автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Древесные биопластики с повышенными физико-техническими свойствами

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ЛЁХИНА ЕКАТЕРИНА ПЕТРОВНА УДК 691:634.0.842:547.391.3.261

ДРЕВЕСНЫЕ БИОПЛАСТИКИ С ПОВЫШЕННЫМИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

05.23.05. Строительные материалы и изделия.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Заслуженный деятель науки России, доктор технических наук, профессор В. И .Соломатов Заслуженный деятель науки Мордовии, доктор технических наук, профессор В.Д.Черкасов

Пенза - 1999

Оглавление

стр.

Введение.................................................................................................3

1. Древесные пластики...........................................................................7

1.1. Классификация древесных композиционных материалов............7

1.2. Древеснослоистые пластики на синтетических связующих..........9

1.3. Древесные пластики на цементной связке....................................16

1.4. Лигноуглеводные древесные пластики..........................................23

1.5. Древесные биопластики..................................................................33

1.6. Выводы по главе 1...........................................................................55

2. Материалы и методы исследований..................................................56

2.1. Применяемые материалы................................................................56

2.2. Методы исследований и оборудование..........................................61

2.3. Методы обработки экспериментальных данных...........................65

2.4. Математическое моделирование свойств модифицированных древесных биопластиков.......................................................................66

3. Повышение физико-технических свойств модифицированных биопластиков.........................................................................................68

3.1. Анализ ферментного комплекса гриба Ь.^гтиэ..........................68

3.2. Модификация биопластиков акриловой кислотой.......................76

3.3. Оптимизация состава биопластиков, модифицированных акриловой кислотой и режима их изготовления..................................81

3.4. Оптимизация состава биопластиков, модифицированных карбамидной смолой и режима их изготовления.................................90

3.5. Физико-механические свойства модифицированных биопластиков........................................................................................99

3.6. Выводы по главе 3.........................................................................102

4. Заводская технология производства модифицированных

древесных биопластиков......................................................................103

4.1. Технологическая схема производства биопластиков...................103

4.2. Технологические режимы получения древесного сырья..............108

4.3. Получение культуральной жидкости............................................ПО

4.4. Получение древесной биомассы...................................................112

4.5. Модификация древесной биомассы акриловой кислотой...........114

4.6. Изготовление модифицированных древесных биопластиков.....115

4.7. Технико-экономическая оценка модифицированных биопластиков.......................................................................................117

4.8. Выводы по главе 4.........................................................................119

Общие выводы.....................................................................................120

Список литературы..............................................................................122

Приложения

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы.В условиях становления новых социальных и экономических отношений, в том числе, и в строительстве, большое значение приобретают задачи реконструкции зданий и сооружений, а также переориентирование стройиндустрии и строительного производства на создание и применение энерго- и ресурсосберегающих материалов и технологий. В связи с изменением структуры жилищного и промышленного строительства, в т.ч. с увеличением доли малоэтажного домостроения, возникла настоятельная необходимость в создании и производстве современных строительных материалов, адекватно отвечающих требованиям рыночной экономики. Помимо нормативных физико-механических показателей основными требованиями к ним являются экологическая чистота и экономичность. В таком аспекте наиболее перспективным, на наш взгляд, является ускоренное развитие производства древесных композиционных материалов. В качестве сырья в них используются отходы лесной, деревоперерабатывающей и химической промышленности, что способствует одновременно рациональной утилизации сырья и решению региональных экологических проблем охраны окружающей среды.

До сих пор древесные композиты не находят широкого применения в строительстве из-за довольно высокой токсичности. Традиционная технология изготовления древесных пластиков требует применения в качестве связующих дорогостоящих и токсичных смол. Поэтому особую актуальность получает разработка нового вида древесноплитных материалов для домостроения, обладающих экологической чистотой и повышенными эксплуатационными показателями.

Одним из направлений создания качественно новых древесных пластиков является получение древесноплитных материалов без применения синтетических смол. Уже разработан биотехнологический способ получения древесных пластиков на природных клеящих веществах, основывающийся на биологической активации древесного и другого растительного сырья.

Полученные биокомпозиты обладают хорошими санитарно-гигиеническими и удовлетворительными физико-механическими свойствами. Повышение эксплуатационных свойств древесных пластиков - одно из направлений совершенствования технологии их изготовления. Нахождение эффективного способа модификации древесных биопластиков позволит получить экологически чистый материал с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, удовлетворяющий нуждам строительства, мебельного производства и других отраслей народного хозяйства.

Рабочая гипотеза. Исходя из современных представлений о строении и химии древесины, свойствах полимеров и их физико-химическом взаимодействии с природными полимерами, представляется возможным введение в состав древесной сырьевой массы малого количества добавок, химически взаимодействующих с частицами древесины, например, акриловой кислоты с целью повышения прочности, водостойкости и долговечности биопластиков. Наличие у акриловой кислоты ненасыщенных связей обуславливает ее высокую химическую активность. Условия образования пластика, прежде всего, высокая температура прессования изделий, приведет к разрыву этих связей и образованию свободных радикалов с активными концами, взаимодействующими с реакционноспособными функциональными группами биологически активированного лигнина. Со-полимеризация акриловой кислоты и лигнина будет способствовать улучшению условий структурообразования древесного композита за счет создания прочных сшивок между структурными звеньями лигнина и углеводными составляющими отдельных древесных частиц.

Ц е л ь и з а д а ч и исследований. Целью работы является повышение прочности, водостойкости и других физико-технических и эксплуатационных свойств древесных биопластиков путем изыскания и разработки способа их модификации на стадии производства.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- изыскать химические реагенты, потенциально пригодные для химического связывания лигнинсодержащих древесных частиц;

- оптимизировать состав древесной сырьевой массы с включением сшивающих агентов и режим структурообразования модифицированных биопластиков;

- определить физико-технические свойства модифицированных биопластиков;

- заводскую технологию производства биопластиков с улучшенными эксплуатационными свойствами;

- провести производственное внедрение результатов работы и технико-экономическую оценку модифицированных биопластиков.

Научная новизна; установлена целесообразность введения химических добавок для повышения физико-технических свойств биопластиков; найдены эффективные упрочняющие добавки - непредельные кислоты, способные активно взаимодействовать с ароматической и углеводной составляющими древесных частиц; подобрано оптимальное количество вводимых модификаторов и предложен рациональный состав древесной сырьевой массы для изготовления модифицированных биопластиков; установлено влияние сшивающих агентов на физико-механические и эксплуатационные свойства биопластиков; разработана последовательность технологических операций производства модифицированных биопластиков; установлены основные технологические параметры изготовления модифицированных биопластиков; определены основные физико-механические и эксплуатационные свойства модифицированных биопластиков.

Практическое значение работы: произведена разработка способа повышения физико-технических свойств древесных биопластиков; осуществлен подбор состава древесных композиционных материалов из биологически активированного сырья, модифицированных непредельными кислотами; получен композиционный строительный материал с высокими показателями прочности и разбухания.

Реализация работы. Результаты работы прошли опытную проверку на производственной линии "ВНИИдрев", где была изготовлена партия плит из биологически активированного древесного сырья, модифицированного акриловой кислотой. Применение сшивающих агентов позволило снизить водопоглощение в 1.5 раза, разбухание - в 1.3 раза и повысить прочность в 1.3 раза. Данные плиты были использованы в качестве теплоизоляционных и отделочных материалов. Результаты исследований использованы при разработке производственной технологии, проектировании и строительстве завода биопластиков в системе МПС РФ.

Апробация р а бо т ы . Основные положения и результаты работы доложены на международных научно-технических конференциях "Ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов" (г.Макеевка, 1995), "Современные проблемы строительного материаловедения" (г. Казань, 1996), "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г.Москва, МИИТ, 1996), на юбилейной научно-технической конференции "Новое в строительном материаловедении" (г.Москва, МИИТ, 1996), на II Академических чтениях (г.Саранск, 1997), на III Академических чтениях (г.Пенза, 1998), на международной научно-технической конференции (г.Гомель, 1998).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы, приложения. Диссертация содержит 141 страниц машинописного текста, 40 рисунков, 19 таблиц и библиографический список из 233 наименований.

1. ДРЕВЕСНЫЕ ПЛАСТИКИ.

СВОЙСТВА, ТЕХНОЛОГИЯ И ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВА.

1.1. Классификация древесных композиционных материалов.

Композиционные строительные материалы - строительные композиты - представляют собой материалы, полученные из двух или более компонентов и приобретающие при этом новое сочетание свойств, не присущих исходным компонентам.

К древесным композитам относятся материалы, в состав которых входит, в основном, древесина (85-97%) с добавлением определенного количества связующего органической или минеральной природы для образования и усиления связи между древесными частицами. В этом случае связующее может выполнять роль матрицы, в которую заключен каркас из древесного материала [37,225,229,230].

Древесные пластики можно классифицировать по нескольким направлениям:

- по плотности готовых изделий: легкие (менее 1200 кг/мЗ) и тяжелые (более 1200 кг/мЗ);

- по виду основного сырья: из лесосечных отходов, из отходов переработки древесины и из шпона;

- по породе древесины: из лиственных пород, из хвойных пород и комбинированные;

- по размеру и форме древесных частиц: из опилок, стружек, дробленки и шпона;

- по виду связующего: на синтетических полимерах и органическом связующем (фенолформальдегидная смола, мочевиноформальдегидная смола и др.), на минеральных вяжущих (цемент, известь, гипс, магнезиальные вяжущие) и без связующих (пьезотермопластики, лигноуглеводные древесные пластики, биопластики);

- по области применения древесных композиционных материалов: строительство, мебельная промышленность, транспорт, горно-добывающая и другие отрасли промышленности.

Классификация древесных пластиков по видам связующих и способу производства приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация древесных пластиков.

1.2. Древесноелоистые пластики на синтетических связующих.

Основным направлением использования отходов древесины для изготовления древесных строительных материалов до сих пор остается производство древеснослоистых пластиков с применением синтетических связующих. К ним относятся древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые (ДВП) плиты, отличающиеся друг от друга размером и формой древесного наполнителя.

На физико-механические свойства древеснослоистых пластиков существенное влияние оказывает порода древесины, применяемая для производства стружек и волокна, вид связующего, температурно-влажностный режим изготовления древесных пластиков и некоторые другие факторы [67,169,218].

Древесные композиционные материалы обладают относительно высокими физико-техническими свойствами, технологичны, легко обрабатываются, имеют широкую область применения. Главным недостатком древеснослоистых пластиков является их высокая токсичность, обусловленная использованием в качестве связующего синтетических смол [63,99,195,223].

Для производства древесноплитных материалов применяют отходы лесопильных и деревообрабатывающих предприятий, а также лесосечные отходы [61,102,217]. При этом используется древесина различных пород. В таблицах 1.1., 1.2. приведена зависимость физико-механических свойств древесностружесчных плит от породы древесины, применяемой при изготовлении стружки.

Влияние породы древесины на прочность древесностружечных плит

Таблица 1.1.

Порода древесины Предел прочности при статическом изгибе, МПа, при плотности, кг/м3

500 600 700 800

сосна 21 28 37 49

1 2 3 4 5

ель 19 25 34 46

береза 13 20 30 42

осина 11 19 28 40

бук 8 15 25 37

1.1.

Влияние породы древесины на разбухание древесностружечных плит по толщине

Таблица 1.2.

Порода древесины Разбухание, %, при плотности, кг/м3

500 600 700 800

сосна 16 17.5 18.5 19

ель 15 17 18 18.5

береза 13.5 15 16 17

осина 13 14 15 16

бук 11 13 14 15

Из таблиц 1.1. и 1.2. видно, что прочность при статическом изгибе древесностружечных плит, изготовленных из хвойных пород древесины выше, чем из лиственных, однако, показатели водостойкости у последних лучше.

В древесных пластиках в качестве связующих используются мочеви-ноформальдегидные, фенолформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы. Эти смолы относятся к термореактивным, которые при нагревании необратимо переходят сначала в вязкотекучее, а затем в твердое состояние. К неприятным особенностям этих смол относится выделение в окружающую среду вредных веществ - фенола и формальдегида [196].

Выделение вредных веществ, в первую очередь, зависит от соотношения компонентов смол и технологии их получения. Также на степень токсичности древесных пластиков влияет порода древесины, влажность осмоленных древесных частиц, вид связующего, тип и объем введенного в смолу отвердителя. Свойства древесных пластиков на синтетических связующих во многом зависят и от температурно-влажностного режима их изготовления.

При повышении влажности в древесных пластиках наблюдается снижение адгезионной прочности клеевых соединений, т.к. повышенная влажность способствует протеканию реакции гидролитического распада некоторых видов смол с образованием в качестве конечных продуктов реакции веществ, не обладающих способностью к склеиванию древесных частиц. Поскольку определенное количество влаги в древесных пластиках присутствует на всех этапах, начиная с процесса производства и заканчивая стадией эксплуатации, то в плитах на связующих, наиболее подверженных гидролизу (например, на карбамидных смолах), он протекает постоянно. Но скорость этой реакции и ее последствия различны на каждом из этапов, т.к. не одинаковы и определяющие ее условия: содержание влаги, температура и кислотность среды. Совместное действие повышенной температуры и влажности ускоряет термоокислительные процессы в клеевых соединениях, что приводит к быстрому старению полимеров и, тем самым, снижает долговечность древесных пластиков. Кроме того, увеличение температуры способствует повышению хрупкости клеевых соединений [65,172,202,219, 226,227].

При производстве древесных пластиков на синтетических связующих применяются, в основном, карбамидные смолы, т.к. они обеспечивают сравнительно высокую прочность склеивания, доступны и имеют относительно низкую стоимость. Плиты на фенолформальдегидных смолах более водостойки и биостойки, чем на карбамидной связке, но и более токсичны. Меламиноформальдегидные смолы менее токсичны, однако, дороги и де-

фицитны, и в нашей стране практически не применяются [23,64,88,164,165, 198].

Рабочий раствор связующего должен отвечать следующим основным