Адгезия полимеров к древесине

Адгезия полимеров к целлюлозе имеет большое практическое применение в промышленности и в быту. Целлюлоза – это древесина (основа) – доски, древесно-стружечный материал (ДВП, ДСП), бумага, картон, х/б ткани, нити, полотно, хлопок.

Источником древесины является ствол дерева, он дает 50-90% древесины от объема всего дерева.

Древесина состоит из мельчайших частиц – клеток, преимущественно (до 98%) мертвых. Клеточная оболочка у молодых растительных клеток состоит из клетчатки или целлюлозы. Одревеснение клеточной оболочки происходит при жизни клеток в результате образования в них лигнина, при этом происходит прекращение их роста. Целлюлоза в клеточной оболочке представлена в виде волоконец, которые называются микрофибриллами. Промежуток между ними заполнен в основном лигнином, гемицеллюлозами и связанной влагой (17).

В процессе роста клеточные оболочки утолщаются, при этом остаются неутолщенные места, называемые порами. Поры служат для проведения воды с растворенными питательными веществами из одной клетки в другую.

В древесине имеются сосуды (каналы), крупные видны даже не вооруженным взглядом, но есть и микроскопические каналы. Эти сосуды предназначены для проведения воды от корней к кроне листьев.

Деревья условно делятся на лиственные (береза, липа и т.д.) и хвойные (сосна, ель, лиственница, можжевельник). Строение древесины также имеет отличия. В древесине хвойных деревьев находятся смоляные ходы – это их отличие от древесины лиственных пород. Смоляные ходы составляют единую систему сообщающихся каналов. Этим объясняется стойкость древесины хвойных пород к гниению. Особое место среди них занимает лиственница. Ее древесина имеет высокие физико-механические свойства (плотность и прочность на 30% выше, чем у сосны). Она обладает высокой стойкостью против гниения, известны 14 видов. Наибольшее хозяйственное значение имеют даурская и сибирская лиственницы.

Древесина – это сложный комплекс высокомолекулярных веществ. Около 90-95% любой древесины составляют целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин, а остальные 5-10% экстрактивные вещества – масло, смолы, минеральные соли и т.д. (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7. Схема химического состава древесины

Гемицеллюлоза состоит из пентозанов (С₅Н₈О₄) и гексозанов С₆Н₁₀О₅. Состав лигнина очень сложен и состоит из комплекса ароматических веществ – a-оксикетонов.

Из активных групп в целлюлозе присутствуют гидроксильные, карбоксильные и альдегидные группы (таблица 4.2).

Таблица 4.2 – Содержание функциональных групп в целлюлозе

Древесина является субстратом сложного химического состава с большим количеством разнообразных функциональных полярных групп, основными из которых являются гидроксильные.

По физическим свойствам древесина – высокопористый субстрат, пронизанный капиллярами, каналами, порами и ячейками различных размеров, в которые затекает адгезив при ее склеивании, увеличивая тем самым площадь фактического контакта (таблица 4.3).

Таблица 4.3 – Состав различных пород древесины (в объем.%)

В качестве адгезивов для древесины применяют ВМС животного и растительного происхождения с активными полярными функциональными группами. В настоящее время применяют и синтетические ВМС, однако клеи животного и растительного происхождения по - прежнему находят широкое применение.

Белковые клеи – костный, мездровый, рыбный, казеиновый, альбуминовый. Основой этих клеев является коллаген – белок. Набухая в воде, он гидролизуется и превращается в глютин:

С₁₀₂Н₁₄₉О₃₈N₃₁ + H₂O = С₁₀₂Н₁₅₁О₃₉N₃₁

(коллаген) (глютин)

Растворы глютинового клея наносят на субстрат в горячем виде, при остывании происходит желатинизация, а при высыхании – образуется клеевая пленка.

Мочевина понижает вязкость глютиновых клеев. Поэтому при ее введении до 2% происходит увеличение прочности адгезионного соединения за счет снижения вязкости клея, следовательно, к увеличению площади фактического контакта. Дальнейшее увеличение содержания мочевины (больше 2%) приводит к тому, что происходит уменьшение числа функциональных групп в клее, что приводит к снижению адгезионной прочности, несмотря на понижение вязкости клея.

Казеиновые клеи применяют в виде щелочных растворов и свойства их зависят от типа применяемой щелочи. Если применять растворы аммиака, едкого натра, соды, буры, то при высыхании образуется твердая клеевая пленка, которая при увлажнении набухает, а затем распускается, т.е. такие клеи имеют низкую влагостойкость. Нерастворимые в воде клеи дают растворы щелочноземельных металлов. Наиболее широко применяется казеиновый клей, содержащий гидроксид кальция. Он называется казеиново-известковый.

Распространенными являются альбуминовые клеи. Их основой является белок – альбумин, который способен при температуре 63⁰С свертываться, а при 75⁰ С – затвердевать, терять способность растворяться в воде. Адгезионные свойства клеев растительного и животного происхождения тесно связаны с их химической природой. Однако выяснение связей химической природы адгезив-субстрат затруднено. В основном это связано с тем, что в условиях повышенной влажности и сушке (в реальных условиях) происходит деформация древесины. А жесткий клеевой слой таких изменений не претерпевает. В результате создаются напряжения, которые приводят к снижению прочности.

Клеи растительного происхождения по свойствам и способам применения почти не отличаются от казеиновых. Из клеев растительного происхождения небелковой природы широко используются крахмальные и декстриновые.

В настоящее время в качестве синтетических адгезивов для склеивания древесины, производства фанеры, различных видов древесных плит применяют феноло-формальдегидные смолы, поливинилацетаты, полиэфирактилаты, полиуретаны, эпоксидные смолы, бутадиен-нитрильные, полихлоропропеновые, наирит и др.

Адгезия их к древесине обусловлена, в первую очередь, химической природой полимера. Показано, что функциональные группы полимеров могут взаимодействовать с функциональными группами целлюлозы.

С белковыми клеями и гидроксилсодержащими полимерами возможно протекание следующей реакции:

Цел-(ОН) + R-(ОН) → Цел-О-R+ Н₂О

Изоцианаты, реагируя с функциональными группами гидроксилов целлюлозы, образуют связи типа:

Цел-(ОН) + O=C=NR → Цел-O-C(=O)-NНR

С эпоксидными смолами гидроксилы целлюлозы могут реагировать следующим образом:

Цел-(ОН) + R( )→ Цел-O-CН₂ - СН(ОН)R

Более активными являются низкомолекулярные фракции ФФС, т.к. они способны проникать внутрь древесины по системе пор и капиляров, следовательно, при этом увеличивается площадь контакта и химического взаимодействия с целлюлозой, поэтому увеличивается прочность адгезии (таблица4.4).

Таблица 4.4 – Прочность материалов на основе древесной стружки, склеенной различными адгезивами

Таким образом, при выборе адгезива для склеивания изделий из целлюлозы необходимо учитывать условия эксплуатации КМ на их основе, уровень требований по прочностным характеристикам.