Модифицированная многостенными углеродными нанотрубками и ультразвуком карбамидоформальдегидная смола: преимущества использования для производства магнитообработанной композитной фанеры

Ющенко Екатерина Викторовна; Бельчинская Лариса Ивановна; Жужукин Константин Викторович; Жукалин Дмитрий Алексеевич

doi:doi:10.34220/issn.2222-7962/2024.3/14

ВАК 4.3.4 УДК 630

Модифицированная многостенными углеродными нанотрубками и ультразвуком карбамидоформальдегидная смола: преимущества использования для производства магнитообработанной композитной фанеры

Опубликовано в Лесотехнический журнал · Том 14, Номер 3, 2024 · Страницы 238–259 · Рубрики: ДЕРЕВОПЕРЕРАБОТКА. ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

DOI 10.34220/issn.2222-7962/2024.3/14

Получено: 26.08.2024 Одобрено: 10.09.2024 Опубликовано: 12.11.2024

Авторы

Ющенко Екатерина Викторовна ¹ · Бельчинская Лариса Ивановна ² · Жужукин Константин Викторович ³ · Жукалин Дмитрий Алексеевич ⁴

1 Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова
Воронеж, Воронежская область, Россия

2 Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова (кафедра химии, профессор)
Воронеж, Россия

3 Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова (кафедра химии, преподаватель)
Воронеж, Россия

4 Воронежский государственный университет (доцент)
Россия

АННОТАЦИЯ

Исследована роль многостенных углеродных нанотрубок в качестве модификатора карбамидоформальдегидного связующего для производства нанокомпозитной фанеры. Углеродные нанотрубки вводили в связующее в количестве 0,5 мас.%, 1,25 мас.% и 2 мас.%. Максимальный эффект установлен при содержании 1,25 мас.% модификатора в смоле: предел прочности при статическом изгибе для модифицированной фанеры относительно немодифицированной возрастает на 58,1% (с 34,57 до 54,64), р<0,05, предел прочности при скалывании по клеевому слою – на 80,3% (с 0,66 до 1,19), р<0,05. Экологичность наномодифицированной композитной фанеры оценивалась по изменению содержания в ней токсичного формальдегида: снижение массовой доли свободного формальдегида в модифицированной фанере составило 59,9% (с 19,86 до 7,95), р<0,05, относительно немодифицированной. Термогравиметрически установлена более высокая термостабильность модифицированного образца фанеры, деструкция которого происходит при более высокой температуре – 238 ˚C сравнительно с немодифицированной - 200 ˚C. В технологию получения нанокомпозитной фанеры для активации связующего и фанеры включена обработка связующего – в ультразвуковом и фанеры в магнитном импульсном поле. Таким образом установлена роль многостенных углеродных нанотрубок для получения более качественной нанокомпозитной фанеры.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

модификация композитная фанера многостенные углеродные нанотрубки импульсное магнитное поле ультразвуковое поле

Информация Текст

Авторы:

1. Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова

Воронеж, Воронежская область, Россия

2. Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова (кафедра химии, профессор)

Воронеж, Россия

3. Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова (кафедра химии, преподаватель)

Воронеж, Россия

4. Воронежский государственный университет (доцент)

Россия

Тип:

Статья

Страницы:

с 238 по 259

Статус:

Опубликован

Классификаторы:

ВАК 4.3.4 Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины
УДК 630 Лесное хозяйство. Лесоводство

Язык материала:

русский

Ключевые слова:

модификация, композитная фанера, многостенные углеродные нанотрубки, импульсное магнитное поле, ультразвуковое поле

Текст

Текст (PDF): Читать Скачать

Список литературы

1. O.S.I Fayomi, Okwilagwe O., Agboola O., S.O Oyedepo, A.P.I Popoola. Assessment of composite materials in advance application: A mini overview. Materials Today: Proceedings. 2021; 38(5): 2402-2405. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.07.344.

2. Чуркина А. В. Анализ использования фанеры как сырья. Форум молодых ученых. 2019; 2(30): 1645-1648. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38693672.

3. Назаренко И. Н., Назаренко М. В. Состояние и перспективы развития фанерного производства // Управленческий учет. 2022; № 1-2: 299-310. https://doi.org/10.25806/uu1-22022299-310.

4. Пономаренко Л. В., Кантиева Е. В., Мануковский А. Ю. [и др.]. Мониторинг предела прочности на растяжение лущеного шпона и фанеры некоторых лиственных пород. Системы. Методы. Технологии. – 2023; № 4(60): 117-123. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2023-4-117-123.

5. Чубинский А. Н., Русаков Д. С., Варанкина Г. С. [и др.]. Совершенствование технологии фанеры. Леса России: политика, промышленность, наука, образование : материалы Всероссийской V научно-технической конференции-вебинара, Санкт-Петербург, 16–18 июня 2020 года. Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова. Санкт-Петербург: Политех-Пресс. 2020; 289-291. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=44032222.

6. Wagenführ A., Buchelt B., Kairi M., Weber A. Veneers and Veneer-Based Materials. In: Niemz, P., Teischinger, A., Sandberg, D. (eds) Springer Handbook of Wood Science and Technology. Springer Handbooks. Springer, Cham. 2023; 1347-1407. https://doi.org/10.1007/978-3-030-81315-4_26

7. Keresa Defa Ayana, Chang-Sik Ha, Abubeker Yimam Ali. Comprehensive overview of wood polymer composite: Formulation and technology, properties, interphase modification, and characterization. Sustainable Materials and Technologies. 2024; 40: 00983. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2024.e00983.

8. Erik Jungstedt, Marcus Vinícius Tavares Da Costa, Sören Östlund, Lars A. Berglund. On the high fracture toughness of wood and polymer-filled wood composites – Crack deflection analysis for materials design. Engineering Fracture Mechanics. 2024; 300: 109994. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2024.109994.

9. Ali Dorieh, Peyman Pouresmaeel Selakjani, Mohammad Hassan Shahavi, Antonio Pizzi, Sogand Ghafari Movahed, Mohammad Farajollah Pour, Roozbeh Aghaei. Recent developments in the performance of micro/nanoparticle-modified urea-formaldehyde resins used as wood-based composite binders: A review. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2022; 114: 103106. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2022.103106.

10. Кантиева Е.В., Пономаренко Л. В., Томина Е. В., Томенко Д. К. Влияние наноразмерного оксида кремния на эксплуатационные характеристики фанеры. Системы. Методы. Технологии. 2022; 3(55): 129-134. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-3-129-134.

11. Ibrahim Khan, Khalid Saeed, Idrees Khan. Nanoparticles: Properties, applications and toxicities. Arabian Journal of Chemistry. 2019; 12(7): 908-931. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2017.05.011.

12. María Alejandra Macías-Silva, Jeffrey Saúl Cedeño-Muñoz, Carlos Augusto Morales-Paredes, Rolando Tinizaray-Castillo, Galo Arturo Perero-Espinoza, Joan Manuel Rodríguez-Díaz, César Mauricio Jarre-Castro. Nanomaterials in construction industry: An overview of their properties and contributions in building house. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering. 2024; 10: 100863. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2024.100863.

13. G. Xu, J. Liang, B. Zhang et al. Performance and structures of urea-formaldehyde resins prepared with different formaldehyde solutions. Wood Sci Technol. 2021; 55: 1419–1437. https://doi.org/10.1007/s00226-021-01280-y.

14. Subasi N. T. Formaldehyde advantages and disadvantages: usage areas and harmful effects on human beings. Biochemical Toxicology-Heavy Metals and Nanomaterials. 2020; 89299. https://doi.org/10.5772/intechopen/89299.

15. Gao S., Liu Y., Wang C., Chu F., Xu F., Zhang D. Synthesis of lignin-based polyacid catalyst and its utilization to improve water resistance of urea–formaldehyde resins. Polymers. 2020; 12(1): 175. https://doi.org/10.3390/polym12010175.

16. Yifan Xu, Qianyu Zhang, Hong Lei, Xiaojian Zhou, Dawei Zhao, Guanben Du, Antonio Pizzi, Xuedong Xi. A formaldehyde-free amino resin alternative to urea-formaldehyde adhesives: A bio-based oxidized glucose – urea resin. Industrial Crops and Products. 2024; 218: 119037. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.119037.

17. Hamed Younesi-Kordkheili, Antonio Pizzi. Lignin-based wood adhesives: A comparison between the influence of soda and Kraft lignin. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2023; 121: 103312. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2022.103312.

18. M. Hazwan Hussin, Nur Hanis Abd Latif, Tuan Sherwyn Hamidon et al. Latest advancements in high-performance bio-based wood adhesives: A critical review. Journal of Materials Research and Technology. 2022; 21: 3909-3946. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.10.156.

19. Anurag Wahane, Akash Sahu, Abhishek Verma, Twinkle Dewangan. Evaluation of the Physical and Mechanical Properties of Composite Board by Utilizing Agricultural Waste. Materials Today: Proceedings. 2023; 84: 16-23. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.04.142.

20. Ramesh Karri, Reijo Lappalainen, Laura Tomppo, Ranjana Yadav. Bond quality of poplar plywood reinforced with hemp fibers and lignin-phenolic adhesives. Composites Part C: Open Access. 2022; 9: 100299. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2022.100299.

21. Zhengyong Yang, Zhigang Duan, Shi Yan, Haizhu Wu, Hui Huang, Lei He, Hisham Essawy, Heming Huang, Xiaojian Zhou, Xinyi Chen. Camellia oleifera shell powder and palm kernel meal as an environmentally-friendly, low-cost compound filler in MUF adhesive for plywood preparation. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2024; 131: 103648. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2024.103648.

22. Ayfer Dönmez Çavdar. Effect of zeolite as filler in medium density fiberboards bonded with urea formaldehyde and melamine formaldehyde resins. Journal of Building Engineering. 2020; 27: 101000. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101000.

23. X. Li, Q. Gao, C. Xia, J. Li, X. Zhou. Urea Formaldehyde Resin Resultant Plywood with Rapid Formaldehyde Release Modified by Tunnel-Structured Sepiolite. Polymers. 2019; 11: 1286. https://doi.org/10.3390/polym11081286.

24. Wenyu Zheng, Tianle Hou, Jinhua Fan, Guangyu Wang, Chunyan Cai, Yuxuan Li, Jinsui Guanchang, Chunyu Liu, Yuzhu Chen, Hui Xiao. Study on surface grafting of hydroxyapatite and its influence on the properties of urea-formaldehyde resin. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2024; 132: 103696. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2024.103696.

25. Русаков Д. С., Варанкина Г.С., Чубинский А.Н. Свойства модифицированных карбамидо-и фенолоформальдегидных клеев для производства фанеры. Леса России: политика, промышленность, наука, образование : Материалы IV научно-технической конференции, Санкт-Петербург, 22–25 мая 2019 года. – Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого". 2019; 242-245. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38569780.

26. Furqan Choudhary, Priyal Mudgal, Adil Parvez, Pradakshina Sharma, Humaira Farooqi. A review on synthesis, properties and prospective applications of carbon nanomaterials. Nano-Structures & Nano-Objects. 2024; 38: 101186. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101186.

27. Лишних М. А. Виды и свойства нанокомпозитов на основе полимерных материалов. Вестник науки. 2022; 6(51): 363-367. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=48615669.

28. Ющенко Е.В., Бельчинская Л.И., Жужукин К.В. Нанокомпозитная эко-фанера: морфологическое, экологическое, ИК-спектроскопическое обоснования получения. Лесотехнический журнал. 2024; 14(…): - . https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.X/X.

29. G.L. Devnani, Shishir Sinha. Effect of nanofillers on the properties of natural fiber reinforced polymer composites. Materials Today: Proceedings. 2019; 18(3): 647-654. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.460.

30. Zahed Ahmadi. Epoxy in nanotechnology: A short review. Progress in Organic Coatings. 2019; 132: 445-448. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2019.04.003.

31. Minjin Cai, Hehua Zhu, Timon Rabczuk, Xiaoying Zhuang. Investigation of mixing techniques for full-strength-grade engineered cementitious composites (ECCs): mechanical properties and microstructure. Journal of Building Engineering. 2024; 110136. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110136.

32. Iftikhar S., Shah P.M. & Mir M.S. Potential Application of Various Nanomaterials on the Performance of Asphalt Binders and Mixtures: A Comprehensive Review. Int. J. Pavement Res. Technol. 2023; 16: 1439–1467. https://doi.org/10.1007/s42947-022-00207-5.

33. Nanjun Chen, Arun Devaraj, Suveen N. Mathaudhu, Shenyang Hu. Atomic mixing mechanisms in nanocrystalline Cu/Ni composites under continuous shear deformation and thermal annealing. Journal of Materials Research and Technology. 2023; 27: 6792-6798. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.11.089.

34. Aleksandr Evhenovych Kolosov, Elena Petryvna Kolosova, Volodymyr Volodymyrovych Vanin, Anish Khan. 25 - Ultrasonic treatment in the production of classical composites and carbon nanocomposites. Editor(s): Anish Khan, Mohammad Jawaid, Inamuddin, Abdullah Mohamed Asiri. In Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering. Nanocarbon and its Composites. Woodhead Publishing. 2019; 733-780. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102509-3.00025-0.

35. Mirsalehi S.A., Youzbashi A.A. & Sazgar A. Enhancement of out-of-plane mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy resin composite by incorporating the multi-walled carbon nanotubes. SN Appl. Sci. 2021; 3: 630. https://doi.org/10.1007/s42452-021-04624-2.

36. Ющенко Е.В. Магнитообработанный композиционный материал для производства фанеры на основе уплотненного шпона осины (Populus tremula L.) и комплексного связующего с нанокристаллической целлюлозой. Лесотехнический журнал. 2024; 14 (1): 219–237. https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2024.1/13.

37. Шамаев В. А., Разиньков Е. М., Ищенко Т. Л. Повышение прочности склеивания шпона в технологии фанеры. Древесные плиты и фанера : теория и практика : материалы XXIV Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 17–18 марта 2021 года / Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова. – Санкт-Петербург: Политех-пресс. 2021; 117-120. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=45825903.

38. Hossein Khanjanzadeh, Rabi Behrooz, Nader Bahramifar, Stefan Pinkl, Wolfgang Gindl-Altmutter. Application of surface chemical functionalized cellulose nanocrystals to improve the performance of UF adhesives used in wood based composites - MDF type. Carbohydrate Polymers. 2019; 206: 11-20. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.10.115.

39. Eko Setio Wibowo, Muhammad Adly Rahandi Lubis, Byung-Dae Park, Jong Sik Kim, Valerio Causin. Converting crystalline thermosetting urea–formaldehyde resins to amorphous polymer using modified nanoclay. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2020; 87: 78-89. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2020.03.014.

40. Pedro Henrique Gonzalez de Cademartori, Mirela Angelita Artner, Rilton Alves de Freitas, Washington Luiz Esteves Magalhães. Alumina nanoparticles as formaldehyde scavenger for urea-formaldehyde resin: Rheological and in-situ cure performance. Composites Part B: Engineering. 2019; 176: 107281. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107281.

41. Daud S. Theory and Operational Principles of Carbon Nanotubes. In: Carbon Nanotubes. SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology. Springer, Singapore. 2023; 7-35. https://doi.org/10.1007/978-981-99-4962-5_2.

42. Gul W., Alrobei H., Shah S.R.A., Khan A., Hussain A., Asiri A.M., Kim J. Effect of Embedment of MWCNTs for Enhancement of Physical and Mechanical Performance of Medium Density Fiberboard. Nanomaterials. 2021; 11(1): 29. https://doi.org/10.3390/nano11010029.

43. Łukawski D., Hochmańska-Kaniewska P., Janiszewska-Latterini D. et al. Functional materials based on wood, carbon nanotubes, and graphene: manufacturing, applications, and green perspectives. Wood Sci Technol. 2023; 57: 989–1037. https://doi.org/10.1007/s00226-023-01484-4.

44. Ющенко, Е. В. Углеродные нанотрубки: перспективы использования в промышленном производстве / Е. В. Ющенко, К. В. Жужукин // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2023; 64: 303-308. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54795616.

45. Hessameddin Yaghoobi, Abdolhossein Fereidoon. Preparation and characterization of short kenaf fiber-based biocomposites reinforced with multi-walled carbon nanotubes. Composites Part B: Engineering. 2019; 162: 314-322. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.11.015.

46. Abohamzeh E., Sheikholeslami M., Salehi, F. Carbon Nanotubes for Mechanical Applications. In: Abraham, J., Thomas, S., Kalarikkal, N. (eds) Handbook of Carbon Nanotubes. Springer, Cham. 2022; 1335- 1368. https://doi.org/10.1007/978-3-030-91346-5_27.

47. Salehi S., Maghmoomi F., Sahebian S., Zebarjad S., Lazzeri A. A study on the effect of carbon nanotube surface modification on mechanical and thermal properties of CNT/HDPE nanocomposite. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2021; 34(2): 203-220. https://doi.org/10.1177/0892705719838005.

48. Kord B., Ayrilmis N., Ghalehno M.D. Effect of fungal degradation on technological properties of carbon nanotubes reinforced polypropylene/rice straw composites. Polymers and Polymer Composites. 2021; 29(5): 303-310. https://doi.org/10.1177/0967391120915347.

49. Farsi M., Maashi Sani F., Ebadi M. et al. Effects of Functionalized Multi-walled Carbon Nanotubes on the Performance of Wood–Plastic Composites. Fibers Polym. 2024; 25: 309–316. https://doi.org/10.1007/s12221-023-00388-1.

50. Zhuzhukin K., Belchinskaya L., Yushchenko E., Tomina E., Tretyakov A. Research of the Properties of Plywood Based on Urea-Formaldehyde Binder with the Added Multi-Wall Carbon Nanotubes. Floresta e Ambiente. 2024; 31(3): 20240018. https://doi.org/10.1590/2179-8087-FLORAM-2024-0018.

51. Kexin Chen, Yuzhu Chen, Jinqiu Qi, Jiulong Xie, Xingyan Huang, Yongze Jiang, Shaobo Zhang, Shanshan Jia, Qi Chen, Hui Xiao. Thermal degradation and curing kinetic study of urea formaldehyde/l-tyrosine composites. International Journal of Adhesion and Adhesives. 2023; 127: 103493. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2023.103493.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International

Подтверждение

Регистрация