CC BY
153
УДК 674.816.2
Р. Г. Сафин, В. В. Степанов, Т. Д. Исхаков, А. А. Гайнуллина, Т. О. Степанова
НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ
ДРЕВЕСНО-КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: древесно-композиционные материалы, теплоизоляционный материал, древесно-полимерные композиты,
древесные отходы.
В статье представлен обзор современных строительных композиционных материалов на основе древесных частиц и приведены примеры наиболее крупных исследований и разработок в этой области на кафедре переработки древесных материалов КНИТУ за последние два года.
Keywords: wood and composite materials, heat-insulating material, wood and polymeric composites, wood waste.
In article the review of the modern construction composition materials on the basis of wood particles is provided and examples of the largest researches and development in this area on chair ofprocessing of wood materials KNRTU in the last two years are given.
Введение
Древесно-композиционные материалы - это композиционные изделия, которые состоят из основного древесного сырья (измельченная древесина, древесные отходы) и вспомогательных веществ: минеральные связующие, цемент, гипс, термопластичные полимеры.
Древесно-композиционные материалы впервые начали использоваться в строительстве в начале 20 века, но тогда они не находили столь широкого применения, как сейчас.
В России древесно-композиционные материалы стали активно применяться лишь с 2010-х годов, но на сегодняшний день они уже составляют серьезную конкуренцию традиционным строительным материалам. Древесно-композиционные материалы используются в качестве конструкционных (стеновые блоки и панели, несъемная опалубка), теплоизоляционных, а также отделочных изделий (вентилируемые фасады, фасадные профили, декоративно-отделочные панели для внутренней отделки помещений, напольные покрытия, половые доски). На отечественном рынке сегодня представлено множество строительных материалов на основе древесных композитов под немецкими, шведскими, канадскими, американскими торговыми марками. Этот сегмент активно осваивают и российские производители. Интерес к древесно-композиционным материалам объясняется, прежде всего, широким спектром их применения, высокими потребительскими свойствами и сравнительно невысокой стоимостью [1].
Новые исследования и технологии в этой области ориентированы на переработку древесных отходов с получением высокоэффективного, экологически чистого композиционного материала, обладающего повышенными теплофизическими показателями и прочностью, что подтверждается в результате экспериментальных исследований различных свойств полученных материалов, сравнительного анализа с традиционными строительными технологиями-конкурентами, а также анализом экономиче-
ской эффективности производства данных материалов в промышленных масштабах.
В качестве древесного наполнителя используются отходы от деятельности лесозаготавливаю-щих и деревообрабатывающих предприятий (отходы лесозаготовок, лесопиления, деревообработки), что позволяет не только снижать издержки производства, но и решать актуальную проблему вторичной переработки древесного сырья [2].
Исследования в области разработки технологии получения нового древесно-
наполненного теплоизоляционного материала на основе древесных отходов
Для теплоизоляции зданий сегодня используется огромное количество материалов, и подавляющее большинство из них принадлежит к классам минераловатных теплоизоляторов (каменная вата, стекловолокно) и газонаполненным материалом (пенополиуретан, экструдированный пенополисти-рол). И только в последние годы быстро растущую популярность завоевывают теплоизоляционные материалы, получаемые переработкой неделовой древесины - древесноволокнистая теплоизоляция, дре-весно-стружечные и цементно-стружечные плиты. Классические представители - фибролит, арболит, опилкобетон. Но с позиций современных требований они не обладают достаточными теплозащитными свойствами и уровнем гидрофобности. Кроме того, на сегодняшний день нет четких рекомендаций, каким должен быть состав, условия и технологии получения эффективных строительных материалов, производимых на основе измельченной древесины и отходов деревообработки.
В связи с этим актуальным направлением научной деятельности является разработка и модернизация технологий получения новых древесно-наполненных теплоизоляционных материалов [3].
На базе кафедры ПДМ КНИТУ разработана ресурсосберегающая технология переработки древесных отходов с получением высокоэффективного композиционного материала, обладающего высокими теплоизоляционными свойствами. Полученный
материал - дерево-пенобетон в пенополиуретановой оболочке - состоит из технологической щепы, пори-зованного минерального связующего в комплексе с полимерным покрытием. На основании этой технологии в производство внедрен комплекс по переработке древесных отходов с получением теплоизоляционного материала (рис.1).
Рис. 1 - Технологическая схема получения теплоизоляционных материалов из древесных отходов: 1 - бункер; 2,15 - секторный питатель; 3 - смеситель СГС-700; 4,7,9,11,13 - буферная емкость; 5,8,10,12 - объемный питатель; 6 - пенобетонос-меситель ПБС-1000; 14 - формы; 16 - подпрессо-вочное устройство; 17 - камера гидратации; 18 -заливочная установка НАСТ-7М; 19 - специализированная форма; 20 - питатель пенополиуре-тановой смеси
Технологический процесс получения теплоизоляционного материала состоит из стадий предварительной обработки древесного наполнителя и связующего, приготовления древесно-пенобетонной смеси, формования, гидратации древесно-пенобетонных плит и нанесения полимерной оболочки [4].
Разработаны рекомендации режимов технологических процессов получения материала. В результате экспериментальных исследований определено соотношение компонентов основы материала: технологическая щепа 38,0 - 40,0 масс.%, раствор стекла натриевого с плотностью 1,6 г/см3 3,8 - 4,0 масс.%, портландцемент М400 39,0 - 41,0 масс.%, хлорид кальция 0,34 - 0,36 масс.%, техническая пена марки ПБ2000 0,84 - 0,86 масс.%, вода 15,1 - 16,4 масс.%; соотношение компонентов оболочки композита необходимо устанавливать в диапазонах: поли-ол 54 - 56 масс.%, полиизоционат 44 - 46 масс.%.
Коэффициент теплопроводности разработанного теплоизоляционного материала на основе древесных частиц составляет 0,15 Вт/мК (средний класс по теплопроводности). Прочность теплоизоляционного материала (ТМ) составляет - от 1,2 до 1,5 МПа, при изгибе - от 0,9 до 0,7 МПа (группа твердых композитов). Величина водопоглощения за 24 часа составляет 5 %, что соответствует значению показателя полно-наполненного пенополиуретанно-го материала с закрытоячеистой структурой, поэтому при длительной эксплуатации ухудшение тепло-физических показателей не наблюдается. Полученный дерево-пенобетон отличается высокой прочностью, низкой теплопроводностью и невысокой стоимостью относительно существующих аналогичных теплоизоляционных материалов, но по показа-
телю теплопроводности уступает пенополиуретано-вым плитам. Данный показатель компенсируется более низкой стоимостью разработанного материала относительно пенополиуретановых плит (табл.1)
Таблица 1 - Относительная эффективность разработанного теплоизоляционного материала в количественном выражении
Наименование материала Коэффициент теплопроводности Цена м2 толщиной 50 мм., руб
Дерево-пенобетон в пенополиуретано -вой оболочке - 300
ППУ ниже в 2,75 раза 900
Арболит выше в 1,5 раза 200
Пенобетон выше в 1,9 раза 180
Проведенный экономический анализ подтвердил эффективность внедрения на рынок и конкурентоспособность разработанного теплоизоляционного материала. Экономическая эффективность оценена по величине теплопроводности в совокупности со стоимостью единицы продукции. Наглядно результаты анализа экономической эффективности нового теплоизоляционного материала по сравнению с конкурентами-аналогами представлен в виде диаграммы (рис.2).
Рис. 2 - Диаграмма экономической эффективности нового теплоизоляционного материала (дерево-пенобетон в оболочке пенополиуретана (ППУ)) по сравнению с ППУ, арболитом и пенобетоном
Исследования в области производства строительных материалов из древесно-полимерных композитов
Древесно-полимерные композиционные материалы - это материалы, основными составляющими которых являются измельченная древесина, ее отходы (в качестве армирующего наполнителя) и связующее вещество. В роли связующего вещества
наиболее популярны термопластичные полимеры, а именно полиэтилен (ПЭ), полипропилен (1111) и по-ливинилхлорид (ПВХ). Столь широкое применение именно этих полимеров объясняется тем, что они хорошо смешивается с органическим наполнителем, а, благодаря низкой температуре плавления, такие полимеры можно использовать без риска термического разложения древесины [6,7].
Изделия на основе древесно-полимерных композитов успешно применяются в качестве альтернативы натуральному массиву дерева в таких областях строительства, как ландшафтная архитектура (производство декинга, террасных досок), отделка интерьеров - дверных и мебельных фасадов, столешниц, подоконников, а также для производства оконных конструкций, а именно оконных профилей.
Древесно-полимерные композиты объединяют в себе лучшие качества традиционных материалов: древесины и полимеров, и при этом лишены многих их недостатков.
Анализ сравнительных исследований показывает, что ДПК обладают целым рядом преимуществ по сравнению с традиционными строительными материалами, конкурирующими в этом сегменте рынка, а именно цельным массивом дерева и древесно-стружечными плитами (табл.2).
Таблица 2 - Сравнительный анализ свойств натурального дерева, древесно-стружечных плит и древесно-полимерного композита
Показатель Натуральное дерево ДСП ДПК на основе
Вдоль волокон Поперек волок на ПЭ ПП
Способ получения природные прессование экстру-зия
Плотность кг/м3 450-850 (влажность 12 %) 550-800 980-1150
Разбухание по толщине за 24 часа, % 0,10,3 6,012,0 22,033,0 1,0 3,0 1,0 2,0
Водопо-глощение за 24 часа, % 35-60 15-30 511 3-8
Биостойкость разрушаются анаэробными бактериями, грибком, термитами, жуками древоточцами стойки к био раз-рушениям
Способность к рециклин- гу не перерабатываются вторично вторичная переработка возможна
ДПК стойки к биоразрушениям, не боятся влаги, не поддаются воздействию микроорганизмов, грибов и
плесени. Материал не разбухает и мало поглощает воду по сравнению с натуральной древесиной и ДСП, не поддается короблению и растрескиванию. В отличие от древесных плит, ДПК не содержат фе-нолформальдегидных смол и других вредных связующих. Кроме того, материал формоустойчив, долгие годы сохраняет эстетичный внешний вид.
На базе кафедры ПДМ КНИТУ смонтирована экструзионная установка, позволяющая получать высоконаполненные древесно-полимерные композиты на основе древесной муки для производства террасных досок, а также экспериментально исследовать механические свойства досок из дре-весно-полимерного композиционного материала. (рис.3).
Рис. 3 - Схема экспериментальной установки: 1 -экструдер, формирующий внутренний слой половой доски, 2 - экструдер, формирующий поверхностный слой половой доски, 3 - соэкструзи-онная головка
Поверхностный слой досок состоит из полипропилена, древесной муки, модификатора и целевых добавок. Внутренний слой изготавливают на основе вторичного термопластичного полимера, наполненного древесными опилками размером до 10 мм [9].
Технология изготовления половой доски заключается в следующем. Заполнитель для внутреннего слоя в виде древесных частиц высушивают до влажности 1%, затем смешивают с вторичным термопластичным полимером для внутреннего слоя и полипропиленом для поверхностного слоя и отправляют в загрузочное устройство экструдера. Вначале формируют внутренний слой, на него наслаивают поверхностный слой, который также формируют методом экструзии. Далее при совместном течении двух расплавов из экструдера происходит формирование половой доски из внутреннего и поверхностного слоев.
Разработанная технология продемонстрировала возможность сохранить положительный экономический эффект (невысокую себестоимость производства), не ухудшая физико-механических, эксплуатационных свойств нового покрытия - террасных досок или террасного настила на основе дре-весно-полимерного композита [9].
Наличие внутреннего слоя значительно увеличивает прочностные характеристики и уменьшает конечную стоимость изделия по сравнению с конкурирующими в этом сегменте рынка материалами. Это достигается за счет более дешевого заполнителя
в виде отходов лесопиления, деревообрабатывающей промышленности и связующего из переработки вторичного термопластичного полимера, что позволяет конкурировать с декингом западных производителей.
Литература
1. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Хайруллина Э.Р., Гайнулли-на А.А., Степанова Т.О. Современные строительные материалы на основе древесных отходов. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -Т. 17. №20. - С. 122-127.
2. Зиатдинова, Д.Ф. Анализ современного состояния производства теплоизоляционных материалов и возможности создания новых материалов на основе отходов деревообработки [Текст]/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Л.И. Левашко // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - №18.
3. Р.Г. Сафин, Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе древесного наполнителя / Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина // Вестник Казан. технол. ун-та. 2012. №11. 90-92 с.
4. В.В. Степанов, Производство древесно-наполненных теплоизоляционных материалов на минеральном вяжущем и полимерных компонентах / В.В. Степанов, Г.И. Игнатьева // Деревообрабатывающая промышленность.-2012.- № 3.- С. 64-66.
5. В. В. Степанов, Разработка теплоизоляционного материала на основе древесных отходов: автореф. дис. на соискание ученой степени кандидата технических наук. КНИТУ, Казань, 2013.
6. Патент № 2493136 РФ, МПК С04В18/26. Способ получения теплоизоляционного материала / Зиатдинова Д.Ф., Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Степанов В.В., Игнатьева Г. И., Левашко Л. И., Нуруллина А. Т., Муха-метзянова А.Г., Хайруллина Э.Р.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет». - заявка №2012107547/03; заявл.28.02.2012; опубл.10.09.2013, Бюл.№19.-5с.:ил.
7. Р.Г. Сафин, Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУЛ, 2002 г.
8. И.М. Галиев, Получение древесно-полимерных материалов экструзионным способом/ И. М. Галиев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. -№ 1.
9. Сафин Р.Г., Филиппова Ф.М., Галиев И.М., Хабибулли-на А. Р. Исследование механических свойств напольных плит и досок из древесно-полимерного композиционного материала. / Р.Г. Сафин, Ф. М. Филиппова, И.М. Га-лиев, А. Р. Хабибуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. 2014. - Т.17, №8.
10. Сафин, Р.Г. Исследование высоконаполненных дре-весно-полимерных композиционных материалов, получаемых экструзионным методом [Текст]/ Р.Г. Сафин, Г. И. Игнатьева, И.М. Галиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 16. №2.
11. Сафин, Р.Г. Моделирование свойств высоконаполнен-ных древесно-полимерных композиционных материалов, получаемых методом экструзии [Текст]/ Р.Г. Сафин, И.М. Галиев, М.Г. Ахмадиев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №4. - С. 152-154.
12. Сафин Р.Г., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А.А., Степанова Т.О., Хабибуллина А. Р. Разработка композиционных материалов на основе древесных отходов. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №4. - С. 3237.
13. Степанова Т.О., Гайнуллина А.А. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов. // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 5-4. С. 299-303.
14. Заявка на патент РФ №2014153912, МПК С10В1/04(2014.01) Установка для производства древесного угля /Р.Г Сафин,Н.Ф., Тимербаев, Р.Р.Сафин., и др., Бюл.№19,2014.
15. Темнова Е.Б., Мазуркин П.М., Степанова Т.О. Экономическая эффективность отбора колотой древесины с резонансными свойствами. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -Т. 17. №24. - С. 236-239.
16. Хайруллина, Э.Р. Физическое моделирование тепло-физических свойств древесно-плитного материала на основе минеральных вяжущих веществ [Текст]/ Э.Р. Хайруллина, Г.И. Игнатьева, Ф.М. Филиппова // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2014. -№2 ч. 2 (7-2). - С. 366-368.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; В. В. Степанов -к.т.н., доцент той же кафедры, vlad200719@mail.ru; Т. Д. Исхаков - к.т.н., доцент той же кафедры, timgdi@mail.ru; А. А. Гайнуллина - магистр той же кафедры; Т. О. Степанова - студентка той же кафедры, stepanova-211190@yandex.ru.
© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials KNRTU, safin@kstu.ru; V. V. Stepanov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, vlad200719@mail.ru; T. D. Iskhakov - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials KNRTU, timgdi@mail.ru; А. А. Gainullina - master of chair of processing of wood materials KNRTU; Т. О. Stepanova - student of chair of processing of wood materials KNRTU, stepanova-211190@yandex.ru.
