Журнал «ЛЕСПРОМинформ», №3 (85) 2012

Гидрофобизаторы: бережная защита

И.В. Розенкова, канд. хим. наук, генеральный директор ООО «НЕО+», СПб

Для гидрофобизации (то есть обработки поверхности материалов, препятствующей проникновению влаги вовнутрь при сохранении воздухопроводящих свойств этих материалов) изделий из древесины сегодня в основном используются водные растворы метилсиликонатов натрия или калия различной концентрации.

Однако многие специалисты в области деревообработки отмечают, что составы на водной основе малопригодны для гидрофобизации древесины и древесносодержащих материалов, т.к. плохо проникают вглубь этих материалов и могут привести к нежелательному изменению внешнего вида изделий. К тому же эффективность их применения невысока [1].

Поэтому задача разработки гидрофобизатора на основе кремнийорганических соединений для изделий из дерева по-прежнему актуальна.Все промышленные кремнийорганические гидрофобизаторы на основе полиорганосилоксанов представляют собой олигомерные* соединения либо их водные или неводные растворы. Для гидрофобизации строительных материалов из древесины используются полиорганосилоксаны, содержащие группы, способные химически связываться с поверхностью материала: Si-OH, Si-H, Si-OCH₃ и Si-OC₂H₅.

Другие типы активных групп почти не применяются из-за сложности и дороговизны производства составов или высокой агрессивности некоторых соединений (например, алкилхлорсиланов). Кроме того, используемые в производстве защитных составов полиорганосилоксаны должны содержать в молекуле гидрофобный фрагмент, например, алкильную или арильную R. Чаще всего R=CH₃, C₂H₅ или C₆H₅. Поэтому современные промышленные полиорганосилоксановые гидрофобизаторы содержать следующие фрагменты: (см. рис.I, II, III).

Под действием влаги, содержащейся в обрабатываемых материалах, вещества II и III превращаются в вещество I (с одноименной полимеризацией). Активные группы Si-OH вещества I легко взаимодействуют с повехностью строительного материала, образуя химически связанное покрытие, внешняя сторона которого состоит из гидрофобных группировок (см. рис.).На самом деле процесс взаимодействия активных групп кремнийорганического соединения с поверхностью обрабатываемого материала сложнее, чем в приведенном выше упрощенном описании, поскольку полиорганосилоксановые молекулы не линейны, а представляют собой кольца, спирали, «клубки». 

Благодаря «щетке» из групп R поверхность обработанного материала приобретает свойство отталкивать жидкую воду подобно воску или парафину. Однако промежутки между группами R довольно велики, поэтому не нарушается обмен газами (кислородом, парами воды) между поверхностью и окружающей средой: поверхность материала «дышит».

В последнее время в России появились новые разработки высокоэффективных гидрофобизаторов – композиций на базе полиорганосилоксанов.Эти гидрофобизаторы представляют собой комплексные композиции, предназначенные для поверхностно-объемной защиты изделий из древесины и материалов на ее основе (фанеры, ДСП и др.) от проникновения воды и влаги. Использование таких гидрофобизаторов допустимо для обработки бумаги, картона и других материалов на основе целлюлозы. Действующим началом таких композиций являются полиорганосилоксаны. Состав композиции: растворитель – активное вещество (полиорганосилоксан) – катализатор полимеризации. Высокая эффективность действия композиции обусловлена специально подобранным соотношением компонентов.

Гидрофобизаторы-композиции проникают в поверхностный слой материалов и закрепляются в нем за счет образования химических связей с целлюлозными волокнами и одновременной полимеризации. В результате образуется безвредное для человека и животных покрытие, обладающее высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Такое покрытие предотвращает рост плесени, грибков и микроорганизмов на поверхности изделий. Так как действие гидрофобизаторов проявляется на молекулярном уровне, они не изменяют внешний вид изделия, его структуру и механические свойства. Стоимость компонентов таких гидрофобизаторов невысока, поэтому готовые композиции могут применяться в широком масштабе.В результате разработок и испытаний установлено [2], что при кратковременном (2-6 ч) воздействии воды водопоглощение изделий из деревьев лиственных пород, обработанных подобными гидрофобизаторами, по сравнению с необработанными уменьшается в 4-6 раз, изделий из хвойных пород – в 2-4 раза, из фанеры – в 3-5 раз, из ДСП – в 15-25 раз.

Обрезок ДСП, правая половина которого была обработана гидрофобизатором-композицией, после выдержки под слоем воды

На рисунке  в качестве примера приведен график зависимости водопоглощения образцов древесно-стружечных плит от продолжительности выдержки образцов под слоем воды. На графике хорошо видно, что эффективность композиции для гидрофобизации ДСП намного выше, чем действие стандартного гидрофобизатора на водной основе. Следует заметить, что водопоглощение измерялось при полном погружении образца под слой воды; при воздействии воды в капельном состоянии (дождя, росы и т.д.) эффективность композиции еще выше.

График, иллюстрирующий степень водопоглощения образцов древесно-стружечных плит

Очень высока эффективность композиции при обработке ею ДСП (фото 1). К сожалению, гидрофобизирующие составы на основе кремнийорганических соединений пока не нашли должного применения в производстве ДСП и ДВП. Существует две группы методов гидрофобизации ДСП [1]: первая группа – придание изделию временной водостойкости; вторая – придание постоянной водостойкости. Для придания временной водостойкости в процесс изготовления ДСП вводятся вещества, обладающие гидрофобностью: парафин, церезин, воски и др. Гидрофобный эффект связан с заполнением поровых пространств плиты и ухудшением смачивания стенок капилляров древесины. Для придания постоянной водостойкости необходима блокировка гидроксильных групп компонентов древесины, которая достигается в результате увеличения содержания синтетических смол в древесно-стружечных плитах или путем термической обработки готовых плит, что приводит к удорожанию плит и возрастанию эмиссии формальдегида. Поэтому производителям древесных плит следует обратить внимание на кремнийорганические соединения, которые способны обеспечить изделиям постоянную водостойкость.

В ходе одной из работ отечественных ученых, посвященной исследованию свойств кремнийорганических гидрофобизаторов для древесных плит [3]? Установлено, что наиболее перспективными для применения в технологии производства ДСП являются гидрофобизаторы композиции группы НД-1. Они обладают значительным гидрофобным эффектом, имеют высокий сухой остаток, оказывают минимальное воздействие на замедление процесса отверждения карбамидной смолы, могут наноситься на древесные частицы методом пневматического распыления. Помимо выполнения основной – водоотталкивающей – функции, гидрофобизаторы НД-1 могут играть роль модификаторов поверхности древесины для повышения прочности клеевого соединения (наблюдается увеличение прочности на 9-16% по сравнению с необработанной поверхностью), что дает возножность сократить расход смолы при изготовлении древесно-стружечных плит.

Нашими разработчиками рассмотрены перспективы использования гидрофобизаторов НД-1 при изготовлении ДСП [4]. По результатам выпуска опытно-промышленных партий ДСП с добавлением в древесно-стружечную массу гидрофобизатора НД-1 установлено, что его нанесение на стружку внутреннего слоя в количестве 0,36-0,60 % сухого вещества (от всего объема сухой стружки) позволяет снизить расход карбамидоформальдегидной смолы во внутреннем слое на 10-20 % (по сравнению со стандартной плитой) без ухудшения физико-механических показателей плит. При условии добавления НД-1 в древесно-стружечную массу и снижении расхода смолы характеристики ДСП соответствуют ГОСТу 10632-2007. Добавление НД-1 не увеличивает влажность стружки внутреннего слоя, не влияет на работу оборудования цеха ДСП. При снижении расхода смолы в результате применения НД-1 выделение формальдегида из ДСП уменьшается на 25-38 % (по сравнению со стандартной плитой), что значительно улучшает санитарно-гигиенические характеристики плиты.

*Олигомеры – это соединения, по размеру молекул занимающие промежуточное положение между мономерами и полимерами. Иными словами, олигомеры – это полимеры с маленькой длиной цепи.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Семенов В.В. – Гидрофобизация древесно-стружечных и древесно-волокнистых плит кремнийорганическими мономерами и жидкостями // Химия растительного сырья. – 2009. — №4. – с. 177-181.
2. Румянцев А.В., Розенкова И.В. – Гидрофобизаторы «НЕОГАРД» для всех видов строительных материалов // Кровельные и изоляционные материалы. – 2008. — №5 (23). – С. 30-32.
3. Васильев В.В., Быстрова В.В., Розенкова И.В. – Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование и разработка технологии применения гидрофобизаторов ООО «НЕО+» в производстве древесно-стружечных плит». Тема №1.2.01.10 х/д. – Санкт-Петербург: СПбГЛТА, кафедра технологии древесных композиционных материалов. – 2010. – 28 с.
4. Розенкова И.В. – Применение добавки марки НД-1 производства ООО «НЕО+» для снижения токсичности древесно-стружечных плит // Состояние и перспективы развития производства древесных плит: сборник докладов 15-й Международной научно-практической конференции, 21-22 марта 2012 года / Под ред. В.П. Стрелкова. – Балабаново, 2012. – с. 147-154.

15-я Международная научно — практическая конференция «Состояние и перспективы развития производства древесных плит». Сборник докладов 2012г.

(полный текст статьи можно запросить по адресу info@neoplus.spb.ru)