УДК 674-419.32
ПОТЕНЦИАЛ РЕСУРСНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НАНОКОМПОЗИТНОГО СВЯЗУЮЩЕГО В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧНОЙ ФАНЕРЫ
THE POTENTIAL OF THE RESOURCE CAPABILITIES OF A NANOCOMPOSITE BINDER IN THE TECHNOLOGY OF PRODUCING ENVIRONMENTALLY FRIENDLY PLYWOOD
Ющенко Е.В., Бельчинская Л.И., Жужукин К.В.
(Воронежский государственный лесотехнический университет, г. Воронеж, РФ)
Yushchenkо E.V., Belchinskayа L.I., Zhuzhukin K.V.
(Voronezh State University of Forestry and Technologies)
Рассмотрено влияние наномодифицирующих добавок на экологические показатели продукции, относящейся к древесным полимерным композиционным материалам, затронуты вопросы повышения экологичности фанеры.
The influence of nanomodifying additives on the environmental performance of products related to wood polymer composite materials is considered, the issues of increasing the environmental friendliness of plywood are raised.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, нанокристаллическая целлюлоза, смола, композиционная фанера, модификация
Key words: carbon nanotubes, nanocrystalline cellulose, resin, composite plywood, modification
Фанера остается одним из наиболее востребованных материалов в строительной и мебельной индустрии. Материал не требует дополнительной обработки и прост в эксплуатации, а также, по сравнению с натуральной древесиной, не проявляет анизотропных свойств [1].
Преимущественное использование в качестве связующего при производстве фанеры получила карбамидоформальдегидная смола. Однако, основным недостатком древесных композиционных материалов, изготовленных на основе карбамидоформальдегидной смолы, является достаточно высокий уровень эмиссии формальдегида [2]. Эти особенности существенно снижают области применения фанеры, но использование наномодификаторов позволяет придать композиционным наноматериалам новые свойства [3]. При этом в комплексном связующем появляется большая возможность взаимодействия нанонаполнителей со свободным формальдегидом смолы, увеличивается возможность образования межмолекулярных связей между компонентами связующего и реакционноспособными гидроксильными группами –ОН в компонентах клеточных стенок древесины, что приводит к образованию нанодревесных композитов [4]. Наномодифицирующие добавки обладают способностью к поверхностному и химическому взаимодействию со связующим. Это приводит к снижению выделения из смолы свободного формальдегида, оказывающего негативное влияние на здоровье человека и дает возможность производить экологически чистые древесные полимерные композиционные материалы [5].
В данной работе рассматриваются два нанонаполнителя карбамидоформальдегидной смолы: искусственный в виде многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и природный – нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ). МУНТ – это углеродные структуры цилиндрической формы. Систему МУНТ образуют несколько свернутых в трубки графеновых слоев с гексагональной организацией углеродных атомов и толщиной стенки в один атом углерода. Диаметр данного наномодификатора варьируется от единиц до десятков нанометров, а продольный размер не более 100 мкм. Нанокристаллическая целлюлоза представляет собой нитевидные кристаллы – вискеры и относится к одному из видов наноцеллюлозы. Отдельные свойства НКЦ могут различаться из-за методов ее извлечения и исходного сырья. Наиболее распространенным способом производства НКЦ является ее извлечение из целлюлозных фибрилл кислотным гидролизом. Длина волокна варьируется в диапазоне от 10 нм до нескольких микрон, а типичная ширина волокон — 5-20 нм. Влияние НКЦ и МУНТ на свойства композиционного материала отражено в работах современных исследователей [6, 7]. Отмечается наиболее эффективное снижение эмиссии формальдегида при концентрации нанонаполнителя в смоле 2-5%.
Основой для выполнения опыта и проведения сравнительного анализа являлась карбамидоформальдегидная смола марки КФ-Ж, в качестве отвердителя связующего использовали хлористый аммоний. Смолу модифицировали нанодобавками размером: МУНТ диаметром 9,5 нм и длиной 1,5 мкм; волокна НКЦ шириной 10-20 нм и длиной 300-900 нм. Подготавливали 3 образца модифицированной смолы. В первом образце в качестве наномодификатора использовали НКЦ в количестве 2 мас.%. Модификатором второго образца выступали МУНТ в аналогичном количестве. Третий образец готовили с одновременным добавлением НКЦ и МУНТ в количестве по 2 мас.% каждого наномодификатора. Для получения комплексного состава карбамидоформальдегидную смолу механически смешивали с наполнителем в течение 20 минут, а затем, для лучшей гомогенизации обрабатывали ультразвуком в течение 10 минут. Свободный формальдегид, содержащейся в смоле, количественно определяли методом WKI. Испытания проводились на контрольном образце смолы КФ-Ж, произведенной в соответствии с ГОСТ 14231–88 и на образцах смолы с наномодифицирующими добавками. Содержание свободного формальдегида в каждом образце модифицированной смолы сравнивали с аналогичным показателем контрольного образца.
Содержание свободного формальдегида в модифицированном связующем и контрольном образце смолы показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Содержание свободного формальдегида в смоле
В результате анализа гистограммы (рисунок 1) установлено, что отвердитель и исследуемые наномодификаторы НКЦ или МУНТ, введенные в состав исследуемого связующего, способствуют снижению содержания свободного формальдегида. Установлена различная экологическая эффективность каждого компонента комплексного связующего. Определено количественное уменьшение формальдегида при введении каждого компонента в карбамидоформальдегидную смолу. При добавлении в смолу отвердителя количество формальдегида снизилось на 34,4 %. Введении в матрицу НКЦ способствует снижению содержания формальдегида на 43,5%. Добавление в смолу МУНТ позволяет максимально понизить содержание формальдегида – на 59,4%. При одновременном присутствии растительного (НКЦ) и искусственного (МУНТ) нанонаполнителя не достигается ожидаемый эффект: количество формальдегида снизилось на 50%, т.е. это количество превосходит снижение формальдегида в образцах с НКЦ или отвердителем, но оно меньше, чем при введении МУНТ и суммы нанонаполнителей.
Следовательно, установлена экологическая привлекательность нанонаполнителей карбамидоформальдегидной смолы и выявлен наиболее эффективный с точки зрения экологии компонент комплексного связующего.
Список использованных источников
1. B. Castanié, A. Peignon, C. Marc, F. Eyma, A. Cantarel, J. Serra, R. Curti, H. Hadiji, L. Denaud, S. Girardon, B. Marcon Wood and plywood as eco-materials for sustainable mobility: A review // Composite Structures. 2024. 329. P. 117790. ISSN 0263-8223.
2. Orhan Kelleci, Suheyla Esin Koksal, Deniz Aydemir, Semih Sancar Eco-friendly particleboards with low formaldehyde emission and enhanced mechanical properties produced with foamed urea-formaldehyde resins // Journal of Cleaner Production. 2022. 379. P. 134785. ISSN 0959-6526.
3. Omanović-Mikličanin, E., Badnjević, A., Kazlagić, A. et al. Nanocomposites: a brief review // Health Technol. 2020. 10. P. 51-59.
4. Zhou T., Liu H. Research progress of wood cell wall modification and functional improvement: a review. // Materials. 2022. 15. P. 1598.
5. Lykidis C., Taghiyari H.R., Morrell J.J., Husen A. (eds) Formaldehyde Emissions from Wood-Based Composites: Effects of Nanomaterials. // Emerging Nanomaterials: Opportunities and Challenges in Forestry Sectors. 2023. P. 337-360.
6. Eichhorn S.J., Etale A., Wang J. et al. Current international research into cellulose as a functional nanomaterial for advanced applications // Journal of Materials Science. 2022. 57. P. 5697–5767. ISSN 1573-4803.
7. Garg A., Chalak H.D., Belarbi M-O., Zenkour A.M., Sahoo R. Estimation of carbon nanotubes and their applications as reinforcing composite materials–An engineering review // Composite Structures. 2021. 272. P. 114234. ISSN 0263-8223.