Способ получения изоляционных композитных плит из растительных отходов

Способ получения изоляционных композитных плит из растительных отходов

Реферат

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к производству прессованных изделий из частиц растительного происхождения (измельченная древесина, лузга подсолнечника, древесная кора и т.п.), и может быть использовано для получения изоляционных плитных композитных материалов без использования синтетических связующих веществ. Изделия могут быть использованы в качестве тепло-звукоизоляционных, конструкционных, отделочных материалов в строительстве.

Известны способы получения композитных материалов на основе частиц растительного происхождения. Преимущественно 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 подобных композиций является то, что синтетические связующие дороги, так как основным сырьем для их производства являются нефтехимические продукты. 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, введения упрочняющих добавок или создания многослойных конструкций, в которых каждый из слоев обладает специфическими свойствами. Использование традиционных технологий изготовления композиционных материалов на основе древесины и растительных отходов не предполагает возможности получения в одностадийном процессе прессования материалов с сочетанием одновременно высоких прочностных и гидрофобных свойств и теплоизоляционных характеристик. Как правило, подобные материалы характеризуются либо высокой прочностью и плотностью при высоком показателе теплопроводности, либо низкой теплопроводностью (изоляционная плита) при крайне невысокой плотности и прочности.

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].

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-за высокой плотности и большой теплопроводности плитный материал, изготовленный в соответствии с данным описанием, не может быть использован в конструкциях тепло-звукоизоляции без дополнительной модификации.

Известна конструкционная теплоизоляционная панель [патент РФ на ПМ №82240], выполненная в виде двух наружных слоев из ориентировочно-стружечных плит (ОСП) и расположенного между ними теплоизоляционного слоя из пенополистирола или пенополиуретана, склеиваемых полимерными компаундами. Наличие теплоизоляционного слоя из синтетических материалов позволяет получать материал с высокими тепло-звукоизоляционными характеристиками. При этом необходимость формирования многослойной композиции с использованием ОСП на основе синтетических термореактивных смол и применение компаундов делают подобную панель дорогостоящей и экологически небезопасной.

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является способ получения композитных материалов из частиц лигноцеллюлозного материала, имеющих в своем составе целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы, содержащие свободные сахара, полученные из углеводной части растительного материала при обработке его катализатором и паром [патент РФ №2075384, патент РФ №2152966].

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 изоляционный композитный материал с коэффициентом теплопроводности менее 0,25 Вт/м×К и одновременно высокими прочностными и гидрофобными характеристиками.

Целью изобретения является получение недорогого прочного и умеренно гидрофобного композитного материала с коэффициентом теплопроводности менее 0,15 Вт/м×К 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 изоляционных композитных плит из пресс-композиции, содержащей гидролизованные лигноцеллюлозные частицы и необработанные частицы древесной коры, обеспечивающей формирование внутренней мелкопористой структуры композитного слоистого материала с низким коэффициентом теплопроводности. Гидролизованные лигноцеллюлозные частицы исполняют роль связующего компонента, обеспечивающего механическую прочность плит, а древесная кора выступает в роли низкоплотного экологически чистого заполнителя с низким коэффициентом теплопроводности, обеспечивающего возможность применения подобных плит в качестве теплоизоляционных. Следует отметить, что предлагаемый в соответствии с описанием способ [патент РФ №2075384] также предполагает возможность использования древесной коры при производстве композитных материалов, однако в процессе подготовки пресс-материала она должна быть подвергнута гидролитической обработке наряду с основной древесной массой, т.е. в исходном, немодифицированном виде в готовом плитном материале не присутствует.

Заявляемое изобретение позволяет получать изоляционный композитный материал с приемлемыми физико-механическими характеристиками 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 коэффициентом теплопроводности (по ГОСТ 19592, ГОСТ 7076) не более 0,15 Вт/м×К без создания сложных многослойных композиций.

Осуществление заявляемого изобретения достигается тем, что способ получения теплоизоляционного 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 теплоизоляционных композитных плит, в соответствии с заявляемым изобретением, предлагается осуществлять горячее прессование гидролизованных и высушенных лигноцеллюлозных частиц, уложенных в пресс-форму в смеси с частицами необработанной древесной коры. Горячее прессование осуществляют без добавления связующих веществ. Предлагаемое изобретение позволяет получать изоляционные композитные материалы, характеризующиеся высокими прочностными свойствами, гидрофобными показателями и стабильностью размеров. В формирующейся композитной структуре гиролизованным лигноцеллюлозным частицам отводится роль связующего вещества, а необработанным частицам коры - роль инертного низкоплотного заполнителя, наличие которого приводит к существенному снижению коэффициента теплопроводности материала. Изобретение предполагает возможность использования любых частей коры, независимо от места отбора из структуры дерева - наружного покровного слоя, пробковой ткани, луба.

Смешивание компонентов при формировании пресс-массы может осуществляться в любых соотношениях. Увеличение доли частиц коры в композитном материале приводит к пропорциональному уменьшению коэффициента теплопроводности материала (улучшению теплоизоляционных свойств) и снижению прочностных параметров. При получении композитного материала с приемлемыми механическими характеристиками, обладающего изоляционными свойствами, массовую долю гидролизованного вещества (связующего), используемого в пресс-массе, целесообразно поддерживать в количестве 70…30%, соответственно долю частиц коры (наполнителя) - 30…70%.

Толщина ковра из смеси гидролизованной лигноцеллюлозной массы и коры, укладываемого на матрицу пресс-формы перед прессованием (20÷500 мм), определяется степенью дисперсности гидролизованной волокнистой массы, размером частиц коры и требуемой толщиной готовой плиты (5÷80 мм).

В процессе горячего прессования уложенной слоистой композиции, в течение нескольких минут осуществляется размягчение части компонентов (свободные сахара, низкомолекулярный лигнин), происходит их неглубокое проникновение («пропитка») в прилегающие частицы наполнителя, в материале возникают прочные химико-механические связи между частицами прессуемого материала, обусловленные процессами поликонденсации.

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/1 мм толщины изделия.

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 наполнителя из частиц наружного покровного слоя коры сосны изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме площадью основания 50×150 мм². В пресс-форму помещают смесь гидролизованной древесины березы, взятой в количестве 50 г, и частиц коры размером 5…8 мм в количестве 30 г. После формования проводилась холодная подпрессовка при давлении 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 гидролизованный лигноцеллюлозный материал, взятый в количестве 80 г, был подвергнут горячему прессованию в отсутствие добавки необработанной коры. Условия прессования были те же.

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

плотность, кг/м³ - 820;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 24;

коэффициент теплопроводности, Вт/м×К - 0,12;

водопоглощение за 24 часа, % - 27,3;

разбухание за 24 часа, % - 23,6.

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

плотность, кг/м³ - 1208;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 41;

коэффициент теплопроводности, Вт/м×К - 0,28;

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 гидролизованной древесной массы (после ее высушивания до влагосодержания 8%) и частиц наружного покровного слоя коры сосны изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме площадью основания 50×150 мм². В пресс-форму помещают смесь гидролизованных опилок в количестве 50 г и частиц коры размером 5…8 мм в количестве 50 г. После формования ковра 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 гидролизованный лигноцеллюлозный материал в количестве 100 г был подвергнут горячему прессованию в отсутствие добавления частиц коры. Условия прессования были те же.

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

плотность, кг/м³ - 680;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 18;

коэффициент теплопроводности, Вт/м×К - 0,1;

водопоглощение за 24 часа, % - 17;

разбухание за 24 часа, % - 15.

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

плотность, кг/м³ - 1332;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 35;

коэффициент теплопроводности, Вт/м×К - 0,26;

водопоглощение за 24 часа, % - 6,3;

разбухание за 24 часа, % - 7,4.

Пример 3. Воздушно-сухую древесину лиственницы 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 200°С в течение 10 минут.

Композитный материал из полученной волокнистой массы (после ее высушивания до влагосодержания 7%) и наполнителя из частиц наружного покровного слоя коры березы изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме площадью основания 50×150 мм². В пресс-форму помещают смесь гидролизованной древесины лиственницы, взятой в количестве 30 г, и частиц коры размером 5…8 мм в количестве 70 г. После формования проводилась холодная подпрессовка при давлении 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 гидролизованный лигноцеллюлозный материал, взятый в количестве 100 г, был подвергнут горячему прессованию в отсутствие добавки необработанной коры. Условия прессования были те же.

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

плотность, кг/м³ - 620;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 12;

коэффициент теплопроводности, Вт/м×К - 0,08;

водопоглощение за 24 часа, % - 51,7;

разбухание за 24 часа, % - 45,4.

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

плотность, кг/м³ - 1243;

предел прочности при статическом изгибе, МПа - 39;

коэффициент теплопроводности, Вт/м×К - 0,27;

водопоглощение за 24 часа, % - 24,7;

разбухание за 24 часа, % - 21,5.

Источники информации

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

2. Патент РФ на ПМ №82240 от 20.04.2009, МПК E04C 1/40.

3. Патент РФ №2075384 от 20.03.97, МКИ 6 B27K 9/00.

4. Патент РФ №2152966 от 20.07.2000, МКИ 7 C08L 97/02, B27K 9/00, B27N 3/04, В27N 3/18.

Способ получения изоляционных композитных плит без добавления связующего из гидролизованного лигноцеллюлозного материала, выбранного из группы: щепа березы, щепа лиственницы, опилки сосны и термически необработанных частиц коры сосны или коры березы в виде частиц наружного покровного слоя, пробковой ткани, луба, отличающийся тем, что, с целью уменьшения теплопроводности плиты, волокнистую пресс-массу перед горячим прессованием получают смешением гидролизованного лигноцеллюлозного материала и необработанных частиц коры, взятых в количестве 30-70% общего количества пресс-массы:параметры прессования:температура 120÷140°С;давление 50 кг/см²;продолжительность 1 мин/1 мм толщины плиты.