Способ получения композиционных материалов

Название	Способ получения композиционных материалов
Разработчик (Авторы)	Ефанов М.В., Коньшин В.В., Афаньков А.Н., Беушев А.А.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2637550
Дата регистрации	13.07.2016
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Югра-Биотехнологии"

Описание изобретения

Изобретение относится к производству композиционных материалов типа древесностружечных из растительного сырья, включая гуминосодержащее торфяное сырье, без использования синтетических связующих веществ. Изобретение может быть использовано для изготовления изделий конструкционного, отделочного и другого назначения в мебельной и строительной отраслях промышленности.

Плитные материалы типа ДСП из растительного сырья традиционно изготавливают с использованием синтетических термореактивных смол - фенолоформальдегидных, карбамидоформальдегидных и др., имеющих ряд недостатков. Процесс их изготовления является токсичным. При эксплуатации выделяется формальдегид и оказывает раздражающее действие на кожу и нервную систему человека. Другим недостатком является то, что синтетические связующие являются продуктом нефтехимических производств и довольно дороги [Щербаков А.С. Технология композиционных древесных материалов / А.С. Щербаков, И.А. Гамова, Л.В. Мельникова. - М.: Экология, 1992. - 192 с.].

Известны различные способы получения плитных материалов из измельченной древесины без применения связующих веществ: одностадийный способ получения пьезотермопластиков; двухстадийный способ получения пластиков из гидролизованных опилок; технология получения лигноуглеводных древесных пластиков [Щербаков А.С. Технология композиционных древесных материалов / А.С. Щербаков, И.А. Гамова, Л.В. Мельникова. - М.: Экология, 1992. - 192 с.].

Известные способы имеют свои достоинства и недостатки. Положительной стороной в основном выступает увеличение реакционной способности лигноцеллюлозных материалов. В зависимости от технологических условий в древесине протекают деструктивные процессы, различающиеся степенью деградации основных компонентов. Основными недостатками этих способов являются использование высоких давлений (до 20-30 МПа) и температуры (170-225°С), т.е. высокая материало- и энергоемкость, а в некоторых случаях и необходимость нейтрализации и регенерации продукта, что ухудшает экологию процессов.

Известен способ получения композитных материалов из лигноцеллюлозного сырья, заключающийся в обработке лигноцеллюлозного измельченного сырья, не содержащего свободных сахаров, паром под давлением при 190-260°С для высвобождения гемицеллюлоз в течение 15 с - 10 мин. Далее композитный материал получают горячим прессованием при 210°С [патент РФ №2075384, МПК C08L 97/02. опубл. 20.03.1997, бюл. №8].

Недостатком описанных композиции и способа ее получения является то, что используется катализатор и выбраны слишком жесткие режимы паровой обработки и прессования. Причина в том, что предлагаемый способ получения композитных материалов из частиц лигноцеллюлозного материала состоит из двух основных этапов: гидролиза гемицеллюлозной части исходного сырья и термоотверждения полученных продуктов в процессе горячего формования.

Катализатор, в качестве которого предлагается использовать кислоту (например, использование серной кислоты), сыграв позитивную роль в процессе гидролиза, сохраняется в обработанной массе и оказывает отрицательное деструктирующее воздействие на компоненты древесной массы как при прессовании, так и при последующем использовании изделий. Жесткие режимы паровой обработки и прессования приводят к увеличению энергетических затрат и интенсификации термодеструкции структурных компонентов лигноцеллюлозного комплекса.

Известен способ получения композиционных материалов из лигноцеллюлозного материала, полученного при гидротермической обработке растительного сырья с предварительно нанесенным на него раствором 0,1-15,0 мас. ч. гидролизующего агента - перекиси водорода - с дальнейшей обработкой его перегретым водяным паром при 170-180°С. Пропаренные древесные отходы при декомпрессии превращаются в разволокненную древесную массу, которая для последующей переработки подсушивается до влажности не более 5%. Древесноволокнистую массу без добавки связующих веществ формуют и проводят холодную подпрессовку. Горячее прессование осуществляют при 120-160°С при давлении 4,0 МПа в течение 1 мин на 1 мм готового изделия [патент РФ №2152966, МПК C08L 97/02, опубл. 20.07.2000, бюл. №20].

Недостатком известного способа является то, что свойства изделий, получаемых данным способом, сильно зависят от природы применяемого сырья и режимов их предобработки. В результате чего получаются плитки темного цвета за счет частичного осмоления. При их получении используется сильно энергозатратный метод подготовки сырья перегретым паром и декомпрессии, а также сложное аппаратурное оформление.

Известна пресс-масса в виде частиц растительного сырья, имеющих в своем составе целлюлозу, лигнин, легко- и трудногидролизуемые полисахариды и карбоксильные группы, которая получается при кавитационной обработке растительного сырья, при этом она содержит легко- и трудногидролизуемые полисахариды 13-18% и 28-37% соответственно, целлюлозу с медным числом 1,7-2,9 г/100 г - 53-58%, лигнин по Комарову 31-37% и карбоксильные группы 0,6-4,9% [патент РФ №2381244, МПК C08L 97/02, опубл. 10.02.2010, бюл. №4].

Недостатком описанных композиции и способа ее получения является использование сернокислотного катализатора. Кислотный катализатор, сыграв позитивную роль в процессе гидролиза, сохраняется в обработанной массе и оказывает отрицательное деструктирующее воздействие на компоненты древесной массы как при прессовании, так и при последующем использовании изделий. Кроме того, его использование приводит к дополнительной коррозии технологического оборудования.

Известна пресс-композиция для изготовления композиционных материалов с повышенными эксплуатационными показателями путем предварительной обработки лигноцеллюлозных материалов водой при комнатной температуре в течение 20-120 минут с последующей обработкой паром и дальнейшим горячим прессованием [патент РФ №2277554, МПК C08L 97/02, опубл. 10.06.2006, бюл. №16]. Недостатками этого технического решения являются: двухстадийность процесса и общая его продолжительность до 120 мин.

Заявляемое изобретение отличается от аналогов тем, что расширяется сырьевая база за счет использования торфа, применение которого позволяет получать значительные количества собственных связующих веществ в составе композиционных материалов за счет наличия кроме лигнина и полисахаридов дополнительно в его составе торфяных гуминовых веществ, обладающих ярковыраженными связующими свойствами [Копаница Н.О., Кудяков А.И., Ковалева М.А. Торфодревесные теплоизоляционные строительные материалы. - Томск: Изд-во SST, 2009. - 183 с.].

В заявляемом изобретении недостатки существующих аналогов устраняются следующим образом: использование торфа позволяет расширить сырьевую базу и получить в процессе изготовления композиционных материалов значительные количества собственных связующих веществ в составе композиционных материалов за счет наличия дополнительно в составе торфа гуминовых веществ, содержащих широкий набор различных реакционно-способных кислородсодержащих функциональных групп, а исключение использования катализаторов (серная кислота и пероксид водорода) предотвращает технологическое оборудование от коррозии.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что разработан способ получения композиционных материалов, заключающийся в обработке растительного сырья перегретым водяным паром, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют торф или смесь торфа с древесиной, а обработку сырья перегретым водяным паром ведут при 190-210°С и давлении 1.42-2.03 МПа в течение 10 мин с последующей декомпрессией, высушиванием пресс-массы до влажности 5% и дальнейшим горячим прессованием полученной пресс-массы при температуре 120°С, давлении 40 МПа в течение 5 мин.

Технический результат: расширение сырьевой базы путем использования для получения композиционных материалов торфа, возможность получения из него дополнительного количества связующих гуминовых веществ, удешевление процесса за счет исключения катализаторов, приводящих к дополнительным затратам и коррозии технологического оборудования.

Осуществление заявляемого изобретения достигается следующим образом.

Образцы опилок растительного сырья объемом 0.5 литра загружают в предварительно нагретый до 190-210°С реактор аппарата взрывного автогидролиза, конструкция которого позволяет нагревать материал паром до заданной температуры. В процессе паровой обработки в реакторе поддерживают постоянное давление (1.62-2.03 МПа) и температуру (190-210°С). Через 10 мин после начала обработки производят декомпрессию реактора взрывным способом (за время не более 1 с), в результате которой обработанный композиционный материал на основе растительного сырья вместе с паром перемещается в приемный циклон.

Композиционный материал из полученной массы после ее высушивания до влагосодержания 5% изготавливался методом горячего прессования под давлением 40 МПа и при температуре 120°С в течение 5 минут. После охлаждения плитку вынимают из пресса, и изучают ее свойства. Для полученных композиционных материалов определяют плотность, предел прочности на изгиб, водопоглощение и разбухание по ГОСТ 10634-88 и 10635-88.

В таблице 1 приведено влияние условий обработки сырья водяным паром на состав получаемых композиционных материалов. В таблице 2 приведены данные о влиянии условий обработки торфа и смеси торфа с древесиной сосны водяным паром на свойства полученных композиционных материалов.

* смесь 50% торфа и 50% опилок древесины сосны (фракция 0.5-1.0 мм).

Как показывают исследования свойств полученных композиционных материалов (таблице 2), полученные после обработки перегретым паром и последующим горячим прессованием композиционные материалы на основе торфа и смеси торфа и древесины удовлетворяют требованиям ГОСТ по прочностным характеристикам, водопоглощению и разбуханию.

Формула изобретения

Способ получения композиционных материалов, заключающийся в обработке растительного сырья перегретым водяным паром, отличающийся тем, что в качестве растительного сырья используют торф или смесь торфа с древесиной при массовом соотношении 1:1, а обработку сырья перегретым водяным паром ведут при 190-210°С и давлении 1.42-2.03 МПа в течение 10 мин с последующей декомпрессией, высушиванием пресс-массы до влажности 5% и дальнейшим горячим прессованием полученной пресс-массы при температуре 120°С, давлении 40 МПа в течение 5 мин.

Изобретение "Способ получения композиционных материалов" (Ефанов М.В., Коньшин В.В., Афаньков А.Н., Беушев А.А.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога