Пресс-композиция, способ ее получения и способ получения композиционных материалов на ее основе

 

Использование: изобретение относится к производству прессовочных масс из частиц растительного происхождения (измельченная древесина, костра льна, конопли, гуаз-пая, подсолнечная лузга, солома злаковых) и может быть использовано для изготовления изделий без применения синтетических связующих веществ, конструкционного, отделочного назначения используемых в мебельной и строительной промышленности. С целью создания нетоксичных композиционных материалов предлагается пресс-композиция из древесных частиц, содержащая не менее 5% свободных сахаров, гидролизующий агент и не требующая дополнительного введения связующих веществ при изготовлении композиционных материалов на ее основе. Сущность изобретения: на древесные отходы наносят раствор 0,1 - 15,0 мас.ч. гидролизующего агента - перекиси водорода и обрабатывают их перегретым 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%. Древесно-волокнистую массу без добавки связующих веществ формуют и проводят холодную подпрессовку. Горячее прессование осуществляют при 120 - 160°C. Предлагаемое изобретение позволяет получать плитные композиционные материалы, характеризующиеся высокими физико-механическими и гидрофобными показателями. 3 с. и 1 з.п.ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к производству древесных прессовочных масс на основе частиц растительного происхождения, в частности к пресс-композиции, способу ее получения и способу получения композиционных материалов на ее основе.

Изобретение может быть использовано при подготовке исходного сырья для изготовления изделий конструкционного, отделочного, и другого назначения в мебельной и строительной промышленности.

Широко известны композиции на основе частиц растительного происхождения. Они, как правило, состоят из двух основных частей: древесного наполнителя и полимерного связующего. В качестве полимерных связующих веществ используют синтетические термореактивные смолы, приготовленные на основе фенолов, мочевины, формальдегида или изоцианатов.

Недостатком описанных композиций является то, что они токсичны для человека: при изготовлении и в процессе эксплуатации готовых изделий выделяются пары фенола и формальдегида, оказывающие раздражающее воздействие на кожу и слизистые оболочки. Другим серьезным недостатком таких композиций является то, что синтетические связующие дороги, так как их производят из нефтехимических продуктов. Стоимость связующих веществ составляет большую часть стоимости готовых изделий (около 60%).

Известна композиция на основе частиц одревесневшего сырья для изготовления прессованных плит без внесения извне связующих добавок и способ получения прессованных изделий из древесного материала без добавления в него связующих веществ [Заявка на патент N 94008403/15, кл. B 27 N 3/11, БИ N 13, 1995, с. 62 и Патент РФ N 2033319, кл. B 27 N 3/02, БИ N 11, 1995, с. 136 соответственно].

Недостатком описанной композиции и способа является то, что требуется обязательное измельчение сырья до размеров древесной муки (2 - 3 мм), а горячее прессование осуществляется в жестких условиях: при высоком удельном давлении (до 30 МПа) и высокой температуре (200-220^oC), значительно превышающей температуру начала термодеструкции древесины. Предлагаемые композиция и способ получения плит основаны на физическом воздействии на древесину (температура, давление) в результате которого, в основном, образуются лабильные водородные связи. Высокая плотность композитов (1300-1400 кг/м³) обеспечивает им высокие прочностные свойства, но не может обеспечить высокую водостойкость.

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является способ получения композитных материалов из частиц лигноцеллюлозного материала, имеющих в своем составе целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы, содержащих в большом количестве свободные сахара, полученные из углеводной части растительного материала при его обработке кислотным катализатором и паром, причем катализатор берут в количестве не более 5 мас.% до обработки паром [Патент РФ N 2075384, кл. B 27 N 9/11, БИ N 8, 1997, с. 145].

Композитный материал получают горячим прессованием лигноцеллюлозного материала, обработанного паром при температуре 190-260^oC с кислотным катализатором без дополнительного введения каких-либо связующих веществ.

Недостатком описанной композиции и способа ее получения является то, что используется кислотный катализатор. Дело 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 (пример с использованием серной кислоты), сыграв позитивную роль в процессе гидролиза, сохраняется в обработанной древесной массе и оказывает резко отрицательное деструктирующее воздействие на древесную массу как в процессе горячего прессования, так и при последующем использовании.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается пресс-композиция на основе частиц лигноцеллюлозного материала, содержащая свободные сахара, а также способ ее получения, обеспечивающий композиции заданные свойства и возможности их варьирования в требуемых пределах и способ получения композиционного материала с высокими физико-механическими показателями, на основе предлагаемой пресс-композиции. Заявляемое изобретение лишено вышеупомянутых недостатков, связанных с деструктирующим действием на древесную массу применяемого гидролизующего агента.

Редуцирующие вещества (сахара), образующиеся в большом количестве (до 15-20%) в древесном волокне имеют карбонильные группы, склонные к реакциям нуклеофильного присоединения. Нативный лигнин, являясь полифункциональным полимером, содержит фенольные и спиртовые гидроксилы, карбонильные (альдегидные и кетонные) группы, двойные связи, что обеспечивает ему высокую реакционную активность в различных реакциях.

Химический и функциональный анализ древесной массы баротермического гидролиза, свидетельствует о том, что в ней содержится большое количество веществ (редуцирующие вещества, полифенолы, алифатические кислоты), имеющих высокореакционные функциональные группы. При определенных условиях (температура, кислотность среды, давление) из этих веществ могут быть получены полимерные вещества, аналогичные фенолоальдегидным смолам, с высокой адгезией к древесному волокну.

Осуществление изобретения достигается тем, что предлагается пресс-композиция из лигноцеллюлозного материала, характеризующаяся наличием саморазлагающегося гидролизующего агента и свободных сахаров, полученных из гемицеллюлозной части исходного материала. Гидролизующий агент, в качестве которого предлагается использовать раствор пероксида водорода, на первом этапе ускоряет реакции гидролиза полисахаридов, разлагаясь при этом на простые нейтральные вещества (вода, кислород), и не оказывает деструктирующего действия на древесное волокно в процессе горячего прессования и последующей эксплуатации.

Осуществление изобретения достигается тем, что в способе получения пресс-композиции согласно изобретению на лигноцеллюлозный материал при комнатной температуре наносят определенное количество гидролизующего агента, растворенного в воде, а затем материал обрабатывают паром под давлением при повышенной температуре, обеспечивая при этом необходимую степень разволокнения одревесневших частиц и быстрый гидролиз гемицеллюлоз до свободных сахаров.

Именно заявляемый качественный и количественный состав, обработка лигноцеллюлозного материала раствором пероксида водорода с последующей обработкой материала паром под давлением, обеспечивают согласно способу достаточное разволокнение лигноцеллюлозного материала при минимальной термодеструкции биополимеров растительного сырья, что позволяет изготавливать плитные материалы с хорошими прочностными и гидрофобными свойствами при удельном давлении не выше 5 МПа и температуре прессования не выше 160^oC.

Использование гидролизующего агента позволяет проводить процесс обработки древесного материала в течение короткого промежутка времени (1-15 мин).

Высокое содержание сахаров (редуцирующих веществ) в полученной древесной массе обеспечивает пресс-композиции и получаемым из нее композиционным материалам высокие эксплуатационные свойства.

Пресс-композиция согласно изобретению является продуктом частичного гидролиза полисахаридной части растительного материала, содержит свободные сахара в количестве не менее 5 мас.% и способна перерабатываться в готовые изделия без введения связующих веществ.

Содержание перекиси водорода в композиции должно составлять от 5,1 до 15,0 мас. ч. на 100 мас. ч. лигноцеллюлозного материала. Такое соотношение обеспечивает возможность проведения процесса гидролиза при 170-190^oC и позволяет селективно разрушать только гемицеллюлозную часть растительного материала и получать пресс- композицию с максимально возможным содержанием свободных сахаров.

Использование пероксида водорода обеспечивает селективный гидролиз гемицеллюлозной части материала в процессе обработки паром, а также позволяет избежать протекания глубоких реакций деструкции в процессе прессования и эксплуатации.

Использование гидролизующего агента в количестве более 5 мас.% позволяет снизить температуру и время тепловой обработки, что приводит к сокращению энергетических затрат и увеличению производительности. Наличие верхнего предела при использовании гидролизующего агента связано с его влиянием на ускорение процессов термодеструкции при горячем прессовании полученных древесных масс.

Примеры получения предлагаемой пресс-композиции Пример 1. В кристаллизатор помещают 100 г воздушно-сухой технологической щепы березы (размером 1-5 см). Содержание основных компонентов в древесине березы составляет: лигнин - 20,0%, целлюлоза - 49,2%, легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) - 21,8%.

На древесный материал наносят предварительно растворенный в воде (90 - 100 мл) концентрированный раствор (30%) перекиси водорода в количестве 5,1 г. Древесную щепу с нанесенным гидролизующим агентом выдерживают при 20^oC два часа для равномерной пропитки всей древесины.

Обработку образца паром проводят следующим образом. Образец загружают в предварительно нагретый до 190^oC реактор, конструкция которого позволяет нагревать материал подаваемым паром до заданной температуры в течение 10-15 с. В процессе обработки в реакторе поддерживают постоянное давление (1,25 МПа) и температуру. Через 10 мин после начала обработки проводят декомпрессию реактора за время менее 1,0 с, в результате которой обработанный лигноцеллюлозный материал вместе с паром перемещается в приемный циклон.

Полученная волокнистая масса анализируется на содержание образовавшихся редуцирующих веществ (РВ), остаточное содержание легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП), на содержание влаги, и после подсушивания до влагосодержания не более 5%, используется для изготовления композиционных материалов. В получаемой после декомпрессии древесной массе (от абсолютно сухой) содержится: РВ - 13,2%, ЛГП - 5,8%, содержание влаги - 42%.

Композиционный материал из полученной волокнистой массы (после подсушивания влажность массы - 5%), изготавливался методом горячего прессования под давлением. После формования ковра, проводилась холодная подпрессовка при 1 - 2 МПа, а затем осуществлялось горячее прессование при 150^oC при удельном давлении 4 МПа в течение 1 мин/мм готовой плиты. После этого полученное изделие охлаждали до 50-60^oC без снятия давления.

Композиционный материал, отпрессованный из пресс-композиции, полученной по данному примеру, имеет следующие характеристики: плотность, кг/м³ - 1220 предел прочности при изгибе, МПа - 34,5 водопоглощение за 24 часа, % - 15,6 набухание за 24 часа, % - 15,5 В таблице 1 приведены примеры получения пресс-композиции с использованием различных количеств гидролизующего агента согласно изобретению с указанием условий обработки и прессования, содержания образовавшихся редуцирующих веществ (РВ), остаточного содержания легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП) и физико-механических показателей полученных плитных материалов.

В таблице 2 приведены примеры получения пресс-композиций при различных условиях обработки согласно изобретению с указанием условий прессования, содержания образовавшихся редуцирующих веществ (РВ), остаточного содержания легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП) и физико-механических показателей полученных плитных материалов.

В таблице 3 приведены примеры получения пресс-композиций из различных лигноцеллюлозных материалов согласно изобретению с указанием условий обработки и прессования, содержания образовавшихся редуцирующих веществ (РВ), остаточного содержания легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП) и физико-механических показателей полученных плитных материалов.

В таблице 4 приведены примеры изготовления композитов при различной температуре прессования согласно изобретению с указанием содержания образовавшихся редуцирующих веществ (РВ), остаточного содержания легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП) и физико-механических показателей полученных плитных материалов.

Источники информации 1. "Материал строительных плит и способ их изготовления". Заявка на патент 94008403/15 от 21.03.94 МКИ 4 B 27 N 3/00, опубл. БИ N 13, 1995 г, с. 62.

2. Патент N 2033319 от 27.10.92, МКИ 4 B 27 N 3/02, опубл. БИ N 11, 1995 г, с. 136.

3. Патент N 2075384 от 20,03.97, МКИ⁶ B 27 K 9/00, опубл. БИ N 8, 1997 г, с.145.

Формула изобретения

1. Пресс-композиция, содержащая частицы лигноцеллюлозного материала, имеющие в своем составе целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы, свободные сахара в количестве не менее 5%, полученные из углеводной части растительного материала при его обработке гидролизующим агентом и паром, отличающаяся тем, что в качестве гидролизующего агента используют перекись водорода при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: Лигноцеллюлозный материал - 100
Перекись водорода - 5,10 - 15,00
2. Пресс-композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве лигноцеллюлозного материала она содержит материал, выбранный из группы, содержащей измельченную древесину, костру льна, коноплю, гуаз-паю, солому злаковых и подсолнечную лузгу.

3. Способ получения пресс-композиции, включающий обработку лигноцеллюлозного материала гидролизующим агентом и температурную обработку паром, отличающийся тем, что для обработки в качестве гидролизующего агента используют перекись водорода, а обработку паром осуществляют при 170 - 190^oС.

4. Способ получения композиционных материалов на основе пресс-композиции, содержащей целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозу, свободные сахара и продукты их термодеструкции, включающий формование ковра, холодную подпрессовку и горячее прессование, отличающийся тем, что горячее прессование осуществляют при 120 - 160^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5