CC BY
40
УДК 674.817-41
ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ НА АУТОГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
М.А. Баяндин, В.Н. Ермолин, С.Г. Елисеев
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, г. Красноярск, пр. Мира, д.82, e-mail: mihailbayandin@yandex.ru
В работе приведены теоретические и экспериментальные исследования получения древесных плит без использования связующих веществ. Установлено, что сила аутогезионного взаимодействия между древесными частицами зависит от содержания поверхностных реакционоспособных активных групп и плотности получаемого материала. Предлагается с целью повышения активности древесины гидродинамическая обработка. Это дает возможность получения плитного материала из опилок путем горячего прессования без использования синтетических связующих веществ. В результате проведенных исследований установлено, что при плотности от 650 до 1000 кг/м3 получаемые плиты обладают высокими физико-механическими показателями: разбухание по толщине 8,4 %, водопоглощение 22 %, прочность при растяжении перпендикулярно пласти 0,35 МПа, прочность при изгибе 14,6 МПа.
Ключевые слова: древесные плиты, диспергация, связь, древесная масса, гидродинамическое воздействие, опилки
Theoretical and pilot studies of receiving wood board are given in work without use of binding substances. It is established that force of autogezionny interaction between wood particles (sawdust) depends on the contents on their surface of reactive active groups and density of a received material. Considering energy efficiency and high extent of influence in the most perspective way of activation of wood particles, processing in hydrodynamic kavitator is. At this influence, there is an increase in number of high-reactionary functional groups which at interaction among themselves in certain conditions can form the lingo-uglevodny, hydrogen and radio communications providing structurization of plates of average density. Results of the conducted researches showed that physicomechanical properties of a received material correlate with considered technology factors. Density of plates has in most cases dominating impact. It is caused, apparently, by the general regularities of formation of autogezionny interaction between wood particles. Pressing temperature also has considerable impact on properties of plates. As a rule, durability of a material received at high temperatures at the equal density for 50 % was higher in comparison with the bottom level of a variation. Temperature increase of pressing has impact and on the size of swelling of plates. Is explained by that at more high temperature processes of formation of communications with higher energy of interaction between the active centers of wood particles proceed. As a result of the conducted researches it is established that at the density from 650 to 1000 kg/m3 received plates possess high physicomechanical rates: swelling on thickness of 8,4 %, water absorption of 22 %, durability at stretching perpendicularly layer of 0,35 MPas, durability at a bend of 14,6 MPas.
Key words: wood board, mechanical activation, dispersion, chemical bond, mechanical wood pulp, wood waste, sawdust
В последние десятилетия наблюдается стабильный рост объемов производства и потребления плитных материалов на основе древесины. Это обусловлено их низкой стоимостью и высокими эксплуатационными свойствами. Применяемые в настоящее время технологии производства древесных плит имеют ряд существенных недостатков, таких как токсичность процесса производства, эмиссия токсичных веществ готовой продукцией, использование ликвидного древесного сырья (технологическая щепа, круглые лесоматериалы). В тоже время в процессе механической обработки древесины образуется большой объем измельченной древесины (опилок) до 20 % от исходного объема сырья (Ак-керман, 1976). Сферы использования таких отходов ограничиваются производством топливных брикетов и пеллет, а основная масса складируется в отвалах, увеличивая техногенную нагрузку на окружающую среду.
Возможным решением данной проблемы могло бы стать использование опилок в производстве древесных плит. При всем этом классические технологии производства композиционных материалов не позволяют вводить в состав некондиционные древесные частицы. Обусловлено это тем, что замена специально изготовленной стружки на опилки при-
водит к снижению механических характеристик плит.
Одним из перспективных направлений в сфере разработки плитных материалов является создание технологий получения древесных плит из измельченных отходов деревообработки без использования синтетических полимеров.
Существует ряд способов получения плит из измельченных древесинных частиц без использования синтетических адгезивов, которые позволяют исключить недостатки применяемых в настоящее время технологий (Аккерман, 1976; Базарнова, 1997; Петри, 1972). Наиболее известным материалом является лигноуглеводный древесный пластик (ЛУДП), который изготавливают путем горячего прессования при температуре от 140 до 225 0С и удельном давлении от 2,0 до 30 МПа. В качестве сырья рекомендуется использовать опилки хвойных пород влажностью от 18 до 40 %. По мнению проф. Петри В.Н. и др. при воздействии данных физических факторов протекают процессы образования связей между активными центрами, расположенными на поверхностях древесных частиц (Петри, 1972). Необходимо обратить внимание на то, что при указанных значениях давления, возможно, получить материал, плотностью не менее 1000 кг/м3.
Это крайне ограничивает сферу его применения. Объясняется это тем, что в процессе прессования таких плит происходит уменьшение расстояния между древесными частицами и их уплотнение, что приводит к повышению плотности материала. Данные авторов работ (Петри 1972, Щипко, 2010), указывают, что при увеличении плотности материала существенно увеличивается количество контактов между частицами, что приводит к образованию связей между ними. В данном случае определяющим критерием является плотность материала, которая пропорционально зависит от давления прессования. С уменьшением плотности материала снижается количество взаимодействий между поверхностными реакционными центрами, что снижает вероятность образования связей между ними. Из этого следует, что возможным путем получения плит плотностью менее 1000 кг/м3 является увеличение содержания активных групп на поверхности частиц. Исследования по изучению активации древесины проводились неоднократно. Как показывает анализ для повышения аутогезионных свойств древесных частиц предлагаются следующие виды обработки: размол, воздействие токов высокой частоты; радиационная обработка; обработка химически активными реагентами; взрывной автогидролиз, кавитирование и т.д. (Аккерман, 1976; Базарнова, 1997; Петри, 1972; Щипко, 2010).
Учитывая энергоэффективность и высокую степень воздействия наиболее перспективным способом активации древесных частиц, является обработка в гидродинамических диспергаторах (кавита-торах). Установлено, что при данном воздействии, происходит увеличение количества высокореакционных функциональных групп, которые при взаимодействии между собой в определенных условиях могут образовывать лигноуглеводные, водородные и эфирные связи (Микушина, 2002). Однако следует отметить, что в работах (Базарнова, 1997; Патент РФ № 2381244) из активированных частиц рекомендуется получать материал плотностью не менее 1000 кг/м3, это в свою очередь не позволяет в полной мере оценить их способность взаимодействовать между собой при меньших значениях плотности (большем расстоянии между поверхностными активными центрами).
Проведенные нами исследования (Баяндин, 2012) указывают на то, что подвергнутые кавитаци-онной обработке древесные частицы имеют высокие аутогезионные свойства. Оценочным показателем взаимодействия между частицами был принят предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти. Установлено, что при давлении прессования не более 1,5 МПа, возможно, получить материал плотностью 790 кг/м3 с механической прочностью от 0,36 до 0,45 МПа. Это в свою очередь подтверждает то, что гидродинамическая диспергация позволяет получить повышенное содержание активных функциональных групп на поверхности опилок и тем самым обеспечить требуемое количество связей между ними при сравнительно малой плотности материала.
На основании вышесказанного можно выдвинуть предположение, что гидродинамическое воздействие на опилки позволяет получить количественное и качественное соотношение активных центров на их поверхности, обеспечивающее при определенных условиях структурообразование древесных плит средней плотности без использования адгезивов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
С целью подтверждения выдвинутого нами предположения проведены специальные исследования. Для проведения экспериментов использовались древесные частицы (опилки) влажностью 42,7 % с следующим фракционным составом: 20/10 - 30 %, 10/5 - 8,25 %, 5/2,5 - 37,75 %, 2,5/1 - 5,00 %, 1/0,5 - 6,5 %, 0,5/дно - 12,5 % . Обработка опилок осуществлялась в гидродинамическом диспергато-ре при объемном соотношении вода: древесина 30 % и 70 % соответственно. По данным (Баян-дин,2012) продолжительность диспергации принималась 20 минут. Снижение влажности полученной древесной массы осуществлялось механическим отжимом. Горячее прессование плит с заданной плотностью 900 кг/м3 осуществлялось при температуре 190 0С. Критерием, оценивающим величину аутогезионного взаимодействия между древесными частицами, принята прочность при растяжении перпендикулярно пласти. Лигноуглеводный комплекс древесинного вещества, имеет в своем составе функциональные группы, которые могут образовывать между собой различные типы взаимодействий. В рассматриваемых условиях, возможно образование водородных связей, которые при воздействии воды легко разрушаются. Поэтому с целью установления качественных изменений, в древесине подвергнутой кавитационной обработке нами принята величина разбухания материала по толщине за 24 часа и сохранение остаточной прочности после высушивания. Это, на наш взгляд, будет говорить о возникновении, в процессе прессования, связей с большей энергией взаимодействия, чем водородные. В качестве контроля принят плитный материал, изготовленный из опилок, не подвергавшихся кавитационной обработке. Результаты проведенных исследований представлены на рисунке 1.
Анализ результатов (рис. 1а) указывает на то, что более высокой величиной аутогезионного взаимодействия обладают плиты полученные, из активированных древесных частиц, предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти 0,35 МПа, что более чем в 2,5 раза выше, чем у материала, изготовленного из опилок. Это подтверждает выдвинутое нами предположение, что при гидродинамической обработке в древесине происходят качественные и количественные изменения содержания активных центров. Это позволяет при горячем прессовании получить высокое аутогезионное взаимодействие между обработанными древесными частицами, обеспечивающее структурообразование плит средней плотности.
При определении величины разбухания установлено, что у плит из обработанных частиц данный показатель более чем в пять раз ниже (рис. 1б), чем в случае с опилками. Но при этом следует сказать, что образцы материала полученного из опилок по окончании процесса вымачивания не имели остаточной прочности, плиты, полученные из частиц подвергнутых гидродинамическому воздействию, сохранили 60 % от начальной прочности (0,21 МПа). Следовательно, можно утверждать, что низкий уровень величины разбухания и остаточная прочность плит, из активированной древесины обусловлен образованием связей с более высокой энергией взаимодействия.
Для определения оптимальных условий процесса структурообразования плит и изучения их физико-механических свойств, проведены специальные исследования, реализованные согласно В=2 плана.
получения древесных плит в большинстве случаев рекомендуется интервал температур в пределах от 160 до 200 0С. Это обусловлено тем, что древесина при нагревании с высоким содержанием свободной влаги при данных условиях подвергается водно-тепловой обработке. При этом протекают гидролитические процессы с разрушением гемицеллюлоз и лигнина (Фенгел, 1988; Эриньш, 1977). Это может приводить к дополнительному увеличению активных центров, которые затем при удалении связанной влаги могут вступать во взаимодействие между собой с образованием дополнительных связей, что так же может положительно повлиять на свойства плит. Исходя из вышесказанного нами приняты уровни варьирования переменных факторов, которые представлены в таблице 1. Постоянными факторами являлись установленные ранее продолжительность процесса прессования и гидродинамической диспергации (Баяндин,2012).
а)
>ТН '
:
а) I
н >
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05
0,35
плита из древесных опилок
плита из активир ов аннвк древесных частиц
плита из активированных древесных частиц
Рисунок 1 - Физико-механические свойства плит
Как уже было ранее отмечено, плотность материала оказывает существенное влияние на величину аутогезионного взаимодействия между частицами. Это послужило нам рекомендацией принять в качестве варьируемого фактора данный физический параметр плит. Вторым вариационным параметром установлена температура прессования, это объясняется тем, что при воздействии высоких температур полимерные системы увеличивают свою реакционную способность (Азаров, 1999; Тагер, 1989). Для
Таблица 1 - Уровни варьирования факторов_
Я Уровни варьирования
Наименование фактора
е
§
н
з о б
О
-1
0
+1
Температура прессования, °С _ Плотность плиты, кг/м3
Х1 180 Х2 600
190 800
200 1000
Выходными величинами являлись физико-механические свойства плит: предел прочности при статическом изгибе - с, предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти- с ±, объемное разбухание за 24 часа - А У, водопоглощение - А Ж.
По результатам исследований и обработки экспериментальных данных были получены следующие уравнения регрессии:
а= 11,98 + 1,25X1+ 1,40Х2 -0,59Х12 + 0,16Х1Х2 - 0,2Х22 (1) а± = 0,19 + 0,05Х1 + 0,14Х2 -0,04Х12 + 0,07Х1Х2 + 0,07Х22
(2)
АУ = 22,87 - 2,13Х1 + 3,63Х2 - 0,56Х12 + 1,67Х1Х2 - 4,89Х22
АЖ = 24,19 - 0,33Х1 - 4,27Х2 + 2,1Х12 - 0,72Х1Х2 + 0,4Х22
(3)
(4)
В соответствии с полученными уравнениями для каждой выходной величины были построены зависимости в виде поверхностей отклика, которые представлены на рисунках 2 и 3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных результатов указывает на то, что физико-механические показатели древесных плит значительной степени зависят от её плотности. Следует отметить, что плиты плотностью 650 кг/м3 имеет достаточно высокую прочность при изгибе, сопоставимую с прочностью плитных материалов
изготавливаемых с использованием синтетических связующих. Повышение температуры прессования также оказывает влияние на прочностные свойства древесных плит в сторону их увеличения, но в меньшей степени в сравнении с плотностью (рис. 2а).
Прочность при растяжении перпендикулярно пласти (рис. 2б) в большей мере зависит от комплексного воздействия варьируемых факторов. Так при низких значениях плотности температура практически не оказывает существенное влияние на прочностные свойства материала. А прочность при максимальных значениях плотности ниже более чем в два раза в сравнении с материалом, полученным при максимальном значении температуры. При сочетании же верхних уровней значений варьируемых факторов происходит резкое увеличение прочности, достигающее максимальных значений.
а)
б)
Рисунок 2- Зависимость предела прочности от температуры прессования и плотности плит: а - при статическом изгибе; б - при растяжении перпендикулярно пласти
С увеличением температуры величина объемного разбухания практически линейно снижается, достигая минимального значения при максимальной температуре. Вариации плотности плит показывают обратную температуре зависимость - чем выше плотность, тем выше показатель объемного разбухания. Однако при высоких значениях плотности наблюдается некоторое снижение величины разбухания. Наименьшим разбуханием характеризуются плиты, полученные при максимальной температуре и минимальной плотности (рис. 3а).
Зависимость водопоглощения древесной плиты приведенная на рисунке 3б выявила следующие закономерности. При увеличении плотности материала происходит практически линейное снижение объема поглощаемой воды. В случае же с вариа-
циями температуры прессования минимальные значения водопоглощения достигаются при средних значениях варьируемого фактора.
Результаты проведенных исследований показали, что физико-механические свойства получаемого материала коррелируют с рассматриваемыми технологическими факторами. В большинстве случаев доминирующее влияние оказывает плотность плит. Это обусловлено, по-видимому, общими закономерностями образования аутогезионного взаимодействия между древесными частицами. Температура прессования также оказывает значительное влияние на свойства плит. Как правило, прочность материала полученного при высоких температурах при равной плотности на 50% была выше в сравнении с нижним уровнем вариации. Повышение температуры прессования оказывает влияние и на величину разбухания плит. Объясняется это вероятно тем, что при более высокой температуре протекают процессы образования связей с более высокой энергией взаимодействия между активными центрами древесных частиц.
б)
Рисунок 3 - Зависимость от температуры прессования и плотности плит а - объемного разбухания; б - водопоглощения
ВЫВОДЫ
Гидродинамическая обработка древесины позволяет увеличить содержание активных центров на ее поверхности. Это позволяет обеспечить, при горячем прессовании, высокую степень аутогези-онного взаимодействия между древесными частицами. При этом установлено, что опилки, подвергнутые гидродинамической обработке, обладают свойствами обеспечивающими структурообразо-вание плит средней плотности от 650 до 1000 кг/м3. Получаемый таким образом листовой материал обладает высокими физико-механическими показателями: разбухание по толщине 8,4 %, водопоглощение 22 %, прочность при
растяжении перпендикулярно пласти 0,35 МПа, прочность при изгибе 14,6 МПа. Низкая величина разбухания плит объясняется тем, что квитированные древесные частицы обладают активными центрами, которые при контакте в процессе горячего прессования образовывают связи с высокой энергией взаимодействия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. - СПб. : СПбЛТА, 1999. - 628 с. Аккерман, А.С. Плитные материалы и изделия из древесины / А.С. Аккерман, В.Н. Антакова, В.Е. Бабайлов /Под ред. Петри В. И. - М.: Лесн. пром-сть,1976.- 360 с. Базарнова, Н.Г. Влияние мочевины на свойства прессованных материалов из древесины, подвергнутой гидротермической обработке / Н.Г. Базарнова, А.И. Га-лочкин, В.С. Крестьянников. Химия растительного сырья №2. - М. 1997. - С.15-22. Баяндин, М.А. Влияние гидродинамической диспергации на аутогезионные свойства древесины / Сиб. гос. технол. унт // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. - Красноярск: СибГТУ, 2012. - Т. 1. - С. 128-131.
Микушина, И.В. Изменение химического состава древесины при механохимической обработке / И.В. Ми-кушина, И.Б. Троицкая, А.В. Душкин, Н.Г. Базарнова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002.-Т.10, №4. - С.С.443-447.
Патент РФ № 2381244. МПК С08Ь97/02. Пресс-масса способ её получения и способ получения материалов на её основе / Катраков И.Б., Базарнова Н.Г., Маркин В.И.; За-явл.09.01.2008; Опубл. 10.02.2010.- 4 с.
Петри, В. Н. Лигноуглеводные древесные пластики текст. / В.Н. Петри, И. А. Вахрушева. - М.: Лесная про-сть, 1972. -72 с.
Тагер, А. А. Физикохимия полимеров / А. А. Тагер. М. : Химия, 1989. 210 с.
Фенгел, Д. Древесина. Химия, ультраструктура, реакции / Д. Фенгел, Г. Венгер Перевод с англ. - М.: Лесная пром-ть. 1988. - 512 с.
Щипко, М.Л. Отработка режимов производства прессованных материалов из опилок осины с использованием метода взрывного автогидролиза / Сиб. гос. тех-нол. ун-т //Лесной и химический комплексы - проблемы и решения. - Красноярск: СибГТУ, 2010. -Т. 1. - С. 470-476.
Эриньш, П. П. Строение и свойства древесины как многокомпонентной полимерной системы / П. П. Эриньш. Химия древесины №1. - Рига: Изд-во «Зинатне», 1977. с. 8-23.
Поступила в редакцию 14 марта 2013 г. Принята к печати 16 мая 2013 г.
