Способ получения влагостойких композитных плит из растительных отходов и полиэтилена

Способ получения влагостойких композитных плит из растительных отходов и полиэтилена

Реферат

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к производству прессованных изделий из частиц растительного происхождения (измельченная древесина, костра льна, лузга подсолнечника), и может быть использовано для изготовления влагостойких плитных композитных материалов без использования синтетических связующих веществ. Изделия могут быть использованы в качестве конструкционных, отделочных материалов при производстве мебели и в строительстве.

Известны способы получения композитных материалов на основе частиц растительного происхождения. В большей части эти материалы состоят из двух частей: древесного наполнителя и полимерного связующего. В качестве полимерных связующих используются синтетические термореактивные смолы, приготовленные на основе фенолов, мочевины, формальдегида и изоцианатов.

Недостатком описанных композиций является то, что они токсичны для человека: при изготовлении и последующей эксплуатации готовых изделий выделяются пары фенола, формальдегида и других веществ, оказывающие раздражающее действие на кожу и слизистые оболочки. Другим серьезным недостатком таких композиций является то, что синтетические связующие дороги, так как основным сырьем для их производства являются нефтехимические продукты. Стоимость связующих веществ составляет значительную часть стоимости готовых изделий (до 60% при изготовлении композиционных материалов из отходов сельскохозяйственного производства). Немаловажным недостатком подобных материалов являются их низкие эксплуатационные показатели (прочность, водостойкость), что накладывает ограничения на область применения, либо приводит к необходимости нанесения дополнительных защитных покрытий.

Известна композиция на основе частиц одревесневшего сырья для изготовления прессованных плит без внесения извне связующих добавок и способ получения прессованных изделий из древесного материала без добавления в него связующих веществ [Патент РФ №2033319, кл. В27N 3/02].

Недостатком описанной композиции и способа является то, что требуется обязательное измельчение сырья до размера 2÷3 мм, а прессование осуществляется в жестких условиях: при высоком давлении (до 30 МПа) и высокой температуре (200÷220°С), превышающей температуру начала термодеструкции древесины. Предлагаемые композиция и способ получения плит основаны на физическом воздействии на древесину (температура, давление), в результате которого преимущественно образуются водородные связи. Высокая плотность композитов (1300÷1400 кг/м³) обеспечивает им весьма высокие прочностные свойства, но не может обеспечить высокую водостойкость.

Из известных технических решений наиболее близкими по назначению и технической сущности к заявляемому объекту являются способы получения композитных материалов из частиц лигноцеллюлозного материала, имеющих в своем составе целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы, содержащие в большом количестве свободные сахара, полученные из углеводной части растительного материала при обработке его катализатором и паром [Патент РФ №2075384, кл. В27N 9/11; Патент РФ №2152966, кл. В27N 3/04].

Композитный материал получают горячим прессованием лигноцеллюлозного материала, обработанного паром при температуре 170÷260°С с катализатором, либо без него, без дополнительного введения каких-либо связующих веществ. Температура прессования лежит в диапазоне 160÷250°С [Патент РФ №2075384] и 120÷160°С [Патент РФ №2152966].

Недостатком способа получения композитных материалов на основе описанных пресс-композиций является то, что заявленные способы практически не позволяют получать композитный материал с водопоглощением и разбуханием по толщине (по ГОСТ 19592) менее 8÷10% и 10÷12% соответственно (по примерам).

Целью изобретения является получение влагостойкого композитного материала из растительного сырья без использования каких-либо связующих веществ, кроме образующихся в сырье при высокотемпературной паровой обработке под давлением.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается способ получения влагостойких композитных плит из пресс-композиции, содержащей гидролизованные лигноцеллюлозные частицы и полиэтилен в виде тонкой наружной пленки, обеспечивающей преграду проникновению влаги внутрь материала.

Заявляемое изобретение позволяет получать композитный материал на основе любого лигноцеллюлозного сырья без использования каких-либо связующих веществ, кроме образующихся в лигноцеллюлозном комплексе при его обработке перегретым паром под давлением.

Заявляемое изобретение лишено вышеупомянутых недостатков, связанных с необходимостью использования фенол-, мочевиноформальдегидных и изоцианатных термореактивных связующих веществ, а также позволяет получить материал с водопоглощением и разбуханием по толщине (по ГОСТ 19592) не более 8%.

Осуществление заявляемого изобретения достигается тем, что способ получения влагостойкого композитного материала согласно изобретению включает замачивание лигноцеллюлозного сырья водопроводной водой, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. сырья в течение 20÷40 минут, и обработку (гидролиз) подготовленного таким образом материала паром под давлением при температуре 180÷200°С в течение 7÷10 минут, достаточных для разложения гемицеллюлозы на свободные сахара и другие продукты.

С целью создания влагостойких композитных плит, в соответствии с заявляемым изобретением, предлагается осуществлять горячее прессование гидролизованных и высушенных до влагосодержания не более 10% лигноцеллюлозных частиц, уложенных в пресс-форму в виде толстой волокнистой прослойки между двумя тонкими слоями пленки полиэтилена и лигноцеллюлозной массы. Горячее прессование осуществляют без добавления связующих веществ. Предлагаемое изобретение позволяет получать композитные материалы, характеризующиеся высокими прочностными свойствами, гидрофобными показателями и стабильностью размеров.

Укладку компонентов при формировании волокнистого ковра перед прессованием, в соответствии с заявляемым изобретением, осуществляют в следующей последовательности:

лигноцеллюлозная масса (3÷8 мм);

полиэтилен (до 0,2 мм);

лигноцеллюлозная масса (20÷300 мм);

полиэтилен (до 0,2 мм);

лигноцеллюлозная масса (3÷8 мм).

Толщина среднего слоя ковра лигноцеллюлозной массы (20÷300 мм) определяется степенью дисперсности волокнистой массы и требуемой толщиной готовой плиты (3÷40 мм).

В процессе горячего прессования уложенной слоистой композиции в течение нескольких минут происходит размягчение части ее компонентов (свободные сахара, низкомолекулярный лигнин, полиэтилен).

Наряду с реакцией поликонденсации углеводной части лигноцеллюлозного компонента, приводящей к формированию твердой внутренней структуры, происходит неглубокое проникновение (пропитка) расплавленного полиэтилена в прилегающие слои волокнистой массы.

Прессование волокнистого ковра, в соответствии с заявляемым изобретением, осуществляют при температуре 120÷140°С и удельном давлении 50 кг/см². Продолжительность прессования после прогрева всей пресс-массы до заданной температуры составляет 1 мин/мм толщины изделия.

После охлаждения ниже 100°С полиэтилен переходит из вязкотекучей формы в высокоэластичное состояние, сохраняя при этом водонепроницаемые свойства, передаваемые теперь и наружным слоям композитного материала. При этом сохраняются прочные химико-механические связи наружных слоев, содержащих полиэтилен, и внутренних слоев композитного материала, полиэтилен не содержащих.

Наличие согласно заявляемому изобретению тонких внешних слоев из волокнистой массы, обусловлено необходимостью избежать при прессовании прилипания расплавленного полиэтилена к плитам металлической пресс-формы, а также обеспечением возможности нанесения лакокрасочных и клеевых покрытий на готовый материал при его эксплуатации, так как их нанесение на чистый полиэтилен зачастую не представляется возможным.

Наличие незначительного эффекта водопоглощения и разбухания в изделии, полученном из пресс-массы с полиэтиленом, объясняется проникновением влаги через кромку образца, полностью погруженного в воду в соответствии с методикой по ГОСТ 19592.

Пример 1. Воздушно-сухую древесину березы в виде технологической щепы подвергают замачиванию водопроводной водой, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. сырья в течение 40 минут, и обрабатывают (гидролизуют) насыщенным паром под давлением при температуре 190°С в течение 10 минут.

Композитный материал из полученной волокнистой массы (после ее высушивания до влагосодержания 7%) и полиэтилена изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме площадью основания 50×150 мм². В пресс-форму слоями помещают гидролизованную древесину березы в количестве 50 г и полиэтилен в виде пленки толщиной 0,15 мм в количестве 2×0,09 г. Последовательность формирования волокнистого ковра: гидролизованная древесина (5 г) - однослойная пленка полиэтилена (0,09 г) - гидролизованная древесина (40 г) - однослойная пленка полиэтилена (0,09 г) - гидролизованная древесина (5 г).

После формования проводилась холодная подпрессовка при 20 кг/см², а затем осуществлялось горячее прессование при 140°С при удельном давлении 50 кг/см². Продолжительность прессования 1 мин/мм готовой плиты. После этого полученное изделие охлаждали до 45°С в течение 15 минут при постепенном снятии давления до нуля.

Для сравнения, тот же лигноцеллюлозный материал был подвергнут горячему прессованию в отсутствии полиэтиленовых прослоек. Условия прессования были те же.

Композитный материал, отпрессованный из пресс-композиции, содержащей полиэтилен, имеет следующие характеристики:

плотность, кг/м³ - 1246;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 51;

водопоглощение за 24 часа, % - 5,5;

разбухание за 24 часа, % - 6,7.

Сравнительные характеристики композитного материала, отпрессованного из пресс-композиции, не содержащей полиэтилен:

плотность, кг/м³ - 1208;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 53;

водопоглощение за 24 часа, % - 22,7;

разбухание за 24 часа, % - 20,7.

Пример 2. Воздушно-сухие сосновые опилки подвергают замачиванию водопроводной водой, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. сырья в течение 20 минут, и обрабатывают (гидролизуют) насыщенным паром под давлением при температуре 200°С в течение 7 минут.

Композитный материал из полученной древесной массы (после ее высушивания до влагосодержания 8%) и полиэтилена изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме площадью основания 50×150 мм². В пресс-форму слоями помещают гидролизованные опилки в количестве 50 г, и полиэтилен в виде пленки толщиной 0,15 мм в количестве 2×0,09 г. Последовательность формирования волокнистого ковра: гидролизованная древесина (5 г) - однослойная пленка полиэтилена (0,09 г) - гидролизованная древесина (40 г) - однослойная пленка полиэтилена (0,09 г) - гидролизованная древесина (5 г).

После формования проводилась холодная подпрессовка при 20 кг/см², а затем осуществлялось горячее прессование при 130°С при удельном давлении 50 кг/см². Продолжительность прессования 1 мин/мм готовой плиты. После этого полученное изделие охлаждали до 45°С в течение 15 минут при постепенном снятии давления до нуля.

Для сравнения, тот же лигноцеллюлозный материал был подвергнут горячему прессованию в отсутствие полиэтиленовых прослоек. Условия прессования были те же.

Композитный материал, отпрессованный из пресс-композиции, содержащей полиэтилен, имеет следующие характеристики:

плотность, кг/м³ - 1338;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 31;

водопоглощение за 24 часа, % - 2,3;

разбухание за 24 часа, % - 2,5;

Сравнительные характеристики композитного материала, отпрессованного из пресс-композиции, не содержащей полиэтилен:

плотность, кг/м³ - 1332;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 35;

водопоглощение за 24 часа, % - 6,3;

разбухание за 24 часа, % - 7,4.

Пример 3. Воздушно-сухую костру льна подвергают замачиванию водопроводной водой, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. сырья в течение 40 минут, и обрабатывают (гидролизуют) насыщенным паром под давлением при температуре 190°С в течение 10 минут.

Композитный материал из полученной волокнистой массы (после ее высушивания до влагосодержания 8%) и полиэтилена изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме площадью основания 50×150 мм². В пресс-форму слоями помещают гидролизованную костру в количестве 50 г, и полиэтилен в виде пленки толщиной 0,1 мм в количестве 2×0,09 г. Последовательность формирования волокнистого ковра: гидролизованная костра льна (5 г) - однослойная пленка полиэтилена (0,09 г) -

гидролизованная костра льна (40 г) - однослойная пленка полиэтилена (0,09 г) -

гидролизованная костра льна (5 г).

После формования проводилась холодная подпрессовка при 20 кг/см², а затем осуществлялось горячее прессование при 140°С при удельном давлении 50 кг/см². Продолжительность прессования 1 мин/мм готовой плиты. После этого полученное изделие охлаждали до 45°С в течение 15 минут при постепенном снятии давления до нуля.

Для сравнения, тот же лигноцеллюлозный материал был подвергнут горячему прессованию в отсутствие полиэтиленовых прослоек. Условия прессования были те же.

Композитный материал, отпрессованный из пресс-композиции, содержащей полиэтилен, имеет следующие характеристики:

плотность, кг/м - 1079;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 19;

водопоглощение за 24 часа, % - 7,1;

разбухание за 24 часа, % - 6,4;

Сравнительные характеристики композитного материала, отпрессованного из пресс-композиции, не содержащей полиэтилен:

плотность, кг/м³ - 1067;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 22;

водопоглощение за 24 часа, % - 68,4;

разбухание за 24 часа, % - 35,6.

Источники информации

1. Патент №2033319 от 27.10.92, МКИ 4 В27N 3/02.

2. Патент №2075384 от 20.03.97, МКИ 6 В27К 9/00.

3. Патент №2152966 от 20.07.2000, МКИ 7 С08L 97/02, В27К 9/00, В27N 3/04, В27N 3/18.

Способ получения композитных плит без добавления связующего, из гидролизованного лигноцеллюлозного материала, выбранного из группы: щепа березы, опилки сосны, костра льна, отличающийся тем, что, с целью увеличения влагостойкости, перед горячим прессованием формирование волокнистого ковра осуществляют с использованием пленки полиэтилена толщиной до 0,2 мм, уложенной в качестве компонента наружных слоев пресс-композиции, а прессование проводят при температуре 120-140°С и удельном давлении 50 кг/см² при продолжительности прессования 1 мин/1 мм толщины плиты.