Скурыдин Ю.Г. и др.

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ БЕЗ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Скурыдин Ю. Г., Барнаульский государственный педагогический университет, Барнаул, Россия
Скурыдина Е. М., Маркин В. Б., Алтайский государственный технический
университет, Барнаул, Россия

Основная масса древесных композиционных плитных материалов для мебельной промышленности и строительства традиционно изготавливается с применением синтетических термореактивных смол, выполненных на основе фенолов, мочевины, формальдегида и изоцианатов. Общеизвестно, что в процессе производства и эксплуатации таких древесностружечных и древесноволокнистых плит в окружающее пространство выделяются токсичные вещества, наличие которых обусловлено сложной химической природой связующих компонентов. При этом в последние годы экологический фактор зачастую предопределяет судьбу тех или иных технологий в разных странах. В Европе происходит постепенный вывод вредных производств в третьи страны, вводится полный запрет на использование небезопасных материалов либо существенно ужесточаются требования к их экологичности. Другим немаловажным фактором, способствующим интенсификации разработки новых технологий, является высокая стоимость связующих компонентов, достигающая в ряде случаев 60% от стоимости готовых материалов. С каждым годом все острее стоит проблема рациональной утилизации большого количества отходов лесопереработки и сельскохозяйственного растениеводства — щепы, опилок, костры и т. п., являющихся по своему составу ценнейшим (и при этом дешевым) лигноуглеводным сырьем. Помимо этого, из-за глобального истощения запасов качественной древесины и медленного ее воспроизводства, возникает необходимость вовлечения в коммерческий оборот материалов, не находящих в настоящее время потенциально большого спроса: древесины лиственных пород, тростника.
Разрабатываемые технологии получения композитов без связующих веществ являются одним из возможных путей решения обозначенных задач. На протяжении ряда лет на Алтае разрабатывается метод, позволяющий получать композиты (аналоги древесностружечных плит) из любого сырья растительного происхождения без добавления каких-либо связующих веществ. Исходным материалом для них может служить любая растительность в виде лесных и сельскохозяйственных отходов: кора, частицы древесины, лузга подсолнечника, скорлупа орехов, солома и т. п. Причем они могут быть использованы как по отдельности, так и в комбинации друг с другом для достижения требуемых качественных характеристик.
Для получения плитных материалов без добавления связующих использована перспективная, находящая в последнее время все более широкое применение технология водно-тепловой обработки, основанная на методе взрывного автогидролиза — «парового взрыва», позволяющая селективно воздействовать на лигноуглеводный комплекс растительной ткани. При обработке древесины насыщенным паром при высокой температуре происходят физико-механические и химические изменения, сопровождающиеся деструкцией основных компонентов, входящих в ее состав, — разрушение морфологической структуры, гидролиз лигнина и гемицеллюлоз с образованием низкомолекулярных водорастворимых продуктов — пентозанов и гексозанов (редуцирующих веществ). Редуцирующие вещества при нагревании вступают в реакцию поликонденсации с низкомолекулярными фрагментами лигнина и играют роль связующего компонента в получаемом материале, образуя природную термопластичную смолу.
В определенном приближении разрабатываемый способ можно считать аналогом практически неизвестного на территории бывшего СССР способа получения древесно-композитного материала «мезонит» («masonite»). В настоящее время эта технология применяется в Северной Америке. Она базируется на использовании взрывного автогидролиза растительной биомассы. Прессование «мезонита» осуществляется как «мокрым», так и «сухим» способом. Однако при производстве «мезонита», как правило, используют добавки смол и реагентов, увеличивающих прочность, водостойкость и другие механические показатели.
Процесс получения композиционных материалов включает две ключевые стадии. На первом этапе лигноцеллюлозный материал подвергается воздействию перегретого насыщенного пара в закрытом сосуде при температуре 170—230°С. Давление реакции соответствует давлению насыщенного пара при заданной температуре и составляет 8—30атм. По истечении времени, необходимого для обработки, производят резкий сброс давления до уровня атмосферного — взрывную декомпрессию — с одновременной разгрузкой волокнистой массы в приемное устройство. Длительность и температура паровой стадии определяют степень дисперсности получаемой волокнистой массы и глубину гидролитического воздействия на лигноцеллюлозу, что обусловливает конечные характеристики композитного материала. Обработанная паром древесина на выходе из устройства представляет собой влажную разволокненную массу бурого цвета, степень дисперсности которой зависит от жесткости условий обработки и первоначального размера обрабатываемых частиц. Следует отметить, что условие «взрывного» способа декомпрессии не является обязательным. Определяющим фактором, влияющим на свойства волокнистой массы и композитного материала, является температурно-временной, а давление может быть сброшено постепенно.
На второй стадии гидролизованная и высушенная волокнистая масса формуется в виде волокнистого ковра и подвергается горячему прессованию без добавления каких-либо компонентов. Прессование можно осуществлять на стандартном оборудовании, используемом в производственном процессе получения древесностружечных плит. Температура прессования находится в пределах 110— 160°С, давление — не более 80 кг/см².
Отпрессованный материал представляет собой твердую однородную плиту коричневого цвета, внешний вид (цвет, текстура) которой определяется природой материала и жесткостью режимов обработки. Шероховатость поверхности зависит исключительно от качества рабочих поверхностей плит пресса.
Одним из достоинств способа является возможность изменения в широких пределах физико-механических показателей получаемого композита. Тип использованного сырья, дисперсность частиц, порода древесины, а также условия паровой обработки и прессования существенно влияют на характеристики получаемого композита, которые могут быть изменены в широких пределах.
Диапазон свойств изготовленных образцов весьма широк: плотность — 900—1400 кг/м³, прочность при статическом изгибе — 10—60 МПа, прочность на разрыв — 0,4—0,5 МПа, водопоглощение и разбухание за 24 ч — 5—30 и 8—30% соответственно, температура стеклования — 120-140°С.
Предполагаемая область применения материала обусловлена высокими прочностными и гидрофобными показателями и может включать строительство, производство мебели, корпусов приборов, тары и т. п. Благодаря привлекательному внешнему виду, композит может быть использован для изготовления элементов декоративной отделки помещений в виде стеновых панелей, напольного покрытия, а также в качестве элементов отделки интерьера автомобилей. Механическая прочность материала позволяет использовать листы из него толщиной всего 1,5—2 мм.
Таким образом, разработан новый, потенциально менее затратный способ получения композиционных материалов — аналогов древесностружечных плит с высокими физико-механическими показателями. Его достоинства определяются отсутствием необходимости использования каких-либо связующих веществ, кроме тех, что образуются в лигноцеллюлозном материале при его предобработке, а также неограниченностью сырьевой базы, в том числе возможностью использования отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производств. Предполагается, что относительно низкой себестоимость материала может быть лишь при относительно масштабном производстве, поскольку первая стадия обработки — паровой гидролиз — является энергоемкой.

COMPOSITE MATERIAL MADE OF ORGANIC WASTE WITHOUT BINDING AGENTS

Skurydin Yu. G., Barnaul State Pedagogical University, Barnaul, Russia Skurydina E. M., Markin V. B., Altai State Technical University, Barnaul, Russia

At the Altai, a new method of synthesizing composite materials from wood and agricultural waste without using traditional chemical components has been developed. The basis of the method is the physical and chemical treatment of raw waste by hot water steam under high pressure with rapid decompression. The new composite material offers certain advantages over traditional particleboard produced on the basis of phenol-formaldehyde resins in terms of operational characteristics.

Главная страница

Сведения об авторах

Скурыдин Юрий Геннадьевич, к. т. н., доц., кафедра теоретической физики и математики, Барнаульский государственный педагогический университет, ул. Молодежная, 55, Барнаул, 656031, Россия. Тел. (3852) 36-69-21. E-mail: skurdogrambler.ru

Скурыдина Елена Михайловна, аспирант, кафедра физики и технологии композиционных материалов, Алтайский государственный технический университет, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Россия. Тел. (3852) 41-47-96. E-mail: skudemdogrambler.ru

Маркин Виктор Борисович, д. т. н., проф., зав. кафедрой физики и технологии композиционных материалов, Алтайский государственный технический университет, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Россия. Тел. (3852) 36-39-12

Последние изменения внесены 24.04.07