Бехта П.А., Козак Р.О., Салабай Р.Г.

(НЛТУ Украины, г. Львов, Украина)

bekhta@ukr.net, kozak_ruslan@ukr.net, roman_salabay@ukr.net

Улучшение физико-механических свойств древесно-соломенных плит модификацией соломенных частиц

The Improving of the physical-mechanical properties of wood-straw BOARDS by the MODIFICATION OF straw

Постановка проблемы

Во многих странах мира для изготовления стружечных плит традиционным сырьем была и остается древесина. Скорость глобальной вырубки лесов и ее влияние на окружающую среду вынуждает производителей таких плит вести поиск альтернативного сырья. В основном это лигноцеллюлозное сырье сельскохозяйственного производства, в частности солома. Отличительная особенность соломы всех культур – высокое содержание целлюлозы. Средняя рыночная цена соломы в несколько раз меньше, чем древесины [1]. Меньшие средства могут быть использованы на дробильное и сушильное оборудование [2, 3]. За последние годы во многих странах злаковая солома стала главным недревесным сырьем, которое используют для изготовления древесных плит. В США, после багассы, злаковую солому считают вторым самым пригодным сельскохозяйственным волокном для изготовления древесных композитов [4].

Однако, одним из факторов, который препятствует использованию соломы как сырья для производства древесных плит, является наличие воска с достаточно сложным химическим составом, который в соломе не распылен во всей ее массе, как это имеет место в древесине, а находится практически полностью на поверхности стебля. Образование такого антиадгезионного слоя на поверхности частиц соломы препятствует смачиванию поверхности частиц и ухудшает склеивание [5].

Обычные карбамидоформальдегидные клеи не позволяют получать из соломы стружечные плиты с необходимыми свойствами. Частичная замена древесины соломой в плитах, склеенных карбамидоформальдегидным клеем, драматически ухудшает их основные свойства [6].

Однако привлекательность соломенного сырья вынуждает искать пути, которые позволили бы применять его в производстве стружечных плит.

Небольшой процент (до 10%) соломенных частиц в смеси с древесными хотя и ухудшает физико-механические показатели древесно-соломенных плит, однако позволяет получать плиты, которые отвечают требованиям стандарта [7]. Можно достичь удовлетворительного качества склеивания и при применении модифицированных карбамидоформальдегидных клеев [8]. Изоцианатные клеи – самые эффективные для изготовления соломенных плит [9]. Однако через дороговизну этих клеев, исследования, направленные на улучшение адгезии соломы со смолами, которые были бы дешевле за изоцианатные, продолжаются [5]. Предложены разные методы химической обработки поверхности частиц соломы. Известен способ получения плит из растительного сырья, который включает модификацию растительного сырья аммиаком, которое перед этим обрабатывается водяным паром при температуре 140-250°С, со следующим формированием и горячим прессованием [10]. Недостатком этого способа является сложность технологии и токсичность аммиака.

Следовательно, вопрос использования соломенных частиц в производстве стружечных плит является открытым и требует дополнительных исследований. Поэтому целью данного исследования являлось улучшение физико-механических свойств древесно-соломенных плит путем модификации соломенных частиц.

Экспериментальная часть

Древесное сырье и солома отдельно измельчались для получения древесных и соломенных частиц. Древесные частицы подавались на операцию сушки, а соломенные частицы подвергались на протяжении 45 мин одной из дополнительных технологических операций:

1) вымачиванию в 9%-ном растворе уксусной кислоты;

2) кипячению в воде;

3) кипячению в мыльном растворе;

4) пропариванию.

После такой обработки соломенные частицы подсушивались до влажности 3-6%. Потом древесные частицы перемешивались из соломенными. Массовое соотношение между древесными и соломенными частицами составляло 60:40. Приготовленная смесь древесно-соломенных частиц смешивалась с клеем на основе карбамидоформальдегидной смолы. Содержание клея в плите составляло 14% от массы абсолютно сухих частиц. В качестве отвердителя использовался хлористый аммоний в виде водного раствора концентрацией 20% в количестве 1%. После смешивания с клеем формировался однослойный стружечный ковер. Сформированный ковер подпрессовывался и подавался на операцию прессования плит. Прессование однослойных плит плотностью 650 кг/м³, толщиной 16 мм осуществлялось при таких режимных параметрах: давление – 2,2 МПа, температура – 170°С, длительность – 0,38 мин/мм (6,14 мин). Влажность готовых плит составляла 8%.

Для сравнения при аналогичных параметрах прессования изготовлялись древесно-соломенные плиты, в которых соломенные частицы не поддавались дополнительной обработке.

Результаты исследований

Анализ влияния модификации частиц на свойства плит осуществлялся за следующими параметрами плит: прочность при статическом изгибе, прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты, водопоглощение и набухание. Для контрольных плит отмеченные параметры были приняты за 1,0. Сравнительные данные физико-механических показателей древесно-соломенных плит приведены в таблице.

Таблица

Сравнительные данные физико-механических показателей древесно-соломенных плит

Показатель	Контрольная плита	Плита с модифицированными соломенными частицами:
		вымоченными в 9%-ном растворе уксусной кислоты	прокипяченными в мыльном растворе	прокипяченными в воде	пропаренными
Предел прочности при статическом изгибе	1,0	2,36	2,31	1,79	1,48
Предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты	1,0	2,0	2,86	1,71	1,43
Водопоглощение	1,0	0,91	0,92	0,94	0,88
Набухание	1,0	0,57	0,65	0,67	0,75

Из результатов, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что использование модифицированных соломенных частиц в композиции стружечных плит во всех случаях позволяет значительно улучшить их физико-механические свойства, по сравнению с древесно-соломенными плитами, изготовленными из необработанных соломенных частиц.

В частности, использование соломенных частиц, предварительно обработанных 9%-ным раствором уксусной кислоты, позволило повысить прочность при статическом изгибе таких плит на 136%, прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты на 100%, уменьшить водопоглощение и набухание соответственно на 9% и 43%.

Использование соломенных частиц, предварительно прокипяченных в мыльном растворе, позволяет повысить прочность при статическом изгибе таких плит на 131%, прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты на 186%, уменьшить водопоглощение и набухание соответственно на 8% и 35%.

Использование соломенных частиц, предварительно обработанных пропариванием или кипячением в воде, также позволило значительно улучшить физико-механические свойства древесно-соломенных плит. В частности, прочность при статическом изгибе повышается на 50% и 80%, прочность при растяжении перпендикулярно к пласти плиты повышается на 43% и 71%, водопоглощение уменьшается на 12% и 6%, набухание уменьшается на 25% и 33%, соответственно для пропаренных и прокипяченных в воде соломенных частиц.

Сравнивая разные способы модификации необходимо отметить наилучшие показатели относительно предела прочности при статическом изгибе, водопоглощения и набухания получены при обработке соломенных частиц вымачиванием в 9%-ном растворе уксусной кислоты. Кипячение соломенных частиц в мыльном растворе обусловило наибольший рост предела прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты.

Судя за результатами исследований, модификация соломенных частиц позволяет удалять восковые вещества, что способствует лучшему смачиванию поверхности частиц клеем и улучшает склеивание. А это, в свою очередь, улучшает физико-механические свойства древесно-соломенных плит.

Литература

1. Markessini E., Roffael E., Rigal L. Panels from annual plant fibers bonded with urea-formaldehyde resins. In: Proceedings 31th International Particleboard/Composite Materials Symposium, Pullman. 1997. - P. 147-160.

2. Dalen H., Shorma T. The manufacture of particleboard from wheat straw. In: Proceedings of the 30th Washington State University International Particleboard Composite/Materials Symposium. Pullman, Washington, 1996. - P. 191-196.

3. Heslop G. Compak: Ten Years of Experience with Commercial Straw Particleboard Production. In: Proceedings of the 31th Washington State University International Particleboard Composite/Materials Svmposium. Pullman, Washington. 1997. - P. 109-113.

4. Rowell R.M., Young R.A., Rowell J.K. Paper and Composites from Agro-Based Resources. CRC Lewis Publishers, Boca Raton, New York, Tokyo, 1997, в 464 г.

5. Pease D.A. Resin advances support strawboard development. Wood Technology. 1998, No.3, p.32-34.

6. Grigoriou A. Straw-wood composites bonded with various adhesive systems. Wood Science and Technology, 2000, 34: 355-365.

7. Патент на полезную модель №21438, Украина, МПК В27 N 3/00. Способ изготовления стружечных плит с использованием соломы / Бехта П.А., Салабай Р.Г. – Опубл.15.03.2007, Бюл.№3

8. Rexen F. Stroh als Rohstoffimaterial für Spanplatten. Holz Zentralbl. 1975, 101, Nr.34: 471-472.

9. Heller W. Die Herstellung von Spanplatten aus unkonventionellen Rohstoffen. Holz als Roll- und Werkstoff, 1980, 38: 393-396.

10. А.с. СССР №656868. Способ получения плит из растительного сырья / Клуге З.Э., Лиедоетерис У.Я., Зиединьш И.О. и др. Заявл. 10.06.75, Опубл. 15.04.79, Бюл.№14.

Резюме

Приведены результаты экспериментальных исследований по улучшению физико-механических свойств древесно-соломенных плит путем модификации соломенных частиц вымачиванием в 9-ном растворе уксусной кислоты, кипячением в воде и мыльном растворе, а также пропариванием. Наилучшие показатели физико-механических свойств древесно-соломенных плит достигаются в случае модифицирования соломенных частиц 9%-ным раствором уксусной кислоты.

The results of experimental studies to improve the physical-mechanical properties of wood-straw boards by modifying the straw particles by the 9% solution of acetic acid, or by the boiling in water and in soap solution and by the steaming are presented. The best values of the physical-mechanical properties of wood-straw boards are achieved in the case of the modification of straw by the 9% solution of acetic acid.