При проведении научных исследований или при отработке новой технологии в цехе древесных плит, например для оптимизации состава и расхода акцептора формальдегида, необходимо испытать большое количество образцов плит. В соответствии с направленностью проводимых исследований особую значимость приобретают данные по содержанию формальдегида в плитах, причем желательно получить их в течение короткого времени, чтобы иметь возможность быстрой корректировки исследования или технологического процесса.

Определение содержания формальдегида в плитах или выделение его из плит проводят в натурных, моделируемых или лабораторных условиях. Российский стандарт на древесно-стружечные плиты (ДСП) [1] регламентирует анализ содержания формальдегида перфораторным методом, а выделение его из плит в воздух – методом испытаний в климатической камере. ГОСТ на плиты древесные моноструктурные волокнистые средней плотности (ПМВ) [2] предусматривает определение содержания формальдегида перфораторным методом.

Анализ на перфораторе заключается в экстракции формальдегида из плиты кипящим толуолом, с последующим поглощением его водой и определением концентрации экстрагированного формальдегида в воде [3]. Он проходит в течение довольно короткого времени – около 5 ч, однако для испытания значительного количества образцов необходимо иметь несколько сложных перфораторных установок, чего в реальных условиях нет. Кроме того возникают проблемы с утилизацией отработанного токсичного толуола.

Камерный метод испытаний заключается в определении выделения формальдегида как стационарной концентрации вещества в воздухе испытательной камеры, в которой расположены образцы древесной плиты при условиях, моделирующих условия эксплуатации [4]. Анализ проводят до достижения стационарной концентрации формальдегида в воздухе камеры в течение от 4 до 29 суток.

Таким образом, перфораторный и камерный методы предназначены для разовых испытаний готовой плитной продукции, изготовленной по оптимальной технологии. Но они неудобны при оценке больших массивов испытуемых образцов в течение короткого времени, а также в условиях, когда необходимо определить только зависимость изменения анализируемого показателя содержания формальдегида в плитах.

Специалистами из Института древесины (WKI) в Брауншвейге (Германия) предложен баночный метод определения эмиссии формальдегида из плит, названный в честь института «Метод WKI» [5]. Для испытаний по этому методу из плиты вырезают образцы размером 25×25 мм × толщина плиты. У образцов определяют влажность. Затем образцы массой около 15 г подвешивают в банке объемом 500 мл, на дно банки наливают 50 мл дистиллированной воды, герметично закрывают банку крышкой. Подготовленные банки с образцами выдерживают в сушильном шкафу при температуре 40^оС в течение 24 ч. По истечении заданного времени банки с образцами вынимают из шкафа, охлаждают до комнатной температуры, вынимают из них образцы. Воду из банок, содержащую поглощенный формальдегид, сливают в мерную колбу, ополаскивают банки дистиллированной водой, которую присоединяют к первоначальной воде, и доводят объем раствора до постоянного значения (до метки). В подготовленном таким образом растворе определяют концентрацию формальдегида и относят ее к массе навески плиты.

Метод WKI имеет несомненные достоинства: он прост в аппаратурном оформлении, хорошо коррелирует с перфораторным методом [5], позволяет одновременно испытывать большое количество образцов. Однако ограничением для применения его в лабораторных условиях учебного заведения или исследовательской организации является значительная продолжительность испытания – 24 часа, что требует принятия дополнительных мер противопожарной безопасности в ночное время, когда включены сушильные камеры.

Для сокращения времени испытания можно воспользоваться правилом Вант-Гоффа, которое говорит, что при повышении температуры реакции на каждые 10^оС скорость гомогенной элементарной химической реакции увеличивается в 2–4 раза [6]. Это правило действительно в температурном интервале реакций, в том числе и реакций десорбционного характера, от 0 до 100^оС.

Если повысить температуру в сушильном шкафу с 40 до 50^оС, то, в соответствии с правилом Вант-Гоффа, время выдержки банок с образцами можно сократить в 2–4 раза, то есть до 6–12 ч. При увеличении температуры до 60^оС время испытаний может составить 1,5–6,0 ч., что становится удобным с точки зрения организации проведения анализа. Дальнейшее повышение температуры может привести к еще большему сокращению времени испытания.

Исследовали влияние температуры и продолжительности выдержки образцов ДСП в емкости с водой на выделение формальдегида из плит. Испытания провели при 40, 60 и 80^оС. Банки с образцами выдерживали в термошкафу со встроенным вентилятором. Точность термостатирования ± 2^оС.

Для испытаний брали образцы, вырезанные из одной промышленной древесностружечной плиты. В качестве связующего для ДСП использована карбамидоформальдегидная смола, плита трехслойная, толщиной 16 мм, плотностью 670 кг/м³, влажностью 7,7%, с содержанием формальдегида, определенным перфораторным методом – 6,8 мг/100 г. Плита выдержана перед испытаниями более одного года при комнатных условиях. Концентрацию формальдегида в растворах из банок анализировали с помощью ацетилацетона [3]. Результаты исследования представлены на рисунке.

Полученные данные показывают, что повышение температуры и времени выдержки образцов в банках приводит к увеличению количества выделяющегося из плит формальдегида. Наиболее значительное его выделение наблюдается при температуре 80^оС. Вероятно, параллельно с десорбционным процессом выхода формальдегида из плиты, происходит термогидролитическая деструкция карбамидоформальдегидной смолы, сопровождающаяся выделением значительного количества дополнительного формальдегида. Наложение двух химических процессов приводит к тому, что в течение всего срока испытаний наблюдается постоянный прирост анализируемого показателя.

Кривые изменения выделения формальдегида при 40 и 60^оС располагаются близко друг к другу, что говорит об аналогичности протекающих реакций десорбции. За 4–6 ч испытаний при 60^оС выделение формальдегида выходит на уровень показателя, полученного при 40^оС за 24 ч.

Видеоматериал подготовлен студентами-исследователями кафедры Технологии древесных и целлюлозных композиционных мате­риалов СПбГЛТУ им. С.М. Кирова в рамках текущей исследовательской работы под руководством к.т.н. Д.В. Иванова

Таким образом, для ускорения определения содержания формальдегида в древесных плитах можно применять метод WKI не при 40^оС, а при 60^оС с выдержкой банок с образцами в термошкафу в течение 4 ч. Указанные режимы анализа используются нами в лабораторной практике более 30 лет [7]. Экспресс-метод определения формальдегида позволяет в течение короткого времени провести испытания большого количества образцов.

Виктор Васильев

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова

Список литературы

Источник публикации – Васильев В.В. Экспресс-метод определения содержания формальдегида в древесных плитах. Древесные материалы: требования и сертификация в Европе, России, США/Сборник науч. трудов по итогам междунар. симпозиума. – Балабаново: WKI – ООО ЦСЛ «Лессертика», 2016. – С. 85–87.