Защитная обработка древесины пропиточными составами из отходов нефтехимии

Основными недостатком всех древесных материалов являются низкая водо- и влагостойкость, поражение грибами, что приводит к снижению их эксплуатационных показателей. Улучшение качества древесины и материалов, достигается путем введения в древесину различных пропитывающих материалов органического и неорганического происхождения [1-3]. Это позволяет повысить стойкость древесины к биологическому разрушению, к разрушающему действию агрессивных сред, водо- и влагостойкость. Кроме того, целью пропитки может служить получение древесины и материалов, содержащих древесное волокно, с окрашенной поверхностью и улучшенным декоративным внешним видом.

Модифицирующие составы должны отвечать определенным требованиям: быть доступными, не токсичными, сохранять свои свойства, не оказывать отрицательного влияния на свойства пропитываемого.

До настоящего времени не создано таких средств, которые могли бы защищать древесный материал от всех видов возможного разрушения. В промышленности активно внедряются малоотходные и безотходные технологии, предусматривающие комплексную переработку и использование отходов различных производств [4].

В связи с этим целесообразным становится использование для защиты древесины относительно доступных и дешевых полимерных материалов получаемых из отходов и побочных продуктов химических и нефтехимических производств, таких, например, как сополимеры на основе кубовых остатков ректификации стирола. Дополнительно ввести функциональные группы в низкомолекулярные (со)полимеры, содержащие двойные связи, возможно за счет прививки к их макромолекулам кислородсодержащих мономеров [5].

Материалы из древесины широко применяются в мебельном производстве, строительстве и других отраслях промышленности. Обладая целым комплексом положительных свойств, она имеет и ряд существенных недостатков, таких как низкая водо- и влагостойкость, что в конечном итоге приводит к снижению продолжительности эксплуатации изделий и преждевременному выходу их из строя. Среди большого разнообразия предлагаемых модифицирующих агентов особое внимание обращено на стирол, метилметакрилат, мочевину, фенолоспирты и другие продукты органического синтеза [6-8].

Однако большинство из предлагаемых для модификации органических соединений являются дефицитными и дорогостоящими, широко используемыми в производстве полимерных материалов.

В работе [9] была показана принципиальная возможность применения сополимеров на основе кубовых остатков ректификации ви-нилароматических углеводородов в качестве модификатора древесины.

В работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований, направленных на расширение областей применения сополимеров на основе отходов производства стирола. Одно из направлений ― использование их в качестве пропиточных составов древесных материалов, обоснование оптимальных условий модификации на образцах наиболее широко применяемых в промышленности пород древесины, таких как береза, осина и др.

Образование прочных химических связей между макромолекулами целлюлозы, лигнина и функциональными звеньями сополимера в виде сложноэфирных связей, которые в значительной степени влияют на снижение такого недостатка пропиточных составов , не содержащих реакционно-способных функциональных групп, как вымываемость их из изделий под влиянием различных растворителей или атмосферных осадков. А также образующийся полимерный каркас из пространственно-структурированного сополимера с компонентами древесины способствует снижению выделения формальдегида из изделий, в которых в качестве связующих использованы феноло- или мочевинофор-мальдегидные смолы.

Задачи исследований были следующие:

• •    определение физико-химических показателей физических смесей сополимеров «КОРС», «СТАМ» и кубового остатка ректификации этилбензола (КОРЭ) при различных соотношениях;

• •    проведение эксперимента и побдор оптимальных условий модификации древесины березы обработанной пропиточными составами на основе физических смесей сополимера «КОРС» с КОРЭ и сополимера «СТАМ» с КОРЭ.

В таблице 1 приведены физикохимические показатели полученных физических смесей сополимера «КОРС» с КОРЭ и сополимера «СТАМ» с КОРЭ при их различных соотношениях.

Т а б л и ц а 1

Физико-химические показатели физических смесей сополимера «КОРС» с КОРЭ и сополимера «СТАМ» с КОРЭ при различных соотношениях

Соотношение компонентов	Бромное число, мг ВГ 2 /100 г	Сухой остаток, %	Средняя молекулярная масса, М v
КОРЭ - сополимер «КОРС» (1:1)	123,5	13,2	1690
КОРЭ - сополимер «КОРС» (1:2)	92,7	15,3	1993
КОРЭ - сополимер «КОРС» (2:1)	113,3	9,4	1513
КОРЭ - сополимер «СТАМ» (1:1)	124,6	22,3	2170
КОРЭ - сополимер «СТАМ» (1:2)	116,4	33,9	2452
КОРЭ - сополимер «СТАМ» (2:1)	111,2	18,7	1752

Изучение процесса модификации березы проводили с использованием метода планирования эксперимента. Исследование влияния таких факторов как температура пропиточного состава, продолжительность пропитки, температура и продолжительность термообработки проводились с применением плана греколатинского квадрата четвертого порядка [10].

Для каждого фактора были взяты четыре уровня варьирования: фактор А (⁰С) - температура пропиточного состава - 20, 45, 70, 95; фактор В (ч) - продолжительность пропитки -1, 3, 5, 7; фактор С (⁰С) - температура термообработки - 110, 130, 150, 170; фактор D (ч) -продолжительность термообработки - 1, 3, 5, 7.

В качестве функций оптимизации были выбраны следующие показатели - водопогло-щение, разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях. Водопоглощение образцов березы определяли по ГОСТ 16483.20, разбухание в радиальном и тангенциальном направлениях по ГОСТ 16483.35

После математической обработки по программе результатов выходных параметров пропитки - водопоглощения, разбухания в радиальном и тангенциальном направлениях через одни сутки от соответствующих факторов А , В , С , D были получены уравнения регрессии:

• •    для соотношения КОРЭ - сополимер «КОРС» 1:1

водопоглощение, V, %:

Y = 8,19^10 " ⁵^(57,78-0,09 a >(50,71-0,28 b )•

•(52,50-0,21 c >(51,25-0,41 d);

разбухание в тангенциальном направлении , a mox, %:

Y = 4,59^10 " ³^(7,25-0,02 a >(6,25-0,06 b )•

•(9,31-0,02 c >(6,73-0,017 d);

разбухание в радиальном направлении, a r max , %:

Y = 1,97-10 " ³>8,95-0,02 a >(8,59-0,17 b )•

•(10,18-0,02 c >(8,81-0,21 d );

• •    для соотношении КОРЭ - сополимер «КОРС» 2:1

водопоглощение , V, %:

Y = 5,20-10^-5-(63,78-0,10 a >(59,63-0,48 b )-

•(60,17-0,02 c >(58,69-0,25 d );

разбухание в тангенциальном направлении, a t max, %:

Y = 5,13 • 10 - ³•(9,36-0,02 a >(8,85-0,13 b )•

•(9,00-0,005 c >(8,53-0,05 d );

разбухание в радиальном направлении, a r max , %:

Y = 1,73 • 10 - ³•(9,35-0,02 a >(8,96-0,18 b )•

•(9,00-0,005 c >(8,48-0,04 d );

• •    для соотношении КОРЭ: сополимер «КОРС» 1:2

водопоглощение ,V, %:

Y = 1,37•10 - ⁵•(45,67-0,07 a >(42,75-0,25 b )•

•(42,39-0,06 c >(47,21-1,00 d );

разбухание в тангенциальном направлении, a t max , %:

Y = 6,81 • 10 - ³•(6,73-0,01 a >(6,13-0,05 b )•

•(9,29-0,02 c >(6,61-0,17 d );

разбухание в радиальном направлении, a r max , %

Y = 2,24-10 - ³•(9,12-0,03 a >(8,19-0,14 b )•

•(8,41-0,01 c >(7,81-0,04 d ), где a , b , c , d - уровни соответствующих факторов.

Аналогичные зависимости были получены при пропитке составами для различных соотношений КОРЭ с сополимерами «КОРС» и «СТАМ» через 5, 10, 20 и 30 суток.

Далее были установлены оптимальные значения факторов для модификации древесины березы пропиточными составами КОРЭ с сополимерами «КОРС» и «СТАМ» - соотношение компонентов 1:2, продолжительность и температура пропитки соответственно 7 ч и 95 0С, время и температура термообработки 7 ч и 170 0С соответственно.

Расчетные значения показателей, полученные по уравнению при оптимальных значениях температуры пропиточного состава, продолжительности пропитки, температуры и продолжительности термообработки и экспериментальные данные представлены в таблице 2.

Т а б л и ц а 2

Значения показателей водостойкости для 1 и 30 суток

Наименование показателя	Расчет		Эксперимент		Погрешность, %
	1 сут.	30 сут.	1 сут.	30 сут.	1 сут.	30 сут.
Пропиточный состав на основе КОРЭ и сополимера «КОРС»
Водопоглощение, %	28,4	72,2	30,9	74,6	8,1	3,2
Разбухание в радиальном направлении, %	5,1	7,4	4,6	6,9	9,8	7,0
Разбухание в тангенциальном направлении, %	7,3	10,5	6,7	9,2	8,2	12,4
Пропиточный состав на основе КОРЭ и сополимера «СТАМ»
Водопоглощение, %	20,1	53,8	21,4	57,1	6,1	5,8
Разбухание в радиальном направлении, %	3,9	5,2	3,5	6,0	10,2	13,3
Разбухание в тангенциальном направлении, %	6,0	8,8	5,8	8,5	3,3	3,4

Примечание : показатели немодифицированных образцов древесины составляют для водопоглощения – 45-50 % (1 сутки) и 120-155 % (30 суток).

Аналогичные исследования немодифици-рованной древесины березы показали, что водопоглощение через одни сутки составляет 45-50 %, а через 30 суток ― 130-165 %. Это согласуется с имеющимися литературными данными [7, 11]. Таким образом, физические смеси сополимеров «КОРС» и «СТАМ» с КОРЭ являются эффективным модификатором древесины березы для повышения ее водостойкости [12].

Необходимость применения повышенной температуры и продолжительности термообработки объясняется тем, что древесина обладает невысокой теплопроводностью, поэтому для полного ее прогрева требуется время. Это связано еще и с тем, что при недостаточном прогреве химическое взаимодействие компонентов древесины с сополимерами протекает только в поверхностных слоях. Для взаимодействия внутри древесины необходим продолжительный прогрев при высокой температуре. В меньшей степени на свойства получаемых образцов оказывают влияние температура и продолжительность пропитки. Хотя при этом необходимо отметить, что оба эти факторы необходимо выдерживать на верхних пределах варьирования.

Положительный эффект высокотемпературного взаимодействия (170 0С) в течение