Улучшение физико-механических свойств древесно-соломенных плит модификацией соломенных частиц
Постановка задачи
Во многих странах мира для изготовления стружечных плит традиционным сырьем
была и остается древесина. Скорость глобальной вырубки лесов и ее влияние
на окружающую среду вынуждает производителей таких плит вести поиск альтернативного
сырья. В основном это лигноцеллюлозное сырье сельскохозяйственного производства,
в частности, солома.
Отличительная особенность соломы всех культур — высокое содержание целлюлозы.
Средняя рыночная цена соломы в несколько раз меньше, чем древесины [1].
Меньшие средства могут быть использованы на дробильное и сушильное оборудование
[2, 3]. За последние годы во многих странах злаковая солома стала главным
недревесным сырьем, которое используют для изготовления древесных плит.
В США, после багассы, злаковую солому считают вторым самым пригодным сельскохозяйственным
волокном для изготовления древесных композитов [4].
Однако одним из факторов, который препятствует использованию соломы как
сырья для производства древесных плит, является наличие воска с достаточно
сложным химическим составом, который в соломе не распылен во всей ее массе,
как это имеет место в древесине, а находится практически полностью на
поверхности стебля. Образование такого антиадгезионного слоя на поверхности
частиц соломы препятствует смачиванию поверхности частиц и ухудшает склеивание
[5].
Обычные карбамидоформальдегидные клеи не позволяют получать из соломы
стружечные плиты с необходимыми свойствами. Частичная замена древесины
соломой в плитах, склеенных карбамидоформальдегидным клеем, драматически
ухудшает их основные свойства [6].
Однако привлекательность соломенного сырья вынуждает искать пути, которые
позволили бы применять его в производстве стружечных плит.
Небольшой процент (до 10%) соломенных частиц в смеси с древесными хотя
и ухудшает физико-механические показатели древесно-соломенных плит, однако
позволяет получать плиты, которые отвечают требованиям стандарта [7].
Можно достичь удовлетворительного качества склеивания и при применении
модифицированных карбамидоформальдегидных клеев [8]. Изоцианатные клеи
— самые эффективные для изготовления соломенных плит [9]. Однако через
дороговизну этих клеев, исследования, направленные на улучшение адгезии
соломы со смолами, которые были бы дешевле за изоцианатные, продолжаются
[5].
Предложены разные методы химической обработки поверхности частиц соломы.
Известен способ получения плит из растительного сырья, который включает
модификацию растительного сырья аммиаком, которое перед этим обрабатывается
водяным паром при температуре 140-250°С, со следующим формированием и
горячим прессованием [10]. Недостатком этого способа является сложность
технологии и токсичность аммиака.
Следовательно, вопрос использования соломенных частиц в производстве стружечных
плит является открытым и требует дополнительных исследований. Поэтому
целью данного исследования являлось улучшение физико-механических свойств
древесно-соломенных плит путем модификации соломенных частиц.
Экспериментальная часть
Древесное сырье и солома отдельно измельчались для получения древесных
и соломенных частиц. Древесные частицы подавались на операцию сушки, а
соломенные частицы подвергались на протяжении 45 мин. одной из дополнительных
технологических операций:
После такой обработки соломенные частицы подсушивались до влажности 3-6%. Потом древесные частицы перемешивались с соломенными. Массовое соотношение между древесными и соломенными частицами составляло 60:40. Приготовленная смесь древесно-соломенных частиц смешивалась с клеем на основе карбамидоформальдегидной смолы. Содержание клея в плите составляло 14% от массы абсолютно сухих частиц. В качестве отвердителя использовался хлористый аммоний в виде водного раствора концентрацией 20% в количестве 1%.
После смешивания с клеем формировался однослойный стружечный ковер. Сформированный ковер подпрессовывался и подавался на операцию прессования плит. Прессование однослойных плит плотностью 650 кг/м3, толщиной 16 мм осуществлялось при таких режимных параметрах: давление — 2,2 МПа, температура — 170°С, длительность — 0,38 мин/мм (6,14 мин.). Влажность готовых плит составляла 8%.
Для сравнения при аналогичных параметрах прессования изготовлялись древесно-соломенные плиты, в которых соломенные частицы не поддавались дополнительной обработке.
Таблица. Сравнительные данные физико-механических показателей древесно-соломенных
плит
Результаты исследований
Анализ влияния модификации частиц на свойства плит осуществлялся за
следующими параметрами плит: прочность при статическом изгибе, прочность
при растяжении перпендикулярно к пласти плиты, водопоглощение и набухание.
Для контрольных плит отмеченные параметры были приняты за 1,0. Сравнительные
данные физико-механических показателей древесно-соломенных плит приведены
в таблице.
Из результатов, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что использование
модифицированных соломенных частиц в композиции стружечных плит во всех
случаях позволяет значительно улучшить их физико-механические свойства,
по сравнению с древесно-соломенными плитами, изготовленными из необработанных
соломенных частиц.
В частности, использование соломенных частиц, предварительно обработанных
9%-ным раствором уксусной кислоты, позволило повысить прочность при
статическом изгибе таких плит на 136%, прочность при растяжении перпендикулярно
к пласти плиты на 100%, уменьшить водопоглощение и набухание соответственно
на 9% и 43%.
Использование соломенных частиц, предварительно прокипяченных в мыльном
растворе, позволяет повысить прочность при статическом изгибе таких
плит на 131%, прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты
на 186%, уменьшить водопоглощение и набухание соответственно на 8% и
35%.
Использование соломенных частиц, предварительно обработанных пропариванием
или кипячением в воде, также позволило значительно улучшить физико-механические
свойства древесно-соломенных плит. В частности, прочность при статическом
изгибе повышается на 50% и 80%, прочность при растяжении перпендикулярно
к пласти плиты повышается на 43% и 71%, водопоглощение уменьшается на
12% и 6%, набухание уменьшается на 25% и 33%, соответственно для пропаренных
и прокипяченных в воде соломенных частиц.
Сравнивая разные способы модификации, необходимо отметить наилучшие
показатели относительно предела прочности при статическом изгибе, водопоглощения
и набухания получены при обработке соломенных частиц вымачиванием в
9%-ном растворе уксусной кислоты. Кипячение соломенных частиц в мыльном
растворе обусловило наибольший рост предела прочности при растяжении
перпендикулярно к пласти плиты.
Судя за результатами исследований, модификация соломенных частиц позволяет
удалять восковые вещества, что способствует лучшему смачиванию поверхности
частиц клеем и улучшает склеивание. А это, в свою очередь, улучшает
физико-механические свойства древесно-соломенных плит.
Резюме
Приведены результаты экспериментальных исследований по улучшению физико-механических
свойств древесно-соломенных плит путем модификации соломенных частиц
вымачиванием в 9-ном растворе уксусной кислоты, кипячением в воде и
мыльном растворе, а также пропариванием. Наилучшие показатели физико-механических
свойств древесно-соломенных плит достигаются в случае модифицирования
соломенных частиц 9%-ным раствором уксусной кислоты.
Литература
1. Markessini E., Roffael E., Rigal L. Panels from annual plant fibers
bonded with urea-formaldehyde resins. In: Proceedings 31th International
Particleboard/Composite Materials Symposium, Pullman. 1997. — P. 147-160.
2. Dalen H., Shorma T. The manufacture of particleboard from wheat straw.
In: Proceedings of the 30th Washington State University International
Particleboard Composite/Materials Symposium. Pullman, Washington, 1996.
— P. 191-196.
3. Heslop G. Compak: Ten Years of Experience with Commercial Straw Particleboard
Production. In: Proceedings of the 31th Washington State University
International Particleboard Composite/Materials Svmposium. Pullman,
Washington. 1997. — P. 109-113.
4. Rowell R.M., Young R.A., Rowell J.K. Paper and Composites from Agro-Based
Resources. CRC Lewis Publishers, Boca Raton, New York, Tokyo, 1997,
в 464 г.
5. Pease D.A. Resin advances support strawboard development. Wood Technology.
1998, No.3, p.32-34.
6. Grigoriou A. Straw-wood composites bonded with various adhesive systems.
Wood Science and Technology, 2000, 34: 355-365.
7. Патент на полезную модель №21438, Украина, МПК В27 N 3/00. Способ
изготовления стружечных плит с использованием соломы / Бехта П.А., Салабай
Р.Г. — Опубл.15.03.2007, Бюл.№3
8. Rexen F. Stroh als Rohstoffimaterial fьr Spanplatten. Holz Zentralbl.
1975, 101, Nr.34: 471-472.
9. Heller W. Die Herstellung von Spanplatten aus unkonventionellen Rohstoffen.
Holz als Roll- und Werkstoff, 1980, 38: 393-396.
10. А.с. СССР № 656868. Способ получения плит из растительного сырья
/ Клуге З.Э., Лиедоетерис У.Я., Зиединьш И.О. и др. Заявл. 10.06.75,
Опубл. 15.04.79, Бюл. №14.
Бехта П.А., Козак Р.О., Салабай Р.Г. (НЛТУ
Украины, г. Львов, Украина)
По материалам доклада на V Международном евразийском симпозиуме
«Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века» г.
Екатеринбург, РФ, сентябрь 2010 г.
