Способ обработки строительных материалов бором и строительные материалы - RU2327661C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к способу обработки строительных материалов бором и к обработанным бором строительным материалам.

Одним из наиболее эффективных пестицидов является бор. В статье "Boron Compounds for the preservation of Timber Against Fungi and Insects" ("Соединения бора для пропитки древесины против грибов и насекомых"), W.P.K. Findlay, представленной 6-му Конгрессу по защите древесины Немецкой ассоциации по исследованию дерева, указано что еще в 1959 году токсичность бора по отношению к грибам и насекомым была хороша известна. Присущий недостаток применения бора состоит в том, что присутствие бора неблагоприятно влияет на прочность связывания многих клеев и адгезивов. Данная потеря прочности связывания упомянута в ссылке Findlay и также в последующих статьях, таких как статья "The Effect of Ethylene Glycol and Sodium Borate Solutions on the Adhesion of Epoxy to White Oak and White Pine Samples" ("Влияние растворов этиленгликоля и бората натрия на адгезию эпоксидов к образцам белого дуба и белой сосны", авторы Dan Freel, Chris Maples, Bruce Neiderer, William T. (Chip) Reynolds и James R. Watson, опубликована National Maritime Museum Association в 1997. Проблема с прочностью связывания служит препятствием для экономически эффективного производства обработанных бором строительных материалов, так как могут быть использованы только отдельные клеи и адгезивы. Это также может повлиять на то, какие клеи и адгезивы могут быть использованы для строительных материалов после производства.

Известен способ обработки строительных материалов бором, включающий стадию введения медь- и борсодержащего соединения в процессе производства композитных строительных материалов на основе целлюлозосодержащих частиц и адгезива (см., например, US 5763338 А, С09К 3/18, 09.06.1998).

Однако в этом способе комплекс медь-борат не используют, поскольку отмечено неблагоприятное воздействие бората на механические свойства смол.

Задачей изобретения является создание способа обработки строительных материалов бором, который может быть использован вместе с более широким рядом клеев и адгезивов без ухудшения прочности связывания.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения представлен способ обработки строительных материалов бором, включающий стадию введения медь- и борсодержащего соединения в процессе производства композитных строительных материалов на основе целлюлозосодержащих частиц и адгезива, в котором в качестве медь- и борсодержащего соединения используют легко растворимый в воде, не оказывающий неблагоприятного воздействия на механические свойства используемого адгезива комплекс медь-борат, полученный смешиванием порошкообразного оксида меди с порошкообразным соединением бора в виде Na₂В₈О₁₃ ·4Н₂О или Na₂B₈O₁₃·4Н₂O и Н₃ВО₃, последующим нагреванием полученной смеси до расплавления и гомогенизации, формованием, отжигом при температурах 300-550°С и измельчением до мелкодисперсного состояния.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения представлен строительный материал на основе целлюлозосодержащих частиц и адгезива, полученный вышеуказанным способом.

В патенте США №6001279 (Payzant et al) раскрыт способ получения отвержденного водорастворимого пропитывающего состава для дерева, который содержит как медь, так и бор. Во время лабораторных испытаний было обнаружено, что с медью и бором происходит химическое изменение с образованием комплекса медь-борат. Во время испытаний строительных изделий было также обнаружено, что, когда бор присутствует в комплексе медь-борат, комплекс медь-борат осуществляет маскировку присутствия бора. Данное свойство обеспечивает использование более широкого ряда клеев и адгезивов. В некоторых случаях комплекс медь-борат служит для упрочнения адгезивной связи.

Бор имеет ограничения. Данные ограничения были предметом значительных исследований. В своем исследовании Findlay определил, что возможная потеря бора посредством выщелачивания происходит во влажном окружении в течение длительных периодов. Данное свойство не рассматривается как значительная проблема в большинстве применений. В статье, озаглавленной "Integrated Protection Against Lyctid Beetle Infestations - Resistance of Boron-treated Wood", публикация от февраля 1987 года Общества исследования продуктов леса, Lonnie H. Williams и Terry L. Amburgey определили, что обработка бором не защищает от плесневых грибков или грибков разложения мягкой гнилью. Данная комбинация недостатков становится более значимой при рассмотрении в свете статьи, озаглавленной "An Assessment of Mold Contamination Problems in Atlantic Canada Schools: Mold Burdens, Amplifying Sites and Benefits of Proactive School Inspection Policies", автор Thomas G. Rand из Department of Biology of Saint Mary's University of Halifax, Nova Scotia. Др. Rand изучал виды плесени, особенно, внешние условия, которые поддерживают токсигенные грибки. Было определено, что токсикогенные грибки обнаруживаются там, где происходит разрушение строительных материалов вследствие протекающей инфильтрации воды и проблем с конденсацией. Было определено, что наивысшие споровые нагрузки обнаруживают в свободных пространствах в потолочных пазухах, подвалах, заливаемых пространствах и периферийных стенных пустотах. Было также определено, что скопление плесневых видов является количественно и качественно несходным с тем, с чем сталкиваются снаружи и в "нормальных" условиях окружающей среды школы. Люди, находящиеся в школах, которые изучал Др. Rand, испытывают проблемы со здоровьем, связанные с воздействием плесневых грибков, включающие проблемы с верхними дыхательными путями, насморки, головные боли, сыпи и носовые кровотечения. Из обзора цитируемой выше литературы очевидно, что обработка бором будет неэффективной при решении проблемы токсикогенных грибков, установленной в исследовании Др. Rand.

Благоприятный эффект использования комплекса медь-борат, как предложено, состоит в том, что присутствие меди замедляет выщелачивание бора, и в том, что медь обладает известными фунгицидными свойствами.

Эти и другие признаки данного изобретения станут более очевидными из следующего описания, в котором сделана ссылка на прилагаемые чертежи, причем чертежи приведены только для иллюстрации и подразумевается, что они никаким образом не ограничивают объем изобретения до описанных конкретного воплощения или воплощений, где:

Фигура 1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую стадии в предпочтительном способе обработки строительных материалов бором.

Предпочтительный способ обработки строительных материалов бором ниже описан со ссылкой на Фигуру 1.

Способ обработки строительных материалов бором включает стадию введения бора в процессе производства строительных материалов в виде водорастворимого комплекса медь-борат. Метод образования водорастворимого комплекса медь-борат раскрыт в патенте США №6001279.

Для испытания эффективности способа некоторое количество водорастворимого комплекса медь-борат вводят в слоистую плиту (также известную как направленная выпрямленная доска или OSB) в процессе производства. Данную слоистую плиту далее тестируют на прочность с помощью Совета по исследованиям Альберты (Alberta Research Council) и тестируют на устойчивость к плесени в Forintec Canada Corporation. Комплекс медь-борат получают в соответствии с рекомендациями патента США №6001279. Комплекс медь-борат далее измельчают и вводят. Было обнаружено, что при измельчении до случайных размеров остаются карманы для плесени, поэтому предпочтительным является использование мелкодисперсного измельчения до приблизительно 200 меш для обеспечения равномерного распределения. Со ссылкой на Фигуру 1 иллюстрирован движущийся конвейер 12. В процессе производства слоистой плиты слоистые щепки 14, смешанные с адгезивом (не показан), осаждаются на движущийся конвейер 12 из первой бункерной воронки 16 с образованием нижнего слоя 18. Измельченные частицы 20 комплекса медь-борат из второй бункерной воронки 22 далее вводят на нижний слой 18. Дополнительные слоистые щепки 14, смешанные с адгезивом (не показан), осаждают на нижний слой 18 из третьей бункерной воронки 24 с образованием верхнего слоя 26. Верхний слой 26 и нижний слой 18 далее сжимают вместе роликом 28 с образованием слоистой плиты 30, содержащей комплекс медь-борат.

Слоистую плиту далее подвергают тестам на прочность с помощью Совета по исследованиям Альберты (Alberta Research Council), результаты которых приведены ниже в таблицах 1-4.

Слоистую плиту 30 далее подвергают тестам на устойчивость к плесени в Forintec Canada Corp.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ

В последнее время возрос интерес к восприимчивости строительных облицовочных изделий к грибковому росту в том случае, если вода проникает через системы стен и остается в стенных полостях в течение продолжительных периодов. Genics Inc. обратилась к Forintek по поводу исследования устойчивости их OSB-панельного продукта, содержащего медь-борат, к плесневым грибкам. В данном отчете описаны способ и результаты исследований устойчивости медь-боратного OSB-панельного продукта к поверхностной колонизации плесневыми грибками в идеальных условиях для плесневого роста.

После четырех недель воздействия в камере искусственного климата образцы OSB, содержащие медь-борат, при каждом из трех соотношений медь-борат и безводный оксид бора при наивысшем из двух тестируемых уровней показали сходную высокую устойчивость к плесневому росту. Необработанные OSB-панели, панельные продукты, обработанные цинк-боратом, и еловая фанера Дугласа проявили сходную низкую устойчивость к плесневому росту. Эффект доза-ответ был очевидным для продуктов, содержащих медь-борат и безводный оксид бора.

1. ЗАДАЧИ

Задача данного теста состояла в оценке в камере искусственного климата устойчивости к плесени OSB-панелей, содержащих медь-борат, в сравнении с OSB-панелями, не содержащими добавок, OSB-панелей, содержащих безводный оксид бора, а также OSB-язычков и нарезных продуктов для покрытия пола, содержащих цинк-борат, и еловой фанеры Дугласа.

2. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время возрос интерес к восприимчивости строительных облицовочных изделий к грибковому росту в том случае, если вода проникает через системы стен и остается в стенных полостях в течение продолжительных периодов. Genics Inc. обратилась к Forintek по поводу исследования устойчивости их OSB-панельного продукта, содержащего медь-борат, к плесневым грибкам. В данном отчете описаны способ и результаты исследований устойчивости медь-борат OSB-панельного продукта к поверхностной колонизации плесневыми грибками в идеальных условиях для плесневого роста.

В данном способе используют условия контролируемых температуры и влажности в небольшой камере искусственного климата для оценки устойчивости поверхностей образцов к росту большого ряда плесневых грибков как из природного, так и искусственного инокулята. Следуют стандарту ASTM D3273-94', за исключением того, что температуру камеры поддерживают при 25°С в большей степени, чем при установленных 32,5°С.

3. ПЕРСОНАЛ

Пол Моррис - руководитель группы долговечности и защиты.

Дэйв Минчин - технолог по защите дерева.

Шэйн МакФарлин - технолог по процессам пропитки дерева.

Джанет Ингрэм - технолог по пропитке дерева.

4. МАТЕРИАЛЫ И СПОСОБЫ

4.1. ТЕСТИРУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ

OSB-панели, содержащие медь-борат, OSB-панели, содержащие безводный оксид бора, и OSB, не содержащие добавок, были изготовлены Alberta Research Council (ARC) no поручению Genics Inc. Панели, содержащие одно из трех целевых соотношений медь-борат (2,9%, 5% и 10% эквивалента борной кислоты (БКЭ)), или один из двух уровней безводного оксида бора и необработанные OSB-панели маркировали кодами в соответствии с обработкой или продуктом и поставляли Forintek. Два панельных продукта (OSB-облицовка и OSB-язычки и покрытие для пола) были получены Genics и поставлены Forintek. Уровни обработки, коды обработка-продукт и толщина панели тестируемых OSB-продуктов и фанеры обобщены в Таблице 5.

Среднее значение со стандартным отклонением показано в скобках.

Все панели, предоставленные Genics, и еловую фанеру Дугласа перерабатывают в Forintek в тестируемые образцы на устойчивость к плесени и образцы для анализа на борат. Десять повторов образцов, 100×75 мм, получают из панелей каждой группы продуктов для установки в камеру для роста плесени:

При получении трех панелей каждого продукта (все панели сделаны в ARC - Таблица 1) три образца, устойчивых к плесени, отрезают от каждой из двух панелей и четыре образца отрезают от третьей панели для получения в целом десяти образцов.

При получении четырех панелей продукта (цинк-боратные продукты) три образца отрезают от каждой из двух панелей и два образца отрезают от каждой из оставшихся двух панелей.

Все десять образцов еловой фанеры Дугласа отрезают от одного листа фанеры.

Сорок семь анализируемых образцов, 19×19 мм, отрезают от панелей каждого панельного продукта и анализируют на содержание бората в Forintek, используя стандартный способ экстракции горячей водой и титрования. Образцам для теста на устойчивость к плесени позволяют кондиционироваться при температуре окружающей лаборатории (приблизительно 20°С) и относительной влажности (приблизительно 30%) перед регистрацией первоначальных масс до тестирования, за исключением образцов, отрезанных от цинк-боратных панелей, которые обрабатывают и взвешивают в пределах 24 часов после прибытия в Forintek.

4.2. КАМЕРА ТЕСТИРОВАНИЯ

Образцы для тестирования на устойчивость к плесени произвольным образом выбраны для одной из четырех камер искусственного климата. Каждая камера (Фигура 1) состоит из прямоугольного 114-литрового (61×46×46 см) резервуара из полиэтилена для эксплуатации в тяжелом режиме, снабженного наклонной крышкой, изготовленной из прозрачного акрилата толщиной 6,4 мм. Наклон является достаточным для обеспечения стекания конденсата по внутренней поверхности крышки вместо капанья на образцы, подвешенные внутри резервуара.

Дно резервуара содержит приблизительно 8 см воды. Поддон с дном в виде необработанной проволочной сетки из нержавеющей стали, покрытым пластиковым солнцезащитным полотном, поддерживает слой толщиной 8 см из нестерилизованной продажной почвы для горшков выше приблизительно на 3 см поверхности воды. Оставляют приблизительно 5 см между стороной поддона и стенкой резервуара для обеспечения движения воздуха внутри резервуара. Вентилятор диаметром 10 см (Muffin, модель MU2A1), расположенный на одном конце поддона с почвой, обеспечивает циркуляцию воздуха внутри резервуара над поверхностью почвы для распределения спор.

Образцы подвешивают с равномерными интервалами, используя крюки с проушиной, за одну из четырех пластиковых поддерживающих полосок, перекрывающих ширину резервуара. Образцы подвешивают с расположением длинного измерения вертикально и параллельно по отношению друг к другу, так, чтобы лицевые стороны были перпендикулярны направлению воздушного потока вентилятора. Нижние концы образцов находятся приблизительно на 13 см выше поверхности почвы.

Тепло подводят к каждой камере посредством погружного нагревателя (Ogden, 300 ватт, 120 вольт), установленного горизонтально в воде, через один конец камеры. Нагреватель управляется твердофазным электронным температурным контроллером (Ogden) для поддержания температуры, равной приблизительно 25,0±1,0°C, вблизи от образцов, как измеряют термопарой, расположенной между образцами. Для равномерного распределения тепла воду внутри резервуара постоянно перемешивают с помощью аквариумного циркуляционного насоса (Aqua - pump-1, с переменным потоком), установленного на максимальный поток. Недостаток вентиляции в камере приводит к постоянной относительной влажности при значении 100% или близком к нему внутри камеры. Данное подтверждается постоянным образованием конденсата на наклоненном покрытии.

4.3. ИНОКУЛЯТ

Следующие культуры инокулируют в 1,5% солодовом экстракте, в чашках Петри с 2% агаром (Difco) и инкубируют в течение 18 дней при 32,5°С для получения инокулята для камеры тестирования:

Инокуляционную суспензию получают путем соскребания спор и мицелия с поверхности инкубационных чашек и смешивания в смесителе с водой в течение 15 секунд. Объем суспензии доводят водой до приблизительно 1 литра. Для равномерного распределения инокулята над поверхностями почвы в четырех камерах используют 50-мл пипетку. Камеру эксплуатируют в условиях тестирования в течение, по меньшей мере, одной недели перед введением инокулята и эксплуатируют в условиях тестирования в течение, по меньшей мере, четырех недель после инокуляции перед установкой тестируемых образцов в камеру. Данное действие позволяет грибкам обосноваться в почве и продуцировать споры для рассеивания на поверхностях образца.

4.4. ОЦЕНКА

После двух и четырех недель воздействия внутри камеры искусственного климата образцы удаляют, взвешивают и оценивают степень и интенсивность грибкового роста по шкале 0-10, где ноль представляет отсутствие роста и десять представляет экстенсивный и интенсивный грибковый рост. В системе оценок уделяется особое внимание области поверхности, покрытой с двух сторон над покрытием по краям, и рассматривается степень обесцвечивания в результате грибкового роста. Поглощение влаги образцом во время двухнедельных периодов воздействия определяют по изменениям массы образцов.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

5.1. ОЦЕНКА ПОСЛЕ ДВУХ НЕДЕЛЬ

Результаты оценок плесневого роста на образцах за две и четыре недели обобщены в виде средних значений десяти повторных измерений для каждого панельного изделия в Таблице 6. Также в Таблице 6 показаны определения поглощения влаги, выраженные в виде среднего процентного увеличения масс образцов от первоначальных масс, регистрируемых перед воздействием в камерах.

После двух недель воздействия в камерах отмечают очень небольшой рост плесени на любом из OSB-изделий, содержащих медь-борат или безводный оксид бора, и отсутствие очевидного эффекта доза-ответ среди данных изделий (средние оценки составляют от 0,6 до 1,1). Плесневый рост является более экстенсивным на необработанных контрольных OSB-панелях (средние оценки составляют 4,8). Плесневый рост является наиболее экстенсивным на еловой фанере Дугласа и цинк-боратных OSB-панелях и OSB-язычках и изделиях для покрытия пола (T&G) (оценки составляют от 6,1 до 8,1). Наибольший плесневый рост на всех образцах проявляется в виде очень светлого, белого или бледно-зеленого роста, который наиболее очевиден при рассмотрении при низком угле зрения вдоль поверхности образца.

Средние значения процентного поглощения влаги являются сходными для всех OSB-панельных изделий от Genics, с боратами или без них, и для еловой фанеры Дугласа (от 17, 9% до 20,7%). Значения процентного поглощения влаги являются слегка более низкими для цинк-боратных панельных изделий (15,4 для OSB-панелей и 13,0% для OSB-язычка и изделий для покрытия пола). Данный эффект может быть обусловлен некондиционированными первоначальными массами изделий, обработанных боратом цинка.

5.2. ОЦЕНКА ПОСЛЕ ДВУХ НЕДЕЛЬ

Плесневый рост является более экстенсивным на образцах всех панельных изделий после четырех недель в камерах. Наименее экстенсивный плесневый рост имеет место на медь-боратных образцах и на образцах с высоким уровнем безводного оксида бора. Средние оценки для медь-боратных образцов могут указывать на эффект доза-ответ для образцов панелей с низким до высокого соотношениями медь-борат, составляющими 4,4, 3,3 и 2,5 соответственно. Панели с безводным оксидом бора проявляют значительный эффект доза-ответ при средней оценке для образцов с низким уровнем, равным 6,7, и средней оценке для образцов с высоким уровнем, равным 3,0. Контрольные изделия OSB, из еловой фанеры Дугласа, а также изделия, обработанные цинк-боратом, имеют экстенсивный плесневый рост при средних оценках, равных 9,3, 9,5, 9,5 и 10,0 соответственно. Только несколько образцов проявляют интенсивное окрашивание плесени, и данный эффект обычно имеет место на образцах с экстенсивным покрытием поверхности на лицевых сторонах или на краях образцов. Единственным панельным изделием, последовательно представляющим интенсивный рост, является язычок и изделие для покрытия пола с боратом цинка, где рост является особенно экстенсивным по отношению ко всем другим панельным изделиям как при двухнедельной, так и четырехнедельной оценке.

В целом, средние оценки боратсодержащих продуктов хорошо коррелируются с содержанием бората, определенным по результатам анализа (Фигура 2), за исключением цинк-боратного изделия. Данное может указывать на важность бората как активного ингредиента при обеспечении устойчивости к плесени тестируемых продуктов. Цинк-борат может не обеспечивать ожидаемую устойчивость к плесневому росту вследствие недоступности бората для грибков.

Незначительное дополнительное поглощение влаги любыми образцами имеет место между проведением двухнедельной и четырехнедельной оценок, указывая на то, что все типы панелей абсорбируют наибольшее количество влаги в пределах первых двух недель в камерах.

6. ВЫВОДЫ

После четырех недель воздействия в камере искусственного климата OSB-образцы, содержащие медь-борат при каждом из трех тестируемых уровней, и безводный оксид бора при наивысшем из двух тестируемых уровней показывают существенную устойчивость к плесневому росту.

После четырех недель эффект доза-ответ очевиден для продуктов, содержащих медь-борат и безводный оксид бора.

После четырех недель воздействия в камере искусственного климата необработанные OSB-панели, панельные изделия, обработанные цинк-боратом, и еловая фанера Дугласа в целом не являются устойчивыми к плесневому росту.

Все типы панелей абсорбируют наибольшее количество влаги в пределах первых двух недель в камерах.

Чтобы не прерывать обычные производственные операции, измельченный пропиточный состав для дерева вводят раздельно. Следует, однако, отметить, что завод, переходящий на использование данного типа пропиточного состава для дерева, может выбрать смешивание измельченного пропиточного состава для дерева с адгезивом.

Подразумевают, что термин "строительные материалы" в данной заявке не ограничен строительными материалами из дерева. Подразумевают, что данный термин также охватывает строительные материалы, такие как изолирующие (например, стирольная пена, объемный полистирол, уретан или стекловолокно), листовой материал (например, стенная панель, гипсовый картон, фанера или соломенный картон) и паровые барьерные покрытия.

В данном описании слово "включающий" используют в его неограничивающем смысле для обозначения того, что включены упомянутые изделия, но изделия, не упомянутые конкретно, не являются исключенными. Ссылка на элемент с помощью неопределенного артикля "а" не исключает возможность того, что присутствует более чем один из элементов, пока из контекста ясно не будет следовать, что присутствует один и только один из элементов.

Для специалиста в данной области будет очевидным, что могут быть сделаны модификации иллюстрированного воплощения без отхода от сущности и объема данного изобретения, как далее определено в формуле изобретения.

Реферат

Способ обработки строительных материалов бором и обработанные бором строительные материалы. Способ обработки строительных материалов бором включает стадию введения медь и борсодержащего соединения в процессе производства композитных строительных материалов на основе целлюлозосодержащих частиц и адгезива В качестве медь и борсодержащего соединения используют легко растворимый в воде, не оказывающий неблагоприятного воздействия на механические свойства используемого адгезива комплекс медь-борат, полученный смешиванием порошкообразного оксида меди с порошкообразным соединением бора в виде Na₂B₈O₁₃·4H₂O или Na₂B₈O₁₃·4Н₂О и Н₃ВО₃, последующим нагреванием полученной смеси до расплавления и гомогенизации, формованием, отжигом при температурах 300-550°С и измельчением до мелкодисперсного состояния. Технический результат: расширение номенклатуры используемых клеев и адгезивов, снижение выщелачивания и повышенные фунгицидных свойств. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 6 табл.

Формула