Патент на изобретение №2381244

(54) ПРЕСС-МАССА, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЕЕ ОСНОВЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к деревообрабатывающей, мебельной и строительной промышленности. Для создания нетоксичных плитных материалов предлагается использовать пресс-массу из растительного сырья без использования синтетических связующих. Пресс-масса в виде частиц растительного сырья, имеющих в своем составе целлюлозу, лигнин, легко- и трудногидролизуемые полисахариды и карбоксильные группы, получена кавитационной обработкой 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%. Из пресс-массы получаются дешевые плитные материалы, имеющие высокие экологические и физико-механические показатели. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к производству плитных материалов типа древесностружечных из растительного сырья без использования синтетических связующих.

Изобретение может быть использовано для изготовления изделий конструкционного, отделочного и другого назначения в мебельной и строительной 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.

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.]; технология парового взрыва; технология получения биопластиков [Болобова А.В. Теоретические основы биотехнологии древесных композитов: В 2-х кн.. Кн.II: Ферменты, модели, процессы / Болобова А.В., Аскадский А.А., Кондращенко В.И., Рабинович М.Л.; [Отв. ред. А.М.Безбородов]. – М.: Наука, 2002. – 343 с.]. Каждый из приведенных способов имеет свои достоинства и недостатки. Положительной стороной в основном выступает увеличение реакционной способности древесного комплекса. В зависимости от технологических условий в древесине протекают деструктивные процессы, различающиеся степенью деградации основных компонентов. Основными недостатками этих способов является 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 экологическую ситуацию.

Известен способ получения композитных материалов из лигноцеллюлозного сырья [Патент РФ 20075384], 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.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения композиционных материалов из лигноцеллюлозного материала, полученного при гидротермической обработке [Патент РФ 2152966] (прототип). Сущность данного способа заключается в следующем: 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%. 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.

Недостатком описанного способа является то, что свойства изделий, получаемых данным способом, сильно зависят от природы применяемого сырья и режимов их предобработки. В результате 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.

В предлагаемом нами изобретении указанные недостатки устраняются вследствие применяемой технологии кавитационной обработки.

Сущность предлагаемого нами изобретения заключается в том, что пресс-массу в виде растительного сырья (древесные опилки, солома злаковых и др.), содержащую свободные сахара, получают кавитационной обработкой. При прессовании полученной пресс-массы получается композиционный материал с физико-механическими показателями, удовлетворяющими требованиям евростандартов.

В результате кавитационного воздействия из древесины сосны без добавления и с добавлением гидролизующего агента – серной кислоты – образуется масса с содержанием легко- и трудногидролизуемых полисахаридов 13-18% и 28-37% соответственно, содержанием целлюлозы 53-58% и медным числом 1,7-2,9 г/100 г, содержанием лигнина по Комарову 31-37%. Содержание карбоксильных групп 0,6-4,9%. Таким образом, химический и функциональный анализ древесной массы, подвергнутой кавитационной обработке, свидетельствует о том, что в ней содержится большое количество веществ, имеющих высокореакционные функциональные группы. При определенных условиях формования из этих веществ в точках контакта древесных частиц воссоздаются лигноуглеводные связи, аналогичные по типу и свойствам природным связям в исходной древесине, а также рекомбинация с образованием дополнительных структур и появлением новых углерод-углеродных и кислород-углеродных связей, вследствие этого могут быть получены полимерные вещества с высокой адгезией к наполнителю.

Осуществление изобретения достигается тем, что в способе получения пресс-массы согласно изобретению растительное сырье (опилки древесины или частицы соломы злаковых с влажностью 3-8%, фракцией до 1,25 мм и 2 см соответственно) помещают в емкость с водой (гидромодуль равен 10) без или с добавлением гидролизующего агента – серной кислоты (концентрация до 1%). Массу подвергают кавитационному воздействию в течение различных промежутков времени (15-120 мин). Процесс сопровождается самопроизвольным разогреванием смеси до 95°С. Такая обработка обеспечивает необходимую интенсификацию процессов разволокнения частиц и быстрый гидролиз гемицеллюлоз, деградацию лигнина с образованием более реакционноспособных соединений.

Именно заявленный качественный и количественный состав, кавитационная обработка растительного сырья без и с гидролизующим агентом обеспечивают согласно способу лучшую текучесть пресс-массы, что позволяет изготавливать плитные материалы с хорошими прочностными и гидрофобными свойствами в более мягких условиях – при удельном давлении не выше 11 МПа и температуре прессования не выше 160°С.

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

Пресс-масса согласно изобретению является продуктом частичного гидролиза полисахаридной части и частичной деградации лигнина, не имеющим низкомолекулярных легкокипящих веществ различного класса опасности, и способна перерабатываться в готовые изделия без добавления связующих веществ.

Содержание серной кислоты 1 мас.ч. на 100 мас.ч растительного сырья обеспечивает возможность проведения процесса гидролиза и деградации уже при 60-70°С в условиях кавитации.

Примеры получения предлагаемой пресс-массы.

Пример 1

В емкость помещают 1000 г воздушно-сухих опилок древесины сосны (фракция 0,6-1,2 мм). Содержание основных компонентов в древесине сосны составляет: целлюлоза (медное число 1,8) – 52,2%, лигнин – 29,2%, легкогидролизуемые полисахариды (ЛГП) – 18,5%, трудногидролизуемые полисахариды (ТГП) – 42,0%.

К древесному материалу добавляют 0,01 м³ воды (гидромодуль 10), в который предварительно вносят 10 г концентрированной серной кислоты – гидролизирующий агент.

Массу подвергают кавитационному воздействию (производительность 9 т/ч) в течение 60 мин, поддерживая температуру в реакционной зоне кавитатора 60-70°С.

Полученную массу подсушивают до влагосодержания 10% и используют для изготовления плитных материалов. В полученной пресс-массе после кавитационной обработки содержится ЛГП – 14,3%, ТГП – 33,0%, медное число выделенной целлюлозы – 2,6. Структуру полученных продуктов идентифицируют методом ИК-спектроскопии.

Плитные материалы изготавливались методом горячего прессования под давлением. После формования ковра проводилась холодная подпрессовка при 1 МПа, а затем осуществлялось горячее прессование при температуре 140°С и удельном давлении 7,5 МПа в течение 1 мин/мм готовой плиты. После этого полученное изделие охлаждали до 50-60°С без снятия давления.

Плитный материал, отпрессованный из пресс-массы, полученной по данному примеру, имеет следующие физико-механические характеристики:

В таблице 1 приведены примеры получения пресс-масс в различных условиях, содержание ЛГП и ТГП, карбоксильных групп выделенного диоксан-лигнина, медного числа выделенной целлюлозы и физико-механические характеристики полученных плитных материалов.

В таблице 2 приведены примеры изготовления плитных материалов при различной температуре прессования согласно изобретению с указанием ЛГП и ТГП, медного числа выделенной целлюлозы и физико-механические показатели полученных плитных материалов.

В таблице 3 приведены примеры изготовления плитных материалов при различном давлении прессования согласно изобретению с указанием ЛГП и ТГП, медного числа выделенной целлюлозы и физико-механические показатели полученных плитных материалов.

В таблице 4 приведены примеры изготовления плитных материалов при различной влажности древесного ковра согласно изобретению с указанием ЛГП и ТГП, медного числа выделенной целлюлозы и физико-механические показатели полученных плитных материалов.

В таблице 5 приведены примеры изготовления плитных материалов с использованием модифицирующих добавок согласно изобретению с указанием ЛГП и ТГП, медного числа выделенной целлюлозы и физико-механические показатели полученных плитных материалов.

Формула изобретения

1. Пресс-масса в виде частиц растительного сырья, имеющих в своем составе целлюлозу, лигнин, легко- и трудногидролизуемые полисахариды и карбоксильные группы, отличающаяся тем, что она получена кавитационной обработкой упомянутого растительного сырья, при этом 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%.

2. Пресс-масса по п.1, отличающаяся тем, что в качестве растительного сырья использована измельченная древесина или солома злаковых.

3. Пресс-масса по п.1, отличающаяся тем, что она получена кавитационной обработкой растительного сырья с добавлением гидролизующего агента в количестве 1 мас.ч. на 100 мас.ч. растительного сырья.

4. Способ получения пресс-массы по одному из пп.1-3, включающий помещение растительного сырья в емкость с водой, которое подвергают кавитационной обработке в течение 15-120 мин и за счет самопроизвольного разогревания смеси до 95°С осуществляют разрушение клеточной стенки без существенной деструкции основных структурных компонентов.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что кавитационную обработку растительного сырья проводят с добавлением гидролизующего агента в количестве 1 мас.ч. на 100 мас.ч. растительного сырья.

6. Способ получения плитных материалов из пресс-массы по одному из пп.1-3, включающий формование ковра, холодную подпрессовку и горячее прессование растительного сырья, которое осуществляют при 120-160°С и давлении 2,5-11 МПа при влажности ковра 5-20%.