CC BY
82УДК 674.816.3
Н.В. КИЛЮШЕВА, инженер, В.Е. ДАНИЛОВ, инженер, А.М. АЙЗЕНШТАДТ, д-р хим. наук (a.isenshtadt@narfu.ru)
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17)
Теплоизоляционный материал из коры сосны и ее экстракта
Анализ литературных данных показал, что для строительных материалов из древесины наиболее пригодна кора деревьев хвойных пород, так как в ее составе существенно ниже содержание легкогидролизуемых веществ (гемицеллюлозы, нецеллюлозных полисахаридов). В статье представлены данные о составе материала с применением коры сосны и ее водного экстракта, принципиальной технологии изготовления композита без использования минеральных связующих и возможности его применения. Проведены экспериментальные исследования процесса извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья на примере коры сосны, получены опытные образцы композиционного материала, выполнены испытания полученных опытных образцов на прочность, теплопроводность, водопоглощение и разбухание. Материал характеризуется достаточной механической прочностью, удовлетворительным значением коэффициента теплопроводности, высокой экологической чистотой. Величина водно-, теплофизических, теплоизоляционных и механических характеристик позволяет рекомендовать его для использования в качестве неконструкционной теплоизоляции.
Ключевые слова: кора сосны, водный экстракт, водно-физические и механические характеристики, теплопроводность, теплоизоляция.
N.V. KILYUSHEVA, Engineer, V.E. DANILOV, Engineer, A.M. AIZENSHTADT, Doctor of Sciences (Chemistry) (a.isenshtadt@narfu.ru) Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (17, Severnay Dvina Emb., 163002, Arkhangelsk, Russian Federation)
Heat Insulation Material Produced from Pine Bark and Its Extract
An analysis of literature data shows that the bark of conifers is the most suitable for wooden building materials as its composition has a significantly low content of easy hydrolysable substances (hemicellulose, non-cellulose polysaccharides). The article presents the data on the composition of the material with the use of pine bark and its water extract, principal technology for producing the composite without using mineral binders, and possibilities of its application. Experimental studies of the process of extraction of extractive substances from vegetal resources on the example of pine bark have been conducted; experimental samples of a composite material have been obtained; tests of obtained experimental samples for strength, heat conductivity, water absorption, and swelling have been carried out. The material is characterized by sufficient mechanical strength, a satisfactory value of heat conductivity factor, high ecological purity. The value of water-physical, heat insulation, and mechanical characteristics makes it possible to recommend it to use as non-structural heat insulation.
Keywords: pine bark, water extract, water-physical and mechanical characteristics, heat conductivity, heat insulation.
В РФ ежегодно производится заготовка значительных объемов деловой древесины, которая направляется главным образом на строительство. Лесопильно-деревообрабатывающие предприятия вывозят отходы (преимущественно кора) на свалки или сжигают (8—15% объемов пиловочника), что приводит к крайне нежелательным последствиям (повышению пожароопасности, загрязнению окружающей среды). Кроме того, вывоз коры, содержание отвалов, аренда территории требуют определенных материальных затрат [1]. В строительной индустрии имеется положительный опыт использования вторичных продуктов в производстве различных строительных материалов и изделий. Однако использование таких продуктов промышленностью развивается достаточно медленно, что приводит к их накоплению [2, 3]. Поэтому получение строительного композита на основе отходов окорки древесины позволяет решить задачу комплексного и рационального использования растительного сырья, улучшить экологическую обстановку регионов, где сосредоточены предприятия по переработке лесных ресурсов.
В настоящее время из отходов лесопиления и деревообработки могут быть изготовлены арболит и стеновые блоки, древесно-волокнистые и древесно-стру-жечные плиты и др., причем данные материалы могут быть получены как с применением, так и без использования вяжущих веществ. Зачастую изделия из древесных отходов используют как теплоизоляционный материал [4—8].
Вместе с тем кора обладает низкой тепло- и звукопроводностью. Наличие в коре сосны смол положительно влияет на теплофизические и физико-механические характеристики получаемого материала [9]. Однако в случае использования традиционных вяжущих веществ при получении древесно-минеральных композиций от-
рицательное воздействие на процессы твердения оказывают содержащиеся в коре растворимые в воде сахара («цементные яды»), легко диффундирующие через стенки клеток древесины [10—12].
Кора сосны имеет высокую прочность ввиду малого содержания легкорастворимых сахаров (легкогидроли-зуемых полисахаридов: гемицеллюлозы, нецеллюлозных полисахаридов) и отличается высоким содержанием водоэкстрактивных и дубильных веществ [11], не входящих в состав клеточной стенки древесины и извлекаемых органическими растворителями, водой и отгонкой с водяным паром. Общее содержание экстрактивных веществ у коры хвойной древесины может достигать 40 мас. %, причем у большинства экстрагируемых веществ с повышением температуры увеличивается растворимость и диффузия в водную среду [13].
Применяемые в настоящее время теплоизоляционные материалы представляют собой пористые органические или органоминеральные композиции, имеющие плотность, не превышающую 600 кг/м3, и теплопроводность не более 0,18 Вт/(м-К). Прочность теплоизоляционных материалов невелика и чаще всего колеблется в пределах 0,3—1,5 МПа, лишь некоторые материалы обладают пределом прочности до 10 МПа. Кора обладает низкой тепло- и звукопроводностью, однако многие органические теплоизоляционные материалы подвержены быстрому загниванию и порче насекомыми, известно, что хвойные породы — самые устойчивые к действию микроорганизмов [14].
Целю исследований, представленных в данной работе, является оценка возможности получения теплоизоляционной композиции с удовлетворительными значениями теплотехнических и прочностных показателей на основе коры сосны и ее водного экстракта в качестве связующего компонента.
научно-технический и производственный журнал f ptyj f ^дjjijJJljlrf
ноябрь 2016
Materials and technologies
Период набора прочности Максимальное напряжение, МПа
Контрольный образец Связующее Э1 Связующее Э2
3-й день 0,22 0,41 0,44
7-й день 0,29 0,46 0,51
Отвалы коры на ЗАО «Лесозавод 25»
В качестве объекта исследований была использована кора сосны обыкновенной (Pinus Sylvestris) — отход окорки деловой древесины ЗАО «Лесозавод 25» (см. рисунок). Кору сушили при 104—105оС в течение 5—6 ч.
Высушенную до абсолютно сухого состояния кору порционно измельчали в микромельнице F306 при частоте вращения ножей ротора 2000 об/мин в течение трех минут. Данная операция позволяет разрушить клетки растения и обеспечить доступ к биологически активным веществам, увеличивая тем самым поверхность контакта экстрагента с растительной массой.
Для получения водного экстракта использовали обработку водяным паром предварительно подготовленного древесного сырья в экстракторе на базе машины Saeco. Активацию коры осуществляли при 95оС, давлении 1 МПа, продолжительности обработки 25 с.
Для контроля за процессом извлечения экстрактивных веществ из сырьевого материала осуществляли запись электронных спектров поглощения водного экстракта на спектрофотометре СФ-2000 в диапазоне длин волн 200-800 нм.
Полученный водный экстракт концентрировали в сушильном шкафу при 50оС.
Концентрированный экстракт с размолотой исходной корой смешивали гомогенизатором в следующих пропорциях: 100 мл раствора и 25 г коры. В качестве образцов сравнения был изготовлен композит, в котором вместо экстракта была использована дистиллированная вода.
Для получения образцов использовали кубические формы с длиной ребра 20 мм (для испытания на прочность) и 200x100x100 мм (для определения теплопроводности, водопоглощения и разбухания). Выдержку изделий в формах до распалубочной прочности осуществляли в естественных условиях в течение 24 ч при 23±3оС.
Прочность теплоизоляционных материалов характеризовали показателями предела прочности при сжатии. Испытания на прочность проводили на 3-е и 7-е сут в универсальной испытательной машине Shimadzu.
Водопоглощение при кратковременном и частичном погружении определяли согласно ГОСТ 1609-2008 «Изделия теплоизоляционные, применяемые в строительстве». Метод позволяет оценить водопоглощение изделий, подвергаемых воздействию дождя продолжительностью 24 ч, при проведении строительных работ. За величину водопоглощения при частичном погружении в воду опытных образцов принимали значение, равное отношению массы впитанной влаги к массе материала.
Для определения теплопроводности материала зон-довым методом использовали измеритель теплопроводности МИТ-1 по ГОСТ 30256-94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом».
Результаты экспериментов по контролю за процессом выделения экстрактивных веществ из сырьевого материала коры показали, что в спектрах поглощения водной вытяжки отмечается характерный для аромати-
ческих соединений максимум поглощения в УФ-области при 290 нм. Следует отметить, что в видимой части спектрального диапазона исследуемый раствор не проявляет оптической активности. Данный факт может свидетельствовать о том, что выделяемые на используемой экспериментальной установке соединения представляют собой гетероциклические ароматические экстрактивные вещества.
Полученный экстракт для дальнейшего концентрирования был разделен на две части, которые были упарены в 2 (Э1) и 5 (Э2) раз. Дальнейшие исследования проводили параллельно с использованием в качестве связующего концентраты Э1 и Э2.
В таблице представлены результаты физико-механических испытаний изготовленных опытных образцов композита. Следует отметить, что полученные изделия отличаются высокой однородностью структуры.
Приведенные в таблице данные показывают, что прочностные характеристики опытных образцов, полученных с использованием экстрактов, невелики, однако соответствуют требованиям, предъявляемым к неконструкционным теплоизоляционным материалам (0,3—1,5 МПа), и концентрация экстрактивных веществ в связующей суспензии положительно влияет на прочность материала. Результаты измерений водопоглоще-ния и разбухания по толщине показали, что данные параметры имеют значения 73 и 6% соответственно. Данный факт ограничивает возможные области использования композита, однако, по мнению авторов, не является его отрицательной характеристикой (изделия, применяемые для изоляции, например, энергетического оборудования, не увлажняются при нормальных условиях эксплуатации).
Коэффициент теплопроводности материала после семидневного набора прочности для всех опытных образцов составил 0,164+0,04 Вт/(м-К), что свидетельствует об эффективности использования композита в качестве неконструкционной теплоизоляции. Данный параметр сопоставим с теплопроводностью таких материалов, как, например, винипласт — 0,163 Вт/(м-К), керамзит — 0,18 Вт/(м-К) и др.
Резюмируя вышеизложенное, можно заключить, что исследуемый композит характеризуется высокой эколо-гичностью, безопасностью для здоровья человека при эксплуатации в помещениях и в окружающей среде, простотой изготовления, возможностью решения задач комплексного и рационального использования природных ресурсов. Величина значений водно-физических и механических характеристик позволяет рекомендовать его для использования в качестве неконструкционной теплоизоляции.
Список литературы
1. Тацюн М.В. Современное состояние ЛПК России и пути его развития. М.: ООО «РИА Пресс», 2006. С. 24.
2. Степень Р.А., Храмова Л.Н., Соболев С.В. Проблемы использования отходов деревообрабатывающих
■ '■■Ч'.-: i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал /Л ® ноябрь 2016
предприятий Ангаро-Енисейского региона. Лесо-сибирск. 2003. 87 с.
3. Титунин A.A. Эколого-экономические аспекты безотходных технологий переработки лесных ресурсов. М.: Новые технологии, 2007. 48 с.
4. Лукаш А.А., Дьячков К.А. Строительные изделия из измельченной древесины // Строительные материалы. 2009. № 1. С. 54-55.
5. Журавлёва Л.Н. Основные направления использования древесных отходов // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. науч. трудов по итогам междунар. научно-технич. конф. Вып. 18. Брянск: БГИТА, 2007. С. 96-99.
6. Lukutsova N. Influence of micro- and nanodispersed additions on qualities of wood-and cement compositions // SITA journal Israel. 2012. № 3. Vol. 14. pp. 70-75.
7. Ayzenshtadt A., Lesovik V., Frolova M., Tutygin A., Danilov V., Nanostructured Wood Mineral Composite // Procedia Engineering. 2015. Vol. 117, рp. 45-51.
8. Лукаш А.А., Лукутцова Н.П. Перспективность производства строительных материалов из древесины с ядровой гнилью // Строительные материалы, 2016. № 9. С. 85-88.
9. Данилов В.Е., Айзенштадт А.М., Фролова М.А., Туробова М.А., Карельский А.М. Получение органо-минерального наполнителя на основе древесной коры и базальта для разработки композиционных материалов // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 72-75.
10. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности. Ростов н/Д: Феникс, 2007. 368 с.
11. Тутурин C.B. Механическая прочность древесины. М: Компания Спутник+, 2007.
12. Лукаш А.А., Плотников В.В., Ботаговский М.В. Ячеистые стеновые панели из древесных материалов // Строительные материалы. 2009. № 2. С. 72-73.
13. Левданский В.А., Полежаева Н.И, Левданский А.В., Кузнецов Б.Н. Выделение и изучение экстрактивных веществ коры березы: Сб. тр. Всеросс. науч.-практ. конф. Лесной и химический комплексы: проблемы и решения. Красноярск, 2003. С. 422-426.
14. Gierlinger N., Iacques N., Schwfnninger M.,Wimmer R., Hin-terstoisser B., Paques L.E // Rapid prediction of natural durability of larch heartwood using FT-NIR spectroscopy // Canadian Journal of Forest Research. 2003. № 33, pp. 1727-1736.
References
1. Tatsyun M.V. The modern state LPK of Russia and ways of its development. Moscow. OOO "RIA news", 2006. 24 р. (In Russian).
2. Stepen R.A., Khramova L.N., Sobolev S.V. Problemy ispol'zovaniya otkhodov derevoobrabatyvayushchikh predpriyatii Angaro-Eniseiskogo regeon [Problems of use of wastes of woodworking enterprises of the Angara-Yenisei]. Lesosibirsk, 2003. 87 р. (In Russian).
3. Timonin A.A. Ekologo-ekonomicheskie aspekty bezotk-hodnykh tekhnologii pererabotki lesnykh resursov. Moscow. Novye tekhnologii, 2007. 48 p. (In Russian).
4. Lukash A.A., Dyachkov C.A. Building products of chopped wood. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 1, pp. 54-55. (In Russian).
5. Zhuravleva L.N. The main directions of use of wood waste. Actual problems of forestry complex: collection of scientific works. papers based on the results of the Intern. scientific-technical Conf. Vol. 18. Bryansk: BGITA, 2007, pp. 96-99. (In Russian).
6. Lukutsova N. Influence of micro- and nanodispersed additions on qualities of wood-and cement compositions. SITAjournalIsrael, 2012. No. 3. Vol. 14, pp. 70-75.
8.
9
7. Ayzenshtadt A., Valery Lesovik V., Frolova M., Tutygin A., Danilov V. Nanostructured Wood Mineral Composite. Procedia Engineering, 2015. Vol. 117, pp. 45-51.
Lucash A.A., Lukutsova N.P. The prospect of the production of building materials from wood to rot sound. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 9, pp. 85-88. (In Russian).
Danilov V.E., Ayzenshtadt A.M., Frolova M.A., Turobova M.A., Karelsky A.M. Preparation of organic filler based on wood's crust and basalt for the development of composite materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 7, pp. 72-75. (In Russian).
10. Dvorkin L.I. Stroitel'nye materialy iz otkhodov pro-myshlennosti [Building materials from waste industry]. Rostov: Feniks, 2007. 368 pp. (In Russian).
11. Tuturin S.V. Mekhanicheskaya prochnost' drevesiny [The mechanical strength of wood]. Moscow. Sputnik Company+, 2007. (In Russian).
12. Lukash A.A., Plotnikov V.V., Botagovski M.V. Mesh wall panels of wood-based materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 2, pp. 72-73. (In Russian).
13. Levdansky V.A., Polezhaeva N.I., Levdansky A.V., Kuznetsov B.N. The isolation and study of the extractives of birch bark: Proceedings of the Russian scientific-practice. Conf. Forest and chemical complexes: problems and solutions. Krasnoyarsk. 2003. pp. 422-426. (In Russian).
14. Gierlinger N., Jacques N., Schwanninger M., Wimmer R., Hin-terstoisser B., Paques L.E. Canadian Journal of Forest Research. 2003. No. 33, pp. 1727-1736.
научно-технический и производственный журнал ii/ VUJji I'SJliiil^l-' 50 ноябрь 2016
