Совмещенные клеи для использования в технологии клееных деревянных конструкций (стр. 3 )

Синтез карбамидомеламиноформальдегидной смолы проходит по следующей реакции:

В данной работе совмещали карбамидоформальдегидную смолу марки КФ-Ж отечественного производства с карбамидомеламиноформальдегидной смолой шведского производства. Образование совмещенной смолы может идти по следующей схеме:

Поскольку в реакции поликонденсации участвуют трифункциональные соединения, то образующийся полимер имеет разветвленное строение. Однако это не исключает возможности хотя бы частичного образования линейных полимеров, так как в реакционной смеси могут находиться моно - и диметилольные производные меламина.

Отверждение совмещенной смолы идет в присутствии кислого катализатора при высокой температуре, при этом образуются сшивки между макромолекулами в результате взаимодействия метилольных групп между собой с образованием метиленовых и метилен-эфирных связей. Процесс отверждения смолы сопровождается выделением воды и формальдегида, если не подтверждено.

Для отверждения карбамидомеламиноформальдегидной смолы шведского производства используется отверди, который содержит муравьиную кислоту (HCOOH). Отвердителем карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-Ж отечественного производства является щавелевая кислота (HOOC-COOH) 10%-ной конденсации.

Ниже приводится взаимодействие двух звеньев совмещенной смолы в присутствии отвердителей щавелевой и муравьиной кислоты. Радикалом является R. В результате данной реакции поликонденсации образуется метилен – эфирные связи. Механизм отверждения показан ниже в данных реакциях (звенья образуются совмещенной смолой).

Далее представлено взаимодействие двух звеньев совмещенной смолы с щавелевой кислотой в присутствии муравьиной кислоты.

Найдем массовую долю карбамидоформальдегидной смолы при взаимодействии карбамидомеламиноформальдегидных смол с карбамидоформальдегидной смолой.

Для этого рассчитаем относительную молекулярную массу карбамидомеламиноформальдегидной смолы и относительную молекулярную массу карбамидоформальдегидной смолы, которая является одной из основных характеристик вещества.

Определены относительная молекулярная масса одного звена карбамидомеламиноформальдегидной смолы

Mr (C15H30O9N12) =12×15+1×30+16×9+14×12=522 а. е. м. и (5.1)

относительная молекулярная масса одного звена карбамидоформальдегидной смолы

Mr (C3H8O3N2) =12×3+1×8+16×3+14×2=116 а. е. м. и (5.2)

относительная молекулярная масса одного звена воды

Mr (H2O) =1×2+16×1=18 а. е. м. (5.3)

Затем определили относительную молекулярную массу одного звена совмещенной смолы

Mr (C18H36O11N14) = Mr (C15H30O9N12) + Mr (C3H8O3N2) - Mr (H2O) = =522+116-

-18=620 а. е. м. (5.4)

Вычислим массовую долю карбамидоформальдегидной смолы и массовую долю карбамидомеламиноформальдегидной смолы в совмещенной смоле по формуле:

(5.5)

где m1 - масса одного компонента;

m2 - масса второго компонента.

В данном случае m1 - относительная молекулярная масса одного звена карбамидоформальдегидной смолы (Mr (C3H8O3N2)), а m2 - относительная молекулярная масса одного звена совмещенной смолы (Mr (C18H36O11N14)).

может быть выражена в долях или процентах:

(C3H8O3N2)=116/620=0,2, или 20%;

(C15H30O9N12)=522/620=0,8, или 80%.

Таким образом, при условии стехиометрического взаимодействия смол для данной реакции требуется соотношение КФС:КМФС=1:4.

Если соотношение массы карбамидоформальдегидной смолы к массе карбамидомеламиноформальдегидной смоле не выдерживается, так как количество карбамидоформальдегидной смолы повышается до 25% и во взаимодействие вступают более двух гидроксильных групп, то это повысит адгезионность клея к древесине, так как возможно образование сложноэфирных мостиков с группами OH - целлюлозы, которые упрочняют связь клея с древесиной.

Карбамидомеламиноформальдегидная смола обладает улучшенными свойствами (по водостойкости) благодаря тому, что в ней содержатся трифункциональные группы(CH2OH, C=O и NH), образующие водородные связи с гидроксильными группами целлюлозы древесины по донорно-акцепторному механизму.

5.2  Оценка степени влияния неучтенных факторов на достижение практических результатов

Неучтеные факторы могут изменить возможность достижения результатов примерно на 20% как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения вероятности интенсификации развития положительной или отрицательной динамики развития проекта.

5.3  Результаты лабораторных, исследовательских работ, заложенных в основу технических решений

Одним из видов клееных материалов являются клееные деревянные конструкции (КДК), которые находят широкое применение, особенно за рубежом в строительстве. Одной из особенностей производства КДК является использование высококачественных смол для склеивания древесины, отличающихся высокой прочностью склеивания древесины и водостойкостью. Однако эти смолы являются дорогими.

Мы исходим из того, что снижение стоимости смолы для строительных КДК можно обеспечить за счет совмещения карбамидомеламиноформальдегидных (КМФС) и карбамидоформальдегидных смол (КФС).

Обоснованием этому послужили наши поисковые эксперименты, которые показали, что КДК с использованием КМФС имеют физико-механические свойства значительно выше, чем требуется по ГОСТ. В этой связи есть два пути снижения себестоимости КДК за счет использования смол.

Первый путь – сокращение расхода смолы на единицу поверхности древесины. Однако наши опыты показали. Что этот путь мало эффективен за счет образования «голодного» клеевого слоя, в результате чего резко падает прочность клеевого соединения.

Второй путь – совмещение дорогих КМФС с более дешевыми смолами, сходными с ними по своей природе. Наиболее близкими по своей природе к КМФС являются карбамидоформальдегидные смолы.

Карбамидоформальдегидные смолы впервые синтезированные в 1929 г. Их появление вызвано дефицитностью фенола и необходимостью иметь неокрашенные клеи. Сырьем для смол служит карбамид (NH2)2CO, формальдегид СН2О и различного рода катализаторы, способные изменять кислотность среды в ту или другую сторону (уротропин, аммиак, едкий натр, хлористый аммоний).

Смолы могут быть в жидком, пастообразном и твердом (порошкообразном) виде. Срок хранения смол при 5-20 °С в герметично закрытой таре, защищенной от воздействия сол­нечных лучей и атмосферных осадков, 2 мес.

Для превращения смолы в клей на нее воздействуют соот­ветствующим отвердителем, имеющим кислую природу и спо­собным понижать рН до 3,5–4. Вид и количество вводимого отвердителя зависят от его природы, начального значения рН смолы и способа склеивания. При горячем склеивании применяют хлористый аммоний, сернокислый или фосфорнокислый аммоний. Наиболее часто употребляют хлористый аммоний. В результате взаимодействия его со свободным формальдегидом смолы образуется соляная кислота, обеспечивающая понижение рН и, следовательно, отверждение смолы.

Вводят отвердитель в виде водного раствора 15–20%-ной концентрации или в виде порошка, предварительно размешанного в небольшом количестве смолы. При холодном склеивании в качестве отвердителей применяют водные растворы органических кислот: щавелевой, молочной, лимонной. На 100 мас. ч. смолы вводят 4-7 мас. ч. щавелевой кислоты 10%-ной концентрации, а лимонной кислоты – 4-5 мас. ч. 50%-ной концентрации. Возможно также применение 15-20%-ного водного раствора ортофосфорной кислоты. Наиболее часто из указанных отвердителей применяют щавелевую кислоту.

Количество вводимого отвердителя выбирают, исходя из желаемой жизнеспособности клея, которая зависит от вида и ко­личества вводимого в смолу отвердителя, рН смолы и тем­пературы помещения, в котором хранится смола. Заметное влияние оказывает температура воздуха производственных помещений: при увеличении ее с 20 до 30 °С жизнеспособность клеев сокращается в 3 раза, а при снижении с 20 до 15 °С увеличивается в 2 раза. Особое значение жизнеспособность клеев имеет при склеивании больших и многослойных конструкций, сборка которых продолжительна. Ориентировочно можно назвать следующие пределы жизнеспособности клеев: КФ-МТ – от 2 до 8 ч; КФ-Б – до 2 ч; КФ-БЖ – до 10 ч; КФ-Ж – 15-24 ч.

Удлинить жизнеспособность клея можно введением в него веществ, повышающих рН: аммиачной воды 25%ной концентрации в количестве 0,5-1% массы клея; мочевины или меламина 1-3%; уротропина – до 1 %.

Несмотря на то, что эти смолы применяются давно в промышленности, механизм их образования еще окончательно не выяснен. В процессе образования смол реакции идут одновременно в нескольких направлениях, при этом получается сложная смесь низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, строение которых до настоящего времени точно не установлено.

Карбамидоформальдегидную смолу получают поликонденсацией карбамида с формальдегидом. Смолу можно получить в слабощелочной, нейтральной и слабокислой средах. Реакции поликонденсации протекают в несколько стадий, направление которых и свойства образующихся продуктов зависят от условий процесса: соотношение исходных веществ, концентрация водородных ионов в реакционной массе, температуры и продолжительности процесса.

Карбамидоформальдегидные смолы представляют собой смеси низкомолекулярных продуктов поликонденсации с молекулярной массой не более 700, которые почти не поддаются разделению. Под влиянием специальных отверждающих средств (отвердителей) и тепла или под воздействием только одних отвердителей карбамидоформальдегидные смолы переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот переход – результат протекания между цепями молекул химических реакций, сопровождающихся образованием поперечных цепей. Возникают поперечные связи как при взаимодействии молекул, так и при взаимодействии метилольных и амидных групп.