Физико-механические характеристики термодревесной композиции из древесины сосны при баротермической обработке
DOI:
https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-2-143-155Ключевые слова:
древесина, сосна, взрывной автогидролиз, баротермическая обработка, композитный материал, термодревесная композиция, водопоглощение, разбухание по толщине, плотность, прочность.Аннотация
Направление исследования – формирование представлений о структуре и свойствах композитных материалов, получаемых на основе древесины сосны, а также о процессах, происходящих в структуре древесной ткани. Изучено влияние условий баротермической обработки образцов цельной древесины сосны обыкновенной методом взрывного автогидролиза на плотность, прочностные и гидрофобные характеристики термодревесной композиции, получаемой горячим прессованием. Обработка древесины выполнена в разных условиях фактора жесткости взрывного автогидролиза – при температуре 200 ОС и продолжительности процесса от 0,08 до 10 мин. Установлено, что увеличение фактора жесткости гидролиза снижает плотность гидролизованной древесины от 440 до ~350 кг/м3. При выбранных параметрах обработки не происходит фрагментации образцов. Горячее прессование гидролизованной древесины, полученной в условиях незначительной или умеренной жесткости, сопровождается линейным увеличением плотности термодревесного композитного материала от ~440 до 500 кг/м3. Следствием дальнейшего роста жесткости является замедление темпов повышения плотности композитного материала. Условная граница, определяющая достижение максимального количества сшитых межмолекулярных структур в этом материале, соответствует фактору жесткости 3000…4500 мин. Более жесткие условия обработки вызывают интенсификацию процессов термической деструкции. Зависимость гидрофобных характеристик от жесткости условий баротермической обработки носит сложный характер. При факторе жесткости 1000...3000 мин наблюдается точка экстремума, до достижения которой гидрофобные показатели материала ухудшаются. Его водопоглощение возрастает от 50 до 130 %, а разбухание – от 15 до 54 %. После достижения точки экстремума гидрофобные показатели значительно улучшаются. Водопоглощение снижается до ~20 %, разбухание – до ~10 %. Мягкие условия гидролиза не приводят к получению материала со стабильно высокими гидрофобными показателями. Образующихся сшитых структур недостаточно для формирования прочной и водостойкой композиции, вследствие чего ухудшаются гидрофобные характеристики. Возрастание жесткости гидролиза увеличивает количество активных компонентов. Образующиеся при прессовании дополнительные межмолекулярные связи улучшают гидрофобные характеристики. Полученные результаты могут быть использованы при создании моделей процессов, происходящих в структуре лигноцеллюлозного вещества при взрывном автогидролизе и получении композитных материалов, при определении оптимальных параметров баротермической обработки для изготовления композитных материалов с заданными физико-механическими характеристиками. Баротермическая обработка цельной древесины сосны методом взрывного автогидролиза способствует появлению в структуре древесной ткани химически активных компонентов, на количество которых влияет жесткость условий обработки. Свойства получаемого термодревесного композитного материала находятся в зависимости от условий процесса.
Для цитирования: Скурыдин Ю.Г., Скурыдина Е.М., Сафин Р.Г., Хабибуллина А.Р. Физико-механические характеристики термодревесной композиции из древесины сосны при баротермической обработке // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 143–155. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-143-155
Скачивания
Библиографические ссылки
А. с. 157092 СССР, МПК B 27d. Способ изготовления, например, элементов мебели путем горячего прессования пакета: № 774921/29-14: заявл. 20.04.1962: опубл. 01.01.1963 / З.Р. Балтпурвиньш, Г.В. Берзинь, Ф.А. Шнюцинь, А.П Николаев, Э.А. Микит, И.Я. Зелтынь, М.А. Экс. [Baltpurvin’sh Z.R., Berzin’ G.V., Shnyutsin’ F.A., Nikolayev A.P., Mikit E.A., Zeltyn’ I.Ya., Eks M.A. A Method of Manufacturing, for Example, Furniture Items by Hot Pressing a Package. Certificate of Authorship USSR no. SU 157092 A1, 1963].
А. с. 251818 СССР, МПК B 29j. Способ получения древесных пластиков: № 1132829/29-33: заявл. 13.02.1967: опубл. 06.01.1970 / Г.В. Берзиньш, М.С. Мовнин, А.И. Калниньш, Э.Я. Слагис, Н.А. Модин, Я.К. Гулбис, З.Р. Балтпурвиньш, А.З. Зиемелис. [Berzin’sh G.V., Movnin M.S., Kalnin’sh A.I., Slagis E.Ya., Modin N.A., Gulbis Ya.K., Baltpurvin’sh Z.R., Ziyemelis A.Z. Method for Producing Wood Plastics. Certificate of Authorship USSR no. SU 251818 A1, 1970].
А. с. 313675 СССР, МПК B 27m 1/02. Способ изготовления уплотненной древесины: № 1389620/29-33: заявл. 30.12.1969: опубл. 07.09.1971 / М.С. Мовнин, Н.А. Модин, А.Н. Ерошкин, А.Г. Ермолович, Г.В. Берзиньш. [Movnin M.S., Modin N.A., Eroshkin A.N., Ermolovich A.G., Berzin’sh G.V. Method for Manufacturing Densified Wood. Certificate of Authorship USSR no. SU 313675 A1, 1971].
А. с. 315610 СССР, МПК B 27m 3/04. Способ изготовления торцевой шашки: № 1397927/29-33: заявл. 05.01.1970: опубл. 01.10.1971 / М.С. Мовнин, А.Н. Ерошкин, Н.А. Модин, В.Я. Капустин, Е.И. Швец, Ю.Н. Файнгольд. [Movnin M.S., Eroshkin A.N., Modin N.A., Kapustin V.Ya, Shvets E.I., Fayngol’d Yu.N. Method for Manufacturing a Wood Block. Certificate of Authorship USSR no. SU 315610 A1, 1971].
А. с. 370050 СССР, МПК B 27m 1/02. Способ уплотнения древесины: № 1687605/29-33: заявл. 12.07.1971: опубл. 15.02.1973 / М.С. Мовнин, Н.А. Модин, А.Н. Ерошкин, Л.И. Янтовский, А.Б. Израелит, М.П. Янтовская. [Movnin M.S., Modin N.A., Eroshkin A.N., Yantovskiy L.I., Izrayelit A.B., Yantovskaya M.P. Wood Densification Method. Certificate of Authorship USSR no. SU 370050 A1, 1973].
А. с. 493716 СССР, МПК G 01n 25/56. Способ определения оптимальной температуры горячего прессования древесных пластиков: № 2003887/26-25: заявл. 11.03.1974; опубл. 30.11.1975 / В.В. Желдакова, В.Н. Петри. [Zheldakova V.V., Petri V.N. Method for Determining the Optimum Temperature for Hot Pressing of Wood Plastics. Certificate of Authorship USSR no. SU 493716 A1, 1975].
А. с. 931499 СССР, МПК B 44 C 1/24. Способ получения декоративного изображения на поверхности древесного изделия: № 2996524/28-12: заявл. 14.07.1980: опубл. 30.05.1982 / А.Г. Ермолович. [Ermolovich A.G. A Method of Producing a Decorative Image on the Surface of a Wood Product. Certificate of Authorship USSR no. SU 931499 A1, 1982].
Буглай Б.М. Технология отделки древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1973. 304 с. [Buglay B.M. Technology of Wood Fashioning. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1973. 304 p.].
Винник Н.И. Модифицированная древесина. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 160 с. [Vinnik N.I. Modified Wood. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1980. 160 p.].
Винник Н.И., Корыстин Л.Н. Промышленное производство прессованной древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1964, 140 с. [Vinnik N.I., Korystin L.N. Industrial Production of Pressed Wood. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1964. 140 p.].
ГОСТ 16483.7–71. Древесина. Методы определения влажности (с изменениями № 1–3). М.: Стандартинформ, 2006. 5 с. [State Standard. GOST 16483.7–71. Wood. Methods for Determination of Moisture Content. Moscow, Standartinform Publ., 2006. 5 p.].
ГОСТ 19592–80. Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1987. 15 с. [State Standard. GOST 19592–80. Fibre Boards. Test Methods. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1987. 15 p.].
ГОСТ 24104–2001. Весы лабораторные. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 2002. 11 с. [State Standard. GOST 24104–2001. Laboratory Scales. General Technical Requirements. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 2002. 11 p.].
ГОСТ 6507–90. Микрометры. Технические условия (с изменением № 1). М.: Изд-во стандартов, 2004. 21 с. [State Standard. GOST 6507–90. Micrometers. Specifications. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 2004. 21 p.].
ГОСТ 7855–84. Машины разрывные и универсальные для статических испытаний металлов и конструкционных пластмасс. Типы. Основные параметры. Общие технические требования (с изменениями № 1, 2). М.: Изд-во стандартов, 1990. 12 с. [State Standard. GOST 7855–84. Tensile Testing Machines and Universal Testing Machines for Static Tests of Metals and Structural Plastics. Types. Main Parameters. General Technical Requirements. Moscow, Izdatel’stvo standartov, 1990. 12 p.].
Грибенчикова А.В. Материаловедение в производстве древесных плит и пластиков. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 120 с. [Gribenchikova A.V. Materials Science in the Production of Wood-Based Panels and Plastics. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1988. 120 p.].
Леса СССР. Т. 4: Леса Урала, Сибири и Дальнего Востока / гл. ред. А.Б. Жуков. М.: Наука, 1969. 768 с. [Forests of the USSR. Vol. 4. Forests of the Urals, Siberia and the Far East. Editor-in-Chief A.B. Zhukov. Moscow, Nauka Publ., 1969. 768 p.].
Прието Дж., Кине Ю. Древесина. Обработка и декоративная отделка. М.: Пэйнт-медиа, 2008. 392 с. [Prieto J., Kiene J. Holzbeschichtung: Chemie und Praxis [Wood Coatings]. Translated from German. Moscow, Paint-Media Publ., 2008. 392 p].
Просвирников Д.Б., Сафин Р.Г., Садртдинов А.Р. Технология паровзрывной обработки лигноцеллюлозных материалов: моногр. Казань: Изд-во КНИТУ, 2015. 139 с. [Prosvirnikov D.B., Safin R.G., Sadrtdinov A.R. Technology of Steam Blasting of Lignocellulosic Materials: Monograph. Kazan, KSTU Publ., 2015. 139 p.].
Сафин Р.Г., Просвирников Д.Б., Тимербаев Н.Ф. Разработка технологии получения химических волокон из растительного целлюлозосодержащего сырья // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 2018. № 3(375). С. 68–74. [Safin R.G., Prosvirnikov D.B., Timerbaev N.F. Development of Technology for Obtaining Chemical Fibers from Plant Cellulose-Containing Raw Materials. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Seriya Teknologiya Tekstil’noi Promyshlennosti [Proceedings of Higher Educational Institutions. Textile Industry Technology], 2018, vol. 3(375), pp. 68–74.].
Скурыдин Ю.Г. Строение и свойства композиционных материалов, полученных из отходов древесины после взрывного гидролиза: дис. … канд. техн. наук. Барнаул, 2000. 147 с. [Skurydin Yu.G. Structure and Properties of Composite Materials Obtained from Wood Wastes after Explosive Hydrolysis: Cand. Eng. Sci. Diss. Barnaul, 2000. 147 p.].
Скурыдина Е.М. Разработка технологии композиционных материалов на основе древесины и полимерных наполнителей: дис. … канд. техн. наук. Барнаул, 2006. 170 с. [Skuridina E.M. Development of the Technology of Composite Materials Based on Wood and Polymer Fillers: Cand. Eng. Sci. Diss. Barnaul, 2006. 170 p.].
Старцев О.В., Салин Б.Н., Скурыдин Ю.Г. Баротермический гидролиз древесины в присутствии минеральных кислот // Докл. АН. Химическая технология. 2000. Т. 370, № 5. С. 638–641. [Startsev O.V., Salin B.N., Skurydin Yu.G. Barothermal Hydrolysis of Wood in Presence of Mineral Acids. Doklady Akademii Nauk. Khimicheskaya tekhnologiya [Doklady Chemistry], 2000, vol. 370, no. 5, pp. 638–641].
Хрулев В.М. Модифицированная древесина в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. 112 с. [Khrulev V.M. Modified Wood in Construction. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986. 112 p.].
Шейдин И.А., Пюдин П.Э. Технология производства древесных пластиков и их применение. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 264 с. [Sheydin I.A., Pyudin P.E. Wood Plastics Production Technology and Their Application. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1971. 264 p.].
Abatzoglou N., Chornet E., Belkacemi K., Overend R.P. Phenomenological Kinetics of Complex Systems: The Development of a Generalized Severity Parameter and Its Application to Lignocellulosics Fractionation. Chemical Engineering Science, 1992, vol. 47, iss. 5, pp. 1109–1122. DOI: 10.1016/0009-2509(92)80235-5
Anglès M.N., Ferrando F., Farriol X., Salvadó J. Suitability of Steam Exploded Residual Softwood for the Production of Binderless Panels. Effect of the Pre-Treatment Severity and Lignin Addition. Biomass and Bioenergy, 2001, vol. 21, iss. 3, pp. 211–224. DOI: 10.1016/S0961-9534(01)00031-9
Asada C., Sasaki C., Uto Y., Sakafuji J., Nakamura Y. Effect of Steam Explosion Pretreatment with Ultra-High Temperature and Pressure on Effective Utilization of Softwood Biomass. Biochemical Engineering Journal, 2012, vol. 60, pp. 25–29. DOI: 10.1016/j.bej.2011.09.013
Ewanick S., Bura R. Hydrothermal Pretreatment of Lignocellulosic Biomass. Bioalcohol Production. Ed. by K. Waldron. Oxford, Woodhead, 2010, pp. 3–23. DOI: 10.1533/9781845699611.1.3
Focher B., Marzetti A., Beltrame P.L., Avella M. Steam Exploded Biomass for the Preparation of Conventional and Advanced Biopolymer-Based Materials. Biomass and Bioenergy, 1998, vol. 14, iss. 3, pp. 187–194. DOI: 10.1016/S0961-9534(97)10046-0
Halvarsson S., Edlund H., Norgren M. Manufacture of Non-Resin Wheat Straw Fibreboards. Industrial Crops and Products, 2009, vol. 29, iss. 2-3, pp. 437–445. DOI: 10.1016/j.indcrop.2008.08.007
Heitz M., Capek-Ménard E., Koeberle P.G., Gagné J., Chornet E., Overend R.P., Taylor J.D., Yu E. Fractionation of Populus tremuloides at the Pilot Plant Scale: Optimization of Steam Pretreatment Conditions Using the STAKE II Technology. Bioresource Technology, 1991, vol. 35, iss. 1, pp. 23–32. DOI: 10.1016/0960-8524(91)90078-x
Heitz M., Carrasco F., Rubio M., Brown A., Chornet E., Overend R.P. Physico-Chemical Characterization of Lignocellulosic Substrates Pretreated via Autohydrolysis: An Application to Tropical Woods. Biomass, 1987, vol. 13, iss. 4, pp. 255–273. DOI: 10.1016/0144-4565(87)90063-1
Muzamal M., Jedvert K., Theliander H., Rasmuson A. Structural Changes in Spruce Wood During Different Steps of Steam Explosion Pretreatment. Holzforschung, 2015, vol. 69, iss. 1, pp. 61–66. DOI: 10.1515/hf-2013-0234
Overend R.P., Chornet E. Fractionation of Lignocellulosics by Steam Aqueous Pretreatments. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 1987, vol. 321, no. 1561, pp. 523–536. DOI: 10.1098/rsta.1987.0029
Prosvirnikov D.B., Safin R.G., Akhmetshin I.R., Taimarov M.A., Timerbaev N.F. Mechanization of Continuous Production of Powdered Cellulose Technology. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 221, art. 012010. DOI: 10.1088/1757-899X/221/1/012010
Prosvirnikov D.B., Safin R.G., Zakirov S.R. Microcrystalline Cellulose Based on Cellulose Containing Raw Material Modified by Steam Explosion Treatment. Solid State Phenomena, 2018, vol. 284, pp. 773–778. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.284.773
Prosvirnikov D.B., Safin R.G., Ziatdinova D.F., Timerbaev N.F., Sadrtdinov A.R. Modeling of Delignification Process of Activated Wood and Equipment for Its Implementation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, vol. 221, art. 012009. DOI: 10.1088/1757-899X/221/1/012009
Skurydin Yu.G., Skuridina E.M. Physical and Mechanical Characteristics of the Thermal-Wood Composition from Hydrolyzed Birch Wood. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, vol. 316, art. 012066. DOI: 10.1088/1755-1315/316/1/012066
Startsev O.V., Salin B.N., Skuridin Y.G., Utemesov R.M., Nasonov A.D. Physical Properties and Molecular Mobility of New Wood Composite Plastic “Thermobalite”. Wood Science and Technology, 1999, vol. 33, I. 1, pp. 73–83. DOI: 10.1007/s002260050100
