композиция для получения композиционных материалов для деревообрабатывающей и строительной промышленности

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 Cl₃·6Н₂ О, Al(ОН)₃ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%:

лигноцеллюлозное связующее	30-70
добавка	остальное

Описание изобретения к патенту

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*Н ₂О, 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*6Н ₂О) 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 10 6	21.0	0.6
4	50	Более 106	17.2	0.8
5	70	Более 10 6	20.5	0.9
6	90	Более 106	19.5	0.9
7	АДО+AlCl3*6H2O	10	Более 10 6	16.9	1.6
8	30	Более 106	19.6	2.3
9	50	Более 10 6	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 10 6	9.3	1.8
13	30	Более 106	10.9	2.7
14	50	Более 10 6	10.4	4.1
15	70	Более 106	10.7	5.0
16	90	Более 10 6	10.8	6.5

Таблица 2. Термический анализ композиций
Образец	Состав образца	Масса навески, мг	№ пика	Вид эффекта	Тнач. , °С	Т макс., °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