Древесно-полимерные материалы с применением кремнийорганических соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Чекунин, Дмитрий Борисович

• Чекунин, Дмитрий Борисович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чекунин, Дмитрий Борисович

Список терминов, условных обозначений и аббревиатур.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Состояние вопроса.

1.2. Кремнийорганические соединения.

1.2.1. Кремнийорганические каучуки.

1.2.2. Кремнийорганические полимеры.

1.2.3. Полиорганосилоксаны.

1.2.4. Полиэлементоорганосилоксаны.

1.2.5. Полиорганосилазаны.

1.2.6. Полиорганоалкиленсиланы.:.

1.2.7. Прочие полимеры.

1.3. Кремнийорганические соединения применяемые для обработки бумаги.

1.3.1.Низкомолекулярные кремнийорганические соединения.

1.3.2. Кремнийорганические жидкости.

1.3.3. Высокомолекулярные кремнийорганические соединения и композиции на их основе.

1.4. Методы обработки кремнийорганическими композициями волокнистых материалов.i.

1.4.1. Газофазная обработка кремнийорганическими соединениями.

1.4.2. Жидкофазная обработка кремнийорганическими соединениями.

1.5. Кремнийорганические композиции для придания целлюлозным материалам свойств гидрофобности и антиадгезионности.

1.5.1. Кремнийорганические композиции для введения в бумажную массу.

1.5.2. Водные растворы кремнийорганических соединений для поверхностной обработки бумаги и картона.

1.5.3. Водоэмульсирнные. кремнийорганические композиции для обработки бумаги и картона.

1.5.4. Кремнийорганические композиции на основе органических растворителей.

1.5.5. Кремнийорганические безрастворные композиции.—

1.6. Выводы, определение цели работы и постановка задач исследований:.

Глава 2. Методическая часть

2.1. Характеристики используемых: исходных материалов и химических веществ.

2.1.1. Нанодисперсия полиорганосилокеана.".

2.2. Оборудование и приборы, используемые в работе.

2.2.1. Колориметр фотоэлектрический ^концентрационный КФК - 2 МП.

2.2.2. Микроскоп биологический исследовательский универсальный МБИ - . 15. .66.

2.2.3. рН-метр МУЛБТИТЕСТИГТЛ-311.

2.2.4. Листоотливной аппарат ЛА-1.

2.2.5. Лазерный конфокальный микроскоп SOLAR-TII.

2.3: Методики исследования нанодисперсии полиорганосилоксана.

2.311. Изучение термостабильности нанодисперсии полиорганосилоксана.

2.3.2. Изучение влияние рН- на стабильность дисперсии кремнийорганического полимера.

2.3.3. Изучение стабильности дисперсии кремнийорганического полимера при поглощении диоксида углерода из воздуха.

- 2.3:4. Изучение совместимости дисперсии кремнийорганического полимера с: ингредиентами, применяемыми при производстве бумаги и картона:.

2.3.5. Микроскопическое изучение характера плёнкообразования;.

2.4. Методики получения целлюлозно-полимерных композиционных материалов с применением нанодисперсии полиорганосилоксанов.

2.4.1. Методика приготовления массы.

2.4.2. Методика приготовления отливок.

2.4.3. Методика нанесения нанодисперсии полиорганосилоксана на поверхность.

2.5. Изучение свойств полученных целлюлозно-полимерных композиционных материалов с применением нанодисперсии полиорганосилоксана.

2.5.1. Определение разрывной длины.

2.5.2. Определение сопротивлению продавливания.

2.5.3. Определение степени проклейки штриховым методом.

2.5.4. Определение водопоглащения методом Кобба.

2.5.5. Измерение рН водных вытяжек по стандартным методикам.

2.5.6. Лазерная конфокальная микроскопия.

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1. Результаты исследования нанодисперсии полиорганосилоксана.

3.1.1. Изучение термостабильности нанодисперсии полиорганосилоксана.

3.1.2. Влияние рН на стабильность нанодисперсии полиорганосилоксана—

3.1.3. Изучение стабильности нанодисперсии полиорганосилоксана при поглощении диоксида углерода из воздуха.-.

3.1.4. Изучение совместимости дисперсии кремнийорганического полимера с ингредиентами, применяемыми при производстве бумаги и картона.

3.1.5. Микроскопическое изучение характера плёнкообразования:.

3.2. Изготовление отливок, получение опытных образцов и их испытания.

3.2.1. Определение разрывной длины.

3.2.2. Определение сопротивлению продавливания.

3.2.3. Определение величины степени проклейки бумаги, разными методами.

3.2.4. Измерение рН водных вытяжек.

3.2.5. Лазерная конфокальная микроскопия.

Глава 4. Результаты и их обсуждение

4.1. Обсуждение результатов исследования стабильности нанодисперсии полиорганосилоксана.

4.2. Обсуждение результатов исследования характера плёнкообразования из нанодисперсии полиорганосилоксана.

4.3. Обсуждение результатов физико-механических испытаний бумаги и картона, полученных с применением нанодисперсии полиорганосилоксана.

4.4. Обсуждение результатов исследования образцов методом лазерной конфокальной микроскопии.

Глава 5. Технико-экономическое обоснование

5.1. Технико-экономическое обоснование применения нанодисперсии полиорганосилоксана в производстве целлюлозно-полимерных композиционных материалах.

5.2. Расчет экономического эффекта в производстве от применения в качестве гидрофобизирующего состава нового композиционного кремний органического полимера на водной основе "Гидрощит супер".

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Древесно-полимерные материалы с применением кремнийорганических соединений»

В быстро развивающейся индустрии целлюлозно-полимерных композиционных материалов, значительную роль инновационного процесса играют химические вспомогательные средства, добавки.

Основополагающим фактором динамичного развития производства бумажных материалов был и остается спрос на высококачественную, экономичную и экологически чистую продукцию. Только обладающие указанными свойствами целлюлозно-полимерные композиционные материалы являются конкурентоспособными на мировом рынке. Современные материалы обеспечивают прогресс, как собственного производства, так и отраслей промышленности — потребителей широкого ассортимента целлюлозно-полимерных композиционных материалов. Достичь приемлемых показателей производства невозможно без его интенсификации на основе новых прогрессивных материалов и внедрения современных технологий и оборудования.

Выбор темы научной работы в условиях динамично развивающегося , научно-технического прогресса является важнейшим фактором её теоретической и практической значимости.

При выборе темы диссертации и объекта исследований учитывались следующие аспекты: обязательное наличие непознанных свойств объекта к моменту исследований; возможность возвращаться к изучению объекта много раз, так как непрерывная изменчивость условий проявления свойств объекта в сфере эксплуатации не может привести к окончательному выявлению и изучению этих свойств; делимость объекта исследования, то есть, любая, научно-техническая задача может быть разделена на отдельные самостоятельные задачи; преемственность объекта исследования, то есть, оценка работы должна производиться не только по полноте и глубине решения поставленной проблемы, но и с обязательным учётом состава вновь сформулированных научных проблем и требований к исходным условиям их решения; разработка и внедрение новых, а также совершенствование существующих технологических процессов производства композиционных материалов на основе целлюлозы и древесины, должны реализовываться с минимальными инвестиционными затратами; теоретические результаты должны носить обобщающий прикладной характер и быть применимы к наиболее массовым видам продукции, пользующейся устойчивым спросом на внутреннем и внешнем рынках; научная новизна новых и усовершенствованных технологий должна быть базой существенного улучшения качества композиционных материалов на основе целлюлозы и древесины, снижения себестоимости их производства, повышения производительности оборудования, а также повышать экологическую безопасность работы предприятия.

Постоянно повышающиеся требования ко всем показателям производимых видов продукции в рамках целлюлозно бумажного комплекса и смежных областях, заставляют исследователей находить всё новые пути решения поставленных задач. Но сегодня, наука и промышленность, практически исчерпав, традиционные методы решения поставленных задач вынуждена совершить, провыв по различным направлениям, в том числе и в направлении нанотехнологий.

С целью повышения конкурентоспособности своей продукции предприятия всё в большей степени используют более дешевые компоненты: волокнистые полуфабрикаты высокого выхода, макулатуру, древесную массу, целлюлозу из лиственных пород древесины и другое. Эти компоненты отличаются пониженными показателями механической прочности и долговечности, что существенно заметно при традиционном изготовлении композиционных материалов на основе целлюлозы. Указанные недостатки особенно сильно проявляются при использовании целлюлозных композиционных материалов потребителями.

Для компенсации таких неблагоприятных эффектов, а также улучшения ряда других показателей качества продукции, требуется применение в технологии многих химических веществ - функциональных добавок (крахмала, латексов, эфиров целлюлозы и др.). Введение их в массу перед изготовлением целлюлозно-композиционного материала или его поверхностная обработка в готовом виде, эффективно снижают отрицательные явления.

Как известно, бумага и картон' обладают способностью поглощать влагу из окружающей среды, причем повышенная влажность, как и другие воздействия, оказывает существенное влияние на их физические и механические свойства. При повышении влажности всего на 30% потери в физико-механических свойствах для бумаги и картона составляет в среднем 70%.

При производстве бумаги и картона требуется задать определенный уровень гигроскопичности, антиадгезионности, химической, биологической и термической стойкости. На данный момент в бумажной промышленности этого добиваются нанесением различного вида пленок и покрытий, в том числе с применением низкомолекулярных кремнийорганических соединений (силиконизированные виды бумаги и картона). Для повышения всех перечисленных характеристик перспективным является использование группы искусственно синтезированных полиорганосилоксанов в виде водных нанодисперсий.

Применение этих водно-дисперсионных составов на основе высокомолекулярных кремнийорганических соединений является удобным решением для гидрофобизации бумаги и картона. Они не требуют катализаторов полимеризации и прочих вспомогательных веществ и могут вводиться4' как в массу, так и производить поверхностную обработку материала.,

Кремнийорганические соединения обладают рядом специфических свойств. Например, некоторые из них частично растворимы в воде. В связи с этим они довольно быстро нашли себе применение в технологии производства: бумаги и картона. Но до сих пор большие группы таких соединений, остаются мало изученными, в смысле применения к технологии целлюлозно-полимерных материалов.

Из широкого ассортимента кремнийорганических, продуктов, производимых современной химической промышленностью, наибольшее применение получили; полиорганосилоксаны с различными заместителями у атома кремния и реакционноспособными группами. Применение' подобных соединений не предполагает существенных изменений современных технологий^ производства бумаги* и картона. Их можно легко внедрить на любом: этапе производства. Потребуется: лишь небольшая; модернизация; существующих линий, с небольшими капиталовложениями.

Данная, диссертационная работа;рассматривает создание и применение комплекса нового типа химических добавок для выпускаемой, продукции. в рамках целлюлозно бумажного комплекса и смежных областях науки и техники.

Среди основных технологических операций производства бумаги и картона, важная роль принадлежит проклейке и наполнению; как способствующих гидрофобизации материала. При анализе состояния рынка на текущий момент можно • сделать вывод о повышенном спросе высоко гидрофобизированных целлюлозно-полимерных материалах.

В процессе выполнения диссертации автором была разработана научно обоснованная технология получения нового целлюлозно композиционного материала с повышенными характеристиками по сравнению с аналогами с применением нанодисперсиишолиорганосилоксанов;

Результаты лабораторных исследований были проверены в независимой сертификационной лаборатории и получили положительные отзывы.

Ожидается, что экономический эффект от использования новой технологии будет существенным, а его уровень будет определен после опытно-промышленного освоения предложенной технологии.

Научными частями диссертации явились:

1. Анализ возможности применения полиорганосилоксанов в технологии, получения новых целлюлозно-композиционных полимерных материалов.

2. Исследование стабильности нанодисперсий в условиях получения материалов с использованием полиорганосилоксанов.

3. Исследование процесса взаимодействия полиорганосилоксанов с целлюлозой и другими компонентами традиционных целлюлозных материалов.

4. Исследование «проклеивающей» и гидрофобизирующей эффективности полиорганосилоксанов при обработке целлюлозных материалов.

5. Исследование физико-механических показателей полученных материалов.

6. Технико-экономическое обоснование применения полиорганосилоксанов в производстве целлюлозных материалов.

Настоящая диссертационная работа может рассматриваться как определенный вклад в теорию и практику применения композиций на основе полиорганосилоксанов в качестве вспомогательного материала при производстве целлюлозных композиционных материалов.

Автор выносит на защиту: исследование стабильности полиорганосилоксанов применительно к технологии получения целлюлозных материалов; исследование процесса взаимодействия полиорганосилоксанов с целлюлозой и прочими компонентами композиций; исследование «проклеивающей» и гидрофобизирующей эффективности полиорганосилоксанов при производстве целлюлозных материалов; исследование физико-механических показателей полученных материалов; технологию и технико-экономическое обоснование получения новых целлюлозно-полимерных композиционных материалов; В заключении следует сказать, что при небольшом изменении условий синтеза рассматриваемых соединений мы сможем получать вещества способные улучшать весь комплекс свойств целлюлозных материалов. Планомерное и всестороннее изучение данного класса высокомолекулярных кремнийорганических соединений позволит производить совершенно новые виды целлюлозно-композиционной продукции с повышенной долговечностью, антиадгезионными свойствами, устойчивостью к воздействию агрессивных сред, повышенных температур и т. д.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Чекунин, Дмитрий Борисович

Выводы

1. По результатам исследований предлагаемой нанодисперсии полиорганосилоксана можно заключить, что эта композиция является достаточно термостабильной в условиях её применения в технология целлюлозно-бумажной промышленности. Влияние кислотности среды не оказывает существенного воздействия на её устойчивость в пределах значений . рН композиции на разных стадиях технологического режима, а применение вспомогательных веществ в композициях бумаги, и картона не блокирует, а в некоторых случаях усиливает её применение в технологии.

2. Характер плёнкообразования из частиц нанодисперсии на поверхности^ фибрилл технических целлюлоз и волокон древесной массы говорит о том, что данная нанодисперсия с размерами частиц соизмеримых с глобулами коллоидных растворов позволяют без создания монолитной плёнки на поверхности целлюлозного материала придать ему гидрофобные свойства, за счёт образования макромолекулярной сетки на поверхности целлюлозных фибрилл, а возможно и на более тонких структурах целлюлозного волокна.

3. Из вывода 2 следует что материал, полученный с использованием нанодисперсии приобретая гидрофобные свойства, не теряет многие свои Физико-механические характеристики, такие как воздухо- и водопроницаемость, но с другой стороны приобретает очень ценные эксплуатационные свойства, такие как высокая прочность во влажном состоянии.

4. Бумага и картон; полученные с применением нанодисперсии полиорганосилоксана обладают достаточно высокими физико-механическими свойствами соответствующими, а иногда и превышающими значения требуемые ГОСТом.

5. Косвенные методы изучения характера взаимодействия полиорганосилоксана с компонентами лигно-углеводной матрицы объясняют, а иногда подтверждают предположения, выдвинутые на начальной стадии работы.

6. Технико-экономическое обоснование применения нанодисперсии говорит о том что её применение при производстве целлюлозно-полимерных композиционных материалов является эффективным и в перспективе может быть использована при производстве последних.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, показано, что применение полиорганосилоксанов в виде водной нанодисперсии при производстве целлюлозно композиционных материалов возможно и приводит к решению ряда вопросов поставленных выше.

Освоение производства тарного картона и подобных материалов с применением полиорганосилоксанов возможно на любом современном предприятии' с небольшим вложением средств в модернизацию существующего производственного цикла.

Результаты проведённого исследования могут быть полезны при изучении вопросов связанных с обработкой- кремнийорганическими дисперсиями таких материалов, как бумага и картон, которые содержат в своём составе, как целлюлозную составляющую, так и кремнесодержащую ( каолин в качестве наполнителя или компонента меловального покрытия), так и прочих древесных материалов.

Использование ПОС в производстве бумаги обеспечивает значительную экономию средств и улучшает качество конечного продукта. Однако наряду с видимыми преимуществами этот метод характеризуется рядом проблем, решение которых зависит от дальнейшего развития в промышленности.

Проведённая работа преследующая изучение нового класса нанодисперсий кремний органических соединений в производстве целлюлозно-композиционных материалов позволяет утверждать эффективность, и перспективность их применения с целью повышения качества бумаги и картона для их использования в разных областях , а технология применения данных композиций не потребует коренного перевооружения технологических процессов а лишь их небольшую модернизацию, что является экономически выгодным в процессе развития новых ветвей технологии целлюлозно-полимерных композиционных материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чекунин, Дмитрий Борисович, 2008 год

1. М.В. Соболевский, О.А. Музовская, Г.С. Попелева. Свойства и области применения кремнийорганических соединений. М., Химия, 1975.

2. Долгов О. Н., Воронков М. Г., Гринблат М. П. Кремнийорганические жидкие каучуки и материалы на их основе. М., Химия, Ленинградское отделение, 1975.

3. Пегловский В. Л., Сичкарчук Л. К., Андреева Т. Б. Конструкции наносных устройств для получения покрытий на гибких подложках. — Экспресс-информация. Серия ХМ-2, М., ЦИНТИхимнефтемаш, 1976. №15.

4. Авт. Свид. №68791, СССР, опубл. в «Б. И.». №5, 1965.14.Патент № 3856558, США.15 .Патент № 1547293, Англия.

5. Бондарев. А. И., Гаудашвили В. М. Комбинированные упаковочные материалы на основе бумаги и картона. Обзорная информация «Целлюлоза, бумага и картон», М., ВНИПИЭИлеспром, 1978, 53 с.

6. Pizeglad papirniczy, (Польша), 1981, №2.

7. Pap. und Kunstst-Verarb. (ФРГ), 1981, №4, v. 16. №3, p. 8. 14.

8. Deutsch. Papirwirt. (ФРГ), 1980, №4, v. 172, p. 174-176.

9. Adhasion, (ФРГ), 1981, v. 25, №3, p. 152-155.

10. Pap. und Kunstst-Verarb. (ФРГ), 1981, v. 16, №4, p. 20,24.

11. Polum. Plast. Technol and Engine (США), 1981, v. 17, №1, p. 83-93.

12. Pap. Celulose (Чехословакия), 1980. v. 35, №12, p. 257-260.

13. Стийнард X., Улсеифликер Э. Технология нанесения покрытий и каширования, а также соответствующее промышленное оборудование. — Проспект фирмы Woltgard Anger Ges. М.В.Н. Австрия, 1982.

14. Paper (США), 1976, v. 186, №4, p. 195-196, 198-199, 201, 205. 26-Авт, свид. № 107429, СССР, опубл. в "Б.И." № 9, 1957.

15. Авт. свид. № 424934,СССР, опубл. в "Б.И." № 15, 1974.28.Патент № 3438807, США.29.Патент № 3419422, США.30.Патент № 1696267, ФРГ.31.Патент№ 1301158, Англия.32.Патент № 54—5007, Япония.

16. Патент № 55-45771, Япония.46.Патент № 1088662, США.47.Патент № 4208312, США.48.Патент № 2045823, Англия.49.Патент № 2970976, США.50.Патент № 4151327, США.

17. Патент № 1127129, Великобритания.

18. Патент № 54-44018, Япония.53.Патент № 4098742, США.54.Патент № 3855052, США.

19. Авт. свид. № 817120, опубл. в «Б.И.» №12, 1981.56.Патент № 1433343, Англия.57.Патент№ 144422Г, Англия.58.Патент № 3647349, США.59.Патент № 3819745, США.60.Патент № 4423236, США.61.Патент № 3419423, США.62.Патент № 3967030, США.

20. Авт., свид. № 376417, СССР, опубл. в «Б.И:» № 17, 1973.64.Патент № 3532766, США.65.Патент № 3436251, США.

21. ГОСТ 28172-89. Целлюлоза сульфатная беленая из смеси лиственных пород древесины.

22. ТУ 2310-001-18803389-2002. Покрытия защитные вводно-дисперсионные «Гидрощит супер».

23. Гигиенический Сертификат №78.01.05.231.П 005102.08.02 от 19.08.2002.

24. ГОСТ 10700-97. Макулатура бумажная и картонная.

25. ГОСТ 7420-89. Картон для плоских слоев гофрированного картона.

26. ГОСТ 20682-75. Бумага для гофрирования.

27. Лабораторный практикум по целлюлозно-бумажному производству / С.Ф. Примаков, В.П. Миловзовор, М.М. Кухникова, И.М. Царенко. М.: Лесная пром-сть, 1980. — 168 с.

28. Л. Г. Плоткин. Технология и оборудование пропитки бумаги полимерами. М.,: Лесная пром-сть, 1975. - 138 с.

29. ГОСТ 12523-77. Целлюлоза, бумага, картон. Метод определения величины рН водной вытяжки.

30. Атлас ультраструктуры древесных полуфабрикатов применяемых для производства бумаги.- М.: Лесная промышленность, 1984.

31. Кононов Г. Н. Химия древесины и её основных компонентов: Учебное пособие для студентов специальностей 260200, 260300. 2-е изд., испр. и доп. М. МГУЛ, 2002.-259с.: ил.