Хімічні способи модифікування деревини

Національний  Технічний Університет України  «КПІ» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Домашня контрольна робота

з дисципліни:

 «Технологія  виробництва деревних плит та пластиків» 

на тему:

 «Хімічні способи модифікування деревини» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Перевірила                                                                 Виконала

доц. Черьопкіна Р.І.                                                  студентка 4 курсу гр. ЛЦ-51

                                                                                    Сіднєва Д.О. 
 
 
 
 

Київ 2008  

Вступ 

     Деревина  є найпоширенішим видом матеріалів, які застосовуються в промисловості, на транспорті, в сільському господарстві й побуті завдяки унікальному  комплексу фізико-механічних властивостей. Однак є низка особливостей будови деревини, які обмежують сферу її технічного використання. Тому дуже актуальною є проблема покращення природних властивостей деревини. Цю проблему можна розв’язати модифікуванням деревини. В даній роботі розглянуте питання хімічного модифікування деревини. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1.Теоретичні основи хімічного модифікування деревини 

     Відомо, що деревина м’яких листяних порід  має дуже складну пористо-судинну  будову. Вона характеризується наявністю  різного роду порожнин, які розглядаються  на макро- і мікрорівнях. До макропорожнин відносять судини, серцевинні промені тощо.

     Судини  являють собою трубки круглої  форми, що складаються з ряду розташованих клітин, стінки яких частково або повністю розчинені. Серцевинні промені – первинні (починаються біля серцевини) і вторинні (на різній відстані від неї)  - вузькі смужки, спрямовані по радіусу до центра. Складаються з одного або кількох рядів клітин.

     Просочування  деревини починається із заповнення великих макроскопічних порожнин, пов’язаних з навколишнім середовищем. Потім  модифікатор проникає в мікропорожнини, сполучені системами пор з макропорожнинами.

     Мікропорожнини  – порожнини деревних клітин і  стінок клітин, а також міжклітинних порожнин. Форма клітин різноманітна, звичайно вони витягнуті в напрямі  росту дерева. Деревні клітини  створюють у деревині розгалужену систему просочування модифікатора. Але деякі порожнини клітин заповнені вологою або іншими речовинами. Окрім того, деякі пори, що з’єднують порожнини деревних клітин, закриті мембранами і здатні пропускати лише малов’язкі рідини.

     Це є серйозною перешкодою для модифікатора. Мікропорожнини деревини не повністю заповнюються модифікатором і незначно впливають на ступінь просочування. Незаповнені мікропорожнини визначають різницею між максимально можливою і практично отримуваною величиною просочування.

     Також на модифікування деревини впливає  хімічний склад. Якщо анатомічна будова визначає швидкість просочування деревини модифікатором, то хімічна – швидкість  і механізм реакцій взаємодії  модифікатора з деревиною.

     Гідрофільність  компонентів деревної речовини, яка спричинена наявністю ОН-груп у її складі, визначає здатність цієї речовини поглинати значну кількість води, яка перебуває в пароподібному або рідкому стані, внаслідок процесу адсорбції та капілярної конденсації.

     Адсорбція води супроводжується послабленням міжмолекулярних зв’язків, що призводять до зменшення механічної міцності деревини. Процес поглинання води супроводжується розбуханням деревини внаслідок проникнення молекул води в міжмолекулярний простір клітинних стінок. Усі ці особливості будови деревини можна виправити зменшенням відносного об’ємного вмісту порожнин клітин за рахунок заповнення їх полімерами, утворення полімеру в клітинних стінках деревини.

     Таке  модифікування розв’язує дві  задачі:

     1. підвищення механічних та експлуатаційних властивостей деревини за рахунок утворення полімеру в порожнинах її клітин;

     2. покращення формо стабільності  за рахунок утворення полімеру  в її клітинних стінках у  набряклому стані.

     Коли  висуваються одночасно підвищені  вимоги до формо стабільності, механічних та експлуатаційних властивостей деревини, полімер утворюється як у клітинних, так і в порожнинах клітин деревини. Місцезнаходження модифікатора в деревині визначається характеристикою вибраного полімеру. А також методом просочування.

     Ефективність  модифікування залежить від структури  і властивостей компонентів, а також  від їх взаємозв’язку. Загальним  параметром, який характеризує ступінь  просочування деревини, може бути її щільність  при фіксованій вологості.

     Для оцінки ефективності модифікування деревини в межах однієї породи може слугувати параметр S – ступінь просочування, який визначається відношенням маси модифікатора до маси деревної речовини :

     

     де  - маса просоченого модифікатором зразка деревини вологістю 0%; - маса не просоченого зразка деревини вологістю 0%.

     Як  зазначалося, модифікатор може розміщуватися  в клітинних стінках і порожнинах клітин деревини, тому загальний ступінь просочування може бути поділений на дві частини:

     

     де  S₁, S₂ – ступені просочування; m₁, m₂ – маси модифікатора у клітинній стінці та порожнинах клітин.

     Якщо  вологість деревини прийнято рівною нулю, то кількість модифікатора S₁, розміщеного в клітинній стінці, можна визначити за величиною залишкового розбухання, тобто відношенням модифікованої деревини до об’єму натуральної деревини при вологості 0%.

     Значення  S₁ у цьому разі можна наближено розрахувати за формулою

     

     де  - щільність модифікатора; V_н, V_п – об’єми деревинного зразка, відповідно непросоченого і просоченого полімером, при вологості деревини 0%.

     Теоретично  значення S₁та S₂ залежать від щільності деревини. Максимально S₁ = 0,3, S₂ = 2 і більше. Однак на практиці максимальне значення ступеня просочування клітинних стінок деревини не досягається. Це пояснюється великим розміром молекул модифікатора, недосконалістю методів просочування, усадкою полімеру.

     Багато  полімерів частково вступають у хімічну взаємодію з компонентами деревини. Зокрема доведено, що полістирол частково прививається до лігніну і вуглеводної частини деревини. Тому модифікатор, розміщений у клітинній стінці деревини, може бути поділений на дві складові: привитий сополімер і гомополімер.

     Привитий  сополімер – частина модифікатора, яка утворює з компонентами деревини хімічний зв'язок. Гомополімер не вступає в хімічну взаємодію з компонентами деревини. Отже, ступінь просочування клітинних стінок дорівнює сумі ступенів просочування привитим сополімером і гомополімером :

     

     де  маса відповідно привитого сополімер і гомополімеру.

     Загальний ступінь просочування деревини

     

     Значення  знаходять методом екстракції гомополімеру.

     Відомо, що підвищення кількості привитого  сополімер в клітинних стінках  деревини призводить до збільшення формо  стабільності деревини.

     Фізико-механічні  показники модифікованої деревини залежать від багатьох факторів, зокрема від властивостей полімеру, його місцезнаходження і ступеня просочування, а також від умов утворення полімеру. Як параметри, що характеризують стан модифікатора в деревині, використовують середню молекулярну масу й ступінь полі дисперсності. 

     2. Мономери, олігомери і полімери

     У теорії та практиці модифікування деревини найперспективніші такі мономери: метилметакрилат, стирол, вінілацетат, акрилонітрил та їх суміші; олігомери: фенолоспирти, фенолоформальдегідні, карбамідоформальдегідні, карбамідомеламіноформальдегідні, фуранові, а також розчини й дисперсії полімерів.

     До  модифікаторів висуваються такі вимоги:

• Повинні мати адгезію до деревини;
• Не чинити на неї руйнівної дії;
• Бути по змозі нетоксичними.

 
 

     Олігомери

     Фенолоальдегідні  олігомери - продукти поліконденсації фенолів і їх гомологів з альдегідами (формальдегідом, фурфуролом). При нагріванні при температурі 20...60 °С фенолу з молярним надлишком формальдегіду в лужному середовищі в присутності гідроксиду лужного металу утворюються фенолоспирти (фС). Ці продукти, маючи низьку в'язкість і високу полярність, добре просочують деревину, легко проникаючи не лише в порожнини, а й у стінки клітин. При нормальній температурі вони дуже стійкі наступна поліконденсація відбувається тільки при температурі або в присутності кислих каталізаторів.

     Карбамідоформальдегідні олігомери - продукти поліконденсації карбаміду з формальдегідом, здатні перетворюватися в просторові полімери, використовуються для просочування деревини. Для модифікування деревини застосовують карбамідофуранові олігомери БС-40 і КФ-90, які отримують спільною конденсацією карбаміду, формальдегіду і фурфурилового спирту. КФ-90 значно підвищує вогнестійкість дерева. 

     3. Методи хімічного модифікування  деревини

     Хімічне модифікування залежно від природи процесів, які відбуваються, можна поділити на такі групи.

     До  першої входять методи, за допомогою  яких можна змінити природу активних функціональних груп високомолекулярних компонентів деревини заміщенням гідроксильних  груп матеріалу клітинних стінок іншими групами (ацетильними, ефірними групами неорганічних кислот тощо). Типовим прикладом є ацетилування.

     Це  введення ацетильних груп до складу хімічних компонентів деревини. Як ацетальні  речовини для модифікування деревини застосовують оцтовий ангідрид, кетони, тощо. Ацетильована деревина набуває декоративнішого вигляду, ніж натуральна. Міцні сні властивості такої деревини при експлуатації в нормальних умовах змінюються незначно, але при експлуатації в умовах підвищеної вологості її механічні властивості значно більші, ніж у натуральної.

     До  другої групи методів хімічного  модифікування деревини можна віднести такі, в основі яких лежать реакції, що призводять до зміни густоти сітки  поперечних зв’язків у матеріалі  клітинних стінок (модифікування  формальдегідом, карбонатами, диізоціанатами, опромінення гамма-променями тощо).

     Введення  до складу лігногеміцелюлозного комплексу  додаткових поперечних мостиків зменшує  набрякання деревини, тобто призводить до збільшення формо стабільності деревини при високій вологості.

     Один  з найдослідженіших способів – зшивання формальдегідом. Підвищення густоти  сітки і дія каталізатора спричинюють  збільшення крихкості деревини та її токсичності. Цей метод не знайшов  застосування у промисловості.

     До  третьої групи хімічного модифікування входять методи, в яких зменшують густину сітки лігновуглеводного комплексу. Ці процеси відбуваються при пластифікації деревини водневими розчинами аміаку, карбаміду або безводним аміаком і при обробці лужними розчинами.

     Встановлено, що внаслідок зазначених дій підвищується набрякання деревини, її піддатливість, зменшується міцність. Така обробка звичайно передує механічній обробці (гнуттю, пресуванню).

     Четверта  група об’єднує методи модифікування, при яких різні полімери утворюються  в структурі матеріалу порожніх клітин і  клітинних стінках деревини у вигляді або за допомогою реакцій поліконденсації та полімеризації різних олігомерів або мономерів.