автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Теплоизоляционные материалы на основе модифицированных методом взрывного автогидролиза отходов растительного происхождения

На правах рукописи

Ширяев Дмитрий Васильевич

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ВЗРЫВНОГО АВТОГИДРОЛИЗА ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

05.21.03 — Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

Барнаул - 2013

005543882

005543882

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» на кафедре «Технология переработки пластмасс и эластомеров», г. Барнаул

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Чистова Наталья Геральдовна - доктор технических наук, профессор, Jle-сосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, кафедра лесоинженерного дела, профессор

Катраков Игорь Борисович - кандидат химических наук, доцент, Алтайский государственный университет, кафедра органической химии, доцент

Ведущая организация: Уральский государственный лесотехнический университет

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82, ауд. Ц-110; e-mail: dissovetsibgtuOl @mail.ru

Отзывы (в двух экземплярах) с заверенными подписями просим направлять ученому секретарю диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор химических наук, профессор

Чемерис Михаил Матвеевич

д.т.н., профессор

Исаева Елена Владимировна

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Усилия исследователей направлены на разработку и внедрение новых строительных материалов с целью их удешевления, либо придания заданных свойств и характеристик.

Применение отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства в производстве таких материалов позволяет не только расширить ассортимент продукции деревообрабатывающих предприятий и снизить себестоимость готовой продукции, но и снизить нагрузку на окружающую среду.

Применяемый на кафедре технологии переработки пластических масс и эластомеров (ТППиЭ) Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ) метод взрывного автогидролиза с целью активации компонентов растительной массы позволяет получать древесноволокнистые плитные материалы без использования синтетических связующих веществ. В качестве исходного сырья можно использовать не только деловую древесину, но и отходы деревообрабатывающей промышленности, и однолетние растения. При этом варьируя параметры ВАГ и последующего прессования, можно получать плитные материалы с заданными физико-механическими характеристиками.

Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности процессов, протекающих при изготовлении теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения.

Объект исследования. Технология производства теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения.

Цель исследования. Разработка научных основ технологии изготовления теплоизоляционных плитных материалов из модифицированных методом взрывного автогидролиза отходов растительного происхождения.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- изучить влияние условий модифицирования растительного сырья методом взрывного автогидролиза (ВАГ) на компонентный состав волокнистой массы;

- изучить влияние условий получения волокнистой массы методом ВАГ и условий её прессования на теплофизические характеристики плитных материалов;

- изучить химические превращения компонентов растительного сырья в условиях ВАГ и последующего горячего прессования полученной волокнистой массы;

- предложить принципиальную технологическую схему изготовления теплоизоляционных плитных материалов;

- оценить основные технико-экономические показатели изготовления теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения, модифицированных методом ВАГ.

Теоретическая и методологическая основа исследований. Теоретической основой работы являются исследования отечественных и зарубежных

ученых (Каллавус У.Л., Гравитис Я.Л, Эринып П.П., Ефремов A.A., Салин Б.Н., Кузнецов Б.Н. и др.) в области комплексной переработки древесных отходов с использованием метода взрывного автогидролиза. Методологической основой служит метод получения плитных материалов из модифицированных методом ВАГ опилок древесины лиственницы. Диссертационное исследование является продолжением научно-исследовательских работ, выполненных под руководством д.х.н. М.М. Чемериса на кафедре «Технология переработки пластмасс и эластомеров» АлтГТУ.

В рамках данной работы использовались физико-химические, химические и физические методы исследования (метод УФ-спектроскопии, метод твердофазной ЯМР 13С спектроскопии, потенциометрии), а также теоретические методы квантовохимического расчета.

Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично.

Научная новизна

Впервые научно обоснована возможность получения теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения, модифицированных методом ВАГ.

Впервые химическими и физико-химическими методами изучены особенности химических превращений компонентов коры сосны, соломы пшеницы и древесины осины в процессе ВАГ и последующего горячего прессования.

Разработаны условия получения теплоизоляционных материалов на основе отходов растительного происхождения без использования синтетических связующих веществ.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработаны условия изготовления волокнистой массы из коры сосны и соломы пшеницы методом ВАГ, а также условия ее прессования. По полученным результатам предложена принципиальная технологическая схема производства теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения. Предложенная технологическая схема может быть реализована на действующих предприятиях по производству древесностружечных и древесноволокнистых материалов.

Результаты работы апробированы в условиях производства ООО «Ал-тай-Форест» (с. Ларичиха, Алтайский край), что подтверждено актами внедрения.

Положения, выносимые на защиту. В рамках специальности 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п. 14 — Химия и технология древесноволокнистых, древесностружечных плит и пластиков, модификация древесины) на защиту выносится:

- обоснование выбора условий изготовления волокнистой массы методом ВАГ из отходов растительного происхождения;

- обоснование выбора условий изготовления теплоизоляционных плитных материалов методом горячего прессования волокнистой массы на основе модифицированных методом ВАГ отходов растительного происхождения;

- особенности поведения компонентов коры сосны и соломы пшеницы в процессе их модифицирования методом ВАГ и горячего прессования, в сравнении с поведением компонентов древесины осины при аналогичной обработке;

- принципиальная технологическая схема получения теплоизоляционных плитных материалов на основе модифицированных методом ВАГ отходов растительного происхождения.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на всероссийских научных конференциях: «Наука и молодежь» (Барнаул, 20092012 г.), «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 2009 г.), международной конференции молодых ученых студентов аспирантов «5-е Кирпичниковские чтения» (Казань 2009).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе: статей в рецензируемых журналах 7, тезисов докладов 8.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы из 138-ми наименований, четырех приложений. Работа изложена на 146 с. машинописного текста, включает 47 рисунков, 19 таблиц.

Основное содержание работы

Введение. Во введении обоснована актуальность использования отходов растительного происхождения для производства теплоизоляционных материалов.

В первой главе приведен анализ литературных данных о современных способах изготовления теплоизоляционных материалов на основе сырья растительного происхождения. Показаны основные достоинства и недостатки различных технологий, применяемых для изготовления теплоизоляционных материалов. Показана возможность применения метода взрывного автогидролиза для активации компонентов древесины с целью изготовления плитных материалов без использования синтетических связующих веществ.

Во второй главе представлены методики изготовления волокнистой массы и плитных материалов. Изложены методы исследования исходного растительного сырья и продуктов его модифицирования: УФ-спектроскопии, твердофазного ЯМР 13С-спектроскопического исследования, потенциометри-ческого анализа, термогравиметрического анализа, химического анализа, а также методы определения физико-химических характеристик плитных материалов.

В третьей главе представлены результаты изучения влияния технологических параметров на процесс изготовления теплоизоляционных плитных материалов. Установление закономерностей влияния условий ВАГ на процессы, протекающие в соломе пшеницы и коре сосны, проводилось с применением метода полного двухфакторного эксперимента. В качестве факторов,

воздействующих на растительное сырье, были выбраны температура водяного пара и продолжительность его воздействия. В качестве выходных параметров - содержание целлюлозы и лигнина в твердом остатке, а также содержание редуцирующих веществ (РВ) в водном экстракте (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема проведения полного двухфакторного эксперимента

Уравнения регрессии, описывающие процесс взрывного автогидролиза, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Уравнения регрессии, описывающие процесс взрывного автогидролиза соломы пшеницы и коры сосны_

Уравнение регрессии Выходной параметр

Кора сосны

У,=28,5 - 2,8Х[ - 0,95Хг содержание целлюлозы в твердом остатке

У2=57,9 + 2,0 X, содержание лигнина в твердом остатке

У3=10,4 + 2,8 X, + 1,85 Х2+0,85Х,Х2 содержание РВ в водном экстракте

Солома пшеницы

У4=65,6 + 1,95 X, + 1,7 Х2- 2,8ХіХ2 содержание целлюлозы в твердом остатке

У5=28,8 + 2,2 Х, +1,5Х2 содержание лигнина в твердом остатке

У6=22,15 + 4,IX, + 2,9X2- 2,15X1X2 содержание РВ в водном экстракте

Примечание - Х[ - температура модифицирования; Х2 - продолжительность модифицирования

Анализ полученных моделей показал, что на процесс образования редуцирующих веществ при обработке соломы пшеницы и коры сосны паром высокого давления в большей мере влияет температура водяного пара, чем продолжительность его воздействия. Так, в случае модифицирования соломы пшеницы методом ВАГ, при температуре 220 °С и продолжительности процесса 5 мин содержание редуцирующих веществ в водном экстракте достигает величины близкой к максимальной и составляет 25,5 %. В условиях обработки 160 °С содержание РВ в водном экстракте не достигает максимальной величины, даже при продолжительности модифицирования 30 мин.

Массовая доля лигнина в твердом остатке растительного сырья в большей мере зависит от температуры водяного пара. Общее увеличение фактора

жесткости, независимо от вида растительного сырья, приводит к конденсационным процессам лигнинной составляющей с продуктами гидролитической деструкции, о чем более подробно описано в главе 4.

Для соломы пшеницы характерной особенностью является то, что совместное увеличение температуры и продолжительности процесса ВАГ приводит к снижению содержания целлюлозы в твердом остатке.

На втором этапе исследования изучено влияние условий получения волокнистой массы на физико-механические показатели ДВП (таблица 2).

Таблица 2 - Влияние условий ВАГ на свойства плитных материалов

Влияние температуры ВАГ, т - 10 мин

Сырье Температура, °С Толщина образца, мм Плотность образца, х103 кг/м3 Пористость, %

Модифицированная солома пшеницы 160 20,13+0,17 0,32+0,02 79+2

180 19,50+0,17 0,32+0,02 79±2

200 19,81+0,09 0,32±0,02 79+2

220 19,80±0,17 0,32±0,02 79+2

Модифицированная кора сосны 160 19,86+0,09 0,32+0,02 76+2

180 19,86±0,09 0,32±0,02 76±2

200 19,91+0,17 0,32+0,02 76+2

220 19,90+0,17 0,32+0,02 76+2

Влияние продолжительности ВАГ, Т - 160 °С;

Сырье Время, мин Толщина образца, мм Плотность образца, х103 кг/м3 Пористость, %

Модифицированная солома пшеницы

10 20,13±0,17 0,32+0,02 74+2

20 19,92+0,17 0,33+0,02 74+2

30 20,19±0,17 0,33±0,02 74±2

Модифицированная кора сосны 10 19,86±0,09 0,32±0,02 76±2

20 19,93+0,17 0,33+0,02 76±2

30 20,10+0,19 0,33±0,02 76+2

Примечание - условия прессования: Т - 140 "С, т - 15 мин, Р - 0,26 МПа

Из представленных данных видно, что увеличение температуры водяного пара и продолжительности его воздействия приводят к незначительному увеличению плотности получаемых образцов, что, по-видимому, связано с образованием большего количества редуцирующих веществ в процессе ВАГ и увеличением вероятности их участия в химических взаимодействиях (рисунок 2).

С целью установления закономерностей влияния условий ВАГ на показатель теплопроводности плитных материалов был применен метод полного двухфакторного эксперимента. Сравнительный анализ значений коэффициентов теплопроводности, полученных экспериментально, со значениями, полученными по уравнениям регрессии, показал, что влияние условий получения волокнистой массы на теплоизолирующие свойства плитных материалов носит более сложный характер. В связи с чем, по экспериментальным точкам была построена поверхность, отражающая зависимость теплоизолирующих свойств плитных материалов от условий ВАГ (рисунок 3).

150 160 170 180 190 200 210 S 10 15 20 25 30 35

Температура ВАГ. °С Продолжительность ВАГ, мин

1 — кора сосны; 2 — солома пшеницы Условия ВАГ: т- 15 мин, Т- 180 °С; условия прессования: Р-0,65 МПа, т-20 мин, Т- 140 "С Рисунок 2 - Влияние условий ВАГ на участие РВ в химических взаимодействиях

1 - кора сосны, 2 - солома пшеницы Условия прессования: т - 15 мин, Т -140 °С, Р - 0,26 МПа Рисунок 3 - Влияние условий ВАГ на теплопроводность плитных материалов

На основе анализа данных изучения влияния условий ВАГ на компонентный состав пресс-массы и свойства теплоизоляционных материалов, в качестве условий проведения процесса ВАГ коры сосны и соломы пшеницы могут быть рекомендованы: температура 160-180 °С, продолжительность 15-20 мин.

На стадии изготовления плитных материалов основными технологическими параметрами, определяющими возможность участия компонентов пресс-массы в химических взаимодействиях и влияющими на формирование комплекса теплофизических характеристик, являются давление и продолжительность процесса прессования.

Оценка влияния условий прессования волокнистой массы на основе модифицированных методом ВАГ коры сосны и соломы пшеницы на протекание химических взаимодействий ее компонентов проводилось по изменению содержания РВ. Влияние давления и продолжительности процесса прес-

сования на участие РВ в образовании сшитых структур представлены на рисунке 4.

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1,2 Давление прессования, МПа

Длительность прессующего усилия, I.

1 — кора сосны; 2 — солома пшеницы Условия ВАГ: Т- 180 °С, т- 15 мин; условия прессования: т - 20 мин, Т - 140 °С, Р-0,65 МПа Рисунок 4 - Влияние условий прессования на участие РВ в химических превращениях

Исследования показали, что повышение давления прессования увеличивает количество редуцирующих веществ, участвующих в образовании сшитых структур. Так, при увеличении давления прессования от 0,13 МПа до 0,26 МПа доля редуцирующих веществ, участвующих в химических взаимодействиях, возрастает более чем в два раза. Это связано с тем, что для более глубокого протекания реакции необходимо увеличение площади контакта между участниками реакции, что, очевидно, и происходит при увеличении давления прессования.

Как для коры сосны, так и для соломы пшеницы увеличение продолжительности процесса до 20 мин приводит к значительному увеличению количества редуцирующих веществ, вступивших во взаимодействие.

Влияние условий прессования волокнистой массы, полученной модифицированием коры сосны и соломы пшеницы методом ВАГ, на свойства плитных материалов представлены в таблице 3.

Как свидетельствуют результаты таблицы, изменение продолжительности воздействия прессующего усилия практически не оказывает влияния ни на геометрические размеры образца, ни на их пористость. Однако при продолжительности процесса прессования менее 15 мин получаемые плитные материалы не держат каркас, по-видимому, в этих условиях, количество образующихся связей недостаточно для скрепления компонентов пресс-массы.

При увеличении давления прессования возрастает плотность получаемых плитных материалов и происходит значительное снижение пористости. При этом плитные материалы, полученные из модифицированной методом ВАГ коры сосны при давлении менее 0,26 МПа, не обладают конструкционной жесткостью.

Таблица 3 - Влияние условий прессования на свойства плитных материалов

Влияние давления прессования

Сырье Давление, МПа Толщина образца, мм Плотность образца, х103 кг/м3 Пористость, %

Модифицированная солома пшеницы 0,13 28,04+0,09 0,25+0,02 79+2

0,26 20,13+0,17 0,32±0,02 74+2

0,65 11,81±0,17 0,70±0,02 47+2

1,30 5,25+0,09 1,18+0,02 7+2

Модифицированная кора сосны 0,13 30,37+0,17 0,22+0,02 -

0,26 19,86+0,09 0,32±0,02 76+2

0,65 12,93+0,09 0,61+0,02 49+2

1,30 5,88+0,09 1,16+0,02 7+2

Влияние продолжительности процесса прессования

Сырье Время, мин Толщина образца, мм Плотность образца, х103кг/м3 Пористость, %

Модифицированная солома пшеницы 5 20,32+0.09 0,32+0,02 -

10 20,48+0,17 0,32+0,02 -

15 20,13+0,17 0,32±0,02 74+2

20 20,46+0,17 0,34+0,02 72+2

30 20,35+0,09 0,35+0,02 71+2

Модифицированная кора сосны 5 20,42±0,17 0,32+0,02 -

10 20.40+0,17 0,32+0,02 -

15 19,86±0,09 0,32±0,02 76+2

20 20,14+0,09 0,34+0,02 73±2

30 20,31+0,17 0,35+0,02 72+2

Примечание - условия ВАГ: Т- 160 °С, т - 10 мин; условия прессования: Т -140 °С, т - 15 мин, Р — 0,26 МПа

Повышение давления прессования до 0,65 МПа приводит к уменьшению свободного объема в плитных материалах и, очевидно, что теплоизоляционные характеристики таких материалов должны быть снижены.

Влияние условий прессования коры сосны и соломы на теплопроводность плитных материалов представлены на рисунке 5.

кора сосны солома пшеницы

Условия ВАГ: т - 5 мин, Т - 180 °С; условия прессования: Т - 140 °С Рисунок 5 - Влияние условий прессования на теплоизоляционные свойства плитных материалов

Как видно из рисунка, увеличение давления прессования приводит к снижению теплоизолирующей способности плитных материалов вследствие значительной потери пористости (см. таблицу 3).

Анализ данных влияния условий прессования волокнистой массы на свойства плитных материалов показал, что рекомендуемыми условиями получения теплоизоляционных плитных материалов являются: давление 0,26-0,65 МПа и продолжительность 15 мин.

На основании рекомендованных параметров процесса изготовления волокнистой массы из коры сосны и соломы пщеницы методом ВАГ и параметров последующего горячего прессования были получены теплоизоляционные плитные материалы, которые по своим характеристикам соответствуют требованиям ГОСТ 4598-86, предъявляемым для мягких древесноволокнистых плит (ДВП) марки М-2 (таблица 4).

Таблица 4 - Сравнение характеристик ДВП с параметрами ГОСТ 4598-86

Показатель Сырье Требования ГОСТ 4598-86

солома пшеницы кора сосны

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 0,054 0,063 не более 0,07

Предел прочности при изгибе, МПа, нижняя граница Тн 5,01 1,58 1,1

Влажность, %, верхняя граница Тв 9,04 7,16 не более 12

Примечание - условия ВАГ: Т-180 °С, т-15 мин (солома пшеницы), т-20 мин (кора сосны); условия прессования: Т- 140 "С, т-15 мин, Р - 0,26 МПа

Так как предлагаемая нами технология получения теплоизоляционных плитных материалов (ТИМ) из растительного сырья, модифицированного методом ВАГ, не подразумевает ввода синтетических связующих веществ, придающих плитным материалам водостойкость, полученные теплоизоляционные материалы не соответствуют показателю ГОСТ 4598-86 по водопо-глощению. В связи с этим рекомендуется ввести дополнительную стадию ламинирования плит.

В рамках данной работы было изучено влияние вида растительного сырья на свойства теплоизоляционных материалов (таблица 5). Показано, что независимо от вида используемого растительного сырья возможно получение плитных материалов с теплофизическими характеристиками, соответствующими мягким ДВП марки М-2. Однако следует учесть, что для отходов растительного происхождения, характеризующихся высоким содержанием лигнина, например коры сосны, процесс модифицирования необходимо проводить в более жестких условиях.

Таблица 5 - Влияние вида растительного сырья на свойства плитных

материалов

Материал Толщина, Пористость, Коэффициент

мм % теплопроводности, Вт / (м К)

Древесина: - осина 19,42+0,17 77±2 0,055+0,002

-сосна сибирская 19,20+0,17 78+2 0,060+0,002

- сосна обыкновенная 19,50+0,17 77±2 0,049+0,003

-береза 19,50+0,17 79+2 0,054+0,002

Солома 19,50+0,17 79+2 0,050+0,003

Кора сосны 19,86+0,09 76+2 0,083±0,003

Примечание - условия ВАГ: т - 180 "С, т- 10 мин; условия прессования: T - 140 °С, т — 15 мин, Р - 0,26 МПа.

В четвертой главе представлены результаты изучения химических превращений основных компонентов коры сосны и соломы пшеницы в процессе модифицирования методом взрывного автогидролиза и последующего горячего прессования. Изучение проводили в сравнении с древесиной осины. В качестве основного метода исследования в рамках данной работы, был применен метод ЯМР |3С спектроскопии в комплексе с химическими и физико-химическими методами исследования.

Значения относительных интегральных интенсивностей химических сдвигов атомов углерода основных структурных элементов растительного сырья представлены в таблице 6.

Снижение интенсивности сигнала в области 178-164 м.д., характерного для атомов углерода сложноэфирных или свободных карбоксильных групп, на спектрах модифицированных коры сосны и соломы пшеницы по сравнению с интенсивностью аналогичных сигналов на ЯМР 13С спектрах ^модифицированных образцов связано с гидролизом сложноэфирных связей.

Протекание реакции деацилирования подтверждается также присутствием интенсивного сигнала в области 178-164 м.д. на ЯМР 13С спектрах водных экстрактов исследуемых образцов и изменением кислотности среды лиг-ноуглеводной массы, получаемой методом ВАГ.

Наличие на ЯМР 13С спектрах водного экстракта (рисунок 6) интенсивного сигнала в области 90-109 м.д., ответственного за аномерные атомы углерода моносахаридов, восстанавливающего звена олигосахаридов и С] атомы углерода, участвующие в образовании гликозидной связи полисахаридов, а также присутствие на спектрах твердого остатка после водной экстракции интенсивного сигнала в области 105 м.д., ответственного за С! атом углерода в р 1-4 гликозидной связи целлюлозы (рисунок 7), позволяют утверждать, что основной реакцией углеводной части коры сосны и соломы пшеницы является гидролиз гемицеллюлоз по гликозидным связям с сохранением полимерной цепи целлюлозы.

Таблица 6 - Значение интегральной интенсивности сигналов атомов углерода основных функциональных групп

Значение сигнала, м.д. Отнесение сигналов атомов углерода Древесина осины Солома пшеницы Кора сосны

исходная моди-фици-рован-ная прессованная исходная моди-фици-рован-ная прессованная исходная моди-фици-рован-ная прессованная

178-164 СООН;СООЫ 2,07 1,04 0,78 2,26 0,78 0,77 1,11 0,73 0,78

160-110 С аг 14,90 15,97 15,50 15,79 16,80 16,15 28,83 34,91 34,69

153,0000 Сдг-0 в Б 1,86 1,39 1,40 1,13 0,78 0,77 5,65 5,45 6,40

147 (144) СдгО в в СЛг-0-Я-Сдг 0,69 1,39 2,71 2,63 3,52 3,85 6,65 4,95 (7,41) 5,74 (8,60)

132-129 СНвНс 5,65 10,00 8,91

105,0000 С, в Р 1-4 целлюлозы С2С6в8 10,69 10,76 8,91 10,53 10,31 8,85 7,06 7,64 6,59

84-83 Св при 0-0-4- 10,34 11,11 6,59 10,15 10,55 5,00 8,27 6,73 5,81

75 Са при р-О-4- 27,93 27,78 15,12 16,54 17,58 12,69 20,16 11,64 9,30

65 Са при С„-ОН 7,93 5,56 5,81 6,39 5,86 5,77 4,64 4,18 3,88

58-52 С в -ОСН3 6,64 5,56 5,04 2,63 1,56 2,31 4,23 3,45 3,68

50-20 Сдл в СН СН2 СНз 5,52 4,86 8,14 12,78 5,08 10,38 11,09 12,55 14,15

Отнесение химических сдвигов, ответственных за атомы углерода ароматической части изучаемого растительного сырья, проводили на основании литературных данных и квантово-химического расчета DFT, выполненного в программе Gaussian, с применением базиса B3LYP 6-311G .

0.40 0.35 0.30 0.25 020 0.1 S 0.10 0.05

Chtmicjl Shift (ppm)

V

Рисунок 6 - Фрагмент ЯМР С спектра водного экстракта коры сосны (1) и соломы пшеницы (2)

Рисунок 7 - Фрагмент ЯМР 13С спектра модифицированных и подвергнутых водной экстракции коры сосны (1) и соломы пшеницы (2)

При модифицировании коры сосны помимо реакции деметоксилирова-ния, вызывающей увеличение доли я-оксифенилпропановых структур лигнина (таблица 6, сигнал в области 132-129 м.д.), протекают реакции конденсации фенилпропановых структур, как между собой, так и с продуктами гидролиза гемицеллюлоз, вызывающие увеличение интегральной интенсивности сигналов (с 28,83 до 34,91 %), в области, характерной для атомов углерода ароматической природы (рисунок 8, таблица 6).

I ... { .»

JV

.К .4

а - немодифицированная древесина осины;

б - древесина осины после модифицирования методом ВАГ

yv* ¿К

а - немодифицированная солома пшеницы; б - солома пшеницы после модифицирования методом ВАГ

а - немодифицированная кора сосны;

б - кора сосны после модифицирования методом ВАГ

Рисунок 8 - Фрагменты ЯМР 13С-спектров ^модифицированного и модифицированного

растительного сырья

На ЯМР ,3С спектрах водных экстрактов древесины осины, соломы пшеницы и коры сосны присутствуют характеристические для атомов углерода ароматических соединений сигналы в области 160 - 110 м.д., что свидетельствует о частичном гидролизе лигнина до водорастворимого состояния. Подтверждением этому является наличие характеристической а-полосы ароматических производных бензола на УФ-спектре водного экстракта. Схожесть характера гидролитических процессов, протекающих в коре сосны и соломе пшеницы в процессе ВАГ, с процессами, протекающими при аналогичной обработке древесины, определило возможность их использования в процессе изготовления плитных материалов без применения синтетических связующих веществ.

Анализ интегральных интенсивностей сигналов на ЯМР 13С спектрах плитных материалов, изготовленных на основе модифицированных методом ВАГ коры сосны и соломы пшеницы, в сравнении с интенсивностью аналогичных сигналов модифицированных образцов, показал, что, как и в случае прессования модифицированной древесины осины, фенилпропановые единицы (ФПЕ) лигнинной части коры сосны и соломы пшеницы взаимодействуют с продуктами гидролиза полисахаридов. Первоначально образующимся продуктом такого взаимодействия является «лигниноспирт» (рисунок 9).

Последующие химические взаимодействия будут осуществляться либо в направлении реакции образования «лигниноальдегидных» смол (рисунок 10), либо О-алкилированных структур (рисунок 11).

Рисунок 9 - Схема реакции образования «лигниноспирта»

—с— і

—с—

—с—

—с—

—с— і

—с—

—с—

—с—

—с—

—с—

о-н

-н2о

¿_н с5н7(ОН)5

о-н

о-н

Рисунок 10 - Схема реакции образования «лигниноальдегидной» смолы

—с—

I

—с—

—с—

I

—с—

—о—

—с—

—с— 1

—с—

-н2о

о-н

о-н

Рисунок 11 - Схема реакции О-алкилирования

о-н

Для древесины осины равновероятностными являются как реакции поликонденсации (рисунок 10), так и О-алкилирования (рисунок 11), а не преимущественное образование лигниноальдегидной смолы, как следует из литературных данных. Об этом свидетельствует увеличение относительной интегральной интенсивности сигнала в области 147 м.д. (таблица 6) соответствующего сигналу углеродного атома *С-0-К' в О-алкилированных структурах лигнина, а также увеличение интегральной интенсивности сигналов в области 50-20 м.д., свидетельствующих об образовании связей, аналогичных метиленовым мостикам в фенолформальдегидных смолах.

Незначительное увеличение интенсивности сигнала (с 3,52 до 3,85 %) на ЯМР 13С спектрах прессованной соломы пшеницы в области 147 м.д. (см. таблицу 6), ответственных за образование О-алкилированных структур ФПЕ лигнина, по сравнению с увеличением интенсивности сигналов в области 5020 м.д. (с 5,08 до 10,2 8%), ответственных за алифатические атомы углерода, говорит о том, что в процессе прессования модифицированной соломы пшеницы реакция образования лигниноальдегидной смолы преобладает над реакцией О-алкилирования. Более широкий диапазон сигналов, ответственных за атомы углерода метиленовых мостиков (50-5 м.д.), свидетельствует о большем количестве вариантов их расположения относительно алифатического радикала по сравнению с прессованной древесиной осины.

При прессовании модифицированной методом ВАГ коры сосны в равной степени протекают процессы О-алкилирования и образования лигниноальдегидной смолы, о чем свидетельствует сопоставимое увеличение относительных интегральных интенсивностей сигналов в области 147 и 50-5 м.д. (см. таблицу 6). Незначительный характер изменений сигналов в этих областях, по сравнению со спектрами древесины осины, свидетельствует о том, что вероятность протекания реакций, представленных на рисунках 10, 11, для коры древесины сосны мала.

В пятой главе на основании результатов исследования предложены технические решения по получению теплоизоляциионных плитных материалов.

На рисунке 12 приведена технологическая схема, составленная на основании модернизации технологической схемы действующего производства

ООО «Алтай-Форест» по производству ДСП. Модернизация схемы для выпуска ТИМ подразумевает установку дополнительного оборудования: аппаратов ВАГ (11), пресса холодного прессования (19), а также установки ламинирования плитных материалов (27).

Для предложенной технологической схемы был проведен расчет экономической эффективности организации производства теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения. В расчетах были учтены экономический эффект за счет отсутствия синтетических связующих веществ и предотвращенный экологический ущерб от сжигания отходов.

1 - склад сырья; 2, 8, 16 - бункер запаса; 3,9,17 - питатель; 4,6 ленточный конвейер; 5 - рубительная машина; 7, 12 - конвейер с погруженными скребками; 10, 15, 24 -пневмотранспорт; 11- установка ВАГ; 13 - сушилка; 14 - металлоулавливатель; 18 - формующая машина; 19 - пресс холодного прессования; 20 - контрольные весы; 21 - загрузочная тележка; 22 - пресс горячего прессования;23 - разгрузочная тележка; 25 - роликовый конвейер; 26 - форматно-обрезной станок; 27 - термопресс для ламинирования 28 -склад готовой продукции.

Рисунок 12 - Технологическая схема процесса производства теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения без добавления синтетических связующих веществ

По эколого-экономическим показателям предлагаемая технологическая схема подразумевает снижение себестоимости готовой продукции на 975 руб. за 1 м3, что составляет 10,8 % от рыночной стоимости предлагаемых на российском рынке плитных материалов.

Выводы

1 Получены математические модели, описывающие поведение компонентов коры сосны и соломы пшеницы в условиях взрывного автогидролиза. Показано, что на стадии получения волокнистой массы наиболее значащим фактором является температура.

2 Впервые изучено влияние условий модифицирования коры сосны и соломы пшеницы методом взрывного автогидролиза и условий прессования полученной волокнистой массы на теплофизические характеристики плитных материалов.

Рекомендованы условия изготовления теплоизоляционных материалов марки М-2 из коры сосны и соломы пшеницы с коэффициентом теплопроводности 0,054-0,063 Вт/(м-К): условия модифицирования: температура 160180 °С, продолжительность 15-20 мин; условия прессования: давление 0,260,65 МПа, продолжительность 15-20 мин.

3 Впервые методом ЯМР 13С-спектроскопии изучено поведение основных компонентов соломы пшеницы, коры сосны и древесины осины при их модифицировании методом взрывного автогидролиза и изготовлении теплоизоляционных плитных материалов. Показано что:

- основной реакцией лигнинной составляющей растительного сырья в процессе взрывного автогидролиза является реакция деметоксилирования, вызывающая изменение соотношения Н, G и S ФПЕ;

- при прессовании модифицированной соломы пшеницы в отличие от модифицированной древесины осины образование сшитых структур преимущественно происходит за счет реакции поликонденсации; модифицированной коры сосны - за счет реакций О-алкилирования и поликонденсации.

4 Предложена принципиальная технологическая схема изготовления теплоизоляционных плитных материалов на основе модифицированных методом взрывного автогидролиза отходов растительного происхождения. На примере ООО «Алтай-Форест» показана возможность внедрения предложенной технологической схемы на действующих предприятиях по производству древесноволокнистых и древесностружечных плит.

5 Выполнена оценка экономической эффективности внедрения в производство предложенной технологии изготовления теплоизоляционных материалов. По эколого-экономическим показателям предлагаемая технологическая схема подразумевает снижение себестоимости готовой продукции на 975 руб. за 1 м3.

Основные материалы диссертации изложены в следующих работах: Журналы перечня ВАК России

1 Оптимизация процесса взрывного автогидролиза коры древесины / О.С. Беушева, Д.В. Ширяев. Н.П. Мусько, М.М. Чемерис // Ползуновский вестник. - 2010. - № 3. - С. 223-224, автора - 0,2 п.л.

2 Влияние условий баротермической обработки на поведение основных компонентов соломы пшеницы / Д.В. Ширяев. Н.П. Мусько, О.С. Беушева, B.C. Гурова, М.М. Чемерис // Ползуновский вестник. - 2010. -№ 3. - С. 221222, автора-0,2 п.л.

3 Пористые плитные материалы на основе модифицированной коры / Д.В. Ширяев. B.C. Гурова, М.М. Чемерис, Н.П. Мусько// Ползуновский вестник. - 2011. - № 4. - С. 258-260, автора - 0,38 пл.

4 Композиционные материалы на основе модифицированного растительного сырья / О.С. Беушева, Н.П. Мусько, Д.В. Ширяев. М.М. Чемерис // Ползуновский вестник. - 2011. - № 4. - С. 255-257, автора - 0,3 п.л.

5 Ширяев, Д.В. Изучение процесса изготовления пористых плитных материалов из соломы пшеницы / Д.В. Ширяев, B.C. Гурова, Н.П. Мусько // Журнал прикладной химии. - 2012. - Т. 85. - Вып. 1. - С. 134-137, автора -0,3 пл.

6 ЯМР спектроскопическое изучение процесса прессования модифицированной древесины осины / Д.В. Ширяев, Н.П. Мусько, М.М. Чемерис, O.A. Кульдешова // Ползуновский вестник. - 2013. - № 1. - С. 206-208, автора -0,3 п.л.

7 Изучение продуктов баротермической обработки древесины осины методом 13С спектроскопии / Д.В. Ширяев, Н.П. Мусько, О.С. Беушева, O.A. Кульдешова // Ползуновский вестник. - 2013. - № 1. - С. 224-228, автора -0,3 п.л.

Материалы конференций

1 Изучение гидролиза гемицеллюлоз соломы в процессе взрывного автогидролиза / B.C. Гурова, В.Ю. Зонова, Д.В. Ширяев. Н.П. Мусько// Наука и молодежь: материалы 6-ой всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2009. - С. 7-8, автора - 0,07 п.л.

2 Уржумова, М.Е Изучение гидролиза полисахаридов коры древесины сосны / М.Е. Уржумова, Д.В. Ширяев, О.С. Беушева // Наука и молодежь: материалы 6-ой всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2009. - С. 9-11, автора - 0,1 п.л.

3 Ахметчик, A.C. Влияние условий изготовления плитных материалов на основе коры на их пористость / A.C. Ахметчик, Д.В. Ширяев. Н.П. Мусько // Наука и молодежь: материалы 7-ой всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2010. - С. 1-1, автора - 0,05 п.л.

4 Штиль, Т.Ю. Зависимость пористости плитных материалов на основе соломы от условий её модификации / Т.О. Штиль, Д.В. Ширяев. Н.П. Мусько // Наука и молодежь: материалы 7-ой всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2010. - С. 17-18, автора -0,1 п.л.

5 Ширяев, Д.В. Математическое моделирование процесса гидротермической деструкции гемицеллюлоз соломы пшеницы / Д.В. Ширяев, Н.П. Мусько, М.М. Чемерис // Лесной и химический комплексы: проблемы и решения: сб. тр. всерос. науч.-практ. конф. Т.З. - Красноярск: Изд-во Сибирского гос. технол. университета, 2009. - С. 225-229, автора - 0,3 п.л.

6 Ширяев, Д.В. Изучение продуктов гидротермической обработки соломы / Д.В. Ширяев, Н.П. Мусько // 5-е Кирпичноковские чтения: материалы 13-й междунар. конф. молодых ученых, студентов и аспирантов. - Казань: Из-во Казанского гос. технол. университета, 2009. - С. 116-116, автора - 0,07 п.л.

7 Иванов, П.В. Плитные материалы на основе модифицированной коры сосны / П.В. Иванов, Д.В. Ширяев. B.C. Гурова, Н.П. // Наука и молодежь: материалы 9-й всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2012. - С. 34-35, автора - 0,1 п.л.

8 Плитные материалы на основе модифицированной соломы / А.И. Шмаглиенко, Д.В. Ширяев, B.C. Гурова, Н.П. Мусько // Наука и молодежь: материалы 9-ой всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2012. - С. 38-39, автора - 0,1 пл.

Подписано в печать 21.11.2013. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ №111

Типография "Авантэ" г. Барнаул, Ленина 154а, к.2, оф.210 69-28-15, 50-28-15

ФГБОУ ВПО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. И. Ползунова»

ШИРЯЕВ ДМИТРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ВЗРЫВНОГО АВТОГИДРОЛИЗА ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Специальность 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Диссертация на соискание учёной степени кандидата

технических наук

На правах рукописи

04201 453168

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор М. М. Чемерис

Барнаул - 2013

Содержание

Содержание....................................................................................................................................2

Список используемых сокращений.............................................................................................4

Введение.........................................................................................................................................5

1. Литературный обзор.................................................................................................................9

1.1 Теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья..................................9

1.2 Взрывной автогидролиз....................................................................................................24

1.3 Реакции, протекающие в процессе прессования древесной массы..............................35

1.4 Заключение к главе 1 ........................................................................................................38

2 Методическая часть.................................................................................................................40

2.1 Анализ сырья.....................................................................................................................40

2.1.1 Сырье и материалы....................................................................................................40

2.1.2 Определение влажности............................................................................................40

2.1.3 Определение зольности по стандарту ТАРР1 Т-15т-58........................................40

2.1.4 Экстракция растительного сырья водой по методу ТАРР1 Т-6т-59.....................41

2.1.5 Определение массовой доли редуцирующих веществ в гидролизатах по методу Макэна и Шоорля................................................................................................................41

2.1.6 Определение легкогидролизуемых полисахаридов................................................41

2.1.7 Определение целлюлозы по методу Кюршнера и Хоффера..................................41

2.1.8 Определение лигнина с 72%-ной серной кислотой в модификации Комарова...42

2.1.9 Дериватографические исследования........................................................................42

2.2 Методика ВАГ...................................................................................................................42

2.3 Анализ плитных материалов............................................................................................46

2.3.1 Методика определения фурфурола..........................................................................46

2.3.2 Определение плотности плитных материалов........................................................47

2.3.3 Определение пористости плитных материалов.......................................................48

2.3.4 Определение теплопроводности...............................................................................48

2.4 ЯМР |3С - спектроскопическое исследование...............................................................49

2.5 УФ - спектроскопическое исследование........................................................................51

2.6 Потенциометрическое определение рН водного экстракта..........................................51

2.7 Двухфакторный эксперимент...........................................................................................51

3 Изучение влияния технологических параметров на процесс изготовления

теплоизоляционных плитных материалов................................................................................53

3.1 Исследование влияния условий получения волокнистой массы на процесс изготовления теплоизоляционных плитных материалов....................................................53

3.1.1 Исследование влияния условий взрывного автогидролиза на компонентный состав волокнистой массы..................................................................................................53

3.1.2 Изучение влияния условий взрывного автогидролиза на свойства теплоизоляционных плитных материалов........................................................................59

3.2 Изучение влияния условий прессования на свойства теплоизоляционных плитных материалов...............................................................................................................................66

4 Химические превращения компонентов рас тительного сырья в процессе изготовления

Теплоизоляционных материалов...............................................................................................74

4.1 Химические превращения компонентов растительного сырья в процессе ВАГ...........................................................................................................................74

4.2 Химические превращения компонентов пресс-массы на основе модифицированного методом ВАГ растительного сырья при горячем прессовании..........................................86

5 Технико-экономическое обоснование технологии изготовления теплоизоляционных

плитных материалов на основе модифицированного методом ВАГ растительного сырья 96

Основные результаты и выводы..............................................................................................103

Список используемой литературы...........................................................................................105

Приложения...............................................................................................................................122

Приложение А...........................................................................................................................123

Приложение Б............................................................................................................................138

Приложение В............................................................................................................................144

Приложение Г............................................................................................................................145

Список используемых сокращений

ВАГ - Взрывной автогидролиз

ДВП - Древесно-волокнистые плиты

ДСП - Древесно-стружечные плиты

ИК-спектроскопия - Инфракрасная спектроскопия

ФПЕ - Фенилпропановая единица

РВ - Редуцирующие вещества

ПИД - Пламенно-ионизационный детектор

ЯМР - Ядерно-магнитный резонанс

УФ - спектроскопия - Ультрафиолетовая спектроскопия

ФФС - Фенол-формальдегидная смола

ТИМ - Теплоизоляционные материалы

Введение

По мнению большинства экспертов, в подотрасли производства строительных материалов, в ближайшие годы можно ожидать значительных структурных сдвигов, связанных с увеличением доли производства новых эффективных материалов, обладающих комплексом потребительских свойств, отвечающих потребностям современного строительства, экологичности, эстетическим запросам современного человека [1].

В условиях повышенных требований современного строительства к энергосбережению также остро стоит необходимость поиска новых видов теплоизоляционных материалов. Теплоизоляционные материалы, полученные из растительного сырья, обладают всем комплексом перечисленных свойств, в связи с чем, их использование приобретает все большую популярность.

Древесина является наиболее востребованным растительным сырьем, используемым для производства теплоизоляционных материалов и конструкций. В результате ее обработки остаются миллионы тонн отходов в виде опилок, щепы, веток и сучьев, которые могут быть использованы в производстве. Помимо этого имеется также сырье, которое по своему химическому составу близко к древесине, как например, солома злаковых культур, камыш, тростник, виноградная лоза, стебли хлопчатника, шелуха хлопковых семян, подсолнечника, риса [2-7].

В условиях роста дефицита древесины использование растительных отходов становится особо актуальным. Во-первых, это позволяет расширить ассортимент продукции деревообрабатывающих предприятий и, как следствие, повысить их рентабельность. Во-вторых, решается проблема защиты окружающей среды от загрязнения отходами.

Диссертационная работа выполнена в рамках ведомственной

целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20062008 годы)».

Цель работы: Разработка научных основ технологии изготовления теплоизоляционных плитных материалов из модифицированных методом взрывного автогидролиза отходов растительного происхождения.

Основные задачи:

1. изучить влияние условий модифицирования растительного сырья методом взрывного автогидролиза (ВАГ) на компонентный состав волокнистой массы;

2. изучить влияние условий получения волокнистой массы методом ВАГ и условий её прессования на теплофизические характеристики плитных материалов;

3. изучить химические превращения компонентов растительного сырья в условиях ВАГ и последующего горячего прессования полученной волокнистой массы;

4. предложить принципиальную технологическую схему изготовления теплоизоляционных плитных материалов;

5. оценить основные технико-экономические показатели изготовления теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения, модифицированных методом ВАГ.

Объект исследования: Технология производства теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения.

Предмет исследования: Предметом исследования являются закономерности процессов, протекающих при изготовлении теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения.

Научная новизна:

впервые научно обоснована возможность получения теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения, модифицированных методом ВАГ;

- впервые химическими и физико-химическими методами изучены особенности химических превращений компонентов коры сосны, соломы пшеницы и древесины осины в процессе ВАГ и последующего горячего прессования;

- разработаны условия получения теплоизоляционных материалов на основе отходов растительного происхождения без использования синтетических связующих веществ.

Практическая значимость: На основании проведенных исследований разработаны условия изготовления волокнистой массы из коры сосны и соломы пшеницы методом ВАГ, а также условия ее прессования. По полученным результатам предложена принципиальная технологическая схема производства теплоизоляционных плитных материалов из отходов растительного происхождения. Предложенная технологическая схема может быть реализована на действующих предприятиях по производству древесностружечных и древесноволокнистых материалов.

Результаты работы апробированы в условиях производства ООО «Алтай-Форест» (с. Ларичиха, Алтайский край), что подтверждено актами внедрения.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на всероссийских научных конференциях: «Наука и молодежь» (Барнаул, 20092012 г.), «Лесной и химический комплексы: проблемы и решения» (Красноярск, 2009 г.), международной конференции молодых ученых студентов аспирантов «5-е Кирпичниковские чтения» (Казань 2009).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе: статей в рецензируемых журналах 7, тезисов докладов 8.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, выводов, списка литературы из 138-ми наименований, четырех приложений. Работа изложена на 146 с. машинописного текста, включает 47 рисунков, 19 таблиц.

1. Литературный обзор

1.1 Теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья

Рациональное природопользование, включающее в себя комплексное использование растительного сырья, подразумевает вовлечение в производство отходов деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Одним из перспективных направлений применения отходов растительного происхождения является получение теплоизоляционных материалов. Отходы растительного происхождения могут использоваться в производстве строительных материалов, как в качестве основного сырья, так и в качестве добавки к рабочей композиции, снижая себестоимость готовой продукции. Согласно ГОСТовской классификации теплоизоляционные материалы на основе растительного сырья, в том числе и на основе отходов растительного происхождения, условно можно разделить на 3 вида [8]:

- прошивные маты;

- прессованные плиты на основе предварительно разволокненного сырья (ДВП), с использованием в качестве связующих веществ продуктов модифицирования растительного сырья, либо введенных из вне минеральных или полимерных вяжущих;

- прессованные плиты на основе измельченного (рубленого) сырья, с применением органического или минерального связующего.

ДВП являются наиболее востребованным видом теплоизоляционных материалов на основе растительного сырья. В зависимости от вида используемого растительного сырья (опилки, сучья, корни и т.д.) и способа получения волокнистой массы схема изготовления теплоизоляционных материалов будет изменяться и корректироваться. Так, например, получение волокнистой массы методом взрывного автогидролиза (ВАГ), позволяет получать плитные материалы, миную стадию проклейки, так как клеящие

вещества образуются на стадии получения волокнистой массы [9]. Физико-химическая картина процесса вызрыного автогидролиза древесного материала описана в главе «Взрывной автогидролиз».

Стадия получения волокнистой массы из растительного сырья является наиболее важной во всем технологическом цикле изготовления ДВП. Во-первых, качество полученной волокнистой массы определяет эксплуатационные характеристики готового изделия, во-вторых, эта стадия является наиболее энерго- и ресурсозатратной. Следовательно, выбор метода и аппаратурного оформления процесса получения волокнистой массы является, пожалуй, главной задачей при проектировании производства по изготовлению ДВП. В настоящее время применяется три основных способа: термомеханический метод с использованием дефибраторов и рафинеров, метод скоростной варки под давлением, а также химико-механический, при котором размолу предшествует варка сырья в щелочных растворах.

Для производства мягких древесноволокнистых плит, которые обладают удовлетворительными теплоизоляционными свойствами, получаемое волокно должно иметь средний диаметр 30..50 мкм и среднюю длину от нескольких сотых долей миллиметра до 3-4 мм. С учетом этих требований важно правильно подобрать не только метод получения волокнистой массы и тип применяемой размольной машины, но также и режим её работы [10].

В настоящее время существует два метода получения древесной массы термомеханическим способом. Первый - это размол щепы на волокно в дефибрре, а второй - размол древесной массы в дисковых мельницах. Процесс размола в дефибрере происходит за счет механического истирания древесины о вращающийся дефибрерный камень.

Технологической особенностью данного процесса является то, что, благодаря подаче воды на спрыски, волокно получают в виде гидромассы с большим количеством сторонних включений. И, как следствие, при таком способе

получения волокна требуются дополнительные стадии очистки и сортировки, которые увеличивают продолжительность процесса изготовления плитных материалов, тем самым, снижая производительность оборудования, что, в конечном итоге, приводит к увеличению себестоимости готовой продукции [11].

С этой точки зрения метод получения древесной массы на дисковых мельницах является более перспективным. Это обусловлено возможностью более полного использования древесного сырья, с вовлечением в производство низкокачественной древесины. Древесная масса, полученная на дисковых мельницах, характеризуется более высокими качественными характеристиками по сравнению с полученной на дефибраторе.

Качество волокна оценивается по скорости обезвоживания гидромассы. С учетом этого сконструирован прибор, с помощью которого по скорости свободного водоотделения определяют тонкость помола волокна в градусах Шоплера-Риглера (°ШР).

Вид используемого древесного сырья, качество и влажность сырья, окружная скорость дифибрерного камня, удельное давление на поверхность камня, качество рабочей поверхности камня оказывают наибольшее влияние на процесс дефибрирования, качество получаемой древесной массы и, как следствие, на качественные характеристики получаемых плитных материалов. Именно поэтому наибольшее количество исследований [12-17] направлены на изучение влияния технологических параметров размалывающих машин на качество помола и свойства готовых плит, а также на оптимизацию процесса размола с целью улучшения качества волокна и вовлечение отходов в производство.

Согласно общепринятой теории [18, 19] известно, что в растительной биомассе армирующая матрица (целлюлоза) связана со связующим веществом (лигнин) посредством гемицеллюлоз, поэтому, при получении волокнистой массы высокого качества, необходимо использовать такой

метод, при котором воздействие происходило бы непосредственно на гемицеллюлозы без значительного изменения качественных характеристик целлюлозных волокон. По мнению авторов [20, 21] такого воздействия на растительный комплекс можно добиться благодаря использованию биотехнологий, а именно энзиматическим воздействием. Следует отметить, что механизм ферментативного гидролиза гемицеллюлоз изучен не в полном объеме, и для каждого вида растительного сырья необходимо подбирать состав ферментативного комплекса, что, на наш взгляд, является основным недостатком данной технологии. Так как унификация производственного процесса является важной составляющей при проектировании технологического процесса. В результате ферментативного гидролиза компонентов растительно�