CC BY
101
УДК 634.0.86
Б.Н. Салин, О.В. Старцев Плитные материалы из костры льна, изготовленные без использования связующих веществ
Костра - древесная часть стебля льна, остающаяся после отделения льноволокна. Костра составляет примерно 70% от массы выращиваемого льна и является крупнотоннажным отходом при его производстве. С одного гектара посевных площадей получают 1,5 т льноволокна и 3,5 т костры. Однако ценное с точки зрения химической переработки сырье не находит своего практического применения и во многих случаях утилизируется простым сжиганием или вывозится в отвал.
Цель работы - создание плитных материалов из отходов льнопереработки без использования синтетических связующих веществ.
Для решения поставленных задач был использован метод «парового взрыва». Суть метода заключается в следующем. Лигноцеллюлозный растительный материал, характеризующийся высоким содержанием легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП), обрабатывают паром под давлением с последующей быстрой декомпрессией автоклава [1].
При обработке лигноцеллюлозного материала паром при высокой температуре (более 150° С) и давлении происходят не только химические трансформации, связанные с деструкцией основных компонентов, входящих в состав материала, но и глубокие физико-механические изменения, обусловленные разрушением морфологической структуры исходного сырья.
Растительный материал, обработанный перегретым паром, при последующем горячем формовании без добавки каких-либо связующих веществ образует прочные композиционные материалы [2].
Экспериментальная часть
В качестве исходного сырья использовалась воздушно-сухая (влажность до 10%) костра льна, насыпная плотность которой составляла 118 кг/м3. Наряду с остатками льноволокна (около 2%) костра содержала до 3% мелких веточек льна (10-25 мм). Частицы костры имели примерно одинаковую толщину (0,5-0,6 мм) и различались своей длиной, которая изменяется от 3 до 20 мм. Основная часть костры льна (43%) представлена частицами, проходящими через сито с ячейками 1 мм. Поэтому выбранные льноотходы использовали в экспериментах без дополнительного измельчения.
Химический анализ костры льна проводили по известным методикам [3]. Результаты анализа представлены в таблице 1, из которой следует, что несмотря на морфологические отличия, костра льна по содержанию основных компонентов (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин) близка к древесине лиственных пород (осина, береза, тополь). т ,
г Таблица 1
Химический состав костры льна, выращиваемого в Залесовском районе Алтайского края
Компонент Содержание, %
Целлюлоза 42,0
Холоцеллюлоза 62,8
Легкогидролизуемые поли-
сахариды 18,3
Лигнин 30,1
Вещества, растворимые в
горячей воде 3,2
Зола 0,6
Баротермическую обработку костры проводили на лабораторной установке (обьем реактора 2,2 л, производительность
химия
парогенератора 16 кг/ч), позволяющей прогреть костру до заданной температуры в течение 10-15 с). Образец загружали в предварительно нагретый до заданной температуры реактор, запускали пар. Постоянное давление в реакторе в процессе обработки поддерживали дополнительной подачей пара. По окончании процесса реактор открывали, в результате чего происходило резкое падение давления и струя пара выносила обработанную массу в приемный циклон.
Анализировали содержание образовавшихся редуцирующих веществ (РВ) (сахаров) и остаточное содержание ЛГП в костре, полученной после обработки. Для проведения анализа сахара отделяли от твердого древесного остатка водной экстракцией.
Костру льна после паровой обработки подсушивали до влажности 5-10% и далее превращали в композиционные плитные материалы методом горячего прессования, которое проводили в разборной лабораторной пресс-форме, позволяющей нагреть и охладить материал до заданной температуры, поддерживаемой с точностью 2° С. Время прессования устанавливали из расчета 2 мин на 1 мм толщины готовой плиты. Охлаждение проводили без снятия давления. Предел прочности плит при изгибе и их гидрофобные свойства определяли в соответствии с ГОСТ 19592-80 [4].
Обсуждение результатов
В работе изучалось влияние параметров баротермической обработки (температура и продолжительность процесса) на изменение химического состава костры льна и основные свойства костроплит. Результаты исследований представлены в таблицах 2 и 3.
Так же, как и для древесины [5], разрушение волокнистой структуры костры льна, происходящее при обработке паром, сопровождается гидролитическими превращениями, вследствие которых из гемицеллюлозной части полисахаридного комплекса образуются моно- и олигосахариды.
Таблица 2
Влияние температуры обработки костры на ее химический состав и свойства плитных материалов
^"С Содержание Свойства костроплит
РВ, % ЛГП, % Плот- ность, кг/м3 Предел проч- ности при изгибе, МПа Водо-поглощение за 24 ч, % Набухание за 24 ч, %
170 2,0 16,2 730 3,9 125 120
180 3,0 15,0 900 9,4 68 58
190 3,8 13,7 1020 13,2 44 32
200 6,6 10,7 1090 16,9 29 21
Условия обработки: продолжительность 15 мин; прессования: влажность материала ~ 5%, t = 140° С, Р = 4 МПа, продолжительность - 5 мин.
Результаты, представленные в таблице 2, доказывают, что свойства плитных материалов зависят от температуры пара.
С повышением температуры обработки увеличивается скорость реакций гидролиза, что приводит к увеличению доли водорастворимых РВ и снижению количества ЛГП в массе костры. С увеличением сахаров в обработанной костре плотность костроплит и их прочность увеличиваются, а гидрофобные свойства улучшаются. Снижение водопогло-щения и набухания костроплит можно объяснить снижением количества легкогидролизуемых полисахаридов, что приводит к уменьшению в материале гидроксильных групп, склонных к образованию водородных связей с молекулами воды. Кажущийся парадокс, связанный с наличием гидроксильных групп у образующихся сахаров, можно обьяснить следующим. Редуцирующие вещества древесной массы являются довольно лабильными и в процессе прессования претерпевают химические превращения с участием гидроксильных групп и с образованием новых связей, оказывающих влияние на прочностные свойства плитных материалов.
Повышение температуры при паровой
Таблица 3
Влияние условий баротермической обработки костры льна на свойства плитных материалов
Условия обработки Свойства костроплит
t,° С Время, мин Плот- ность, кг/м3 Предел проч- ности при изгибе, МПа Водо-поглощение за 24 ч, % Набухание за 24 ч, %
180 10 1060 19,6 41 27
180 20 1110 24,6 31 19
180 30 1160 20,1 20 12
200 3 1020 8,3 116 79
200 5 1060 10,0 110 68
200 8 1140 22,6 29 18
200 10 1240 29,3 17 11
200 15 1170 31,3 16 9
220 3 1210 24.2 21 17
220 5 1290 35,0 10 8
220 7 1300 21,4 9 5
обработке приводит к увеличению прочностных и гидрофобных свойств плит [5] Аналогичную картину мы наблюдаем лри увеличении времени обработки костры. Как свидетельствуют результаты эксперимента (табл. 3), определяющим фактором, влияющим на свойства костроплит, является совместное воздействие температурного и временного параметров баротермической обработки.
1. Startsev O.V., Salin B.N., SkuridinY.G. and al. Physical properties and molecular mobility of new wood composite plastic thermobalite // Wood Science and Technology. 1999. №1.
2. Скурыдин Ю.Г., Салин Б.Н., Старцев О.В. Композиционные плитные материалы, изготовленные из древесины, без использования связующих веществ
//Композиционные материалы на основе древесины, их технология, структура, свойства и конструкции из них: Тез. докл.
Образцы плит достаточной прочности (до 25 МПа), как видно из результатов, получаются из костры, обработанной при 180-190° С в течение 15-30 мин. При увеличении температуры до 210-220° С и продолжительности обработки до 10 мин волокнистая форма древесной массы нарушается и, как следствие этого, понижается прочность композита (табл. 3).
Таким образом, процесс обработки костры следует ограничить температурой 225—230° С. При данной температуре процесс термодеструкции начинается с первых секунд обработки и протекает довольно интенсивно с образованием большого количества газообразных веществ (СО, С02). Потери костры в результате протекания пиролитических процессов (230° С, 2 мин) составляют 10-12% ее массы.
Таким образом, в ходе исследования предложен рациональный путь утилизации техногенных отходов льнопере-работки, позволяющий в ближайшем будущем решить две важные экологические проблемы: использование отходов и производство плитных материалов конструкционного назначения без синтетических связующих веществ.
научно-практ. конф. М., 1997.
3. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991.
4. ГОСТ 19592-80. Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний.
5. Salin B.N., Chemeris М.М. Technological waste products of wood as raw materials for the production of composite materials // 5th European Conference on Advanced Materials and Processes (EUROMAT 97). Maastricht, 1997.
