Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронежская область, Россия
ГРНТИ 61.37 Промышленный органический синтез
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
В век информационных технологий и век полимеров, задач в научно-исследовательских работах по химии и химической технологии не уменьшается, а наоборот с каждым разом становится все больше и больше. Объяснить такое явление можно с той позиции, что человек стал развиваться с очень высокой скоростью, а, следовательно, и потребности резко увеличиваются, а поэтому все объективно понимают, что природные ресурсы ежегодно растрачиваются. Наступит время, что природы для существования человека будет просто не хватать. Ведь вырастить дерево – это не дом построить, а на строительство деревянного дома требуется не одно дерево, которые растут годами. В данной работе авторы пытаются за счет отходов от производства продлить срок эксплуатации различных изделий и материалов, изготовленных из дешевых древесных пород, что возможно частично обеспечит сохранить природу. В статье представлены результаты по применению олигомера из отходов нефтехимии для защитной обработки не только древесных материалов, но и древесно-волокнистых плит (ДВП). Дозировка вторичного пенополистирола в олигомер из побочных продуктов производства полибутадиена варьировали от 10 до 40 %. Полученные образцы ДВП, березы, липы и осины были исследованы на устойчивость к действию воды и влаги. Результаты свидетельствуют о том, что образцы обладают повышенными прочностными показателями и устойчивостью к действию воды и влаги. Таким образом, комплексное использование отходов и побочных продуктов позволяет утилизировать их и применять для защитной обработки изделий из древесины, что способствует повышению формостабильности и срока службы изделий.
отходы, модификация, олигомеры, обработка, древесные материалы, водопоглащение, формостабильность, гидрофобность.
Введение. В настоящее время на промышленном рынке стремительно растет разнообразие строительных и отделочных материалов. Из огромного ассортимента материалов с каждым годом все тяжелее выбрать те, которые бы сочетали два основных требования – качество и доступность. Зачастую дешевые строительные материалы не удовлетворяют потребителя своим качеством, однако и дорогие материалы не всегда соответствуют требованиям. Все мы понимаем, как формируется цена на продукцию, чем дешевле сырье, тем дешевле материал. Анализируя литературные данные, ранее в работах были предприняты попытки переработки и использования нефтесодержащих отходов [1–2]. Применение отходов от производства позволяют удешевлять конечный продукт.
В связи с этим группа профессорско-преподавательского состава из различных вузов г. Воронежа во главе с профессором Никулиным С.С. в последнее время большое внимание в своих исследованиях уделяет комплексной переработке отходов и побочных продуктов различных производств для создания наиболее качественных и доступных строительных материалов. Подход к решению данного вопроса позволяет решать ряд экологических задач, а также более полно и рационально использовать различные существующие отходы, которые до настоящего времени не нашли своего применения. Так, например, в промышленных масштабах был освоен выпуск низкомолекулярных полимерных продуктов (олигомеров) на основе побочных продуктов производства бутадиенового каучука (ПППБ), который в течение ряда лет использовали в производстве лакокрасочных материалов (ЛКМ) [3, 4]. Основными звеньями, входящими в структуру олигомера на основе ПППБ являлись - звенья стирола, 4-винилциклогексена (ВЦГ), циклододекатриена-1,5,9 (ЦДТ), н-додекатетраена-2,4,6,10 (НДТ) и др. [5–7].
Наилучшим комплексом свойств обладали олигомеры на основе ПППБ, полученные при содержании стирола в исходной мономерной смеси 70–80 %. Снижение содержание дорогого и дефицитного стирола до 30–50 % приводит к ухудшению показателей качества получаемых ЛКМ. Из изложенного выше у профессорско-преподавательского состава (ППС) возникла идея олигомер на основе ПППБ, полученный при низком содержании стирола модифицировать вторичным пенополистиролом (ВППС), чтобы приблизить его к высокостирольному. Известно, что провести химическое совмещение двух видов полимерных отходов возможно на молекулярном уровне за счет проведения их совместной деструкции [8–10]. Возникает вопрос, где могли бы найти применение такие олигомеры. Одним из перспективных таких направлений может служить защитная обработка древесины и изделий на её основе, используемой в промышленном и гражданском строительстве [11–13].
Основная часть. Цель работы – модификация низкомолекулярного сополимера на основе побочных продуктов производства полибутадиена вторичным пенополистиролом и применение для защитной обработки древесных материалов. На основании вышесказанного, олигомер ПППБ с содержанием стирола от 40 до 50 % в реакторе смешивали со ВППС в количествах 10, 20, 30 и 40 % на 100 % олигомера. Полученные смеси подвергали высокотемпературной обработке при 200±5 оС в течение 3-5 часов в присутствии кислорода воздуха и нафтенатного сиккатива. Добавки сиккатива варьировались от 2 до 5 % и из системы не удалялись из-за создания условий для совместной деструкции полимерных отходов. Подразумевалось, что оставшийся сиккатив будет выполнять функцию структурирующего агента после обработки деструктированным композитом древесины и изделий на её основе. При данной обработке будут протекать два конкурирующих процесса: деструкция пенополистирола и олигомера, и структурирование между собой образующихся продуктов распада. В результате протекающих процессов происходит образование новых макромолекул, содержащих в своей структуре повышенное содержание стирола. В структуре получаемого олигомера появляются кислородсодержащие функциональные группы, повышающие его сродство к компонентам древесного вещества. Отмечено, что молекулярная масса синтезированных продуктов в результате увеличилась в два раза (от 5000 до 10000). К исследованию были представлены образцы древесины из относительно дешевых пород (березы, липы, осины) и древесно-волокнистых плит (ДВП), которые пропитывали полимерным раствором и выдерживали в течение одного часа при температуре 80–90 оС. Пропитанные образцы древесины извлекали из раствора и после подсушки помещали в сушильный шкаф и выдерживали в течение 1–5 часов при температуре 90–110 °С для удаления растворителя. Время и температура для каждого вида породы древесины подбиралось индивидуально. Подробные описания представлены в работах [14, 15]. После чего температуру повышали до 160–165 °С и при данной температуре выдерживали еще 3 часа. За данный промежуток времени происходила сшивка молекул олигомера в структурах древесины с образованием древесно-полимерного каркаса, а также образование эфирных связей между компонентами древесного вещества (целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином) окисленным модифицированным олигомером. Показатели испытаний древесины различных пород и ДВП на водопоглощение и разбухание представлены в табл. 1, 2.
Результаты и их обсуждение. Анализ экспериментальных данных показывает, что наилучшими показателями обладают образцы древесины липы, березы и осины, где в качестве пропитывающего состава использовали олигомер на основе ПППБ с добавками 40 % ВППС. Высокие показатели образцов древесины связаны с тем, что получаемый продукт содержит меньшее количество двойных связей, повышающих его гидрофильные свойства. Также необходимо отметить, что образцы ДВП, пропитанные таким модифицированным олигомерным составом, показали повышенную прочность и устойчивость к действию воды и влаги. С увеличением содержания ВППС в олигомере из ПППБ повышалась прочность ДВП, а водопоглощение и разбухание уменьшались.
Выводы. Таким образом, комплексное использование отходов и побочных продуктов позволяет целенаправленно утилизировать данные отходы. Полученные на основе побочных продуктов нефтехимии олигомерные материалы с успехом могут быть использованы для повышения формостабильности и гидрофобности изделий из древесины различных пород. Древесно-полимерные композиты могут быть использованы в производстве строительных материалов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и действии других агрессивных сред.
Таблица 1
Влияние содержания вторичного пенополистирола в олигомере из ПППБ на водопоглощение и разбухания образцов древесины
|
Вид породы дерева |
Дозировка ВППС в ПППБ, % |
Водопоглощение, % |
Разбухание в радиальном направлении, % |
Разбухание в тангенциальном направлении, % |
|
береза |
0 |
25,7 68,0 |
3,3 6,5 |
4,4 8,4 |
|
10 |
25,0 66,8 |
3,3 6,2 |
4,0 8,0 |
|
|
20 |
24,7 65,1 |
3,0 5,8 |
3,9 7,9 |
|
|
30 |
23,0 62,3 |
2,7 5,4 |
3,7 7,6 |
|
|
40 |
21,2 59,0 |
2,5 5,1 |
3,6 7,5 |
|
|
липа |
0 |
19,1 65,3 |
3,0 5,1 |
4,9 6,7 |
|
10 |
19,4 63,8 |
3,0 4,9 |
4,0 6,9 |
|
|
20 |
18,6 58,1 |
2,7 4,4 |
3,5 5,7 |
|
|
30 |
16,9 55,9 |
2,1 3,7 |
3,4 5,6 |
|
|
40 |
15,8 55,1 |
2,0 3,9 |
3,7 5,5 |
|
|
осина |
0 |
29,7 72,0 |
3,5 6,7 |
4,6 8,6 |
|
10 |
28,0 69,8 |
3,4 6,6 |
4,3 8,3 |
|
|
20 |
26,5 68,1 |
3,2 6,1 |
4,1 7,9 |
|
|
30 |
25,0 66,3 |
2,9 5,9 |
3,9 7,5 |
|
|
40 |
23,8 61,5 |
2,7 5,6 |
3,8 7,7 |
Примечание: числитель – через 1 сутки; знаменатель – через 30 суток
Таблица 2
Экспериментальные значения показателей образцов ДВП,
обработанных модифицированным олигомером на основе ПППБ
|
|
Дозировка вторичного пенополистирола в олигомер из ПППБ, %
|
||||
|
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
|
|
Прочность при изгибе, МПа |
45,1 |
47,5 |
50,7 |
54,9 |
55,1 |
|
Водопоглощение, % |
14,3 |
13,3 |
12,1 |
11,4 |
11,1 |
|
Разбухание по толщине, % |
11,7 |
10,9 |
10,0 |
10,3 |
9,3 |
1. Соколов Л.И. Переработка и использование нефтесодержащих отходов. М.: Инфра-Инженерия, 2017. 128 с.
2. Булатов М.А. Комплексная переработка многокомпонентных жидких систем. М.: Мир, 2012. 304 с.
3. Никулин С.С., Сергеев Ю.А., Шеин В.С. Использование олигомеров бутадиена в лакокрасочной промышленности // Лакокрасочные материалы и их применение. 1986. № 4. С. 15-16.
4. Никулин С.С., Сергеев Ю.А., Тертышник Г.В., Струкова И.Ю., Шаповалова Н.Н. Свойства пленкообразователей на основе отходов производства синтетического каучука // Лакокрасочные материалы и их применение. 1988. № 4. С. 26-28.
5. Никулина Н.С., Никулин С.С. Сополимеризация непредельных соединений, содержащихся в кубовом остатке очистки возвратного растворителя производства полибутадиена в присутствии хлорида алюминия // Промышленное производство и использование эластомеров. 2013. № 4. С. 41-43.
6. Никулин С.С., Седых В.А., Никулина Н.С. Пластификация полибутадиена олигомером, полученным на основе побочных продуктов производства растворного каучука // Химическая технологи. 2012. Т. 13. № 4. С. 210-215
7. Никулина Н.С., Стадник Л.Н., Пугачева И.Н., Никулин С.С. Утилизация отходов производства полибутадиена, содержащих 4-винилциклогексен // Химия в интересах устойчивого развития. 2015. Т. 23. № 1.С. 49-53.
8. Заиков Г.Е., Разумовский С.Д., Кочнев А.М., Стоянов О.В., Шкодич В.Ф., Наумов С.В. Деструкция как метод модификации полимерных изделий // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 6. С. 55-66.
9. Базунова М.В., Прочухан Ю.А. Способы утилизации отходов полимеров // Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. № 4. С. 875-885.
10. Зархина Т.С., Аксенова Н.А., Соловьева А.Б. Влияние безметальных порфиринов на термоокислительную деструкцию биосовместимых полимеров // Журнал физической химии. 2017. Т. 91. № 6. С. 945-950.
11. Никулин С.С., Филимонова О.Н., Никулина Н.С., Болдырев В.С. Применение низкомолекулярных сополимеров на основе побочных продуктов производства полибутадиена с низким содержанием стирола как модификаторов древесноволокнистых плит // Химическая промышленность сегодня. 2005. № 4. С. 15-17.
12. Никулина Н.С., Филимонова О.Н., Никулин С.С. Защитная обработка древесины низкомолекулярными сополимерами из отходов производства полибутадиена с пониженным содержанием стирола // Производство и использование эластомеров. 2005. №3. С. 16-19.
13. Черных О.Н., Никулин С.С. Модификация древесины окисленным стиролсодержащим олигомером из побочных продуктов производства полибутадиена // Известия вузов. Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. Вып. 2. С. 65-69.
14. Никулина Н.С., Вострикова Г.Ю., Дмитренков А.И., Никулин С.С. Защитная обработка древесины олигомером из побочных продуктов производства полибутадиена, модифицированного пенополистиролом // В сборнике: Наука, образование и инновации в современном мире. Материалы национальной научно-практической конференции. 2018. С. 188-192.
15. Никулина Н.С., Вострикова Г.Ю., Дмитренков А.И., Никулин С.С. Применение олигомера из побочных продуктов производства полибутадиена, модифицированного вторичным пенополистиролом для защитной обработки древесных материалов // Химия, физика и механика материалов. 2018. № 1 (16). С. 24-32.
