CC BY
55
УДК 674.816.3
ПОЛУЧЕНИЕ ДРЕВЕСНЫХ ПЛИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЯЗУЮЩИХ НА ОСНОВЕ СУБЕРИНА БЕРЕЗОВОЙ КОРЫ
© И.Г. Судакова1, Н.В. Гарынцева2, Б.Н. Кузнецов1,2
1 Институт химии и химической технологии CO РАН, Академгородок,
Красноярск 660036 (Россия), e-mail: inm@jcct.ru
2Сибирский федеральный университет, пр. Свободный, 79, Красноярск,
660041 (Россия), e-mail: bnk@icct.ru
Установлена возможность применения суберина коры березы в качестве связующего агента при получении древесных плитных материалов. Изучено влияние содержания суберина, влажности древесного наполнителя, температуры и давления прессования на физико-механические характеристики получаемых плитных материалов. Определены оптимальные технологические параметры получения качественных древесных плит с использованием связующих на основе суберина.
Ключевые слова: суберин, связующее, кора березы, плитные материалы.
Введение
Разработка методов получения экологически чистых прессованных материалов из измельченных древесных отходов является весьма актуальной задачей. Появление на рынке строительных материалов новых видов древесных плит обеспечивает значительное снижение токсичности жилых помещений, что улучшает комфортность жилья и сохраняет здоровье людей [1].
В настоящее время производится достаточно широкий ассортимент древесных плитных материалов путем прессования измельченной древесины (наполнитель) при повышенной температуре и пропиткой полимерными веществами (матрица). К группе наполнителей относятся древесные отходы различного вида и качества, которые образуются при лесозаготовках, лесопилении и деревообработке [2].
Для разработки новых методов получения древесных плитных материалов с улучшенными экологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами целесообразно использовать связующие агенты растительного происхождения. К ним, в частности, относится суберин, выделенный из коры березы. Суберин является природным высокомолекулярным веществом, содержащим реакционноспособные непредельные и эфирные связи, свободные кислородные группы, что делает преспективным его применение в качестве связующего при производстве древесных плитных материалов [3].
Как известно, изготовление древесных плитных материалов включает в себя стадии смешивания древесного наполнителя со связующим, формирование так называемого ковра и последующее его прессование. Именно на стадии прессования в результате протекания химических реакций между связующим веществом и лигноуглеводным комплексом древесины формируется композитный материал с определенной структурой и физико-механическими характеристиками. Для целенаправленного регулирования прочностных показателей древесных плитных материалов необходимо определить основные факторы, влияющие на свойства получаемого материала.
Поэтому целью данной работы было изучение влияния концентрации связующего в пресс-композиции, влажности древесного наполнителя, а также давления и температуры прессования на физикомеханические характеристики древесных плитных материалов.
Экспериментальная часть
В качестве связующего материала использовали суберин, полученный гидролизом бересты березы 3%-ным водным раствором NaOH при гидромодуле 20. Гидролиз проводили при температуре 85-90 °С в
* Автор, с которым следует вести переписку.
течение 60 мин при непрерывном перемешивании. Затем горячий раствор отфильтровывали через тканевый фильтр и к фильтрату приливали 1 М раствор соляной кислоты до рН раствора = 4. Выпавший осадок отфильтровывали и промывали дистиллированной водой до нейтральной реакции, затем сушили над СаС12 в вакууме при комнатной температуре до постоянной массы. Полученный в данных условиях, частично гидролизованный природный полимер - суберин, представляет собой аморфный порошок коричневого цвета с температурой плавления 130-145 °С, кислотным числом 88-89 мг №ОН /1 г, йодным числом 24 г 12/100 г и влажностью 8,9%.
Древесные плитные материалы получали механическим смешением суберина и древесного наполнителя (опилки сосны фракционного состава < 2,5 мм с влажностью 0,8 % мас.), взятых в массовом соотношении 1-5 : 5-9 при температуре 150 °С. Из полученной пресс-массы формировали ковер, который прессовали при удельном давлении 7-13 МПа и температуре 130-150 °С в течение 1 мин.
Полученные образцы древесных плитных материалов оценивали по следующим показателям: плотности, набуханию, водостойкости и прочности при статическом изгибе. Физико-механические характеристики определяли по стандартным методикам, согласно ГОСТам 10634-88 и 10635-88.
Обсуждение результатов
На рисунке 1 представлены данные о влиянии содержания суберина в композите на физикомеханические характеристики получаемых древесных плитных материалов (плотность, водопоглощение, набухание, прочность при статическом изгибе).
Как следует из полученных результатов (рис. 1а), при введении в композит 10-20% мас. суберина плотность (кривая 1) полученных образцов изменяется незначительно (от 599 до 608 кг/м3). В данных условиях плитные материалы имеют предел прочности при статическом изгибе (кривая 2) 8,2-13 МПа, что значительно ниже показателей древесных плит, выпускаемых промышленностью. Для последних показатель предела прочности при статическом изгибе при толщине плиты 8-12 мм составляет 16-18 МПа, водопоглощение - 20-14% и набухание 15% [4]. При повышении содержания суберина в пресс-массе до 40% мас. возрастает плотность образцов до 775 кг/м3. Получаемые при этом древесные плитные материалы имеют предел прочности при изгибе 34-38 МПа, что значительно выше прочностных показателей плит, изготовленных в промышленности.
Водопоглощение (рис. 1б, кривая 3) и набухание по толщине (кривая 4) образцов плитных материалов снижаются с 45 до 10% и с 22 до 2% соответственно при увеличении концентрации суберина с 10 до 40% мас. Это является следствием уменьшения гидрофильности древесного наполнителя, вероятно, в результате заполнения пор суберином в процессе прессования и протекания реакций конденсации с участием фенольных низкомолекулярных соединений лигноуглеводного комплекса и свободных кислотных групп суберина. Увеличение содержания связующего до 50% мас. приводит к снижению как прочностных свойств, так и водостойкости древесных плитных материалов. Одна из причин этого - вытекание связующего вещества из композита в процессе горячего прессования, что к тому же приводит к прилипанию сформованного изделия к пресс-форме.
Таким образом, для получения древесных плитных материалов с высокими показателями прочности и водостойкости содержание суберина в пресс-композиции не должно превышать 40% мас.
Важный фактор, влияющий на качество древесных плитных материалов, - влажность древесного наполнителя, поскольку влага древесины может как ускорять проникновение жидких связующих в капиллярнопористую систему, так и препятствовать этому процессу. Вследствие этого различия в показателях качества плитных материалов в значительной степени проявляются при изменении содержания влаги в исходном ковре древесного композита. Данные о влиянии влажности древесины на показатели плотности, прочности, во-допоглощения, набухания образцов после горячего прессования иллюстрируются рисунком 2.
Полученные результаты показывают, что при увеличении влажности ковра композита с 0,8 до 32,4% плотность плитных материалов возрастает с 714 до 906 кг/м3 (рис. 2а, кривая 1). При этом предел прочности при статическом изгибе (рис. 2а, кривая 2) резко снижается (от 35 до 14 МПа), а водопоглощение (рис. 2б, кривая 3) и набухание по толщине (рис. 2б, кривая 4) соответственно увеличиваются от 22 до 38% и от 3 до 18%. При горячем прессовании влага, содержащаяся в суберине (8,9 % мас.), может переходить в древесный наполнитель, что приведет к его дополнительному увлажнению. Наблюдаемые ухудшения физико-механических характеристик композитов при увеличении содержания влаги согласуются с литературными данными [5].
45 а
35
25
15
и
а
н
Л
тс
он
F
о
&
%
&
о
2
g
о
«
о
га
25
20
15
10
5
0
%
а
X
у
б
а
к
Концентрация суберина, % масс.
Концентрация суберина, % масс.
Рис. 1. Зависимость физико-механических характеристик древесных плитных материалов от концентрации суберина в композите: 1 - плотность; 2 - прочность при статическом изгибе; 3 - водопоглощение;
4 - набухание по толщине; условия прессования: температура 140 “С; давление 10 МПа
40
35
30
25
20
15
10
а
н
ь
тс
он
F
о
&
22
17
12
X
ю
Влажно сть, %
Влажность, %
Рис. 2. Зависимость физико-механических характеристик древесных плитных материалов от влажности древесного наполнителя: І - плотность; 2 - прочность при статическом изгибе; З - водопоглощение;
4 - набухание по толщине; условия прессования: температура 140 “С; давление 10 МПа; содержание суберина - 40% мас.
Было изучено влияние температуры и давления прессования на физико-механические характеристики образцов древесных плитных материалов (рис. 3 и 4).
Анализ представленных на рисунках 3 и 4 данных показывает, что увеличение температуры прессования от 130 до 150 “С при давлении прессования 7-10 МПа приводит к возрастанию плотности плитных материалов от б04 до 7S1 кг/м3, а также их прочности и водостойкости. Прессование в условиях повышенной температуры, вероятно, способствует образованию сетчатой структуры за счет химического взаимодействия между реакционно-способными группами суберина и древесного наполнителя, что приводит к улучшению физико-механических характеристик древесных плитных материалов.
О4
5 к
е
6 о
[3
о
п
о
«
о
га
Температура, “С
Температура, “С
Рис. 3. Зависимость физико-механических характеристик древесных плитных материалов от температуры прессования: І - плотность; 2 - прочность при статическом изгибе; З - водопоглощение; 4 - набухание по толщине; условия прессования: давление 10 МПа; содержание суберина - 40% мас.
5
7
2
Л
Н
О
О
щ
н
с
40
33
26
ю
S
и
со
S
Л
и =д л R
н ^
19 g и
12 о 12 & 5
<D
К
К
<D
В
о
[3
о
к
о
п
о
m
19
16
£
13
s
1Л к
10 л
X
ю
л
я
Давление, МПа
Давление, МПа
Рис.4. Зависимость физико-механических характеристик древесных плитных материалов от давления прессования: 1 - плотность; 2 - прочность при статическом изгибе; 3 - водопоглощение; 4 - набухание по толщине; условия прессования: температура 140 °С; содержание суберина - 40% мас.
Максимальными прочностными свойствами (рис. 4а, кривая 2) и высокой водостойкостью (рис. 4б, кривая 3) обладают образцы древесных плитных материалов, полученные при температуре прессования 140 °С и давлении 10 МПа. Дальнейшее увеличение температуры прессования несколько ухудшает указанные характеристики, вероятно, вследствие изменения химического состава суберина.
Из анализа полученных данных следует, что оптимальными технологическими параметрами изготовления древесных плитных материалов толщиной 8-12 мм с использованием суберинового связующего являются: содержание суберина - 30-40% мас.; температура прессования - 130-140 °С; давление прессования - 10-13 МПа; влажность древесного наполнителя < 10% масс.
Выводы
Впервые предложено использовать связующий агент на основе суберина коры березы для получения качественных и экологически безопасных древесных плитных материалов.
При содержании суберина в пресс-композите 30-40% мас. получены образцы древесных плитных материалов, имеющие предел прочности при статическом изгибе 34-38 МПа, что значительно выше прочностных показателей плит, производимых в промышленности.
Водопоглощение и набухание по толщине плитных материалов минимальны при содержании суберина 40% мас. (составляет 10 и 1% соответственно), что превышает лучшие стандартные показатели промышленных образцов.
Определены оптимальные технологические параметры получения качественных древесных плитных материалов с использованием субериновых связующих: содержание суберина - 30-40% мас.; температура прессования - 130-140 °С; давление прессования - 10-13 МПа; влажность древесного наполнителя < 10% мас.
Список литературы
1. Азаров В.И., Ковернинский И.Н. Роль и место химии и химической технологии // Химия в России. 2000. №12. С. 8-11.
2. Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины. М., 2002. 234 с.
3. Кислицын А.Н. Экстрактивные вещества бересты: выделение, состав, свойства, применение // Химия древесины. 1994. №3. С. 10-19.
4. ГОСТ 11368-89. Массы древесные прессовочные. Технические условия. М., 1990. 23 с.
5. Сангалов Ю.А., Красулина Н.А., Ильясова А.И. Композиты: дисперсная древесина - термопластичные полимеры, как перспективное направление химической технологии переработки древесины // Химическая промышленность. 2002. №3. С. 1-9.
Поступило в редакцию 18 марта 2011 г.
