Снижение токсичности ДСП

Основным токсическим соединением в древесно-плитных материалах, изготовляемых с использованием карбамидоформальдегидных смол (КФС), является формальдегид (СН2О). По содержанию формальдегида, выражаемому в мг на 100 г образца, древесно-стружечные плиты (ДСП) подразделяются по мере уменьшения на классы Е2, Е1 и Е0,5. Формальдегид содержится в используемой смоле, но в основном образуется при ее отвер-ждении в процессе горячего прессования плит за счет химических реакций гидроксиме-тильных групп. Находясь в газообразном состоянии, он заполняет внутреннее простран-ство плиты, проникает в капиллярно-пористую структуру древесных частиц и удержива-ется в них. В дальнейшем формальдегид постепенно выделяется, загрязняя воздух и негативно воздействуя на человека. Поэтому в санитарно-гигиенических исследованиях опре-деляют эмиссию формальдегида камерным методом из готовых изделий (мебели).

Для снижения токсичности ДСП и других древесно-плитных материалов используют специальные способы и добавки – акцепторы формальдегида. Они работают как сорбенты (алюмосиликаты, шунгит и другие) и связывают образующийся формальдегид физико-химически, но не включаются в химические реакции образования новых устойчивых соединений. Вследствие десорбции во времени формальдегид выделяется из готовой продукции в окружающую среду. По доступности и простоте использования нашел применение в качестве акцептора карбамид, который при последовательном превращении в биурет выделяет аммиак. Последний взаимодействует с формальдегидом и связывает его. Однако из-за образующегося из аммиака гидроксида аммония (NH4OH) создается щелочная среда, что мешает глубокому отверждению олигомер. Добиться качественной поликонденсации олигомера и одновременного химического связывания формальдегида в процессе прессования древесных плит можно благодаря использованию специально созданного продукта направленной конденсации фосфорной кислоты и карбамида в присутствии специального катализатора. Синтезированный продукт запатентован (патент 2535737 РФ МПК В27 N3/00) и получил название «летавин» .

Продукт характеризуется молекулярной массой ММ = 300 ± 20 с долей фосфора в продукте P = 17 ± 1%, величиной pH = 4,0 ± 0,5. Величина молекулярной массы определя-ет термическую стойкость (рабочий интервал температуры активации продукта), P – предопределяет количество образующейся фосфорной кислоты и обеспечивает кислотность среды при разложении продукта, достигаемая при этом величина pH определяет не-обходимое условие отверждения КФС. Летавин в виде водного раствора вводится в древесно-стружечную массу наружно-го слоя, что соответствует примерно 40% всей массы плиты. На первой стадии процесса прессования с увеличением температуры внутреннего слоя до 105 оС летавин не претерпевает каких-либо изменений. Здесь протекает отверждение олигомерного связующего с выделением формальдегида, который проникает в пористую структуру древесных частиц и между частицами. Степень отверждения предопределяет успешное завершение конверсии и прочность внутреннего слоя в готовой плите.

На второй стадии прессования, отделенной от первой по времени и температуре, летавин активируется. Из него образуется аммиак, который проникает во внутренний слой плиты. Объем аммиака в газообразном состоянии возрастает и, распространяясь по плите, заполняет свободное пространство, ранее заполненное формальдегидом. Он «находит» формальдегид и вступает с ним во взаимодействие с образованием гексаметилентетрамина (СН2)6N4 по реакции:

4NH3 + 6CH2O = (CH2)6N4 + 6H2O.

Гексаметилентетрамин – термически устойчивое соединение. При прессовании плит он не разлагается (до температуры 280 оС, после чего он только обугливается). Условия протекания рассмотренной реакции строго не контролируются, поскольку все определяется режимом горячего прессования ДСП. Какое-то количество участвующих реагентов (аммиака и формальдегида) сохраняется в готовой продукции. Однако благодаря исполь-зованию этого способа при производстве плит, содержание формальдегида в готовой про-дукции не превышает существующих ограничений, как зарубежных, так и российских. Гармонизация трех факторов (температурный интервал, кислотность и количество образующегося аммиака) и оптимизация технологических параметров снижают остаточное содержание формальдегида в готовых плитах до значения класса эмиссии Е0,5. Это позволяет их использовать для производства детской мебели, мебели для больниц и других изделий с самыми строгими ограничениями по токсичности.

Любая добавка в рецептуру ДСП может повлиять (чаще отрицательно) на свойства готовых плит. В данном случае этого не происходит. Летавин снижает краевой угол смачивания древесины связующим (θ) и увеличивает адгезию (Wa). Он не препятствует отверждению карбамидоформальдегидных смол в стандартных условиях на кипящей водяной бане. Продолжительность желатинизации одинакова с контролем. Для сравнения: карбамид, введенный в карбамидоформальдегидные смолы, увеличивает продолжительность отверждения на 15%. Из-за этого возрастает продолжительность горячего прессования, что сокращает производительность линии или снижает глубину отверждения и прочность ДСП (см. Таблица 1 и 2).

Выработка производственной партии плит произведена в цехе ДСП ЗАО «Череповецкий ФМК» на базе пресса Dieffenbacher. Общий объем партии ДСП составил 250 м3 (15 625 м2 при толщине 16 мм). Характеристика изготовленных плит следующая: σизг = 15,3 ± 0,2 МПа; σ⊥ = 0,42 ± 0,03 МПа; содержание СН2О (на перфораторе) 3,2 ± 0,2 мг/100 г; эмиссия СН2О (газоаналитический метод) 2,0 ± 0,07 мг/(м2 ч). Данная выработка свиде-тельствует о соответствии экологически доброкачественных ДСП требованиям ГОСТ 10632 и ЕN 312.

Исследование по изменению содержания формальдегида в плитах с летавином показало, что в течение одного года эмиссия формальдегида по сравнению с контрольными плитами сокращается в 10 раз, а с плитами, содержащими карбамид, – почти в 7 раз. На сегодняшний день для производства ДСП класса Е1 используют карбамид, а для производства древесно-стружечных плит с уровнем эмиссии формальдегида Е0,5 приме-няется меламин. Его добавляют по механизму действия в карбамидоформальдегидные смолы на весь объем, что требует увеличенного расхода, тогда как летавином обрабаты-вают только наружные слои плит, составляющие примерно (в зависимости от толщины плит) 40% всей стружечной массы. При необходимости получения MDF расход летавина следует увеличить. Внедрение на производстве летавина не потребует сложного дооборудования мощностей. Достаточно будет лишь установить емкость для хранения, дозирующий насос и форсунку.