автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Декоративно-защитные бумажные материалы на модифицированных водоразбавляемых полимерах



■'f.. //

✓V к/ / Т' ^^Р У

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННИ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи УДК 684.4.059; 684.6

ВИНОСААВСКИЙ ВЯЧЕСЛАВ АРСЕНЬЕВИЧ

ДЕКОРАТИВНО-ЗАЩИТНЫЕ БУМАЖНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ВОДОРАЗБАВЛЯЕМЫХ ПОЛИМЕРАХ

05.21.05- Технология и оборудование деревообрабатывающих производств; древесиноведение.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант, профессор, академик АЗАРОВ В.И.

Москва-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 7

Общая характеристика работы 10

Глава 1. Литературный обзор. 16

1.1 Облицовочные материалы на бумажной основе и технологические особенности их получения. 16

1.2 Особенности свойств декоративной бумаги для мебельной промышленности. 24

1.3 Пропиточные составы для декоративной бумаги. 30

1.4 Экологические проблемы при изготовлении композиционных материалов на бумажной основе. 41

1.4.1 Выделение низкомолекулярных соединений при производстве полимеров и материалов на их основе. 41

1.4.2 Отбор проб и определение следовых количеств токсичных веществ. 47 Выводы по главе 1. 52

Глава 2 Теоретическое обоснование процесса получения декоративно-защитных материалов. 55

2.1 Анализ свойств коротковолокнистых композиционных материалов. 55

2.2 Особенности и свойства границы раздела фаз. 62

2.3 Обоснование выбора эластифицирующей полимерной добавки для карбамидных полимеров. 64

2.4 Аспекты пропитки бумаг водными растворами полимеров. 67

2.5 Методологические аспекты расчета объема вредных выбросов при изготовлении декоративно-защитных материалов. 7$

2.6 Источники и процесс парогазовыделений из материалов на основе полимеров. 80 Выводы по главе 2. 86

Глава 3. Облицовочные материалы на основе текстурных бумаг 88

3.1

3.2

3.3

Глава 4.

4.1

4.1.1

4.2

4.2.1

4.2.2

4.2.3

4.2.4

4.2.4.1

4.2.4.2

и карбамидоформальдегидного полимера, содержащего водорастворимые и водоразбавляемые полимеры.

Влияние количества латекса в пропиточных композициях на свойства декоративно-защитных материалов. 88

Декоративно-защитные материалы на основе пропиточных олигомерно-латексных композиций, содержащих усиливающие водорастворимые полимеры. 96 Влияние марки бумаги-основы на свойства облицовочных материалов. 110 Выводы по главе 3. 113 Полимеризационные полимеры в виде водных растворов и дисперсий в качестве пропиточных составов при получении декоративно-защитных материалов. 116 Декоративно-защитные материалы, содержащие сополимеры бутадиена, стирола и нитрила акриловой кислоты в качестве основного компонента полимерной матрицы. 116 Влияние количества полимера в облицовочном материале. 116 Декоративно-защитные материалы, содержащие поливиниловый спирт в качестве основного компонента полимерной матрицы. 127 Влияние модифицирующих добавок в ПВС на свойства получаемых облицовочных материалов. 127 Влияние количества ПВС в декоративно-защитных материалах на их свойства. 130 Влияние сшивающих добавок к ПВС на свойства рулонных декоративно-защитных материалов. 137 Адсорбциия полимеров из растворов на текстурной бумаге. 144 Адсорбция полимеров из их водных растворов и дисперсий. 145 Влияние времени и температуры на адсорбцию полимеров из их водных растворов. 148

4.2.4.3 Практические аспекты явления адсорбции полимеров при

изготовлении облицовочных материалов. 154

Выводы по главе 4. 158

Глава 5. Поликонденсационные полимеры на основе аминокето-ноформальдегидных олигомеров в качестве связующего ламинатов. 160

5.1 Синтез и исследование фурилкетоноформальдегидных полимеров, предназначенных для облицовочных материалов. 160

5.1.1 О химическом взаимодействии формальдегида с кетонами фуранового ряда. 160

5.1.2 К вопросу о строении фурилкетоноформальдегидных олигомеров. 166

5.1.3 Исследование условий структурирования фурилкетоноформальдегидных олигомеров. 174

5.2 Синтез и исследование свойств пропиточных меламино- и карбамидоформальдегидных олигомеров, модифицированных кетонами. 182

5.2.1 Исследование процесса получения меламиноацетонофор-мальдегидных олигомеров. 182

5.2.2 Получение меламиноформальдегидных олигомеров, модифицированных диацетоновым спиртом. 190

5.2.3 Исследование процесса получения карбамидомеламино-формальдегидных олигомеров, модифицированных ацетоном. 197

5.2.4 Модификация карбамидомеламиноформальдегидных олигомеров диацетоновым спиртом. 201

5.2.5 Сравнительная оценка технологических показателей синтезированных олигомеров. 206

5.3 Исследование физико-химических свойств меламино- и карбамидоформальдегидных олигомеров, модифицирован- 209

5.3.1

5.3.2

5.4

5.4.1

5.4.2

Глава 6.

6.1

6.2

6.3

Глава 7.

7.1

7.2

ных кетонами.

Исследование динамической вязкости водных растворов синтезированных олигомеров. 209

Исследования процесса структурирования синтезированных олигомеров. 212

Технология получения декоративно-защитных бумажных материалов на основе синтезированных олигомеров. 220

Влияние режима сушки пропитанных декоративных бумаг на их свойства. 220

Отработка технологии отделки плитных материалов декоративно-защитными пленками на основе синтезированных олигомеров. 224

Выводы и заключение по главе 5. 232

Влияние различных факторов на процесс пропитки текстурной бумаги. 236 Реологические свойства пропиточных композиций в зависимости от природы составляющих компонентов, температуры и катализатора. 236 Зависимость поверхностного натяжения растворов карба-мидных олигомеров от количества и природы латексов, ПВС и температуры. 245 Анализ расчетных данных по влиянию различных факторов на скорость и время пропитки волокнистых материалов. 249 Выводы по главе 6. 267 Исследование летучих продуктов, образующихся в процессе сушки и отверждения пропитанных бумаг. 270 Влияние некоторых факторов на содержание формальдегида в пропиточных композициях. 270 Влияние состава пропиточных композиций на количество выбросов при сушке и отверждении олигомеров. 273

7.3 Исследование количества выделившегося формальдегида при сушке пропитанных бумаг амино- и фенолоформальде-гидными полимерами. 277

7.4 Количественное определение спиртов и фенола. 282

7.5 Качественные и количественные исследования выделяющихся вредных веществ из кромочного материала. 284 Выводы и заключение по главе 7. 291

Глава 8 Методы и объекты исследования. Аппаратура. 293

8.1 Исходные вещества для получения декоративно-защитных материалов, синтеза и анализа модифицированных олигомеров. 293

8.2 Методы анализа пропиточных композиций. 294

8.3 Определение характеристик исходных и пропитанных декоративных бумаг. 294

8.4 Определение физико-механических показателей декоративно-защитных материалов. 295

8.5 Технология пропитки и сушки декоративных бумаг. 295

8.6 Методика синтеза модифицированных олигомеров. 29б

8.7 Методы анализа и исследований. 296

8.8 Достоверность результатов проведенных исследований. 302

8.9 Статистический анализ экспериментальных данных. 303

Глава 9 Опытно-промышленная проверка результатов исследований. 304 Общие выводы. 308 Список использованных источников. 311 Приложения. 340

ВВЕДЕНИЕ

Возросшие требования к качеству мебели, её комфортности и дизайну обусловливают необходимость внедрения новых материалов и прогрессивных технологий для отделки поверхностей древесных плит. Совершенствование эксплуатационных и эстетических свойств декоративно-защитных покрытий может быть достигнуто в результате глубокого изучения химико-физических процессов, позволяющих с помощью состава материала и технологических параметров изготовления и нанесения покрытий регулировать их свойства.

Наиболее эффективным способом отделки поверхности древесных плит является использование материалов на основе декоративных бумаг и синтетических полимеров. Широкое применение декоративно-защитных бумажных материалов обусловлено тем, что они обладают:

• разнообразной текстурой, имитирующей текстуру ценных пород древесины и фактуру отделочных камней, которая достигается путем нанесения рисунка на бумагу-основу с помощью ротационных машин глубокой печати;

• постоянством цвета, внешнего вида, что играет немаловажную роль при изготовлении мебели в разные сроки;

• низкими затратами труда и незначительными отходами при нанесении на защищаемую поверхность древесных плит.

Промышленная отделка поверхностей древесных плит основывается на использовании облицовочных бумажных материалов в виде рулонов или листов с частичным или окончательным отверждением пропиточного олигомера, химическое строение и свойства которого определяют весь комплекс технологических, декоративных и эксплуатационных свойств наносимого покрытия.

Основным компонентом пропиточных составов являются карбамидо-формальдегидные (карбамидные) или же карбамидомеламиноформальдегид-ные олигомеры, являющиеся наиболее доступными и дешевыми, особенно первые. Однако они обладают рядом недостатков, которые сохраняются и в облицовочных материалах: повышенная хрупкость, низкие водо-, термо- и те-

плостойкость, наблюдается выделение токсичных соединений при их изготовлении и нанесении. Модификация карбамидного олигомера полиакрилатами позволяет получать рулонный облицовочный материал, но при изготовлении его выделение токсичных соединений снижается незначительно. Однако поли-акрилаты и их водные дисперсии являются остродефицитным сырьем, которое поставляется по импорту.

Создание пропиточных составов, позволяющих получать облицовочные материалы, лишенные вышеперечисленных недостатков, явилось предметом многих научных исследований и поисков.

Решение проблемы может быть достигнуто с помощью химической и физической модификации карбамидных и карбамидомеламиноформальдегид-ных олигомеров, путем применения водных дисперсий высокомолекулярных полимеров, а также изучением процессов пропитки и сушки бумажного полотна, оказывающих влияние на прочность материалов и выделение летучих соединений, в том числе и токсичных.

Влияние технологических приемов на процесс изготовления облицовочных материалов также играет важную роль и позволяет реализовать факторы, определяющие прочность композиционного материала.

Именно полимерная матрица, которая скрепляет целлюлозные волокна, влияет на термическую и гидротермическую стойкость покрытий, их долговечность, стойкость к механическим и химическим воздействиям.

Разрозненные сведения по вышеперечисленным проблемам, а также отсутствие комплексного подхода при разработке технологии получения декоративно-защитных бумажных материалов с заданными свойствами послужило основанием для проведения теоретических исследований.

Интенсификация технологического процесса изготовления декоративно-защитных материалов без ухудшения их качественных показателей определила необходимость получения пропиточных составов с улучшенными пенетра-ционными свойствами и изучения влияния на них компонентного состава про-

пяточных композиций, температуры , а также влияния капиллярно-пористых характеристик декоративной бумаги на скорость пропитки.

Моделирование процесса сушки пропитанного бумажного полотна позволяет количественно и качественно охарактеризовать паро-воздушные выбросы, определить токсичные соединения в них и рассчитать приведенную массу годового выброса вредных веществ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность темы. Массовое производство мебели основывается на использовании древесных плит, наружная поверхность которых в большинстве случаев облицована декоративно-защитными покрытиями на бумажной основе. Высокие потребительские свойства таких покрытий определяются составом и технологией изготовления бумажно-полимерных материалов, а также способом нанесения их на поверхность плит. Конкурентоспособность того или иного композиционного материала, а к таковым относятся облицовочные материалы на бумажной основе, определяется дешевизной и доступностью исходного сырья, наличием экономичных и высокопроизводительных технологических процессов их изготовления. Технология изготовления и свойства традиционных облицовочных материалов на бумажной основе не соответствуют современным требованиям вследствие недостаточной изученности закономерностей их получения. В диссертации основное внимание обращено на научные и технологические аспекты получения декоративно-защитных материалов на основе текстурной бумаги и полимерных композиций различного количественного и качественного состава, используемых в виде водных растворов и дисперсий. Изучение количественных соотношений между свойствами водных пропиточных композиций и скоростью пропитки бумаги, а также влияния режима сушки и компонентного состава облицовочного материала на наличие токсичных соединений в паро-воздушных выбросах представляется нам также актуальной задачей.

Цель и задачи исследования. Основная цель исследований заключается в выработке научно обоснованного подхода к созданию экологически чистого декоративно-защитного бумажного материала с конкретным комплексом свойств и разработке технологического процесса его получения. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: • изучить влияние полимеров и сополимеров полимеризационного типа в жесткой матрице карбамидного полимера на физико-механические свойства облицовочных материалов на бумажной основе;

• установить влияние химического строения полимера и его содержания в декоративно-защитных материалах на их механические свойства;

• исследовать явление адсорбции полимеров из водных растворов и дисперсий на текстурной бумаге при ее пропитке и выявить влияние его на свойства композиционных материалов;

• синтезировать фурилкетоноформальдегидные олигомеры, изучить их строение, свойства и возможность применения в качестве полимерных связующих;

• синтезировать карбамидо-, меламиноформальдегидные и смешанные олигомеры, модифицированные некоторыми кетонами, и предназначенные для получения декоративно-защитных покрытий методом ламинирования;

• выявить факторы, оказывающие влияние на процесс пропитки бумаги, и количественно установить взаимосвязь между свойствами жидких пропитывающих растворов и скоростью процесса пропитки;

• проанализировать паровоздушную смесь, образующуюся при изготовлении облицовочных материалов, на наличие в ней токсичных соединений с целью снижения их содержания.

Научная новизна. Впервые научно обоснован подход к осуществлению процесса получения рулонных декоративно-защитных бумажных материалов с низким содержанием полимера, основанный на использовании водорастворимых и водоразбавляемых высокомолекулярных соединений полимеризацион-ного типа. Обнаружено влияние явления адсорбции полимеров из их водных растворов на свойства получаемых декоративно-защитных материалов.

Создана обобщенная теоретическая основа придания эластичности декоративно-защитным материалам за счет формирования в термореактивных олигомерах пространственной сетки с равномерно-заданной плотностью и межфазного взаимодействия функциональных групп полимерной матрицы и целлюлозосодержащего наполнителя, что нашло экспериментальное подтверждение.

Изучены основные закономерности синтеза фурилке-тоноформальдегидных и смешанных карбамидо- и карбамидомеламинофор-мальдегидных олигомеров, модифицированных ацетоном и диацетоновым спиртом, механизм образования и строения олигомеров и пространственно-сшитых полимеров, а также изучены их свойства. Впервые установлены параметры условий пропитки, сушки и ламинирования ДСтП декоративной бумагой, пропитанной синтезированными олигомерами, и определены механические и эксплуатационные свойства получаемых покрытий.

Сформулированы основные теоретические представления о процессе пропитки водными растворами и дисперсиями полимеров и сополимеров такого капиллярно-пористого тела, как декоративная бумага. Впервые, в целях интенсификации процесса пропитки, дан количественный анализ влияния некоторых физических и термодинамических характеристик капиллярно-пористого тела и пропитывающих жидких растворов на полноту пропитки декоративной бумаги. Выявлены границы допустимых параметров.

Установлен источник выделения низкомолекулярных соединений на всех стадиях изготовления облицовочных материалов, начиная с синтеза полимеров, изготовления материалов и кончая эксплуатацией изделий. Предложен эффективный метод концентрирования следовых количеств (на уровне пикограмм) соединений в воздухе и физико-химические методы анализа их, которые позволяют дополнительно обнаружить наличие целого ряда токсичных соединений и на основании полученных данных разработать комплекс мероприятий по снижению выделения их в атмосферный воздух.

Практическая значимость работы. На промышленной пропиточно-сушиль