Технология и применение полимеров в деревообработке

 

 
 
 
 
 

А. А. КОЛЕСНИКОВА 

 
 
 
 

ТЕХНОЛОГИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ  

ПОЛИМЕРОВ В ДЕРЕВООБРАБОТКЕ 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

2019 
 

УДК 674.093.26 
ББК  37.13 

К 60 

 

Рецензенты: 

зав. кафедрой переработки древесных материалов  

Казанского государственного технологического университета,  

профессор, доктор технических наук Р. Г. Сафин; 

профессор кафедры лесопромышленных и химических производств  

Поволжского государственного технологического университета,  

доктор биологических наук Р. И. Винокурова 

 
 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 

 
 
Колесникова, А. А. 

К 60  Технология и применение полимеров в деревообработке: учебное посо
бие / А. А. Колесникова.  Йошкар-Ола: Поволжский государственный 
технологический университет, 2019. – 106 с. 
ISBN 978-5-8158-2039-5 
 

Полимерные материалы и их свойства рассмотрены с позиции приме
нения в деревообрабатывающей промышленности в качестве конструкционных, настилочных, облицовочных, отделочных материалов. Дана классификация полимерных материалов, изложены методы получения полимеров и переработки их в изделия, приведены свойства полимерных материалов и их применение. 

Для студентов направления 350302 «Технология лесозаготовительных 

и деревоперерабатывающих производств» (профиль «Технология деревообработки»). 

УДК 674.093.26 

ББК 37.13 

 

ISBN 978-5-8158-2039-5 
© Колесникова А. А., 2019 
© Поволжский государственный  
технологический университет, 2019 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Учебное пособие по дисциплине «Технология и применение 

полимеров в деревообработке» соответствует базовому общепрофессиональному циклу Федерального Государственного образовательного стандарта по направлению подготовки 35.03.02 
«Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих 
производств» (профиль «Технология деревообработки»).  

Цель пособия – ознакомление студентов с теоретическими ос
новами синтеза полимеров, основными видами и физикомеханическими свойствами полимерных материалов, технологическим процессом производства полимерных материалов; приобретение ими начальных навыков применения полимерных материалов в деревообработке. 

Результатами освоения дисциплины являются:  
 знание классификации полимерных материалов; способов 

получения и переработки полимеров в изделия; экологических, 
технологических, экономических, эксплуатационных свойств полимерных материалов; оборудования и схем технологических 
процессов переработки и применения полимерных материалов; 
методов их испытания; 

 умение определять полимерные материалы, проводить с ни
ми физико-механические испытания и анализировать их свойства; 

 владение профессиональной терминологией дисциплины, 

навыками применения полимеров и полимерных материалов в 
деревообработке. 

 
Замечания и предложения по совершенствованию формы и 

содержания учебного пособия просим направлять по адресу: 
424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, кафедра лесопромышленных и химических производств. 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Одним из основных направлений научно-технического про
гресса в деревообрабатывающем производстве является комплексное применение наряду с древесиной различных материалов 
на основе полимеров. Сочетание дерева и полимерных материалов открывает широкие возможности для конструирования изделий различных архитектурно-художественных форм с необходимыми физико-механическими характеристиками.  

Широкое внедрение в производство отделочных, облицовоч
ных, клеевых материалов на основе полимеров обуславливает использование более совершенных технологий и оборудования, 
способствует улучшению качества мебели, древесных материалов, значительно повышает производительность труда, степень 
механизации и автоматизации технологических операций. 

Развивающееся бурными темпами производство древесно
полимерных композитов раскрывает широкие возможности использования древесных отходов в производстве новых материалов и изделий сложного профиля как для внутреннего, так и для 
наружного применения, для бытового, и промышленного назначения, строительства, техники, приборостроения, дизайна и др.  

Целенаправленное получение материалов с заданными свой
ствами позволяет их эксплуатировать в условиях жесткой среды 
при долговечном использовании.  

Перспективы производства полимерных материалов связаны с 

развитием технологии переработки полимеров в изделия с использованием отходов деревообработки, а также с совершенствованием технологий применения полимеров с целью получения 
экологически 
чистых 
изделий 
с 
повышенными 
физико
механическими свойствами.  

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 

Полимеры – высокомолекулярные соединения, состоящие из 

большого числа повторяющихся низкомолекулярных мономерных звеньев.  

Полимеры весьма разнообразны по своему составу, методам 

получения и свойствам. Это обстоятельство предопределило их 
широкое применение, в том числе в деревообработке. Незаменимы материалы из полимеров, обладающих хорошей устойчивостью к воздействию температур и атмосферных явлений, негорючестью, высокой звуко- и теплоизолирующей способностью, одновременной прочностью и легкостью. Они успешно могут сочетаться в применении с металлами, древесиной и другими материалами.  
Полимерные 
материалы 
с 
новыми, 
высокими 
физико
механическими свойствами широко используются в наиболее ответственных отраслях – в судо- и авиастроении, транспорте, радиоаппаратуре.  

Например, для создания межпланетного космического кораб
ля с использованием солнечной энергии для перелета, по расчетам американских ученых, требуется парус из полиэфирной 
пленки плотностью 3 г/м2 площадью 600000 м2. Материал должен 
быть устойчив к ультрафиолетовым лучам, температуре выше 
300 °С, обладать долговечностью не менее 200 лет.  

Полимеры можно классифицировать по происхождению. 
До середины XIX века человечество вполне обходилось при
родными полимерами. Дерево, кость, камень, шкуры животных, 
лен использовались первобытным человеком. В древности использовались также композиции из природных полимеров. 
Например, в древнем Вавилоне 5000 лет назад для мумификации 
использовали тростниковую ленту, пропитанную битумной смолой. Изготавливали луки из сухожилий, упругой древесины, шелка, соединяли клеем животного происхождения. 

В дальнейшем развитие техники выявило потребность в мате
риалах с новыми свойствами, которых в природе нет.  

Многие синтетические полимеры были получены совер
шенно случайно. Неудачные опыты химиков заканчивались тем, 
что на стенках колб оседало нечто густое, вязкое. «Смола, опять 
смола», – негодовал ученый, выбрасывая очередную посуду. Но, 
анализируя осадки, наиболее любознательные из них стали обнаруживать неизвестный в природе полимер. 

Так, многие полимеры были получены еще в XIX веке, а про
мышленное производство началось в XX веке, спустя 50…100 
лет. Например, полистирол был впервые получен в 1839 году, а 
его промышленное производство началось в 1920 году. Полимер 
из формальдегида был получен в 1859 году, а промышленное 
производство началось в 1960 году. 

Также случайно был получен полиэтилен. В 30-е годы ХХ ве
ка крупный английский химический концерн «Ай-Си-Ай» работал над программой исследования реакций под высоким давлением (50…150 МПа). При взаимодействии этилена с бензальдегидом ожидаемого продукта в автоклаве не обнаружилось, а был 
белый налет на стенках сосуда. Установили, что это полиэтилен, 
ныне один из самых распространенных. 

Среди самых первых полимерных материалов, запущенных в 

промышленное производство, были целлулоид, резина, эбонит, 
полученные на основе природных полимеров. Целлулоидные воротнички, манжеты были украшением мужчин XIX века. Целлулоиду обязаны развитием фотография и кинематограф, для которых использовали фотопленки и грампластинки. Теннисные шарики для пинг-понга используют и поныне. 

В конце XIX века также появились фенопласты, резолы, из 

которых изготавливают розетки, телефонные аппараты и др. 

На практике в чистом виде синтезированные полимеры не ис
пользуют. Модифицируя, добавляя в них различные наполнители 

с целью выявления новых свойств, получают искусственные полимерные материалы различного назначения.  

По структуре макромолекул различают линейные, раз
ветвленные, сетчатые (пространственные) полимеры. Линейные 
макромолекулы представляют собой цепь связанных между собой 
мономерных звеньев с одинаковыми (разными) мономерами.  
Полимеры с линейной структурой часто вещества плавкие, пластичные, склонные к воздействию температуры, кристаллизации. 

Полимеры с сетчатой структурой не поддаются изменениям 

температуры и других внешних факторов, не способны плавиться 
и растворяться в органических растворителях. 

По отношению к нагреванию различают реактопласты и 

термопласты. Термопласты (термопластичные материалы) при 
нагревании могут размягчаться и плавиться, а при охлаждении 
затвердевать, сохраняя при этом свойства и строение макромолекул. Они имеют свойства обратимости. Это полимеры с простым 
линейным или разветвленным строением макромолекул: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамид 
и т.д. Реактопласты (термореактивные, термостабильные материалы) при нагревании меняют свойства и строение, в результате 
чего переходят в твердое неплавкое состояние. В связи со сложной (сетчатой, пространственной структурой) способность их 
набухать, растворяться, переходить в пластичное состояние 
уменьшается, теряется. Это стойкие вещества или материалы.  

По применению в деревообрабатывающей промышленности 

полимерные материалы можно группировать на конструкционные, настилочные, клеевые, облицовочные, отделочные. 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 

 

1. По каким признакам классифицируются полимеры? 
2. Назовите природные, синтетические, искусственные полимеры. 
3. Какие бывают полимеры по отношению к нагреванию? 
4. По каким группам можно классифицировать полимерные материалы, ис
пользуемые в деревообработке? 
 

2. СЫРЬЕВАЯ БАЗА И МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА  

ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 

Полимерные материалы получают из натуральных высокомо
лекулярных соединений (целлюлозы, белковых веществ, смол, 
каучука) и из низкомолекулярных веществ (природного газа, 
нефти, угля и др.) путем химических реакций и модификации. 

Исходным сырьем для производства полимеров являются уг
леводороды различного происхождения. Это природные и попутные нефтяные газы, продукты нефте- и углепереработки. 

Из природных газов (залежей) ‒ метана, этана, пропана, бутана, 

азота, углекислоты и сероводорода ‒ получают сырье для синтеза 
таких полимеров, как метилцеллюлоза (из хлористого метила); из 
метилхлорсилана вырабатывают формальдегидные полимеры.  

Ацетилен, этилен, бутилен, пропилен также являются сырьем 

для получения полимеров. Например, из ацетилена получают 
ПВХ, хлоропрен, из этилена – этиловый спирт и полиэтилен, 
применяемые в свою очередь для производства синтетических 
каучуков.  

Из попутных нефтяных газов получают также сырье метиле
нового ряда, из которых производят такие полимеры, как полиизобутилен, бутилкаучук, полиэтилен, полипропилен и др. 

Важнейшим сырьем также являются ароматические углеводо
роды – бензол, толуол, ксилол, источником получения которых 
является также нефтепереработка. Из них получают фенолформальдегидные полимеры, полистирол, капролактам, находящие 
применение в производстве пластмасс. 

Из продуктов углепереработки (каменноугольный деготь, 

коксовый газ, аммиак, сернистые соединения), переработки 
торфа, древесных и растительных материалов, их отходов получают также сырье для производства полимеров. 

В зависимости от методов получения полимерные материалы 

разделяются на синтетические полимеризационные, поликонденсационные и искусственные модифицированные.  

Синтетические полимеры синтезируются из простейших ве
ществ – природных и нефтяных газов, углекислоты, азота, водорода, аммиака и других недефицитных исходных веществ. 

Полимеризация – это процесс получения макромолекулы по
лимера без образования побочных продуктов. Элементный состав 
исходных мономеров и образовавшихся полимеров одинаков. 

Процесс полимеризации может быть цепным и ступенчатым. 
При цепных процессах макромолекула полимера образовыва
ется мгновенно, промежуточные продукты нестабильны, короткоживущие. Известны два вида цепной полимеризации: радикальная и ионная. 

При радикальной полимеризации под воздействием света, теп
ла, радиационных излучений (физическое инициирование) или 
химического вещества – перекисей, гидроперекисей (химическое 
инициирование) образуются свободные радикалы (активные центры). К ним в процессе реакции присоединяются мономеры. 
Инициаторы могут входить в состав образующейся молекулы и 
не входить. Они играют роль возбудителя реакции, служат для 
раскрытия неустойчивых двойных связей в начале реакции. 

Например, при полимеризации этилена в полиэтилен сначала 

разрывается двойная связь этилена (С2Н4), вследствие чего получается свободный радикал -(С2Н4)- , который при дальнейшей реакции присоединяет к себе мономеры и превращается в полиэтилен (С2Н4)n. 

При ионной полимеризации (катионной, анионной) реакция 

происходит под влиянием катализаторов (хлористый аммоний, 
хлорное олово, щелочные металлы и др.), которые в процессе реакции не расходуются. Скорость реакций регулируется ингибиторами и регуляторами, в качестве которых используют фенолы, 
нитробензол, хиноны, серу, йод, четыреххлористый углерод и др. 

При катионной полимеризации в качестве катализаторов используют кислоты, а при анионной – щелочные металлы. 

При ступенчатой полимеризации в реакции двух мономеров 

получается димер, который в свою очередь, присоединяя мономер, образует тример и т.д. Промежуточные частицы (димеры, 
тримеры, участвующие в реакции) достаточно устойчивы и могут 
выделяться в свободном виде или реагировать друг с другом. В 
ступенчатой полимеризации могут принимать участие молекулы 
разных мономеров. 

Поликонденсация – процесс получения макромолекулы по
лимера, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (воды, формальдегида, аммиака, спирта и др.) 
Образующийся полимер по составу и свойствам отличается от 
исходных компонентов реакции. 

Обычно эти реакции протекают в присутствии катализаторов, 

ступенчато, по аналогии с полимеризацией с образованием димеров, триммеров и т.д.. Основное отличие этих реакций от реакций 
полимеризации – образование побочных продуктов. 

Процесс поликонденсации обратим. Одновременно с прямой 

реакцией образования полимера идет обратная реакция расщепления полимера в низкомолекулярное вещество. Когда скорости 
прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, дальнейший процесс поликонденсации прекращается. 

Процесс поликонденсации можно прервать на любой стадии, а 

затем продолжить. Это свойство широко используется при получении синтетических смол. 

Полимеризационными полимерами являются полиэтилен, по
листирол, полипропилен, поливинилхлорид, полиакрилаты и др.; 
поликонденсационными полимерами ‒ карбамидоформальдегидные, фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные смолы, 
полиуретаны и др.