Применение низкосортной осины для производства древесно-стружечных плит с использованием нанопорошка шунгита

В последнее время в России очень часто говорят о необходимости инновационного развития производственной сферы, вовлечении в производство новых материалов, замене дорогостоящего сырья дешевым и получении продукции с повышенными потребительскими свойствами. Все это касается и деревоперабатывающей промышленности.

В статье описана инновационная технология производства древесно-стружечных плит, разработанная учеными Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ) канд. техн. наук Николаем Пановым и д-ром техн. наук, профессором Александром Питухиным.

В числе основных направлений развития производства древесно-стружечных плит (ДСтП) значится повышение качества продукции за счет применения низких сортов древесины и модернизации технологии производства ДСтП, в частности, модифицирования клеевых растворов. В последние годы наблюдается тенденция снижения запасов качественного древесного сырья, его дефицит и возникает необходимость вовлечения в переработку низкокачественной древесины, не находящей в настоящее время применения из-за несоответствия приемочным требованиям.

Справка

Шунгит – минерал, обра- зовавшийся из органических отложений, преобразованных в углерод под действием дав- ления и высокой темпера- туры на большой глубине. По структуре схож с гра- фитом. Плотность шунгита 1,8–2,84 г/ см³. Минерал явля- ется абсорбентом и обладает каталитическими свойствами. Шунгит считают перспектив- ным материалом для исполь- зования в нанотехнологиях.

Ученые из ПетрГУ изучили возможности применения природного минерала шунгита в производстве ДСтП.

Промышленная добыча шунгита ведется на Заонежском полуострове. Есть залежи вдоль Онежского озера, с северной стороны. По оценкам экспертов, предполагаемые запасы составляют около 1 млрд тонн.

Рассматривалась возможность производства древесно-стружечных плит с физико-механическими свойствами, соответствующим требованиям ГОСТ 10632–2007, предъявляемым к плитам общего назначения. При этом в качестве сырья использовалась низкосортная осина с добавкой наноструктурированного порошка шунгита (НПШ), обеспечившей улучшение физико-механических характеристик плит и снижение эмиссии свободного формальдегида.

Целью исследований разработчиков технологии было повышение качества древесно-стружечных плит, изготовленных с использованием низкосортной осины и клеевых растворов на базе карбамидоформальдегидных смол различных марок с использованием наноструктурированного порошка шунгита.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Установлена зависимость физико-механических свойств ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной осины, от объема добавки НПШ.

2. Установлена зависимость токсических свойств ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной осины, от объема добавки НПШ.

3. Установлена зависимость физико-механических свойств ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной осины, от марки смолы, в которую добавляется НПШ.

4. Установлено влияние макроструктуры ДСтП на предел прочности при растяжении перпендикулярно пласти древесно-стружечной плиты.

5. Определены технологические свойства клеевых растворов карбамидоформальдегидных смол, изготовленных с использованием НПШ.

В результате была экспериментально доказана возможность изготовления ДСтП общего назначения из древесного сырья, содержащего 60% осины с включением в нее до 30% гнили. Установлен объем добавки наношунгитового порошка в клеевой раствор для производства ДСтП, при котором обеспечиваются наилучшие физико-механические свойства плит. Изучено влияние размерного состава древесных частиц, из которых изготовлены плиты, на ее физико-механические свойства.

Выявлено влияние содержания наноструктурированного порошка шунгита в ДСтП, изготовленных с использованием низкосортной осины, на предел прочности плит при растяжении перпендикулярно пласти, предел прочности при изгибе, водопоглощение по массе и разбухание по толщине, а также на содержание в них свободного формальдегида.

Николаем Пановым и Александром Питухиным была выдвинута гипотеза о том, что добавка в клеевой раствор НПШ может существенно повысить свойства ДСтП. Используемые для изготовления плит древесные частицы неоднородны по размерам. При этом количество контактов крупных частиц с другими частицами меньше, чем количество таких контактов мелких частиц. На этом основании ученые констатировали влияние числа контактов, а значит и частиц определенного размера на показатели прочности плиты пропорционально массовой доле этих частиц.

Исходя из этого суммарное количество контактов плоскости разрушения частиц древесины рассматривается ими как критерий прочности плиты при растяжении перпендикулярно пласти. Полученные в результате исследований зависимости прочности плиты на статический изгиб и на растяжение перпендикулярно пласти от содержания НПШ показали, что при добавке НПШ наблюдается значительный рост показателей прочности ДСтП. По сравнению с контролем (плитами без добавки НПШ) прочность при статическом изгибе увеличилась на 41%, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты – на 104%. Такие высокие физико-механические свойства ученые объяснили установленной способностью НПШ образовывать трехмерную нано­углеродную сетку в структуре ДСтП, распространяющуюся по всему объему материала с формированием более прочной структуры. Полученные ими зависимости имеют максимум при концентрации НПШ 10 масс. %, что соответствует максимальной прочности образующейся наноразмерной сетки.

Николай Панов и Александр Питухин устновили, что при введении НПШ в связующее ДСтП происходит значительное уменьшение разбухания и водопоглощения плит, что говорит о повышении их водостойкости. Такие показатели они объяснили высокой прочностью и низкой проницаемостью по воде пленки «смола – наноуглерод», концентрация которой увеличивается на поверхности плиты при прессовании.

Также установлено, что максимальной водостойкости соответствуют составы с концентрацией НПШ 10 масс. %. При введении НПШ в карбамидоформальдегидную смолу наблюдалось существенное снижение содержания свободного формальдегида. Этот эффект усиливается с увеличением концентрации наночастиц и связан с химическим взаимодействием наноуглерода и формальдегида.

Ученые пришли к выводу, что при концентрации НПШ 10 масс. % наблюдается значительное снижение содержания свободного формальдегида.

По результатам этих исследований они приняли решение изготовить и испытать на физико-механические свойства трехслойные ДСтП с концентрацией НПШ 10 масс. % от массы абсолютно сухой смолы. А также исследовать время желатинизации и вязкость связующего 1 (КФ-НФП) и связующего 2 (КФМТ-15).

Испытания проводились по ГОСТ–14231. Содержание абсолютно сухого отвердителя хлорида аммония относительно массы абсолютно сухой смолы КФ-НФП и КФ-МТ-15 – 1%. Содержание НПШ в связующем изменяли от 0 до 20%.

Исследования показали, что заметное снижение времени желатинизации происходит при увеличении НПШ от 0 до 10 масс. %. Ученые заключили, что НШП влияет на вязкость КФС в зависимости от их марки.

Ввиду гетерогенной структуры и неоднородности плотности трехслойных ДСтП, полученные результаты сравнительных показателей водостойкости и прочности плит были пересчитаны к плотности 680 кг/м³ по известным методикам.

При введении НПШ в карбамидоформальдегидную смолу на базе связующего 1, наблюдалось снижение водопоглащения ДСтП на 20%. Это связано с конденсацией водной дисперсии шунгитового наноуглерода, сопровождающейся агрегацией наночастиц и образованием в процессе полимеризации наноуглеродной сетки в связующем ДСтП на ее поверхности. Углеродные фрагменты высвобождаются в водной дисперсии, формируя углеродный НПШ, и определяют устойчивость наночастиц в воде и их взаимодействие с водой. Также было установлено, что образующаяся пленка НПШ улучшает физико-механические свойства ДСтП. По сравнению с контролем прочность при статическом изгибе повысилась на 18%, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты – на 12%. Это увеличение связано с упрочнением химических связей КФ-НФП с пленкой НПШ.

При введении НПШ в карбамидоформальдегидную смолу на базе связующего 2 Николай Панов и Александр Питухин наблюдали снижение водопоглощения ДСтП на 10%, а разбухания в воде по толщине – на 14%. Было установлено, что образованная пленка НПШ улучшает физико-механические свойства ДСтП. По сравнению с контролем прочность при статическом изгибе увеличилась на 20%, а прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты – на 22%.

Ученые сформулировали рекомендации по практическому применению результатов исследования. Рассматриваемая рецептура клеевого раствора, позволяет получать ДСтП общего назначения с использованием более 60% низкосортной древесины, в том числе осины с содержанием гнили до 30%. Улучшения физико-механические свойств ДСтП предлагается достигать за счет использования в клеевой композиции плит до 10% НПШ.

Предлагаемая клеевая композиция отличается от существующих тем, что в качестве наномодификатора используется нанодисперсный шунгит в количестве от 1 до 20% от массы связующего, причем частицы шунгита имеют размеры, не превышающие 100 нм и распределены в связующем на основе термореактивной смолы, выбранной из группы, состоящей из карбамидоформальдегидной, фенолоформальдегидной, меламиноформальдегидной смол или их аналогов.

Установлено, что добавка 10% НПШ при изготовлении трехслойных ДСтП с использованием низкосортной древесины осины обеспечивает следующее:

1. Повышение предела прочности ДСтП на изгиб в случае применения смолы КФ-НФП на 15,5%, а смолы КФС-МТ-15 – на 20,4%.

2. Повышение предела прочности ДСтП перпендикулярно пласти при смоле КФ-НФП на 10,5%, а при смоле КФС-МТ-15 – на 27,6%.

3. Уменьшение разбухания ДСтП по толщине при смоле КФ-НФП на 2%, при смоле КФС-МТ-15 – на 16,5%.

4. Уменьшение водопоглощения ДСтП по массе при смоле КФ-НФП на 25,2%, при смоле КФС-МТ-15 – на 12%.

При добавке НПШ менее 10 масс. % такие технологические свойства клеевого раствора, как время желатинизации и вязкость, меняются незначительно, следовательно, при производстве ДСтП не требуется менять время, скорость и давление прессования.

Добавка 10 масс. % НПШ позволяет получать одно- и трехслойные древесно-стружечные плиты общего назначения из частиц, состоящих из 60% низкосортной древесины осины, содержащей до 30% гнили, и 40% смеси хвойных пород.

Приведенные результаты исследования подтверждают эффективность использования низкокачественной осиновой древесины для производства ДСтП высокого качества при добавке наношунгитового порошка. Для Республики Карелия это перспективная технология, поскольку запасы шунгита в регионе весьма значительные. 

Текст Ольга Куницкая, д-р техн. наук, профессор кафедры ТОЛК ЯГСХА

От редакции:

20 марта 2019 года ушел из жизни известный в России и за рубежом ученый, доктор технических наук, профессор кафедры транспортных и технологических машин и оборудования Института лесных, горных и строительных наук Петрозаводского государственного университета Александр Васильевич Питухин.

Выпускник Ленинградского политехнического института, в 1972 году Александр Васильевич поступил на работу на Кировский тракторный завод. После защиты кандидатской диссертации он пришел на кафедру тяговых машин лесоинженерного факультета Петрозаводского государственного университета. Через некоторое время возглавил кафедру технологии металлов и ремонта этого же факультета. В 1992 году Александр Васильевич успешно защитил докторскую диссертацию. В 1990-е годы стал деканом лесоинженерного факультета. Уравновешенность, деловитость, высокая работоспособность Александра Васильевича помогли факультету пережить непростые времена: были открыты новые направления подготовки, аспирантура, докторантура, магистратура, диссертационный совет по защите докторских диссертаций. Вклад Александра Васильевича в развитие научных исследований и подготовку кадров для лесопромышленного комплекса сложно переоценить.

В 2014 году Александр Васильевич участвовал в организации Института лесных, инженерных и строительных наук и стал его руководителем.

Под руководством А. В. Питухина защищено свыше десяти кандидатских и докторских диссертаций. Александр Васильевич был членом двух диссертационных советов по специальности 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», выполнял обязанности члена совета УМО по образованию в области лесного дела. Автор большого количества статей, монографий, за годы работы А. В. Питухин отмечен многими наградами.

В память об Александре Василь­евиче мы публикуем статью на основе сделанной под его руководством научно-практической разработки для повышения эффективности лесного комплекса Республики Карелия.