя – древесные опилки или стружка, а для улучшения механических характеристик в материал вводят добавку стеарокса и других веществ [А.С. 1416499, Кл. C08L 97/02, 1986]. Несмотря на комплекс положительных характеристик, этот материал имеет низкую экологичность. Указанный недостаток аналога может быть устранен использованием связующих других типов.

Известно, что изготовление древесно-минеральных композиционных материалов на основе целлюлозосодержащего заполнителя, включающее обработку его химическими добавками (жидким стеклом, хлористым кальцием и др.) и совмещении с минеральным вяжущим, например портландцементом, и последующим формованием и окончательной обработкой изделий [Щербаков А.С., Мельникова Л.В., Гамова И.А. Технология древесных композиционных материалов. – М.: Экология, 1992, С.10-74]. Использование портландцемента в качестве связующего позволяет получить более экологичные материалы. Однако и этот аналог имеет недостатки: сложная технология изготовления изделий, низкие физико-механические показатели материала и низкая водостойкость.

Из известных композиционных материалов на основе целлюлозосодержащего сырья наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является полимерная композиция, включающая 10-30 мас.% термопластичного связующего и измельченную древесину, причем в качестве связующего в составе применяется смешанный сложный эфир целлюлозы, уксусной и алифатической кислот [Патент РФ 2092507, Кл. C08L 97/02, 1997]. Несмотря на то, что прототип устраняет основные недостатки описанного выше аналога – повышает прочность материалов при изгибе, водостойкость и упрощается процесс приготовления композиции, ему также присущи недостатки: низкая температура эксплуатации и слабая теплопроводность, что ограничивает область применения композиционного материала в строительстве при изготовлении изделий из композиционных материалов.

Основная задача заявляемого изобретения – создать композиции для получения композиционных материалов, обладающие водостойкостью, высокой прочностью и электропроводностью, огнестойкие и пожаробезопасные для применения в деревообрабатывающей и строительной промышленности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в композицию для получения композиционных материалов, содержащую в качестве связующего лигноцеллюлозное связующее – ацетилированную древесину осины, и дополнительно вводят добавку порошкообразного неорганического вещества из группы: Al, AlCl₃*Н₂О, Al(ОН)₃ при следующем соотношении компонентов, мас.%: лигноцеллюлозное связующее – от 30 до 70, добавка – остальное.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Для активации лигноцеллюлозного материала (древесных опилок и стружки) перед получением лигноцеллюлозного связующего проводят его предварительную обработку на роторном кавитационном аппарате с частотой вращения ротора не менее 3000 об/мин. Навеску воздушно-сухих опилок или стружек древесины осины (фракция 1÷3 мм) массой 500 г помещают в стальной сосуд емкостью 50 л и заливают 8÷10 л воды, перемешивают при температуре 60÷70°С в течение 30 минут. Затем обработанную древесину отфильтровывают через полотняный фильтр, промывают водой до нейтральной среды, отжимают на фильтре и высушивают на воздухе до постоянной массы.

Получение лигноцеллюлозного связующего – ацетилированной древесины осины (АДО) на основе активированного лигноцеллюлозного материала проводят следующим образом. Навеску воздушно-сухих активированных опилок древесины осины массой 3,0 г помещают в круглодонную колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником и помещенную на масляную баню (термостат). В колбу добавляют суспензию сульфата аммония (20% от массы взятой древесины) в 3 моль уксусного ангидрида. Реакционную смесь выдерживают при температуре 125÷130°С в течении 4 ч. Затем колбу охлаждают до комнатной температуры и добавляют в нее 100 мл дистиллированной воды. Смесь отфильтровывают на пористом стеклянном фильтре (класс пор 160) и промывают дистиллированной водой от уксусной кислоты и катализатора до нейтральной среды и отсутствия сульфат ионов (контроль по BaCl₂).

Содержание связанных ацетильных групп определяют путем омыления образцов ацетилированной древесины 0,5 М спиртовым раствором гидроксида натрия с последующим обратным кондуктометрическим титрованием избытка щелочи 0,5 М соляной кислотой. Содержание связанных ацетильных групп в полученном связующем составляет 46 мас.%. Высокая термопластичность ацетилированной древесины, гидрофобные свойства, хорошая адгезия к минеральным, особенно, органическим веществам определяют возможности ее использования в качестве лигноцеллюлозного связующего для изготовления композиционных материалов для деревообрабатывающий и строительной промышленности.

Пример 2.

При изготовлении композиции для получения композиционного материала с добавкой (наполнителем) алюминия в шаровой мельнице без мелющих тел или в лопастном смесителе смешивают лигноцеллюлозное связующее, подготовленное по примеру 1, и порошок алюминия Al марки ПАП, АП-1,2 в течение 15÷20 мин. в следующих соотношениях, мас.%:

Лигноцеллюлозное связующее 30÷70,

наполнитель (порошок алюминия) – остальное.

Полученную смесь помещают в пробирку и нагревают не более 2 ч при 120°С, прессуют в виде таблеток (для удобства изучения свойств материала) диаметром 1 см, что соответствует диаметру отверстия в цилиндрической пресс-форме, под действием силы 15 кН. Свойства полученных материалов (образцы 2-6) приведены в табл.1.

Полученные композиционные материалы имеют прочность до 21,0 МПа, металлический блеск и используются для получения отделочных декоративных покрытий в деревообрабатывающей и строительной промышленности.

Пример 3.

При изготовлении композиции для получения композиционного материала с добавкой гидрата хлорида алюминия поступают аналогично примеру 2 с той разницей, что в качестве добавки к лигноцеллюлозному связующему берут порошок гидрата хлорида алюминия AlCl₃*6Н₂О, квалификации х.ч, предварительно доведенный до постоянный массы при 110÷120°С в течение 1,5÷2 ч и измельченный до размера частиц 100÷200 мкм. Свойства полученных лигноцеллюлозных композиционных материалов (образцы 7-11) приведены в табл.1.

Полученные композиции имеют прочность до 19,6 МПа, электропроводящие свойства (удельное электросопротивление до 10⁴ Ом*см^-1) и используются для получения электропроводящих потолочных панелей в деревообрабатывающей и строительной промышленности.

Пример 4.

При изготовлении композиции для получения композиционного материала с добавкой гидрата хлорида алюминия поступают аналогично примеру 2, с той разницей, что в качестве добавки (наполнителя) к лигноцеллюлозному связующему используют порошок гидроксида алюминия Al(ОН)₃, полученный осаждением из водного раствора соли алюминия (например AlCl₃*6Н₂О) 0,5 М раствором гидроксида аммония, высушенным массы при 110÷120°С в течение 1,5÷2 ч. Свойства полученных материалов (образцы 12-16) приведены в табл.1.

Полученные композиции имеют наибольшую термостабильность (до 210°С) и используются для получения композиционного материала в деревообрабатывающей и строительной промышленности в качестве термостойких, пожаробезопасных покрытий для стеновых панелей, мебели.

Как видно из данных таблицы 1, полученные композиции при содержании всех видов добавок (неорганических наполнителей) 30-70% имеют наилучшие показатели свойств. Прочность полученных композитов составляет до 21,0 МПа (214 кг/см²), что сравнимо с прототипом. К тому же данные материалы имеют низкие значения водопоглощения до 6,5% (табл.1). А также методом дифференциального термического анализа наблюдают термическую стабильность исходного и полученных материалов (табл.2): образец 3 (фиг.1) термоустойчив до 140°С, а образцы 8, 13 (фиг.2-3 соответственно) – до 210°С, что лучше прототипа. На основании данных показателей полученные композиции могут быть использованы для изготовления композиционных материалов (термостойких, пожаробезопасных покрытий для стеновых панелей, мебели, отделочных декоративных покрытий, электропроводящих потолочных панелей) в деревообрабатывающей и строительной промышленности.

Таблица 1. Удельное электросопротивление, предел прочности разрушения и водопоглощение композиций
Образец	Состав образца	Содержание наполнителя, %	Удельное электросопротивление, Ом*см-1	Предел прочности разрушения, МПа	Водопоглощение, %
1	АДО	–	Более 106	12.0	0.4
2	АДО+Al	10	Более 106	12.7	0.6
3	30	Более 106	21.0	0.6
4	50	Более 106	17.2	0.8
5	70	Более 106	20.5	0.9
6	90	Более 106	19.5	0.9
7	АДО+AlCl3*6H2O	10	Более 106	16.9	1.6
8	30	Более 106	19.6	2.3
9	50	Более 106	17.3	3.8
10	70	105	18.3	4.7
11	90	104	19.3	5.2
12	АДО+-Al(ОН)3	10	Более 106	9.3	1.8
13	30	Более 106	10.9	2.7
14	50	Более 106	10.4	4.1
15	70	Более 106	10.7	5.0
16	90	Более 106	10.8	6.5

Таблица 2. Термический анализ композиций
Образец	Состав образца	Масса навески, мг	пика	Вид эффекта	Тнач., °С	Тмакс., °С	Ткон., °С	Потеря массы, мг
	Исходная древесина	49,00					115	3,5
1	Экзо-	180	265	340	34,5
2	Экзо-	340	390	450	8,5
1	АДО						125	0,42
1	Экзо-	205	280	350	14,80
2	Экзо-	380	405	475	4,48
3	АДО, Al	22,50	1	Эндо-	60	95	125	0,24
2	Экзо-	140	190	225	7,94
3	Экзо-	225	285	470	13,12
8	АДО, AlCl3·6H2O	43,75	1	Эндо-	60	70	80	–
2	Эндо-	130	135	145	–
3	Эндо-	165	175	185	–
4	Экзо-	200	245	280	41,31
13	АДО, -Al(ОН)3	30,00		–			180	1,52
1	Экзо-	210	315	480	19,44

Формула изобретения

Композиция для получения композиционных материалов для деревообрабатывающей и строительной промышленности, включающая термопластичное связующее и наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве связующего используют лигноцеллюлозное связующее – ацетилированную древесину осины и дополнительно вводят добавку – порошкообразное неорганическое вещество из группы: Al, Al Cl₃·6Н₂О, Al(ОН)₃ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%:

РИСУНКИ