Экологически чистые композиционные материалы

УДК 674.812-419.4
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ
С.А. Угрюмов, А.В. Осетров
Представлены экспериментальные
результаты оценки физико-механических характеристик, кинетики
разбухания, водопоглощения, токсичности пьезотермопластиков, изготовленных из древесных частиц и
костры льна без добавления связующих веществ. Установлено, что пьезотермопластики по
эксплуатационным характеристикам удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к
конструкционным плитным древесным материалам.
Композиционный материал, пьезотермопластик, древесный наполнитель, костра льна, физикомеханические показатели, экологичность.
В настоящее время отечественная промышленность выпускает довольно большой спектр
плитных клееных материалов конструкционного назначения на основе древесных отходов и
синтетических смол – древесно-стружечные плиты, древесно-волокнистые плиты, фанеру, МDF,
OSB и др. Они широко используются в строительстве, мебельном производстве, авто-, вагоно-,
контейнеростроении и других сферах благодаря относительной дешевизне и удовлетворительным
эксплуатационным характеристикам. Мировое производство и потребление плит возрастают с
каждым годом, вытесняя пиломатериалы и изделия из натуральной древесины [1; 2], благодаря
наличию множества преимуществ – относительно малая стоимость, широкая область применения,
достаточная прочность, однородность материала, легкость в обработке и др. Однако древесные
плиты изготавливаются с применением синтетических смол, в связи с чем обладают рядом
недостатков, прежде всего токсичностью за счет присутствия свободных веществ (формальдегида
и фенола), непрореагировавших в ходе отверждения смол.
Фенол и формальдегид – мощные раздражители глаз, верхних дыхательных путей и кожи.
По свидетельству ряда исследований, они также оказывают влияние на центральную нервную
систему, вызывая головные боли, усталость и депрессию, потенциально могут вызывать астму и
астматические приступы. Кроме того, исследования на животных позволяют предположить, что
эти вещества – потенциально канцерогенные вещества [3].
За
последние
десятилетия
разработаны
и внедрены различные способы снижения токсичности плитных древесных материалов,
однако проблема производства малотоксичных или экологически чистых древесных плит
остается актуальной, прежде всего в связи с ужесточением требований нормативно-техни-ческих
документов по содержанию токсичных веществ в древесной продукции и в жилых помещениях.
Одним из способов кардинального снижения токсичности плитной древесной продукции
является изготовление материалов без добавления синтетических связующих, так называемых
пьезотермопластиков [4]. Известно, что под влиянием давления и температуры измельченные
древесные частицы приобретают способность образовывать прочный и твердый монолитный
материал
темного
цвета,
повторяющий
конфигурацию
формы.
В
результате
термогидролитической деструкции древесного комплекса наибольшие изменения претерпевают
легкогидролизуемые углеводы и низкомолекулярные фракции лигнина – они и выполняют роль
связующего вещества, в то время как целлюлоза является армирующим, упрочняющим материал
наполнителем, а роль пластификаторов выполняют низкомолекулярные компоненты древесины
[5].
Свойства пластиков без применения синтетических связующих веществ можно
регулировать, разумно используя химические свойства и физическую структуру компонентов
древесного комплекса, возможности протекающих при этом процессов, очевидно, далеко не
исчерпаны.
Известны несколько способов производства пьезотермопластиков [6]. Технологически прост
способ производства в открытых пресс-формах (многопролетных плоских прессах). Для оценки
его эффективности в лабораторных условиях были изготовлены образцы пластиков на основе
целлюлозосодержащих частиц различных фракций на базе горячего пресса П100-400.
Экологически чистые композиционные материалы конструкционного назначения на основе отходов деревообработки
2
Последовательность проведения эспериментов:
Отбор порций наполнителя соответствующих пород и фракций для изготовления
единичного образца.
2.
Увлажнение порции наполнителя для доведения влажности до требуемого уровня.
3.
Укладка наполнителя в форму, холодная подпрессовка при давлении 1 МПа для
формирования транспортабельного брикета.
4.
Горячее прессование брикета при рабочем давлении 5 МПа, температуре плит пресса
180°С с плавным охлаждением при сохранении рабочего давления.
5.
Нормализация качества полученных образцов при нормальных условиях в течение 1 суток.
6.
Раскрой плит на образцы и проведение испытаний физико-механических свойств
пластиков.
Физико-механические характеристики полученных образцов оценивались по стандартным
методикам для древесных плит: прочностные показатели по ГОСТ 10635–78, ГОСТ 10636–78,
физические показатели по ГОСТ 10634–88.
В табл. представлены основные физико-механические показатели изготовленных пластиков
при влажности наполнителя 20%.
Таблица 1
Физико-механические свойства пластиков
1.
№
Наполнитель
1
2
3
4
Береза
Сосна
Сосна
Костра льна
Фракция,
мм
0,5 / 0,5 / 10 / 0,5
5 / 0,5
Предел
прочности при
изгибе, МПа
10,3
11,1
7,9
3,4
Разбухание по
толщине, %
10,89
8,21
50,09
1,85
Объемное
разбухание,
%
12,49
9,36
58,59
4,04
Водопоглощение, %
Потеря массы
при горении, %
10,63
6,22
43,64
9,12
5,6
11,9
4,3
7,2
Полученные в ходе экспериментов данные показывают, что в открытых пресс-формах
имеется возможность получения пьезотермопластиков высокого качества, при этом
предпочтительно использовать как лиственные, так и хвойные породы минимального фракционного
размера для образования максимального количества химических связей между частицами.
Полученный материал обладает достаточной прочностью и водостойкостью.
С целью оценки кинетики разбухания и водопоглощения пластиков был проведен
эксперимент по длительному вымачиванию образцов с периодическим замером их линейных
параметров и массы. Сводные результаты представлены на рис. 1, 2.
Анализ полученных данных показывает, что пластики на основе мелкой фракции всех
рассмотренных целлюлозосодержащих частиц обладают малыми значениями разбухания и
водопоглощения. Наибольшее изменение линейных размеров и массы происходит за первые сутки
вымачивания, далее процессы стабилизируются.
Техническими требованиями на все плитные клееные древесные материалы ограничивается
содержание свободного формальдегида, которое в соответствии с российскими и мировыми
нормами для класса эмиссии Е1 не должно превышать 8 мг/100 г продукции.
Полученные образцы пьезотермопластиков № 1, 2 (из лиственных и хвойных пород
древесных частиц фракции 0,5/-) были переданы в санитарно-экологическую лабораторию ОАО
«Фанплит» для оценки токсичности стандартным перфораторным методом по ГОСТ 27678–88.
Установлено, что в образце №1 содержится 2,9 мг, в образце №2 – 1,0 мг свободного
формальдегида на 100 г пластика. Содержание свободного формальдегида в пьезотермопластиках
несколько раз ниже допустимых требований к древесной плитной продукции, что позволяет
классифицировать данный материал как экологически чистый. Несущественное содержание
свободного
формальдегида
объясняется
выделением
формальдегида
в
результате
термогидролитической деструкции компонентов древесины (прежде всего, пентозанной части).
Общие выводы и рекомендации
Проведены экспериментальные исследования по производству и испытанию физикомеханических свойств пьезотермопластиков. Установлено, что для производства качественных
пластиков необходимо применение целлюлозосодержащих частиц минимального фракционного
Способ регулирования натяжения пряди в ходе процесса трепания
3
размера (0,5/-) влажностью 20%. Температура прессования должна быть порядка 180°С, необходимо
охлаждение материала до нормальной температуры при рабочем давлении от 5 МПа для
формирования химических связей между частицами. При соблюдении указанных технологических
параметров удается получить материал с высокими прочностными показателями и повышенной
водостойкостью. По своим эксплуатационным характеристикам пластики превышают традиционные
клееные древесные плитнные материалы.
Оценена токсичность пластиков в условиях санитарно-экологической лаборатории.
Установлено, что за счет отсутствия синтетических связующих пластики содержат в своем составе
минимальное количество свободного формальдегида, выделяющегося только в результате
термодеструкции древесины. Полученные результаты позволяют классифицировать пластик как
экологически чистый материал, что позволяет их использовать в мебельной промышленности,
строительстве и других сферах без ограничения.
Рис. 1. Кинетика разбухания пьезотермопластиков по толщине
Рис. 2. Кинетика водопоглощения пьезотермопластиков
1.
2.
3.
4.
5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Мелони Т. Современное производство древесностружечных и древесноволокнистых плит /
Т. Мелони ; пер. с англ. А. А. Амалицкого, Е. И. Карасова. – М. : Лесная промышленность,
1982. – 416 с.
Мельникова Л.В. Технология композиционных материалов из древесины : учебник для
студентов спец. «Технология деревообработки» / Л. В. Мельникова. – 3-е изд. – М. : МГУЛ,
2007. – 235 с.
Азаров В.И. Технология связующих и полимерных материалов / В. И. Азаров, В. Е. Цветков. –
М. : Лесная промышленность, 1985. – 216 с.
Минин А.Н. Технология пьезотермопластиков / А. Н. Минин. – М. : Лес. пром-сть, 1965. – 296 с.
О получении древесного пластика без связующего / Н. Я. Солнечник [и др.] //
Деревообрабатывающая промышленность. – 1963. – Вып. 3. – С. 9–11.
Способ регулирования натяжения пряди в ходе процесса трепания
4
6. Плитные материалы и изделия из древесины и других одревесневших остатков без добавления
связующих / В. Н. Петри [и др.]. – М. : Лес. пром-сть, 1976. – 360 с.
PURE ECOLOGICAL CONSTRUCTIONAL COMPOSITE MATERIALS
ON WOODWORKING RAW WASTE BASIS
S.A. Ugryumov, A.V. Ossetrov
Experimental results of physical-mechanical characteristics estimation, swelling kinetics, water absorption,
piezothermoplastic toxicity made of wood particles and flax shave without binder substance addition are presented. It
is established that piezothermoplastics for their operational characteristics meet main demands needed for
constructional wood materials.
Swelling, piezothermoplastics, flax shave, toxicity.
Рекомендована кафедрой МТД КГТУ
Поступила 21.02.11