Нанокомпозитный строительный материал на основе древесной коры

Изобретение относится к области получения композитных строительных материалов и может быть использовано в технологии изготовления древесно-минеральных плит, применяемых в качестве несущих, самонесущих стен и перегородок, конструкционных звуко- и теплоизоляционных плит и панелей. Нанокомпозитный материал включает минеральный наполнитель, цемент и воду, причем древесная матрица сформирована из частиц коры сосны ультрадисперсного размера 0,5-1,5 мм, а в качестве минерального наполнителя структуры включены частицы базальта нанометрового размера 50-250 нм. Предлагаемый материал обладает улучшенными экологическими, пожароопасными, звуко- и теплоизоляционными свойствами, повышенными физико-механическими характеристиками, стойкостью к окислительной деструкции и биологически активным средам.

 

Изобретение относится к области получения композитных строительных материалов на основе нанодисперсного минерального наполнителя структуры из ультрадисперсных отходов окорки древесины и может быть использовано в технологии изготовления древесно-минеральных плит, применяемых в качестве несущих, самонесущих стен и перегородок, конструкционных звуко- и теплоизоляционных плит и панелей, обладающих улучшенными экологическими, пожароопасными, звуко- и теплоизоляционными свойствами, повышенными физико-механическими характеристиками, стойкостью к окислительной деструкции и биологически активным средам.

Известны цементно-стружечные плиты (ЦСП), содержащие стружку древесины хвойных пород, цемент и минеральные добавки. Процесс изготовления такой плиты включает смешивание стружки с минеральными веществами, портландцементом высокой марки и водой, формирование трехслойного цементно-стружечного ковра из двух наружных мелкодисперсных и одного внутреннего крупнодисперсного и прессование. Состав ЦСП ТАМАК: гидратационные добавки - 2,5%, вода - 8,5%, деревянная стружка (1-10 мм) - 24%, портландцемент - 65%. (http://www.tamak.ru/cemento-struzhechnaya-plita/).

Недостатками такой плиты являются недостаточная прочность при изгибе (9-12 МПа), большой удельный вес (1,25-1,40 г/см³), завышенный расход вяжущего (65%), большой коэффициент теплопроводности (0,26 Вт/м·°C).

Известен наноструктурированный древесно-минеральный композитный материал в составе: древесина - 55-40%, базальт - 30-40%, гашеная известь - 10-15%, вода - остальное [Патент РФ №2542025, МПК С04В 28/10, 2015]. Процесс изготовления такого материала включает: измельчение древесины хвойных пород до размера 1-2 мкм, армирование их частицами базальта со средним размером частиц 50-100 нм путем смешивания в ваннах с суспензией базальта при помощи смесителей с мешалками, откачка и сушка древесной суспензии, смешивание с гашеной известью, затворение водой, укладка в формы, уплотнение на вибростолах, сушка и набор прочности в сушильных шкафах.

Недостатками такого материала являются повышенные энергозатраты при измельчение древесины до размера 1-2 мкм, долгий процесс набора прочности у извести (несколько лет) по сравнению с цементом (28 суток), сложность технологического процесса, повышенная себестоимость (50 кг негашеной извести - 250 руб., 50 кг цемента - 182 руб.), известь без добавления песка при затвердевании дает сильную усадку и растрескивается, кроме того, при плохом перемешивании в местах скопления извести при твердении образуются трещины.

Наиболее близким решением к заявляемой композиции по технической сущности (взятой нами за прототип) является королит (Цывин М.М. Использование древесной коры. - М.: Лесная промышленность, 1973 - с. 96) - строительный материал на основе смеси из высоковлажной коры сплавной древесины хвойных пород (5-40 мм), обработанной минерализатором, портландцемента и воды.

Недостатками этой композиции являются невысокие прочностные и теплофизические характеристики: разрушающее напряжение при изгибе - 0,5-0,7 МПа, разрушающее напряжение при сжатии - 0,5-3,5 МПа, теплопроводность - 0,116-0,163 Вт/м·°C, морозостойкость - 25 циклов попеременного замораживания, оттаивания, водопоглощение, достигающее через 24 часа 93-115%.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является преодоление указанных недостатков, т.е. разработка нового композитного строительного материала на основе нанодисперсного минерального наполнителя структуры из ультрадисперсных отходов окорки древесины с повышенными прочностными характеристиками, улучшенным комплексом физико-механических и звуко- и теплоизоляционных свойств конечных изделий.

Технический результат достигается тем, что в качестве древесной матрицы композиция содержит измельченную кору сосны обыкновенной (Pinus silvestris L) со средним размером частиц 1±0,5 мм в количестве 100 мас.ч., а в качестве наполнителя - диспергированные отходы производства базальтовой ваты со средним размером частиц 150±50 нм в количестве 15 мас.ч. при помощи смесителей с мешалками, откачка и сушка древесной суспензии, смешивание с гашеной известью, затворение водой, укладка в формы, уплотнение на вибростолах, сушка и набор прочности в сушильных шкафах.

Недостатками такого материала являются повышенные энергозатраты при измельчение древесины до размера 1-2 мкм, долгий процесс набора прочности у извести (несколько лет) по сравнению с цементом (28 суток), сложность технологического процесса, повышенная себестоимость (50 кг негашеной извести - 250 руб., 50 кг цемента - 182 руб.), известь без добавления песка при затвердевании дает сильную усадку и растрескивается, кроме того при плохом перемешивании в местах скопления извести при твердении образуются трещины.

Наиболее близким решением к заявляемой композиции по технической сущности (взятой нами за прототип) является королит (Цывин М.М. Использование древесной коры. - М.: Лесная промышленность, 1973 - с. 96) - строительный материал на основе смеси из высоковлажной коры сплавной древесины хвойных пород (5-40 мм), обработанной минерализатором, портландцемента и воды.

Недостатками этой композиции являются невысокие прочностные и теплофизические характеристики: разрушающее напряжение при изгибе - 0,5-0,7 МПа, разрушающее напряжение при сжатии - 0,5-3,5 МПа, теплопроводность - 0,116-0,163 Вт/м·°C, морозостойкость - 25 циклов попеременного замораживания, оттаивания, водопоглощение, достигающее через 24 часа 93-115%.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является преодоление указанных недостатков, т.е. разработка нового композитного строительного материала на основе нанодисперсного минерального наполнителя структуры из ультрадисперсных отходов окорки древесины с повышенными прочностными характеристиками, улучшенным комплексом физико-механических и звуко- и теплоизоляционных свойств конечных изделий.

Технический результат достигается тем, что в качестве древесной матрицы композиция содержит измельченную кору сосны обыкновенной (Pinus silvestris L) со средним размером частиц 1±0,5 мм в количестве 100 мас.ч., а в качестве наполнителя - диспергированные отходы производства базальтовой ваты со средним размером частиц 150±50 нм в количестве 15 мас.ч.

Было замечено, что при производстве композитов на основе коры принципиальное значение на набор прочности и внешний вид материала играет гранулометрический состав заполнителя. Наилучшие эстетические и прочностные показатели, по нашему мнению, будут получены при максимальной доле фракций коры 0,5-1 мм. Использование в древесной композиции отхода производства базальтовой ваты - отсева базальта, измельченного до размера частиц от 50 до 250 нм, обеспечивает технический эффект, заключающийся в существенном повышении таких свойств, как разрушающее напряжение при растяжении, сжатии, изгибе, ударная прочность, модуль упругости.

Изобретение реализуется следующим образом: кору сосны, предварительно промытую и замоченную в дистиллированной воде при температуре 20°C на одни сутки с целью удаления механических примесей и уменьшения содержания водорастворимых экстрактивных веществ, высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу при 105°C в течение 6 часов, после чего предварительно измельчают до размера 5-30 мм, что соответствует размерам отходов окорки, полученных от окорочных станков ОК-66М и К-26. Затем производят ее сухой помол любым известным способом, в нашем случае на шаровой мельнице при следующих режимных параметрах: количество стальных размольных тел размером 2 см - 23 шт., скорость вращения мельницы - 360 об/мин, время измельчения - 1 минута. Подготовленную таким образом кору смешивают с суспензией, полученной в результате просеивания через сито 5 мм и измельчения при мокром помоле любым известным способом, в нашем случае на шаровой мельнице отсева базальта. Мокрый помол базальта производится при следующих режимных параметрах: количество стальных размольных тел размером 2 см - 23 шт., скорость вращения мельницы - 420 об/мин, время измельчения - 2 часа. Смешивание коры с суспензией осуществляется механическим путем в течение 20 минут. По окончании перемешивания подается нужное количество цемента (не более 30%), если необходимо, вода, и все еще раз перемешивается 5-7 мин. Готовая смесь дозируется по весу и подается в бетоноукладчик для укладки в формы.

Формование изделий происходит в разборных металлических формах с поддонами и съемной бортоснасткой. Перед укладкой смеси формы тщательно очищают от грязи и смазывают тонким слоем машинного масла или специальных. Следует отметить, что использование отходов окорки древесины и отходов производства базальтовой ваты в качестве матрицы и наполнителя позволяет исключить их утилизацию, что важно как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Композитный материал, полученный из смеси, содержащей древесную кору хвойных пород, цемент и воду, характеризующийся тем, что смесь содержит древесную кору сосны ультрадисперсного размера 0,5-1,5 мм и дополнительно суспензию, полученную мокрым помолом отхода производства базальтовой ваты до нанометрового размера 50-250 нм, при следующем соотношении компонентов смеси, мас. ч.: указанная кора - 100, указанная суспензия в пересчете на сухое вещество - 15, а содержание цемента в смеси составляет 30 мас. %, причем из коры сосны сформирована матрица указанного композитного материала