Композиционные материалы на основе отходов переработки однолетних растений

Аннотация: Приведены результаты оценки возможности использования однолетних растений в производстве древесноволокнистых плит.

Доля сырья в виде отходов переработки однолетних растений в производстве композиционных материалов неуклонно растет. В общемировом потреблении  растительного сырья доля сырья из однолетних растений достигла 6,2 %. Этот объем используемого сырья из однолетних растений составляет незначительную часть от потенциально доступных сырьевых ресурсов.

Наибольшее применение сырья из однолетних растений получило в  Китае, Индии и в Пакистане. На эти страны приходится до 80 % мирового производства продукции из однолетних растений.

В этих странах наряду с промышленными волокнистыми однолетними растениями широко используются отходы сельского хозяйства в виде соломы злаковых культур, тростника, бамбука и разнообразные отходы переработки однолетних растений.

 В современных условиях солома злаковых культур рассматривается как полезнейший побочный продукт агропромышленного комплекса: прежде всего как корм и топливо, а также сырье для производства бумаги и картона, затем – как сырье для строительных материалов. Кроме того, целесообразно использование соломы в качестве сырья для производства спирта, ацетона, метана, целлюлозы и др. [1].

По своим свойствам недревесные однолетние растения как волокнистое сырье значительно уступают древесине. Наиболее ценными для целлюлозного производства и изготовления композиционных материалов являются лубяные волокна однолетних растений, напоминающие по своей форме и размерам волокна лиственной древесины. Средняя длина лубяных волокон соломы злаковых культур (пшеницы, ячменя, овса, ржи, риса и др.) составляет 1,5 мм, среднее отношение длины к ширине – 100.

Россия как земледельческий район, производящий рожь, пшеницу, ячмень, овес, согласно статистических данных, ежегодно дает от 16 до 24 млн тонн соломы, из которой не более 0,2 % используется как промышленное сырье.

Особенностью химического состава недревесных растений (злаковых культур) является повышенное содержание водорастворимых веществ. В остальном, по другим основным компонентам – целлюлозе, лигнину, пентозанам и легкогидролизуемым полисахаридам – однолетние растения наиболее близки к лиственным породам древесины, у этих растений лубяная часть стебля  в основном состоит из целлюлозы (до 50 %), лигнина (до 27 %) и пентозанов (до 23 %).

Работы, ранее проведенные на кафедре, были направлены на разработку технологий, позволяющих расширить область использования технических и злаковых однолетних растений [2, 3]. В современных условиях при разработке технологий необходим комплексный подход, позволяющий вовлечь в производство композиционных материалов новые виды сырьевых ресурсов. Последние работы были посвящены изучению возможности использования частиц, полученных из соломы пшеницы в производстве волокнистых плит мокрого способа производства.

Получение измельченных частиц из соломы проводилось в два этапа. На первом этапе из соломы была получена сечка длиной 25-50 мм, из которой после гидротермообработки методом размола получена смесь частиц различного вида. В составе полученной при размоле массы существенную часть составляли волокноподобные частицы.

Проведена оценка свойств массы полученной при размоле, результаты представлены в табл. 1.

 Таблица 1

Показатели массы полученной из соломы

Размер частиц определялся с использованием измерительного микроскопа. Результаты, отображающие распределение размеров частиц по длине и ширине (толщине), представлены в табл. 2 и 3.

 Таблица 2

Распределение размеров частиц по длине

 Таблица 3

Распределение размеров частиц по ширине

Масса, полученная при размоле соломы, характеризуется следующими параметрами:

• в массе большая часть частиц имеет небольшую длину и толщину;
• достаточно много частиц (до 10 %) имеют форму плоской частицы, для которой характерна большая ширина при относительно небольшой длине;
• более 80 % частиц в массе имеют длину, не превышающую 6 мм.

 

Рис. 1. Фотография массы из соломы

При обезвоживании массы в ходе отлива ковра время обезвоживания составляет 112 секунд и при этом полученный ковер имеет низкую формоустойчивость, что делает невозможным проведение отжима ковра в холодном прессе. Сформированный на отливной машине ковер при отжиме в холодном прессе теряет форму и практически начинает течь под давлением, что можно объяснить недостаточным количеством волокнистых частиц в массе.

Вероятно, масса, полученная из соломы, может быть использована при изготовлении волокнистых плит мокрым способом в составе композиции совместно с древесноволокнистой массой из хвойной древесины (рис. 2). Для проверки этого предположения были изготовлены плиты с содержанием массы из соломы 0, 25 и 50 % от массы древесноволокнистой массы. Также оценивалось влияние плотности на качество получаемых плитных материалов. Изготавливались плиты с расчетной плотностью 800, 900 и 1000 кг/м³ .

 

Рис. 2. Фотография массы состоящей из смеси древесных волокон и частиц из соломы

Горячее прессование плит проводилось по стандартной диаграмме прессования при температуре 190 °С, общая продолжительность прессования 7,5 минут.

Для полученных волокнистых плит проведена оценка физико-механических характеристик – плотности, прочности на изгиб и водопоглощения лицевой поверхностью. Результаты представлены на рис. 3 и 4.

 

Рис. 3. Зависимость предела прочности при изгибе ДВП от содержания в составе плит частиц, полученных из соломы, и плотности плит

 

Рис. 4. Зависимость водопоглощения лицевой поверхностью ДВП от содержания в составе плит частиц, полученных из соломы, и плотности плит

Полученные результаты позволяют сделать заключение о возможности использования материала, полученного из соломы, в виде добавки к древесному волокну при получении плит по традиционной технологии мокрого способа производства. Рационально использовать материал, полученный из соломы, в количестве 10-20 % от массы древесного волокна. Увеличение содержания массы из соломы в композиции приводит к снижению плотности получаемых плит и их прочности, кроме того существенно повышается водопоглощение лицевой поверхностью получаемых плит. При использовании в составе плит упрочняющих добавок (фенольные смолы) и гидрофобизирующих веществ можно существенно повысить прочностные показатели и водостойкость плитных материалов, изготовленных с использованием массы, полученной из соломы.

На следующем этапе работы были получены лабораторные образцы плитных материалов на основе комбинированной массы, в состав которой были включены проклеивающие компоненты (фенолоформальдегидная смола и парафиновая эмульсия). Результаты оценки физико-механических характеристик лабораторных образцов ДВП представлены в табл. 4.

 Таблица 4

Физико-механические показатели ДВП, изготовленных с использованием композиции древесного волокна, и материала, изготовленного из соломы и проклеивающих составов

Полученные результаты позволяют сделать заключение о возможности использования данного материала (полученного из соломы) в виде добавки к древесному волокну при получении ДВП по традиционной технологии мокрого способа производства.

Желательно при изготовлении ДВП использовать волокноподобные частицы, выделенные из массы, полученной из соломы. Для этого необходимо изменить схему изготовления волокнистой массы из соломы. Можно использовать способ, предусматривающий перед размолом соломы специальную подготовку, которая должна включать операции, позволяющие очистить перерабатываемое сырье от нежелательных примесей, в виде оболочки стебля однолетнего растения. Это позволит увеличить выход волокноподобных частиц и повысить качество массы получаемой при размоле.

Список литературы
1. Стейнифорт А. Р. Солома злаковых культур. Пер. с англ. Г. Н. Мирошниченко. – М.: Колос, 1983. – С. 77-178.
2. Тришин С. П., Никитин А. А., Федоткин А. А. Использование отходов льноволоконного производства в производстве древесноволокнистых плит. Технология и оборудование для переработки древесины / Науч. тр. – Вып. 324. – М.:  МГУЛ, 2003. Табл. 2, С. 152-154.
3. Никитин А. А. Использование однолетних растений для производства композиционных материалов. Состояние и перспективы развития производства древесных плит / 21-я Международная научно-практическая конференция. Сборник докладов. – Балабаново, 2018. – С. 97-104.
4. ГОСТ 4598-86 Плиты древесноволокнистые мокрого способа производства. Технические условия

 Материал поступил в редакцию 05.02.2019
© Никитин А. А., Цветков В. Е., Шабохин Н. А., Губина Е. А., 2019