ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЕВЫХ ПРОТЕИНОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ФАНЕРЫ

THE POSSIBILITY OF SOY PROTEIN USING FOR PLYWOOD PRODUCTION

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии древесных композиционных материалов, целлюлозы и бумаги Ортынська Г.Е.

Национальный лесотехнический университет Украины Ortynska G.E.

National University of Forestry and Wood Technology of Ukraine Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

DOI: 10Л2737/3030

Abstract. In this article we consider the possibility of the using soy proteins for wood composite materials, such as plywood. The adhesive compositions based on phenol-formaldehyde resin and soy protein for plywood production were developed.

Keywords: soy protein, adhesives, plywood, gluing.

В настоящее время увеличиваются требования к древесным композиционным материалам, и основное внимание уделяется качественным, экологическим и экономическим показателям. На эти показатели существенно влияет выбор клеевых материалов, влажность шпона и его качество. В производстве древесных композиционных материалов как клеевые материалы применяют преимущественно синтетические смолы, например, фенолоформальдегидные и карбамидоформальдегидные. Сырьем для их изготовления есть нефтепродукты, природный газ. Однако на современном рынке наблюдается постоянный рост цен на нефть и газ в связи уменьшением количества их залежей или из-за политической ситуации в мире, а это в свою очередь приводит к постоянному повышению стоимости синтетических клеев. Еще одним недостатком синтетических клеев является то, что они не являются экологически чистыми, поскольку могут выделять значительное количество свободного формальдегида, что отрицательно влияет на окружающую среду.

Необходимость изготовления экологически чистых материалов на основе легко возобновляемых природных ресурсов, и полнота нефтехимических ресурсов, обусловило необходимость исследовать возможность применения биополимеров.

Основным источником для изготовления протеинов растительного происхождения являются злаковые и бобовые растения, в частности пшеница, кукуруза, соя, горох и другие.

Установлено, что из зерен пшеницы можно получить 7-14 % протеина, из кукурузы - 6-12 %. Как правило, сначала получается крахмал, а протеин является вторичным продуктом. Соя содержит большое количество протеина, (что составляет около 40%) по сравнению со злаковыми культурами такими как: пшеница, кукуруза. Таким образом, основным источником для изготовления протеина соя. Наиболее распространенными являются соевые протеины, которые используются в форме муки, концентрата и изолята [1, 2, 3, 4].

По химическому составу соевые протеины - это биополимеры, состоящие из макромолекул, содержащих более 18-20 аминокислот, связанных между собой амидной связью полипептидной цепи. Протеины содержат некоторые функциональные группы, которые легко взаимодействуют с гидроксильными и карбоксильными группами целлюлозных волокон.

Поэтому соевый протеин рекомендуют использовать как основу клеевых композиций для склеивания между собой поверхностей древесины, например при производстве фанеры. Клеи приготавливают следующим образом: соевого протеина добавляют дистиллированную воду в соотношении 1:6 и нагревают полученную суспензию до 50°С, которую перемешивают в течение 120 мин. Клей применяют для склеивания шпона, как горячим, так и холодным способом [5]. Полученный материал является экологически чистым, отвечает требованиям стандарта, но с низкой водостойкостю. Поэтому данную фанеру используют в производстве мебели и для внутренней обшивки стен.

Для повышения качественных характеристик фанеры, изготовленной с помощью соево-протеиновых клеев, предложено их модифицировать с помощью физического, химического и энзимного методов [6].

Кроме этого, для технологического процесса изготовления фанеры характерны значительные энергозатраты на сушку шпона (почти 60%) и его склеивания (15 %), что существенно влияет на себестоимость готовой продукции. Для уменьшения этих энергозатрат, особенно, во время сушки шпона нужно было б сушить шпон к более высокой конечной влажности (например, 15 %).

Если использовать высокую начальную влажность шпона (W>8±2%) во время изготовления фанеры возникают следующие проблемы: уменьшается вязкость нанесенного клеевого слоя, создается опасность образования прерывистого клеевого слоя и замедляется процесс отверждения клея; избыточная влага может быть причиной тепловой деструкции клея при горячем склеивании шпона. Однако использование шпона повышенной влажности характеризуется также позитивными моментами: с увеличением влажности повышается эластичность древесины, что дает возможность уменьшить количество и размеры трещин в шпоне, а это способствует улучшению качества фанеры, что напрямую зависит от сорта применяемого шпона [7].

К вопросу склеивания шпона с высоким содержанием влаги посвящено ряд исследований, по результатам которых рекомендуется: применять пленочные и порошкообразные клеи [8, 9, 10]; наполнять фенолоформальдегидные смолы гидролизованными соевыми и крахмальными протеинами, танином [11]; использовать вакуумные прессы для склеивания [12]; чередовать влажные и сухие листы шпона в пакете или покрывать влажные листы шпона гигроскопическими веществами перед нанесением на них клея [13]. Однако, данные меры требуют применения дорогих клеев, замены уже существующего оборудования, дополнительных технологических операций, что может привести к значительным капиталовложениям и, соответственно, к повышению себестоимости готовой продукции. В связи с этим данные методы не нашли своего применения в производстве фанеры, поэтому вопрос склеивания шпона повышенной влажности остается актуальным. Кроме этого использование соевых протеинов дает возможность расширить спектр клеевых композиции.

Для выполнения экспериментов использовали следующие материалы: березовый шпон размером 300x300x1,5 мм, влажностью 15 %; фенолоформальде- гидною смолу Lignofen; соевый протеин изолят (92 %).

На 100 м.ч. фенолоформальдегидной смолы добавляли 1, 3 или 5 м.ч. соевого протеина (таблица 1). Для разработанных клеевых композиций определяли: динамическую вязкость, концентрацию ионов водорода (pH), концентрацию, время отверждения, жизнеспособность, а также предел прочности фанеры при скалывании.

Повышенную влажность шпона (15 %) достигали путем акклиматизации листов шпона при постоянной температуры над раствором серной кислоты концентрацией 30%. Выбор концентрации серной кислоты осуществляли графическим способом [14]. Влажность шпона определяли контактным способом с помощью влагомера GMH 3830.

Таблица 1 - Рецептура клеевых композиций

Рецептура клея

Наименование компонентов, м.ч.

Фенолоформальдегидная смола (Lignofen)

Соевый протеин изолят (92%)

К(контроль)

100

-

А

100

1

Б

100

3

В

100

5

Концентрацию клея определяли весовым методом, сушка исследуемой композиции происходила до постоянной массы при температуре 103±2°С. Время отверждения клея определяли при температуре 150°С. Для определения динамической вязкости клеев применяли ротационный вискозиметр RHEOTEST типа RV2, а для определения концентрации ионов водорода - pH-метр HANNA HI 221.

С использованием каждой клеевой композиции изготавливали трехслойную фанеру за таких параметров прессования: давление - 1,0 МПа, температура - 150°С, продолжительность - 6 мин (в течение последних 30 с давление уменьшали до 0 МПа), расход клея - 150 г/м2. Фанеру прессовали в гидравлическом прессе FORTUNE. Для оценки качества склеивания фанеры на разрывной машине LaborTech 4.050 определяли предел прочности при скалывании в соответствии к стандартам EN 314-1 и EN 314-2.

Увеличение содержания соевого протеину приводит к уменьшению жизнеспособности клеев, величина которой колеблется в пределах от 3 до 5 м.ч. (табл. 2). Концентрация изменяется незначительно (от 46,48 к 50,22%), а концентрация ионов водорода (pH) остается практически неизменной (11,8-12,0).

Добавление соевого протеина, в частности, динамическая вязкость клея повышается в 52 раза. Противоположный характер влияния модифицирующего вещества наблюдается для времени отверждения. При увеличении содержания соевого протеина, время отверждения уменьшается до 91,2 с.

Следует отметить, что клеи, в состав которых входит 1 и 3 м.ч. модифицирующих веществ, хорошо наносятся на влажный шпон. С увеличением содержания соевого протеина до 5 м.ч. получают достаточно вязкий клей, что приводит до неравномерно нанесения на поверхность шпона, и возникает опасность получить клеевое соединение уменьшенной прочности.

Таблица 2 - Характеристика клеев

Наименование показателя

Рецептура клея

К

А

Б

В

Вязкость, мПас

174

278

1049

9185

Жизнеспособность, год

>5

>5

>3

<3

pH

12,0

11,9

11,8

11,8

Время отверждения, 150°С, с

120,4

135,6

121,6

91,2

Концентрация, %

46,48

46,76

48,86

50,22

Предел прочности при скалывании, МПа

-

1,56

2,60

1,70

При добавлении к смоле соевого протеина в количестве 1-3 м.ч. предел прочности фанеры при скалывании, а увеличение содержания до 5 м.ч. приводит к уменьшению - в 1,52 раза, что можно объяснить повышением вязкости и уменьшением времени отверждения клеевой композиции.

Полученные значения предела прочности фанеры при скалывании являются выше установленных норм (1 МПа) и такая фанера соответствует требованиям стандарта ДСТУ EN 314-2 для 3 класса качества склеивания и может быть использована для эксплуатации в наружных условиях.

Библиографическкий список

  • 1. Zhong Z., Sun X. Thermal and mechanical properties and water absorption of soy protein / Polycaprolactone Blends, Polymer, 2001. - № 42. - P. 6961-6969.
  • 2. Shukla R., Cheryan M. The industrial protein from corn / Industrial Crops and Products, 2001. -№13. -P. 171-192.
  • 3. Richard P., Xiuzhi Susan Sun Bio-based polymers and composites - Science & Technology Books, 2005.
  • 4. Kumar R., Choudhary V., Mishra S., Varma I., Mattiason B. Adhesives and plastics based on soy protein products / Industrial Crops and Products, 2002. - №16. - P. 155-172.
  • 5. Kunsheng Z., Yangyang L., Yunxia R. Biotechnology and food science / Journal of Food Engineering, 2007. - №79, P. 1233-1237.
  • 6. Sun X., Bian K. Shear strength and water resistance of modified soy protein adhesives / JAOCS, 1999. - vol.76, №8 - P. 977-980.
  • 7. Бехта П.А. Виробництво фанери - Кшв: Основа, 2003. - 320 с.
  • 8. Топеха В.М. Исследование и разработка технологии склеивания шпона повышенной влажности порошкообразным клеем: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. техн. наук: спец. 05.21.05 "Процессы и механизация деревообратывающих производств, древесиноведение" - Ленинград, 1980. - 19с.
  • 9. Elbez G. Possibility of gluing of veneers with high moisture content / Adhesives in woodworking industry: Proceedings of XIII Symposium. - Slovakia, Vinne, 1997. -p. 101-110.
  • 10. Urbanik E., Jablonski W., Jozwiak M. Gluing high moisture content veneer with adhesives based on RPF and PF / Adhesives in woodworking industry: Proceedings of XIII Symposium. - Slovakia, Vinne, 1997. - p.225-232.
  • 11. Vijayendran B., Clay J. Some recent studies on soy protein-based wood adhesives / In Wood Adhesives 2000 Extend Abstracts. Nevada: Forest Products Society, 2000, p.4-5.
  • 12. Израелит А.Б., Денисов С.В. Теоретическое исследование напряженно- деформационного состояния фанеры после склеивания влажного шпона у вакуумных прессах / Технология и оборудование деревообрабатывающих производств - 1982. - №11. - С.37-41.
  • 13. Заявка 58-11102 Япошя В 27 D 1/04. Cnoci6 виготовлення фанери / Фукуи Цуеси, Мидзуно Масуо, Ито Такуми; к.к. Мэйнан сэйсакусе.-№ 56-108753; заяви. 11.07.81; оп>бл. 21.01.83.
  • 14. Ващев Н.В. Влияния влажности воздуха и древесины на прочность клеевых соединений - Москва: Лесная промышленность, 1966. - 87с.

УДК 630*81

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >