Способ получения композитных материалов из лигноцеллюлозного сырья

 

Использование: комбинированные материалы, такие как строительные доски, мебельные доски, реконструируемые пиломатериалы и фасонные изделия без всяких добавок смоляных связующих. Сущность изобретения: способ включает обработку лигноцеллюлозного измельченного сырья, не содержащего, по существу, свободных сахаров, паром под давлением при 190-260^oC для высвобождения гемицеллюлозы в течение промежутка времени от 15 сек до 10 минут, достаточного для разложения и гидролиза гемицеллюлозы на свободные сахара и другие продукты, измельчение сырья, сушку, формование в мат и горячее прессование. Созданные таким образом реконструируемые комбинированные материалы обладают хорошими прочностными свойствами и стабильностью размеров. 9 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к способу переработки лигноцеллюлозы в комбинированные материалы, в частности к способу переработки лигноцеллюлозного сырья в комбинированные материалы, такие как облицовочные изделия, реконструируемые пиломатериалы и фасонные изделия, без использования каких-либо клеящих связующих, которые являются существенной частью олучного сухого способа изготовления комбинированных материалов, таких как древесностружечная плита, вафельная плита, древесноволокнистая плита средней плотности и т.д.

В патенте на имя Шена /патент Канады N 400405/ раскрыт способ изготовления комбинированных материалов из сахаросодержащего лигноцеллюлозного сырья, особенно из однолетних растений недревесного характера, таких как жом сахарного тростника, стебли злаков, сорго, подсолнечник и лен и др. без добавки клеящих связующих. Свободные сахара в лигноцеллюлозном сырье, растворимые в воде, химически преобразуются на месте посредством применения теплоты и давления в нерастворимое и тугоплавкое полимерное вещество, действующее как связующий агент и наполнитель для упрочнения реконструируемых комбинированных материалов с хорошей механической прочностью и стабильностью размеров. Считается, что свобод6ные сахара, углеводы или сахариды и водорастворимые материалы химически превращаются в фурфурол и другие производные и далее в термореактивный материал под действием тепла и давления для образования связующего материала во время операции горячей формовки. Образованные таким образом соединяющие связи наполняют и упрочняют лигноцеллюлозное сырье, давая возможность получить реконструируемые комбинированные материалы с хорошей механической прочностью и стабильностью размеров.

Однако этот патентованный способ ограничивается лигноцеллюлозным сырьем, содержащим свободные сахара, и не применим к лигноцеллюлозному сырью, не содержащему свободных сахаров, такому как древесина, солома хлебных злаков, рисовая шелуха и т. д. Общеизвестный способ изготовления комбинированных панельных материалов из этого лигноцеллюлозного сырья основывается исключительно на связующих из синтетической смолы для соединения. Поскольку синтетические смолы, такие как фенол- и мочевиноформальдегид, имеют высокую стоимость, то они обычно составляют значительную часть производственных затрат обычных панельных материалов, таких как древесностружечная плита, вафельная плита и древесноволокнистая плита средней плотности. Это особенно справедливо в случае использования сельскохозяйственных отходов. Их физическая природа требует для изготовления сравнительно высокого содержания смоляных связующих, что приводит к получению дорогих панельных изделий. Это является одной из основных причин, по которым сельскохозяйственные отходы не находят широкого применения при изготовлении панельных изделий, несмотря на изобилие и доступность сырья.

В последние годы был разработан ряд производственных процессов для использования сельскохозяйственных отходов в качестве сырья для изготовления панельных изделий, например рисовой шелухи, одним из наиболее изобильных и, однако, наименее используемых сельскохозяйственных отходов во всем мире. Однако ни один из этих разработанных до настоящего времени способов не нашел коммерческого применения. Так, Э.К.Латроп и др. (Твердая древесноволокнистая плита из сельскохозяйственных отходов //Модерн пластикс, 126, апрель 1951) раскрывал использование комбинации порошковой термореактивной фенольной смолы, сосновой живицы и рисовой шелухи для изготовления комбинированных панельных материалов. Он обнаружил, что доски при добавлении примерно 15% фенольной смолы становились слишком хрупкими для забивания гвоздей. Более того, доски имели плотность 1,12 /69,9 фунтов на кубический фут/. Комбинация 15% порошкообразной смолы и высокой плотности делает материал слишком дорогим, чтобы конкурировать с имеющимися в настоящий момент материалами, а хрупкость доски налагает сильные ограничения на ее использование.

Использование фенольной смолы специального состава для связывания рисовой шелухи было описано Р.К.Васиштом в патенте США N 3850677 от 26 ноября 1974 г. Доски из рисовой шелухи могут изготавливаться с добавлением от 8 до 10% не смешиваемой в воде, не содержащей каустической соды, термореактивной фенолформальдегидной смолы и предварительно обработанной рисовой шелухи. В этом способе предварительная обработка является существенной операцией, потому что в результате нее кожура рисовой шелухи разрушается на отдельные листочки, удаляются свободносвязанные поверхностные материалы и отсортировываются мелкие частицы. Заявлено, что включение мелкозернистых материалов, полученных при предварительной обработке, не только увеличит потребление смолы, но также окажет некоторое нежелательное влияние на свойства доски.

Наиболее новой публикацией является доклад Г.В.Болла "Новые возможности в производстве древесностружечной плиты с использованием изоцианатных связующих" /Материалы симпозиума по древесностружечной плите Вашингтонского государственного университета, 1981, N 15, с. 266-285/, в котором предлагается плита из рисовой шелухи с использованием 9% очень дорогих полимерных изоцианатных смол в качестве связующего агента. Поскольку изоцианатные смолы являются более дорогими, чем обычные фенольные смолы, стоимость изготовления плит из рисовой шелухи должна быть очень высока. Это делает плиты из рисовой шелухи слишком дорогими, чтобы конкурировать с обычными древесными щитовыми материалами.

В настоящий момент традиционное изготовление щитовых материалов из лигноцеллюлозного сырья опирается исключительно на синтетические смолы для связки. Связующие из синтетической смолы дорогостоящие, так как их получают из продуктов нефтехимии. В общем, расходы на смолу составляют основную часть производственных затрат на щитовые материалы. Сообщалось, что затраты на смолу составляют до 60% производственных расходов при изготовлении щитовых материалов из сельскохозяйственных отходов. Следовательно, с учетом стоимости смолы и выбора исходного сырья способ, который исключает применение синтетической смолы для изготовления комбинированных материалов и использует любое лигноцеллюлозное сырье, был бы очень привлекательным.

Согласно одному аспекту изобретения создан новый способ, которым реконструируемые комбинированные материалы, такие как обивочный картон, комбинированные пиломатериалы, фасонные изделия и им подобные, могут быть изготовлены из лигноцеллюлозных материалов без использования связующих на основе синтетических смол. Этот новый способ применим ко всем лигноцеллюлозным материалам независимо от их происхождения, рода, источника, вида и формы. Таким лигноцеллюлозным сырьем может быть любая растительность, особенно отходы от лесных и сельскохозяйственных продуктов в виде стволов, коры, стеблей, корней, листы, шелухи, кожуры, соломы, стручков, орехов и т.д. Они могут использоваться по отдельности или в комбинации с другим лигноцеллюлозным сырьем для образования реконструируемых комбинированных материалов без использования связующих на основе синтетических смол, таких как мочевино- и фенолформальдегидная смола, обычно используемая при традиционном изготовлении древесных щитовых материалов.

Свободные сахара могут быть выработаны из гемицеллюлозы в любом лигноцеллюлозном сырье и использованы в качестве связующего агента для реконструируемых комбинированных материалов, исключая, таким образом, использование связующих на основе синтетической смолы. Хорошо известно, что лигноцеллюлозное сырье включает в себя три основных компонента: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Химически целлюлоза, которая является главным структурным компонентом стенок клетки всех растений и которая составляет около 40-60% лигноцеллюлозного сырья, представляет собой линейный полисахарид, образованный из единиц ангидроглюкозы, имеющий общую формулу /C₆H₁₀O₅/_n. Целлюлоза по природе кристаллическое вещество.

Гемицеллюлозой называются нецеллюлозные полисахариды с малым молекулярным весом, связанные в тканях растений с целлюлозой в лигноцеллюлозные материалы. Гемицеллюлоза, которая составляет около 20-35% лигноцеллюлозного сырья, может быть повторена общей формулой /C₅H₈O₄/_n1· /C₆H₁₀O₅/_n2, представляющей 5 и 6 углеродсахара, такие как пентозан и гексозан. Третьим основным компонентом является лигнин, который присутствует в 20-30% лигноцеллюлозного сырья. Предшественники лигнина и его образование в лигноцеллюлозном сырье до сих пор еще не совсем выяснены, хотя в последнее время в этом направлении был сделан значительный прогресс. В настоящее время лигнин, в общем, считается полимерным материалом, состоящим из фенилпропановых звеньев.

Поскольку гемицеллюлоза является на месте в большей части аморфной по природе, то она имеет большую доступность к воде. Так, гемицеллюлоза разлагается примерно в 100 раз быстрее, чем целлюлоза, и, следовательно, гемицеллюлоза может гидролизоваться селективно без разрушения целлюлозы. Общая реакция гидролиза представляет собой: /C₅H₈O₄/_n1· /C₆H₁₀O₅/_n2 + /n₁ + n₂/H₂O_n1C₅H₁₀O₅ + n₂C₆H₁₂O₆, давая на выходе 5 и 6 углеродные сахара. Эти свободные сахара являются реактивными и могут быть разложены воздействием тепла в фурфурол и другие продукты разложения, которые далее могут быть преобразованы в полимерное вещество для обеспечения эффекта связывания и наполнения лигноцеллюлозного сырья посредством приложения тепла и давления в операции формовки, что дает возможность получить реконструируемые комбинированные материалы с хорошей механической прочностью и стабильностью размеров.

Предпочтительный вариант выполнения изобретения Способ согласно изобретению включает две главных части операции. Первая часть заключается в разложении и гидролизе гемицеллюлозы лигноцеллюлозного сырья и преобразовании ее в свободные сахара, такие как ксилоза, арабиноза, манноза, галактоза и т. д. Вторая часть процесса заключается в химическом преобразовании и проведении термореакции свободных сахаров на месте в полимеризованное вещество, соединяющее лигноцеллюлозное сырье в реконструируемый комбинированный материал.

Было найдено, что поскольку гемицеллюлоза может быть селективно разложена и гидролизована с гораздо большей скоростью, то можно преобразовывать только гемицеллюлозу в свободные сахара для соединения без разрушения целлюлозы. Для достижения этого был разработан метод обработки паром высокого давления или так называемый автогидролиз, который оказался очень подходящим для настоящего изобретения. Во время обработки паром высокого давления лигноцеллюлозного сырья гемицеллюлоза будет вначале подвергаться реакции разложения. Вначале образуется уксусная кислота за счет расщепления ацетильных звеньев, и создаваемая таким образом слабая кислотная среда достаточна для ускорения гидролиза гемицеллюлозы. Реакция деполимеризации считается последовательной реакцией. Во время начальной фазы процесса реакции произвольное воздействие кислоты на гемицеллюлозные звенья производит олигомеры с различной степенью полимеризации. Олигомеры далее гидролизуются в мономеры, которые далее распадаются на фурфурол и другие продукты разложения. Одновременно лигниновая часть лигноцеллюлозного сырья также разлагается и гидролизуется в лигнин малого молекулярного веса и лигниновые продукты. Только целлюлоза остается сравнительно неизмененной. Обработанное паром лигноцеллюлозное сырье обычно имеет около 20-30% растворимых в воде веществ, которые содержат сахара, сахарные полимеры, дигидратированные карбонгидраты, фурфуроловые продукты, лигнин и лигниновые продукты. Свободные сахара, фурфурол и другие продукты разложения являются существенными частями настоящего изобретения. Будучи химически преобразованными под действием тепла и давления они станут термореактивными и образуют поперечные связи с переходом в полимерное вещество, действующее как связующее и наполнитель для реконструируемых комбинированных материалов, получаемых из обработанного паром лигноцеллюлозного сырья.

Обычный способ изготовления щитовых изделий из лигноцеллюлозного сырья требует от 8 до 12% по весу связующего на основе синтетической смолы. Поскольку гемицеллюлоза обычно составляет от 20 до 35% лигноцеллюлозного сырья, то имеется достаточно основного компонента для вырабатывания свободных сахаров для соединения. Количество свободных сахаров, которые могут быть выработаны из лигноцеллюлозного сырья, главным образом, зависит от природы исходных материалов и степени обработки паром. Обычно сельскохозяйственные отходы и древесина лиственных пород содержат больше гемицеллюлозы, чем хвойная древесина.

Для оптимизации преобразования гемицеллюлозы в свободные сахара важной частью настоящего изобретения является надлежащее управление обработкой паром высокого давления. Излишняя обработка не только понизит выход обработанного материала, но также приведет к потере некоторых свободных сахаров и фурфуроловых продуктов. Экспериментальные исследования на рисовой шелухе, которая содержит около 20,4% гемицеллюлозы, как определено пентозановым анализом, показали, что посредством комбинации температуры пара или давления пара и времени обработки паром от 70 до 80% гемицеллюлозы может быть преобразовано в пентозные сахара и фурфуроловые продукты.

Чертеж демонстрирует время и температуру пара, необходимые для получения максимума свободных сахаров и фурфуроловых продуктов. Обратная зависимость между временем и температурой пара видна очень ясно: чем выше используемая температура, тем короче необходимое время обработки, и наоборот. В меньшей степени также некоторое влияние на максимизацию свободных сахаров оказывают форма и размер лигноцеллюлозного сырья.

В конце обработки паром лигноцеллюлозное сырье может быть собрано либо посредством резкого понижения, либо посредством постепенного понижения давления пара в резервуаре. Резкое понижение давления пара разорвет и измельчит обрабатываемое сырье в волокнистые комки с большим содержанием влаги. Медленное и постепенное понижение давления пара обеспечит удержание обрабатываемым сырьем в большей или меньшей степени первоначальной формы и размера. Обработанный таким образом материал имеет от светлого до темного коричневый цвет и содержание влаги от около 40 до более 100% в зависимости от начального содержания влаги лигноцеллюлозного сырья и жесткости гидролиза. Вода в обрабатываемом сырье также имеет от светлого до темного коричневый цвет и содержит, в основном, сахара, лигнин и небольшое количество фурфуроловых продуктов. Обработанное лигноцеллюлозное сырье должно быть немедленно высушено до низкого содержания влаги менее 12% В противном случае сахара в обрабатываемом лигноцеллюлозном сырье начнут бродить, особенно во влажной и теплой окружающей среде. Если имеет место брожение, то все свободные сахара будут преобразованы в уксусную кислоту и спирт. Если это произойдет, то обработанное лигноцеллюлозное сырье будет не приемлемо для изготовления комбинированных материалов, поскольку не останется свободных сахаров для обеспечения эффекта соединения.

На этом первая часть настоящего изобретения заканчивается: высушенное лигноцеллюлозное сырье, имеющее высокую пропорцию свободных сахаров, готово для изготовления реконструируемых комбинированных материалов.

Начинается вторая часть настоящего изобретения. В виде отдельных волокон, частиц, полосок, хлопьев или в виде комков, кусков, пучков и агрегатов высушенное лигноцеллюлозное сырье формуется по отдельности или в комбинации с другими лигноцеллюлозными материалами в желаемый стружечный ковер и затем формуется под действием теплоты и температуры в течение достаточного времени для уплотнения ковра в жесткое изделие. Температура формовки может быть в диапазоне от 160 до 250^oC, предпочтительно в диапазоне от 200 до 220^oC. Время прессования зависит от температуры прессования и размера ковра, в то время как давление является функцией плотности формуемого изделия.

Во время горячей операции формования сахара фурфуроловые продукты и другие продукты разложения полимеризуются и соединяются на месте с получением из лигноцеллюлозного сырья жесткого изделия. В дополнение сахара, которые проникают внутрь ткани стенки клетки лигноцеллюлозного сырья, также будут преобразованы и подвергнуты термореакции до образования полимерного вещества, действующего как наполнитель по всему формуемому изделию. Таким образом, формуемые изделия обладают механической прочностью и стабильностью размеров с термореактивным адгезионным связующим, которое устойчиво к кипящей воде и кислотному гидролизу. Более того, комбинированные материалы, изготовленные таким образом, свободны от токсичной формальдегидной эмиссии, так как не используются обычные связующие на основе синтетической смолы.

Другой важной особенностью настоящего изобретения является открытие разрушения эпидермиса в сельскохозяйственных отходах, таких как рисовая шелуха, жом сахарного тростника, солома хлебных злаков и т.д. посредством обработки паром, особенно в совокупности с резким понижением давления пара в конце обработки паром. Так как парафиновое вещество эпидермиса не проницаемо для воды, то, следовательно, не проницаемы для воды и связующие соединения, и исключение эпидермиса увеличит межповерхностное сцепление между отдельными элементами.

Еще одной уникальной особенностью изобретения является открытие дополнительных преимуществ от разрушения и преобразования гемицеллюлозы. В естественном состоянии гемицеллюлоза, в основном, аморфна по характеру и весьма восприимчива к воде, делая лигноцеллюлозное сырье очень гигроскопичным и приводя к изменениям размеров. Поскольку обработанное лигноцеллюлозное сырье почти совершенно свободно от гемицеллюлозы, то согласно изобретению реконструируенмые комбинированные материалы будут гораздо менее гигроскопичными и, следовательно, будут иметь лучшую стабильность размеров.

Пример 1. Плиты из рисовой шелухи Настоящий пример показывает влияние времени обработки паром и температуры пара на плиту из рисовой шелухи. Семь партий рисовой шелухи были обработаны при различных состояниях пара. Сухая рисовая шелуха с содержанием влаги 8% вначале была помещена в сосуд высокого давления, и сосуд был заполнен паром под высоким давлением для нагревания рисовой шелухи до желаемой температуры в течение определенного времени. В конце обработки паром давление пара было резко понижено, и рисовая шелуха была извлечена из сосуда в горячем, влажном и волокнистом состоянии. Содержание влаги обработанной парой рисовой шелухи изменялось от около 40 до 60% Все 7 партий были обработаны при различных температурах /от 190 до 260^oC/ и времени /от 15 секунд до 10 минут/. Из каждой партии были взяты пробы обработанной рисовой шелухи для определения пентозана /метод Таппи T 223 OS 78/. Для прессования в плиты обработанная паром рисовая шелуха была сразу высушена до содержания влаги около 3-4% Было изготовлено 7 плит размером 18 х 18 х 7/16 дюймов (45,75 х 45,72 х 17,78 /40, 64 см) каждая с плотностью 1,0 /62,4 pct/. Для всех 7 плит были использованы одни и те же условия прессования /температура прессования 220^oC, давление прессования 600 фунтов на кв. дюйм и время прессования 10 минут/. Результаты испытаний сведены в аблицу.

Механические прочности и физические свойства всех 7 плит из рисовой шелухи превзошли требования CAN 3-0188, 2-M 78 для наружных сортов вафельных плит.

Пример 2. Плита из соломы пшеницы Солома пшеницы была порезана на кусочки длиной 3-4 дюйма и подвергнута воздушной сушке до содержания влаги от 8 до 10% Соломе пшеницы была задана обработка паром при 240^oC в течение 35 секунд. Давление было резко понижено. Обработанная масса имела содержание влаги около 60% и была высушена до содержания влаги от 4 до 5% Высушенная солома была измельчена до волоконного состояния в массе, и затем ей была придана форма мата. Мат был подвергнут горячему прессованию при 210^oC и давлении 400 фунтов на кв.дюйм в течение 10 минут. Была изготовлена плита размером 18 х 18 х 7/16 дюймов, имеющая плотность 0,75 /47 pct/. Испытания плиты дали следующие результаты: модуль разрыва 2400 фунтов на кв.дюйм, сырой 1100 фунтов на кв.дюйм; внутреннее сцепление 78 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 8,6% Пример 3. Плита из арахисовой шелухи Высушенная арахисовая шелуха с содержанием влаги 7% обрабатывалась паром высокого давления при 240^oC в течение 30 секунд. Давление было мгновенно сброшено. Обработанная масса имела 63% влажности и содержала 16,2% по весу растворимого в воде вещества. Обработанное сырье высушено до 5% влажности и измельчено в пучки пылевидного волокна. Затем был сформован мат и произведено горячее прессование при 220^oC и давлении 400 фунтов на кв.дюйм в течение 10 минут до получения панели 18 x 18 x 7/16 дюймов с плотностью 0,82 /51 pct/. Результаты испытаний показали следующие свойства: модуль разрыва 1900 фунтов на кв. дюйм, сырой 1080 фунтов на кв. дюйм; внутреннее сцепление 86 фунтов на кв. дюйм; модуль упругости 460000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 8,6% Пример 4. Осиновая древесностружечная плита Этот пример показывает комбинацию обработанного паром лигноцеллюлозного сырья с другим лигноцеллюлозным сырьем для изготовления плиты. Осиновая стружка была обработана паром высокого давления при 250^oC в течение 70 секунд, и затем давление было резко сброшено. Пульпообразная масса содержала высокую пропорцию сахаров и водорастворимых веществ. После высушивания это сырье было измельчено до пылевидных частиц и пропущено через сито в 100 меш. Порошкообразные частицы были смешаны с равным по весу количеством основой древесной щепы /пропущенной через сито с размером в 1/4 меш/. Затем был сформован мат с 40% по весу измельченного сырья для поверхностных слоев. Сердцевина мата была образована из 60% по весу смеси обработанных паром и измельченных частиц и основной щепы. Мат был подвергнут горячему прессованию при 210^oC и давлении 400 фунтов на кв.дюйм в течение 8 минут до получения панели 18 х 18 х 7/16 дюймов с плотностью 0,78 /49 pct/. Результаты испытаний показали следующие свойства: модуль разрыва 2540 фунтов на кв.дюйм, сырой - 1420 фунтов на кв.дюйм; внутреннее сцепление 78 фунтов на кв.дюйм; модуль упругости 590000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания - 7,5% Эта панель имела очень гладкую и плотную поверхность, по качеству равную или превышающую поверхность изготавливаемой обычным способом при влажном процессе твердой древесноволокнистой плиты. Все свойства удовлетворяли требованиям CAN 3-0188, 2-M 78 для используемых на открытом воздухе сортов вафельных плит.

Пример 5. Плита из смешанных пород Этот пример показывает обработку паром смеси различного лигноцеллюлозного сырья для изготовления плит. Равные части по весу абсолютно сухой древесины, арахисовой шелухи, рисовой соломы и еловых стружек от строгального станка были смешаны и обработаны при температуре пара 240^oC в течение примерно 35 секунд. Затем давление было мгновенно сброшено. Сырая комковатая масса, имеющая 50% влажности, была высушена до 5% влажности. Затем была изготовлена плита 18 х 18 х 7/16 дюймов прессованием при температуре 220^oC в течение 10 минут и давлении 450 фунтов на кв.дюйм. Плотность плиты была 0,80 /50 pct/. Результаты испытаний показали следующие свойства: модуль разрыва 2200 фунтов на кв.дюйм, сырой 1090 фунтов на кв.дюйм; внутреннее сцепление 86 фунтов на кв.дюйм; модуль упругости 497000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 8,6% Пример 6. Вафельная плита из тополя
Этот пример демонстрирует обработку паром высокого давления, но без взрывчатого сброса давления в конце. Такая обработка обеспечивает сохранение обработанным лигноцеллюлозным сырьем своей формы и размера. Брикеты тополя 1,5 х 2 х 0,03 дюйма были обработаны паром при температуре 240^oC в течение примерно 30 секунд. Затем давление пара было постепенно понижено до атмосферного давления /около 1,5 минут/. Обработанные брикеты, содержащие около 52% влажности, были высушены до 4% для изготовления плиты. Была изготовлена панель 18 х 18 х 7/16 дюймов с плотностью 0,70 /44 pct/. Температура прессования была 220^oC; время прессования 8 минут; давление 450 фунтов на кв.дюйм. Результаты испытаний показали следующее: модуль разрыва 2480, сырой 1350; внутреннее сцепление 68 фунтов на кв.дюйм; модуль упругости 648000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 16,5%
Эта плита удовлетворяет требования CAN 3-0188, 2-M 78 для используемых на открытом воздухе сортов вафельных плит.

Пример 7. Плита из лесосечных отходов
Этот пример показывает возможность преобразования лесосечных отходов в щитовые материалы без добавления клеящих связующих. Верхушка елки канадской, которая состояла из примерно 40% древесины, 40% листвы и 20% коры, была переработана в щепу до прохождения через сито размером в 1-2 дюйма. Щепа содержала примерно 53% влажности и имела признаки воздействия грибка. Щепа была помещена в сосуд высокого давления для прохождения обработки паром при 235^oC в течение 60 секунд. Давление было мгновенно сброшено в конце обработки. Волокнистое сырье имело 116% влажности и содержание сахара 15,5% Это сырье было высушено до содержания влаги 3% для изготовления панели. Была изготовлена одна плита 18 х 18 х 7/16 дюймов с плотностью 0,92 /57,4 pct/ при температуре прессования 230^oC, давлении 450 фунтов на кв.дюймов и времени прессования 12 минут. Результаты испытаний приведены ниже: модуль разрыва - 1870 фунтов на кв.дюйм, сырой 1160 фунтов на кв.дюйм; внутреннее сцепление - 86 фунтов на кв.дюйм; модуль упругости 448000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 14,5%
Пример 8. Влияние кислотного катализатора
Этот пример демонстрирует полезность кислотного катализатора при подготовке лигноцеллюлозного сырья для изготовления плиты. К свежему жому сахарного тростника, содержащему 49% влажности, было добавлено 0,4% по весу раствора серной кислоты. Жом был обработан при температуре пара 220^oC в течение 3 минут. Для сравнения другая партия того же самого жома была обработана при той же самой температуре пара и в течение такого же времени, но без добавления серной кислоты. После обработки паром жом был высушен до содержания влажности 5% Из каждой партии жома была изготовлена одна плита размером 18 х 18 х 7/16 дюймов с плотностью 0,72 /45 pct/ с использованием одних и тех же условий прессования: температуры прессования 220^oC, давления 400 фунтов на кв.дюйм и времени прессования 10 минут. Результаты испытаний приведены ниже.

Обработанная кислотой
Модуль разрыва 2630 фунтов на кв.дюйм, сырой 1820 фунтов на кв.дюйм; внутреннее сцепление 75 фунтов на кв.дюйм; модуль упругости 574000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 8,7%
Не обработанная
Модуль разрыва 1540 фунтов на кв.дюйм, сырой 260 фунтов на кв.дюйм; внутреннее сцепление 36 фунтов на кв.дюйм; модуль упругости 368000 фунтов на кв.дюйм; разбухание после 2 ч пропаривания 52%
Лучшее сохранение прочности во влажном состоянии и меньшая толщина разбухания плиты, изготовленной из обработанного кислотой жома, были достигнуты, в основном, благодаря более высокому содержанию свободных сахаров и кислотному жому, которые способствовали и ускорили термореакцию и отверждение клеящего связующего во время операции горячего прессования.

Формула изобретения

1. Способ получения композитных материалов из лигноцеллюлозного сырья, включающий измельчение сырья, сушку, формирование в мат и горячее прессование, отличающийся тем, что лигноцеллюлозное измельченное сырье, не содержащее по существу свободных сахаров, предварительно обрабатывают паром под давлением при 190 260^oС для высвобождения гемицеллюлозы в течение промежутка времени от 15 с до 10 мин, достаточного для разложения и гидролиза гемицеллюлозы на свободные сахара, полисахариды, дегидратированные углеводы, фурфуроловые продукты, органические кислоты и другие продукты разложения, с последующим превращением и термоотверждением свободных сахаров, полисахаридов, дегидратированных углеводов, фурфуроловых продуктов, органических кислот и других продуктов разложения лигноцеллюлозного сырья в полимерное вещество, которое адгезионно связывается с лигноцеллюлозным материалом с образованием измененного по составу композиционного продукта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лигноцеллюлозное измельченное сырье, не содержащее по существу свободных сахаров, предварительно обрабатывают паром в автоклаве с последующим его извлечением из автоклава при атмосферном давлении и сушкой до содержания влаги, предотвращающего ферментацию продуктов разложения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что давление пара непрерывно поддерживают в автоклаве при непрерывном экструдировании обработанного паром лигноцеллюлозного сырья.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что давление пара мгновенно понижают для образования обработанного паром лигноцеллюлозного сырья в порах или в микрочастицах.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что давление пара постепенно понижают для поддержания обработанного паром лигноцеллюлозного сырья в первоначальной форме.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что лигноцеллюлозное сырье после извлечения из автоклава подвергают сушке до содержания влаги менее 12% желательно до содержания влаги 3 8% для предотвращения ферментации сахаров и ускорения термоотверждения при горячем формовании.

7. Способ по пп. 1 6, отличающийся тем, что используют лигноцеллюлозное сырье в форме частиц, волокон, прядей, крошки, чешуек и им подобных образований до и после стадии сушки.

8. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что используют измельченное лигноцеллюлозное сырье с кислотным катализатором, взятым в количестве не более 5 мас. до обработки паром.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве кислотного катализатора используют кислоту или кислотообразующее вещество.

10. Способ по пп. 1 9, отличающийся тем, что лигноцеллюлозное сырье получают из лесной растительности или сельскохозяйственных растений древесной или недревесной природы в виде ствола, стебля, кустарника, листвы, коры, корня, кожуры, стручка, ореха, шелухи, волокна, соломы, лианы, травы и тростника, самих по себе или в сочетании.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2