Пресс-композиция для изготовления композиционных материалов с повышенными эксплуатационными показателями
Изобретение относится к производству древесных прессовочных масс исключительно на основе частиц растительного происхождения, в частности к пресс-композиции для изготовления композиционных материалов. Описывается пресс-композиция, содержащая частицы лигноцеллюлозного материала, имеющие в своем составе целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы, свободные сахара, полученные из углеводной части растительного материала при его обработке паром, отличающаяся тем, что перед обработкой паром лигноцеллюлозный материал при комнатной температуре подвергается замачиванию чистой водой в течение 20-120 минут, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. лигноцеллюлозного материала. Технический результат - предварительное замачивание позволяет снизить температуру и продолжительность обработки паром, что приводит к сокращению энергетических затрат и увеличению производительности. 1 табл.
Использование: изобретение относится к производству прессовочных масс из частиц растительного происхождения (измельченная древесина, костра льна) и может быть использовано для изготовления изделий без всяких добавок синтетических связующих веществ. Изделия могут быть использованы в качестве конструкционных, отделочных материалов при производстве мебели и в строительстве. С целью создания нетоксичных композиционных материалов предлагается пресс-композиция из предварительно увлажненных лигноцеллюлозных частиц, содержащих природные гемицеллюлозы, не требующая дополнительного введения связующих веществ при изготовлении композиционных материалов на ее основе.
Сущность изобретения: способ включает замачивание лигноцеллюлозного сырья холодной водой, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. сырья, в течение 20÷120 минут и обработку подготовленного таким образом материала паром под давлением при температуре 170÷200°С в течение 5÷15 минут, достаточных для разложения и гидролиза гемицеллюлозы на свободные сахара и другие продукты. Пропаренные древесные частицы при снятии давления взрывным способом либо постепенным сбросом превращаются в разволокненную древесную массу, которая для последующей переработки в композиционный материал высушивается до влажности не более 10%. Древесно-волокнистую массу после высушивания формуют и проводят холодную подпрессовку. Горячее прессование осуществляют при 120÷150°С без добавления связующих веществ. Предлагаемое изобретение позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся высокими прочностными свойствами, гидрофобными показателями и стабильностью размеров.
Описание изобретения
Изобретение относится к производству древесных прессовочных масс исключительно на основе частиц растительного происхождения, в частности к пресс-композиции и способу ее получения для изготовления композиционных материалов на ее основе.
Изобретение может быть использовано при подготовке исходного сырья для изготовления изделий конструкционного, отделочного и другого назначения в мебельной и строительной сферах.
Известны композиции на основе частиц растительного происхождения. В большей части они состоят из двух частей: древесного наполнителя и полимерного связующего. В качестве полимерных связующих веществ 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).
Из известных технических решений одним из близких 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 кислотным катализатором и паром [Патент РФ N 2075384, кл. В 27 N 9/11, БИ 8, 1997, с.145].
Композитный материал получают горячим прессованием лигноцеллюлозного материала, обработанного паром при температуре 190÷260°С, с кислотным катализатором либо без него, без дополнительного введения каких-либо связующих веществ. Причем перед обработкой паром влажность исходного материала не превышает 10%, а при использовании катализатора - 49% (по примерам). Температура прессования лежит в диапазоне 160÷250°С.
Недостатком описанной композиции и способа ее получения является то, что используется катализатор и выбраны слишком жесткие режимы паровой обработки и прессования. Причина в том, что предлагаемый способ получения композитных материалов из частиц лигноцеллюлозного материала состоит из двух основных этапов: гидролиза гемицеллюлозной части исходного сырья и термоотверждения полученных продуктов в процессе горячего формования. Катализатор, в качестве которого предлагается использовать кислоту (пример с использованием серной кислоты), сыграв позитивную роль в процессе гидролиза, сохраняется в обработанной массе и оказывает отрицательное деструктирующее воздействие на компоненты древесной массы как при прессовании, так и при последующем использовании изделий. Жесткие режимы паровой обработки и прессования приводят к увеличению энергетических затрат и интенсификации термодеструкции структурных компонентов лигноцеллюлозного комплекса.
Наиболее близкой по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению является пресс-композиция, предложенная на основе частиц лигноцеллюлозного материала, содержащая свободные сахара, а также способ ее получения, обеспечивающий композиции заданные свойства и возможности их варьирования в требуемых пределах, и способ получения композиционного материала с высокими физико-механическими показателями на основе предлагаемой пресс-композиции [Патент РФ N 2152966, кл. В 27 N 3/04].
Композитный материал получают горячим прессованием (без дополнительного введения каких-либо связующих веществ) лигноцеллюлозного материала, обработанного саморазлагающимся гидролизующим агентом и паром при температуре 170÷200°С. Гидролизующий агент, в качестве которого предлагается использовать раствор пероксида водорода, на первом этапе ускоряет реакции гидролиза полисахаридов, разлагаясь при этом на простые нейтральные вещества (кислород и воду), и не оказывает деструктирующего действия на древесное волокно при горячем прессовании и эксплуатации.
Недостатком описанного способа (прототипа) является использование гидролизующего агента в принципе и перекиси водорода в частности для достижения требуемых качественных характеристик композитов. Предлагаемое в качестве гидролизующего агента вещество представляет собой дорогой и весьма агрессивный материал с большой реакционной способностью. Практическое внедрение предложенного способа представляется затруднительным, так как применение гидроперекиси в больших количествах неизбежно приведет к существенному увеличению себестоимости композиционных материалов, что обусловлено, в частности, необходимостью обеспечить особые условия хранения и обращения с этим веществом, применения более устойчивых к агрессивной среде конструкционных материалов.
Осуществление заявляемого нами изобретения достигается тем, что в способе получения пресс-композиции согласно изобретению исходный лигноцеллюлозный материал в виде технологической щепы, опилок или костры подвергается предобработке путем замачивания чистой холодной водой. Затем лигноцеллюлозный материал гидролизуется паром под давлением при повышенной температуре, обеспечивая при этом необходимую степень разволокнения одревесневших частиц и глубокий гидролиз гемицеллюлоз до свободных сахаров.
Заявляемый качественный и количественный состав, обработка лигноцеллюлозного материала холодной водой с последующей обработкой материала перегретым паром под давлением обеспечивают, согласно способу, достаточное разволокнение лигноцеллюлозного материала при минимальной термодеструкции биополимеров растительного сырья с одновременным смягчением режимов паровой обработки, что позволяет изготавливать композитные материалы с хорошими прочностными и гидрофобными показателями при давлении прессования 4÷5 МПа и температуре прессования не выше 150°С.
Использование чистой холодной воды для замачивания лигноцеллюлозного сырья перед паровой обработкой позволяет применять более мягкие режимы баротермической обработки без снижения качественных показателей готовых композитных материалов, что обусловлено протеканием более глубоких гидролитических процессов при гидролизе предварительно увлажненного сырья.
Предобработка путем пропитки чистой водой вызывает более глубокое проникновение молекул воды внутрь пустот в материале, ранее заполненных только воздухом. Это делает прогрев более быстрым и равномерным из-за лучшей теплопроводности воды по сравнению с теплопроводностью воздуха.
Пропитка лигноцеллюлозного сырья водой вызывает его набухание, что ведет к изменению геометрических размеров лигноцеллюлозных частиц (особенно поперек волокон), увеличению диаметра микропор и внутренней поверхности материала. Все это облегчает проникновение водного пара, являющегося гидролизующим веществом внутрь обрабатываемого материала.
Предобработанный согласно изобретению лигноцеллюлозный материал подвергается на паровой стадии более глубокому и интенсивному гидролизу, что следует считать эквивалентным увеличению продолжительности либо температуры парового гидролиза предварительно неувлажненного лигноцеллюлозного материала.
При паровой обработке увлажненного сырья происходит разрушение его частиц на более мелкие фрагменты, обладающие большей дисперсной однородностью. Последующее горячее прессование такой однородной массы приводит к увеличению плотности и прочности композита. Большее число химических связей делает систему жестче, увеличивая модуль упругости и прочность материала.
Количество воды для предварительного замачивания сырья должно составлять 1 мас.ч. на 1 мас.ч. лигноцеллюлозного материала. Такое соотношение является необходимым и достаточным для равномерного пропитывания лигноцеллюлозного материала по всему объему в течение 20-120 минут с достижением значительного разбухания лигноцеллюлозной массы, необходимого для увеличения доступности объема вещества последующему термовлажностному воздействию. При этом вся вода впитывается в лигноцеллюлозный материал без остатка. Использование меньшего количества воды не позволяет достигнуть равномерного пропитывания всего объема материала за обозначенный промежуток времени и требует гораздо более длительного времени замачивания, что в практическом применении следует считать нецелесообразным. Использование же количеств воды, больших заявляемого, приводит к избыточному переувлажнению, когда лишь часть используемой воды впитывается в лигноцеллюлозный материал, что неизбежно приводит к излишним энергозатратам в процессе последующего нагрева смеси до температуры 170÷200°С, обеспечивающей возможность проведения процесса парового гидролиза.
Использование стадии предварительного увлажнения в целом позволяет снизить температуру и продолжительность последующей тепловой гидролитической обработки, что приводит к сокращению энергетических затрат и увеличению производительности.
Примеры получения пресс-композиции
Пример 1. В кристаллизатор помещают 100 г воздушно-сухой (влагосодержание 8%) технологической щепы березы (размером частиц 1÷5 см). Содержание основных компонентов в древесине березы составляет: лигнин - 20,0%, целлюлоза - 49,2%, гемицеллюлозы - 21,8%.
На древесину наносят дистиллированную воду комнатной температуры в количестве 100 мл. Древесную щепу с водой выдерживают при комнатной температуре два часа для равномерной пропитки всей древесины.
Последующую обработку образца паром проводят следующим образом. Образец загружают в предварительно нагретый до 190°С реактор, конструкция которого позволяет нагревать материал паром до заданной температуры. В процессе паровой обработки в реакторе поддерживают постоянное давление (1,25 МПа) и температуру. Через 10 минут после начала обработки производят декомпрессию реактора взрывным способом (за время не более 1,0 с), в результате которой обработанный лигноцеллюлозный материал вместе с паром перемещается в приемный циклон.
Композитный материал из полученной волокнистой массы после ее высушивания до влагосодержания 7% изготавливался методом горячего прессования под давлением в разборной пресс-форме. После формования проводилась холодная подпрессовка при 1÷2 МПа, а затем осуществлялось горячее прессование при 140°С при удельном давлении 4 МПа в течение 1 мин/мм готовой плиты. После этого полученное изделие охлаждали до 40°С в течение 15 минут при постепенном снятии давления до нуля.
Для сравнения, тот же лигноцеллюлозный материал был обработан при той же температуре пара в течение того же промежутка времени, но без стадии предварительного двухчасового замачивания холодной водой перед паровой обработкой. Его влагосодержание перед загрузкой в паровой реактор составляло 8%. Условия прессования были те же.
Композитный материал, отпрессованный из пресс-композиции, полученной по данному примеру (при замачивании водой лигноцеллюлозного материала перед обработкой паром), имеет следующие характеристики:
плотность, кг/м3 - 1234;
предел прочности при статическом изгибе, МПа - 37,9;
водопоглощение за 24 часа, % - 13,3;
разбухание за 24 часа, % - 12,7.
Сравнительные характеристики композитного материала, отпрессованного из пресс-композиции, полученной из лигноцеллюлозного материала, влажность которого перед обработкой паром составляла 8%:
плотность, кг/м3 - 1113;
предел прочности при статическом изгибе, МПа - 23,6;
водопоглощение за 24 часа, % - 26,3;
разбухание за 24 часа, % - 21,1.
В таблице приведены примеры получения пресс-композиции с использованием стадии предварительного замачивания лигноцеллюлозного материала чистой холодной водой перед паровой обработкой согласно изобретению с указанием условий обработки и прессования, а также физико-механических показателей полученных материалов. Для сравнения показаны характеристики готовых материалов, изготовленных из пресс-композиции, полученной паровой обработкой воздушно-сухого лигноцеллюлозного материала, влажность которого перед обработкой паром была не более 8%.
| Таблица Влияние условий паровой обработки и предварительного увлажнения лигноцеллюлозного сырья на свойства композитов | ||||||||
| пример№ | ЛЦМ | продолжительность замачивания, мин | условия паровой обработки | свойства материала, полученного с предварительным замачиванием и без него | ||||
| Т, °С | продолжительность, мин | плотность, кг/м3 | предел прочности при изгибе, МПа | водопоглощение за 24 часа, % | разбухание за 24 часа, % | |||
| 2 | береза* | 120 | 170 | 5 | 694 (646**) | 1,1 (0,0) | - | - |
| 3 | береза* | 120 | 170 | 10 | 878 (796) | 9,7 (7,1) | - | - |
| 4 | береза* | 120 | 180 | 5 | 839 (751) | 5,4 (3,6) | - | - |
| 5 | береза* | 120 | 180 | 10 | 991 (920) | 17,7 (13,1) | 58,9 (83,4) | 35,0 (56,2) |
| 6 | береза* | 120 | 190 | 5 | 1024 (979) | 17,8 (13,7) | 75,1 (96,4) | 72,0 (92,5) |
| 7 | береза* | 20 | 190 | 15 | 1146 (1136) | 33,7 (32,8) | 21,6 (22,0) | 19,4 (20,2) |
| 8 | береза* | 50 | 190 | 15 | 1161 (1136) | 35,2 (32,8) | 19,4 (22,0) | 19,0 (20,2) |
| 9 | береза* | 80 | 190 | 15 | 1183 (1136) | 39,4 (32,8) | 15,1 (22,0) | 17,5 (20,2) |
| 10 | береза* | 100 | 190 | 15 | 1190 (1136) | 41,3 (32,8) | 14,5 (22,0) | 15,1 (20,2) |
| 11 | береза* | 120 | 190 | 15 | 1194 (1136) | 41,3 (32,8) | 14,4 (22,0) | 15,3 (20,2) |
| 12 | береза* | 120 | 200 | 15 | 1367 (1286) | 38,4 (31,75) | 11,7 (14,5) | 9,2 (11,3) |
| 13 | костра льна | 120 | 170 | 10 | 933 (805) | 9,4 (7,2) | 148,1 (-) | 109,7 (135,7) |
| 14 | костра льна | 120 | 180 | 10 | 962 (829) | 11,2 (8,3) | 136,5 (188,1) | 102,0 (114,8) |
| 15 | костра льна | 30 | 190 | 10 | 1002 (988) | 18,7 (16,9) | 85,3 (101,2) | 60,4 (62,9) |
| 16 | костра льна | 80 | 190 | 10 | 1044 (988) | 19,9 (16,9) | 69,8 (101,2) | 42,0 (62,9) |
| 17 | костра льна | 120 | 190 | 10 | 1067 (988) | 21,8 (16,9) | 68,4 (101,2) | 35,6 (62,9) |
| 18 | костра льна | 120 | 190 | 15 | 1150 (1085) | 22,4 (16,6) | 29,4 (37,5) | 21,3 (34,2) |
| Условия прессования: температура - 140°С, давление - 4 МПа, влажность пресс-композиции - 7%, продолжительность прессования - 1 мин./мм готовой плиты. Примечание (*): технологическая щепа по ГОСТ 15815-83. Примечание (**): в круглых скобках приведены результаты испытаний для материалов, полученных при аналогичных условиях, но из сырья, не подвергнутого предварительному замачиванию водой. |
Пресс-композиция, содержащая частицы лигноцеллюлозного материала, имеющие в своем составе целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы, свободные сахара, полученные из углеводной части растительного материала при его обработке паром, отличающаяся тем, что перед обработкой паром лигноцеллюлозный материал при комнатной температуре подвергается замачиванию чистой водой в течение 20-120 мин, взятой в количестве 1 мас.ч./1 мас.ч. лигноцеллюлозного материала.
