СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА/ 4.Современные строительные материалы.

К.техн.н. Скурыдин Ю.Г.

Алтайская государственная педагогическая академия, Россия,

к.техн.н. Скурыдина Е.М.

Алтайская государственная педагогическая академия, Россия,

д.техн.н. Старцев О.В.

Всероссийский институт авиационных материалов, Россия

Технология влагостойких композитных плит из растительных отходов без использования связующих веществ

Накопление отходов производства и потребления приводит к необходимости поиска рациональных технологий их утилизации. Одним из направлений использования крупнотоннажных отходов, в том числе растительного происхождения, является получение на их основе конструкционных материалов для строительства и производства мебели. Известна технология получения композиционных материалов из растительных отходов без применения связующих веществ [1,2], основанная на использовании баротермической обработки (автогидролиза) древесного сырья. В результате водно-тепловой обработки в растительной ткани происходят изменения, сопровождающиеся деструкцией лигнина и гемицеллюлоз с образованием активных компонентов. Последующее горячее прессование гидролизованной древесной массы сопровождается реакцией поликонденсации с образованием прочных полимерных связей [3]. Получаемый при горячем прессовании композиционный материал обладает приемлемыми физико-механическими свойствами и может быть использован в качестве аналога традиционных древесностружечных и древесноволокнистых плит в строительстве и при производстве мебели [4].

Существенным недостатком известных композиционных материалов на основе частиц растительного происхождения являются их относительно невысокие эксплуатационные показатели – прежде всего прочность, ударная вязкость и водостойкость. В ряде случаев это накладывает существенные ограничения на область применения данных материалов, либо вынуждает использовать дополнительные защитные покрытия и армирующие добавки.

Перспективным направлением совершенствования технологии композиционных материалов без применения связующих является придание им особых свойств, расширяющих диапазон использования. При этом одной из наиболее значимых задач остается поиск технологических решений, увеличивающих влагостойкость материала, так как данный показатель нередко определяет принципиальную возможность применения конструкционных материалов в тех или иных условиях эксплуатации.

Для получения композиционных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами использовались гидролизованные лигноцеллюлозные частицы с добавлением защитных и армирующих компонентов. Композиционный материал получали без каких-либо связующих веществ горячим прессованием древесной волокнистой массы, полученной после взрывного автогидролиза опилок сосны, проведенного при температуре 443 ÷ 533 К.

В настоящей работе представлены результаты изучения физико-механических свойств композиционных материалов, полученных с добавлением к гидролизованной древесной массе мелкоразмерных частиц (стружки) полиэтилена в количестве от 0.5% до 20%. Предполагалось, что введение полимерной стружки приведет к улучшению гидрофобных показателей.

Для получения прессовочной древесно-полимерной массы, воздушно-сухая гидролизованная древесина равномерно перемешивалась со стружкой в различных массовых соотношениях. Горячее прессование композитного материала осуществлялось по стандартной методике, подробно описанной в [5].

Очевидно, что в процессе горячего прессования при температуре, превышающей температуру размягчения полиэтилена (396 К), происходит проникновение («впитывание») расплавленного полиэтилена в прилегающие частицы волокнистой массы. Обеспечивается прочная адгезия фрагментов древесины с полимером после охлаждения смеси до температуры ниже 373 К. При этом сохраняются гидрофобные качества полиэтилена, частично передаваемые теперь всему объему композиционного материала. Сохраняются также и прочные химико-механические связи слоев, содержащих полиэтилен, и слоев композитного материала, полиэтилен не содержащих.

Сравнительные характеристики традиционных древесно-композитных плитных материалов и композиционного материала, полученного по описываемой технологии, показаны в Таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики композиционных материалов, получаемых из гидролизованной древесины сосны без использования связующих веществ и традиционных древесных композиционных материалов

Показатель	ДВП (твердые, сухого способа изготовления)	ДВП (сверхтвер-дые, мокрого способа изготовления)	ДСП	Композит, из гидролизованной древесины без ПЭ*	Композит из гидролизованной древесины с частицами ПЭ
Предел прочности при изгибе, МПа	20..27	40..45	20..26	22..34	33..37
Плотность, кг/м^3	750..850	900..980	740..810	1220..1340	1330..1340
Водопогло-щение за 24 часа, %	28..35	18..26	50..61	8..11	5..7
Набухание по толщине за 24 часа, %	19..25	11..17	22..33	6..10	5..6
Ударная вязкость, Дж/м^2	4500..5400	4500..5100	2200..2600	1845..2686	3253..3675

* – температура прессования материала 403 К, удельное давление прессования – 50 кг/см².

Зависимость набухания по толщине и водопоглощения за 24 часа от количества введенного полиэтилена (свыше 1÷2 м.ч.) описываются обратным экспоненциальным законом первого порядка (Рисунок 1). При незначительном содержании полиэтилена (до 1÷2 м.ч.) существенного влияния на гидрофобные показатели не наблюдается. Таким образом, добавление в пресс-массу небольшого количества полиэтилена (0.5÷1 м.ч. к исходному материалу) не вносит заметного изменения в гидрофобные свойства получаемого композиционного материала. Точки 1, 2 на рисунке 3 соответствует композиционному материалу, который изготовлен без добавления полиэтиленовой стружки.

Рисунок 1 – Зависимость гидрофобных свойств композиционного материала от количества использованного полиэтилена (размер частиц ~ 5 ÷ 10´ 2 мм²)

Следует предположить, что происходящее при прессовании обволакивание компонентов лигноцеллюлозной массы полиэтиленом приводит к формированию механической смеси, гораздо более защищенной от проникновения воды, чем исходный материал без полиэтилена. В сравнении с традиционными древесными композитами (ДСП и ДВП), гидрофобные характеристики вновь полученного материала улучшены в 3..12 раз. Добавление полиэтиленовой стружки приводит не только к улучшению гидрофобных показателей, но и прочностных характеристик, а также изменению ударной вязкости (Таблица 1).

Полученные экспериментальные данные показывают, что плитные композиционные материалы из гидролизованной лигноцеллюлозной массы древесины сосны с добавлением полиэтиленовой стружки характеризуются высокими физико-механическими показателями. Наилучшие гидрофобные свойства достигаются при использовании полиэтилена в количествах свыше 10 м.ч. к массе гидролизованного древесного вещества. По гидрофобным показателям древеснопластики, полученные с использованием стружки полиэтилена многократно превышают требования, предъявляемые к стандартным материалам класса «сверхтвердые», изготавливаемым на основе древесины с применением синтетических термореактивных смол.

Литература:

1. Startsev O.V., Salin B.N., Skuridin Yu.G., Utemesov R.M., Nasonov A.D. Physical properties and molecular mobility of new wood composite plastic «thermobalite» Wood Science and Technology, 1999, vol.33, №1, pp.73-78.

2. Салин Б.Н., Старцев О.В., Скурыдин Ю.Г. Пресс-композиция, способ ее получения и способ получения композиционных материалов на ее основе Патент РФ RU 2152966 C1 7C 08 L 97/02, B 27k 9/00 B 27 N ¾, 3/18 по заявке 99102827 от 15.02.1999, опубл. 2000.

3. Старцев О.В., Салин Б.Н., Скурыдин Ю.Г. Баротермической гидролиз древесины в присутствии минеральных кислот Доклады Академии наук, 2000, том 370, № 5, стр. 638-641.

4. Скурыдин Ю.Г., Скурыдина Е.М. О способе получения композитного материала из растительных отходов без связующих веществ WoodBusiness, Киев. – 2005. -№1. – С.32-35.

5. Скурыдин Ю.Г. Строение и свойства композиционных материалов, полученных из отходов древесины после взрывного гидролиза. Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук, Барнаул, 2000, 147с.