Деревинно-мінеральна композиція

Изобретение относится к деревообрабатывающей и строительной отраслям промышленности, а именно к составам древесно-клеевых композиций, которые могут найти широкое применение в производстве огнестойких видов древесных композиционных материалов для малоэтажного жилого и технического строительства, в частности в агропромышленном секторе. Известна композиция (авт.св, СССР №870389, Бюл. №37. 1981), содержащая, мас.%: Недостатком материалов на основе такой композиции является их высокая плотность (1300-1500 кг/м3) и, соответственно, низкие теплоизолирующие свойства, плохая обрабатываемость на станочном оборудовании из-за высокого абразивного износа режущего инструмента, длительность цикла отверждения. Известна также композиция для изготовления древесно-минеральных материалов прессовым методом (Борисовский Ю.А. Теплоизоляционные материалы на основе автоклавного жидкого стекла. - Сб. "Жидкое стекло". Киев, 1963, с. 150-154), включающая, мас.ч.: Недостатком такой композиции являются низкие прочностные характеристики материалов на ее основе. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому техническому решению является композиция для изготовления древесно-минеральных материалов (положительное решение по заявке №4658670/31-05), включающая мас.ч. на 100% вещество: Недостатком прототипа являются невысокие прочностные характеристики древесно-минеральных материалов, получаемых на основе такой композиций как методом горячего прессования, так и беспрессовым методом, что весьма важно при применении таких материалов в качестве конструкционных. Задачей настоящего изобретения является повышение прочностных характеристик получаемых материалов на основе жидкостекольного минерального вяжущего. Поставленная задача достигается тем, что в известную древесно-клеевую композицию, включающую жидкое стекло, древесные частицы и отвердитель жидкого стекла, дополнительно вводят фурановые соединения ряда: R-(R')n в количестве от 1 до 10 мас.ч. на 100 мас.частей жидкого стекла (на 100% вещество). Используемые в предлагаемом техническом решении соединения фуранового ряда представляют собой в основной своей массе промышленные продукты, в том числе: - фурфурол (структурная формула прозрачная бесцветная подвижная жидкость, Ткип. = 162°С, Тпл. = -36,5°С. Получается в промышленности при гидролизе кочанов кукурузных початков и выпускается по ГОСТ 10930-74); - фурфуриловый спирт (структурная формула - бесцветная прозрачная жидкость с Ткип. = 171°С, хорошо растворимая в воде. При стоянии темнеет. Выпускается по ГОСТ 10437-80; - Мономер "ФА" - смесь моно- и ди-фурфурилиденацетона формул - темноокрашенная подвижная жидкость, выпускаемая в промышленности по МРТУ 6-05-945-84; - тетра(фурфурилокси)силан Si(OCH2C4H4O)4 – nD20= 1,508; d420 = 1,0621, синтезирован в лаборатории "искусственных древесных материалов" Днепропетровского химико-технологического института реакцией гетерофункциональной переэтерификации по следующей методике: В четырехгорлый реактор, снабженный мешалкой, термометром, обратным холодильником и капельной воронкой загружают 208 г (1 моль) тетраэтоксисилана и 328 г (4 моля) фурилового спирта. При непрерывном перемешивании смесь нагревают до температуры 200°С. Об окончании реакции судят по прекращению отгона этилового спирта. Затем реакционную смесь охлаждают до 110°С и вакуумируют при этой температуре и давлении 1 мм рт.ст. в течение 1 часа (до постоянной массы). В кубе получают 343 г (91,4 мас.% от теоретического) подвижной, слегка окрашенной в соломенный цвет жидкости, по основным характеристикам соответствующей тетра(фурфурилокси)силану. - фенилтри(фурфурилокси)силан - подвижная, окрашенная в темный цвет жидкость. Получен впервые аналогично тетра(фурфурилокси)силану при переэтерификации фенил-триэтоксисилана фурфуриловым спиртом по схеме: Его константы; выход 96,8 мас.%, nD20 = 1,538; d420= 1,1214. Использование в качестве добавки в известные древесно-клеевые композиции фурановых соединений вышезаявляемой формулы позволяет повысить прочностные характеристики получаемых древесноминеральных материалов (получаемым как методом горячего прессования, так и беспрессовым методом). Такой эффект достигается за счет протекания в присутствии фурановых соединений ряда химических реакций, а именно: - при введении в композицию фурфурола: - реакция полиприсоединения по схеме - реакция полимеризации по ионному механизму в присутствии кислот по схеме и т.д., с раскрытием и второй ненасыщенной связи. Возможно одновременное протекание этих реакций, неорганической - органической структурной сетки; - при введении в композицию фурфурилового спирта: - реакция поликонденсации по схеме что приведет к формированию внутри - реакция полимеризации по ионному механизму в присутствии кислот по схеме и т.д. с раскрытием и второй ненасыщенной связи. Возможно одновременное протекание этих реакций, что приведет к формированию неорганической - органической структурной сетки; - при использовании мономера "ФА": - реакция полимеризации с раскрытием двойных связей фуранового кольца по схеме внутри и т.д. с раскрытием остальных двойных связей. Поскольку реакции полиприсоединения, поликонденсации и полимеризации по двойным связям фуранового кольца протекают уже при температуре 50°С, то в условиях отверждения древесно-клеевых композиций (100°С) их вероятность не подвергается сомнению. Не следует исключать и возможность протекания реакций между функциональными группами узловых атомов органической и неорганической сеток, а именно: - при использовании тетра(фурфурилокси)силана: -- реакции гидролиза по схеме - реакции конденсации выделившегося ксерогеля кремневой кислоты с жидким стеклом по схеме и т.д.; - реакции поликонденсации выделившегося фурфурилового спирта по вышеприведенной схеме (1); - реакции полимеризации выделившегося фурфурилового спирта за счет раскрытия двойных связей по вышеприведенной схеме (2); - при использовании фенилтри(фурфурилокси)силана: - реакции гидролиза -- реакции конденсации выделившегося фенилтригидроксисилана с функциональными группами жидкого стекла по схеме и реакции поликонденсации (1) и полимеризации (2) выделившегося фурфурилового спирта. Каждая из возможных реакций может протекать как индивидуально, так и одновременно с другими. Но в любом случае каждая из них будет способствовать повышению степени структурирования полимерной сетки, т.е. повышение прочностных характеристик материалов на основе таких заявляемых древесно-клеевых композиций. Однако наряду с повышением степени структурирования в, системе возрастают внутренние напряжения, приводящие к образованию микротрещин, росту их количества и величины. Именно суммарное воздействие этих двух процессов и обуславливает экстремальный характер действия фурановых соединений на повышение прочностных характеристик древесно-минеральных материалов на основе заявляемых древесно-минеральных композиций. Все вышеописанные реакции, протекающие в системе, позволяют достичь более высоких прочностных характеристик древесно-минеральных материалов, получаемых как методом горячего прессования, так и беспрессовым методом. В настоящее время фурфурол, фурфуриловый спирт и мономер "ФА" используются как мономеры в органическом синтезе или в качестве активных растворителей. Тетра(фурфурилокси)силан и фенилтрифурфурилоксисилан синтезированы впервые и еще не нашли применения. Для подтверждения заявляемого технического решения были изготовлены древесно-минеральные материалы, полученные методом горячего прессования - плитные и беспрессовым методом - блочные по рецептурам прототипа и заявляемым составам. Ввиду того, что полученные беспрессовым методом древесно-минеральные блочные материалы отличались чрезвычайно низкими физико-механическими показателями (по рецептуре прототипа), особенно с содержанием жидкого стекла на нижнем уровне (последнее связано с большей впитываемостью связующего торцевыми порами стружки, а поскольку в последующем на такие частицы давление не применяется и естественно требуется повышенный расход связующего), были предварительно отработаны оптимальные соотношения компонентов, в частности древесный наполнитель: жидкое стекло, в пределах которых получаемые материалы отличались достаточными физико-механическими характеристиками. В качестве исходных компонентов используют: - в качестве древесного наполнителя стружку смешанных пород постоянного состава фракции 10/5 с влажностью 4 мас.%, получаемую из отходов лесопереработки, фанерного и мебельного производств, дровяной древесины, технологической щепы, отходов лущеного и строганного шпона и т.д.; - в качестве основы связующего: - водный раствор жидкого натриевого стекла по ГОСТ 13078-81 с силикатным модулем 3,2, плотностью 1,4 г/см3 и сухим остатком 43,5 мас.%; - водный раствор жидкого калиевого стекла по ОСТ 21-3-80 с силикатным модулем 3,9, плотностью 1,323 г/см3 и сухим остатком 40 мас.%; - в качестве отвердителя жидкого стекла: - кремнефтористый натрий по ТУ 6-09-1461-76 с содержанием основного вещества не менее 93 мас.%; - молотый доменный граншлак фракции 100-300 мкм (отход Днепропетровского металлургического завода) состава, мас.%: - молотые шламы электролизного производства магния Калушского магниевого завода фракции 100-300 мкм состава, мас.%: Мочевина по ГОСТ 6691-77; Тиомочевина по ГОСТ 6344-76. Гидроокись алюминия по ГОСТ 11841-86; Талюм (технические диалюминаты кальция формулы Са3[АІ(ОН)6]2 с содержанием основного вещества не менее 80 мас.% по ТУ 6-03-39-88 (Подольский опытный завод); - Альтакс-ди-(2-бензтиазолил)дисульфид по ТУ 6-09-107-78 формулы - соль альтакса с толуолсульфокислотой формулы методика получения и использования которой описана в положительном решении по заявке №4663438/33. Технология приготовления древесно-минеральной композиции как по прототипу, так и по заявляемому техническому решению практически не отличалась. Сначала в лабораторный смеситель загружали рецептурное количество стружки и смешивали ее в течение 6-10 мин с рецептурным количеством жидкого стекла, Затем при непрерывном перемешивании в течение 3-5 мин вводят рецептурное количество фурановых соединений заявляемой формулы и отвердитель жидкого стекла в виде сыпучих компонентов. Смесь перемешивают еще 10 мин до достижения полной гомогенизации. Рецептуры древесно-минеральных клеевых композиций приведены в табл.1. Пример 1. Образцы блочных материалов, получаемых беспрессовым методом, готовили следующим образом. Древесно-минеральную клеевую композицию по рецептуре №40 (табл.1) готовят путем смешения в лабораторном смесителе в течение 6 мин расчетного количества стружки и жидкого стекла. Затем добавляют фурфуриловый спирт и отвердитель жидкого стекла (гидроокись алюминия). Смесь перемешивают еще в течение 10 мин. Полученную древесно-клеевую массу помещают в форму с внутренними размерами 20x10x40 см, установленную на поддон, и уплотняют массу вручную до полного ее заполнения. Для исключения прилипания древесно-клеевой массы к формирующей поверхности (стенкам и дну), последняя изолируется от массы промасленной бумагой, полипропиленовой пленкой или антиадгезионной смазкой. Заполненную древесно-клеевой массой форму помещают в термошкаф и выдерживают при температуре 100°С в течение 24 часов. Затем форму вынимают, освобождают от полученного изделия, очищают от прилипших частиц и снова используют по назначению. Полученные блочные изделия складывают в штабель. Испытания полученных образцов блочных материалов осуществляли через 24 часа после изготовления по следующим показателям: - плотность; - прочность на сжатие в направлении, перпендикулярном плоскости формирования на образцах 10x10x10 см; - прочность на сжатие в направлении, параллельном плоскости формирования на образцах 10x10x10 см; - водоразбухание по толщине за 24 часа в воде на образцах 10x10x10 см; - потери массы при испытании на огнестойкость по методу "огневой трубы" (Селькевич А.Л., Полубояринов О.И., Щедрова В.П., Емельянова Л.А. Консервирование древесины. Л., 1971, с. 23-29) на образцах 10x2x1 см; - коэффициент температуропроводности на образцах 20x20x5см по ГОСТ 7076-87. Физико-механические свойства получаемых блочных материалов приведены в табл.2. Номера опытных составов в табл.1 и 2 идентичны. Анализируя полученные экспериментальные данные видим, что во всех случаях опытные образцы по прочностным характеристикам превосходят аналогичные образцы, изготовленные без добавки, при сохранении на том же уровне таких показателей, как плотность, водоразбухание, огнестойкость и теплоизолирующие свойства. В частности: - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используется кремне-фтористый натрий, прочность опытных образцов на сжатие перпендикулярно пласти находится в пределах 1,45-2,21 МПа против 1,34 МПа для образцов по рецептуре прототипа (повышение составляет 10-65%); - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используется альтакс или соль альтакса с толуолсульфокислотой, прочность опытных составов на сжатие составляет 2,1-2,8 МПа против 1,8 МПа для образцов без добавки (повышение составляет 17-56%); - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используется гидроокись алюминия или талюм, прочность опытных образцов на сжатие составляет 2,1-3,0 МПа против 1,9 МПа для образцов без добавки (повышение составляет 11-58%); - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используются молотые шламы магниевого производства или молотые шлаки доменного производства, прочность опытных образцов на сжатие составляет 1,5-1,8 МПа против 1,3 МПа для образцов без добавки (повышение составляет 16-40%). Аналогичные результаты прослеживаются и накалиевом жидком стекле. Пример 2. Образцы плитных материалов, получаемых методом горячего прессования, готовили по следующей технологии (аналогичной как для прототипа, так и для опытных составов). Древесно-клеевую минеральную композицию готовили аналогично методу, приведенному в примере 1. Из приготовленной древесно-клеевой массы на поддоне, покрытом антиадгезионным составом или пленкой, формируют пакет, покрывают полипропиленовой пленкой и вторым поддоном и прессуют при температуре 100°С в течение 2 часов при удельном давлении 4 МПа. Расчетная плотность плит 700 кг/см3, размер формируемого пакета 40x40 см. Плита однослойная толщиной 16 мм. После окончания прессования полученную ДСтП охлаждают в стопах в течение 24 часов и испытывают по следующим показателям: - плотность по ГОСТ 10634-78; - прочность на статический изгиб по ГОСТ 10635-78; - водоразбухание по ГОСТ 10634-78; - потери массы при испытании на огнестойкость по методу "огневой трубы"; - коэффициент температуропроводности по ГОСТ 7076-87. В табл.3 приведены рецептуры составов древесно-клеевых композиций для получения на их основе плитных древесно-минеральных материалов методом горячего прессования, в табл.4 - физико-механические свойства получаемых древесно-стружечных минеральных плит. Анализируя полученные экспериментальные данные видим, что как и в случае блочных материалов, изготовляемых беспрессовым методом, введение в древесно-минеральную композицию фурановых соединений заявляемого ряда в количествах, ограниченных пределами данного технического решения, позволяет повысить прочностные характеристики древесно-минеральных плитных материалов. В частности: - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используется кремне-фтористый натрий, прочность на изгиб опытных образцов составляет 5,4-7,0 МПа против 4,8 МПа по прототипу (повышение на 13-47%); - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используется альтакс или его соль с толуолсульфокислотой, прочность на изгиб опытных образцов составляет 7,6-8,9 МПа против 6,1 МПа для образцов без добавки (повышение на 25-47%); - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используется гидроокись алюминия или талюм, прочность опытных образцов на изгиб составляет 6,9-8,4 МПа против 6,6 МПа для образцов без добавки (повышение на 7-34%); - для составов, где в качестве отвердителя жидкого стекла используются молотые шламы электролизного и молотые шлаки доменного производств, прочность опытных образцов на изгиб составляет 9,35-10,4 МПа против 9,25 МПа для образцов без добавки (повышение до 15%). Для составов, где используется калиевое жидкое стекло, наблюдается аналогичная зависимость повышения прочностных характеристик прессованных плитных материалов при введении в состав рецептуры дополнительно фурановых соединений заявляемого ряда (рецептуры 52 и 56, 53 и 57, 54 и 58. 55 и 59 соответственно).