Wydawnictwo
Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu

Powyższe rozważania stanowią zaledwie wycinek badań w zakresie możliwości aplikacji nanokrzemionki. Szeroki zakres jej zastosowań zarówno w czystej postaci, jak i w układach hybrydowych, powoduje, że ciągle podejmowane są nowe kierunki badań, a uzyskane wyniki pozwalają na poszerzenie istniejącego już stanu wiedzy oraz wprowadzają nowe wartości naukowe i utylitarne. Nanokrzemionka w różnej postaci znajduje obecnie szerokie zastosowanie zarówno w nauce, jak i w technologii, jednakże nie jest stosowana jeszcze w procesie produkcji tworzyw drewnopochodnych, takich jak sklejka czy też płyta wiórowa. Z przeprowadzonych badań wynika jednak, iż istnieją przesłanki do jej aplikacji również w tej dziedzinie. Dlatego też konieczne są dalsze analizy, które pozwolą określić nie tylko jej wpływ na jakość gotowych produktów, ale także pomogą w ustaleniu najkorzystniejszych warunków ich wytwarzania oraz zaproponują nowe, korzystne z punktu widzenia ekonomii i ekologii rozwiązania technologiczne.

Nanotechnologia jako interdyscyplinarna dziedzina nauki znajduje swoje zastosowanie również w drzewnictwie. Jednym z najbardziej wszechstronnych i wielofunkcyjnych nanomateriałów jest syntetyczna krzemionka płomieniowa (nano-SiO₂), która wprowadzona do matrycy polimerowej pozwala na znaczną poprawę wytrzymałości i odporności termicznej powstałego nanokompozytu.

Nadrzędnym celem niniejszej pracy było określenie wpływu dodatku nanokrzemionki do żywicy mocznikowo-formaldehydowej (UF) i fenolowo-formaldehydowej (PF) na właściwości wytworzonych przy ich użyciu sklejek oraz płyt wiórowych i na tej podstawie zaproponowanie nowych rozwiązań pozwalających na ograniczenie ilości środków wiążących stosowanych w produkcji sklejek oraz poprawę właściwości płyt wiórowych wytwarzanych z udziałem niedrzewnych surowców lignocelulozowych. Uwzględniając fakt, iż nanokrzemionka wykazuje znaczną tendencję do aglomeracji, celem prowadzonych prac było również określenie stopnia powierzchniowej modyfikacji krzemionki wybranym silanowym środkiem sprzęgającym, pozwalającego na wytworzenie płyt o jak najlepszych właściwościach fizykomechanicznych. W badaniach wykorzystano 3-aminopropylotrietoksysilan (APTES) stosowany powszechnie jako promotor adhezji i modyfikator powierzchni wypełniaczy nieorganicznych w wielu układach polimerowych, w tym fenolowych, melaminowych i mocznikowo-formaldehydowych. Tego typu modyfikacja stosowana jest głównie w procesach wytwarzania kompozytów polimerowych zawierających w swoim składzie różnego rodzaju nanonapełniacze.

Zakres przeprowadzonych prac obejmował wytworzenie sklejek zaklejonych nanokompozytowymi żywicami klejowymi dla różnego jednostkowego ich naniesienia na powierzchnie fornirów, wytworzenie płyt wiórowych zaklejonych żywicą UF z dodatkiem różnych ilości nano-SiO₂, wytworzenie sklejek i płyt wiórowych zaklejonych żywicami UF oraz PF z dodatkiem krzemionki modyfikowanej różną ilością APTES. Biorąc pod uwagę rosnące zainteresowanie przemysłu płyt drewnopochodnych stosowaniem surowców alternatywnych, szczególnie w procesie wytwarzania płyt wiórowych, w ramach badań wytworzono również płyty wiórowe z udziałem cząstek słomy rzepakowej zaklejone żywicą UF/nano-SiO₂. Wszystkie wytworzone płyty poddano ocenie ich właściwości fizykomechanicznych oraz higieniczności zgodnie z wymogami odpowiednich norm technicznych.

Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że zastosowanie nano-SiO₂ jako wypełniacza żywic UF i PF w procesie wytwarzania sklejek, pozwala na znaczną redukcję jednostkowego naniesienia żywic klejowych podczas klejenia arkuszy fornirów. Pomimo ograniczenia ilości nanokompozytowych żywic klejowych o 33% w przypadku żywicy UF i 25% w przypadku żywicy PF, wytworzone sklejki charakteryzowały się wymaganą jakością sklejenia. W przypadku żywicy UF wykazano również istotne ograniczenie emisji formaldehydu. Ze względu na wysokie koszty produkcji nanokrzemionki takie działania są ważne z ekonomicznego punktu widzenia, ale również zgodne z ideą zrównoważonego rozwoju, promującego ograniczenie zużycia surowców, a w szczególności tych, które stanowią zagrożenie dla środowiska naturalnego. Modyfikacja żywicy UF odpowiednio dobraną ilością krzemionki pozwala również na poprawę właściwości fizykomechanicznych oraz higieniczności płyt wiórowych. Z kolei w przypadku płyt z udziałem odpadowych cząstek roślin jednorocznych, dodatek nano-SiO2 do żywicy UF pozwolił na zwiększenie stopnia substytucji wiórów drzewnych cząstkami słomy. Płyty wytworzone z 50-procentowym udziałem cząstek słomy rzepakowej i zaklejone żywicą UF/nano-SiO₂ spełniały wymagania stawiane płytom typu P2. Dodatkowo jakość sklejenia, a w efekcie wytrzymałość zarówno sklejek, jak i płyt wiórowych zaklejonych nanokompozytowymi żywicami klejowymi można ulepszyć poprzez modyfikację nano-SiO₂ odpowiednio dobranym aminosilanem – APTES. Ciekawym rezultatem prowadzonych badań jest również poprawa wybranych cech palności płyt wiórowych, wynikająca w głównej mierze z wysokich właściwości barierowych nano-SiO₂. Jak wykazały wstępne badania palności, wprowadzenie do żywicy klejowej niewielkich ilości nano-SiO₂ pozwala na wytworzenie płyt wiórowych o większej odporności na działanie ognia, co przejawia się m.in. wydłużeniem czasu zapłonu płyt, ograniczeniem powierzchni wypału oraz wzrostem wskaźnika tlenowego.

WYKAZ SKRÓTÓW I SYMBOLI

1. WSTĘP
1.1. Wprowadzenie 
1.2. Geneza pracy 

2. CEL I ZAKRES PRACY

3. MATERIAŁ BADAWCZY
3.1. Surowce lignocelulozowe 
3.2. Środki wiążące 
3.3. Hydrofilowa krzemionka płomieniowa 
3.4. Silanowy środek sprzęgający 

4. METODY BADAŃ 
4.1. Modyfikacja nano-SiO2 oraz analiza jej struktury
4.2. Wybrane właściwości nanokompozytowych żywic klejowych
4.3. Wytwarzanie sklejek oraz badanie ich właściwości
4.4. Wytwarzanie płyt wiórowych oraz badanie ich właściwości
4.5. Badanie fizykomechanicznych właściwości płyt wiórowych wytworzonych z udziałem nano-SiO2
4.6. Analiza statystyczna wyników badań

5. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
5.1. Analiza struktury nano-SiO2 oraz nano-SiO2-APTES
5.2. Analiza struktury nanokompozytowych żywic klejowych
5.3. Właściwości tworzyw drewnopochodnych wytwarzanych z udziałem nano-SiO2 

6. PODSUMOWANIE

7. WNIOSKI 

LITERATURA 

As an interdisciplinary field of science, nanotechnology is applied also in wood processing. Synthetic silica (nano-SiO₂) is one of the most versatile and multipurpose nanomaterials: when introduced into a polymer matrix, it improves considerably the strength and heat-resistance of resulting nanocomposites.

The main objective of this research work was to determine the effect of nano-SiO₂ addition to urea-formaldehyde (UF) and phenol-formaldehyde (PF) resins on the properties of plywood and particleboards produced using them, and on this basis to propose new solutions. The purpose is to reduce the amount of binders required in the production of plywood and to improve properties of particleboards produced with the particles of nonwood raw lignocellulosic materials. Considering the fact that nanosilica shows a significant tendency to agglomerate, the goal of the work was also to determine the optimal degree of silica surface modification with a selected silane coupling agent, facilitating manufacture of boards with the best physico-mechanical properties. 3-Aminopropyl-triethoxysilane (APTES) was used as an adhesion promoter and surface modifier of inorganic fillers in many types of polymer systems, including phenolic, melamine and urea-formaldehyde systems. Such modification is applied mainly in the manufacturing of polymer composites, comprising various nanofillers.

The scope of works included the preparation of plywood specimens bonded with nanocomposite adhesive resins applied at different loads per unit of veneer surface, manufacture of particleboards glued with a UF resin with various amounts of nano-SiO₂ added, and preparation of plywood and particleboard specimens bonded with UF and PF resins with an addition of silica modified with various amounts of APTES. Taking into consideration an increasing interest in the use of alternative materials in the wood-based materials industry, especially in particleboard manufacturing, a part of the research work was devoted to particleboards supplemented with rape straw particles bonded with UF/nano-SiO₂ resin. All the particleboards made were tested for their physico-chemical and hygienic properties according to the respective technical standards.

The studies demonstrated that the use of nano-SiO₂ as a filler for UF and PF resins in plywood manufacturing facilitated a considerable reduction in the adhesive resin load in the veneer bonding process. Even though the consumption of the nanocomposite adhesive resins was by 33% and 25% lower for the UF and PF resins, respectively, the obtained plywood specimens showed the required bonding quality. Moreover, formaldehyde emissions from the UF resins were also markedly reduced. Given the high cost of nanosilica production, such measures are of great economic importance and they are in line with the concept of sustainable development, promoting reduced consumption of raw materials, especially those posing environmental hazards. Moreover, modification of the UF resin with a properly adjusted amount of silica improves physico-mechanical and hygienic properties of particleboards: in those enriched with annual plant waste the use of nano-SiO₂ in the UF resins faciliated a higher substitution of wood chips with straw particles. Particleboards with a 50% content of rapeseed straw particles and bonded with UF/nano-SiO₂ resins met the requirements for type P2 particleboards. Bonding quality as well as strength of both plywood and particleboards bonded with nanocomposite adhesive resins can be further improved by modification of nano-SiO₂ with the suitable aminosilane – APTES. An interesting observation made in the research work is also that some of the combustion properties of particleboards were also improved, mainly due to high barrier properties of nano-SiO₂. As indicated by the preliminary flammability tests, introduction of small amounts of nano-SiO₂ into the adhesive resin provides particleboards with greater fire resistance, which is manifested e.g. in lengthening board ignition time, limiting the burned area and increasing the oxygen index.