Способ получения композиционного материала из коры березы
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL FROM BIRCH BARK

Изобретение относится к производству композиционных материалов из измельченного древесного сырья, например из коры березы, и может быть использовано в производстве экологически безопасных материалов, обладающих тепло- и звукоизоляционными свойствами и применяемых в строительстве, а также в других отраслях промышленности.
Известны способы изготовления древесно-полимерных композиционных материалов прессованием на основе древесных наполнителей (стружек, опилок, древесного волокна) и термореактивных связующих - фенолформальдегидных, карбамидоформальдегидных смол и их модификаций (A.M. Козаченко. Общая технология производства древесных плит. М.: Высшая школа, 1990. 144 с.; Т.В. Соловьева. Технология древесных композиционных материалов и изделий. Минск: БГТУ, 2008. 180 с.).
Однако композиционные материалы, произведенные по данной технологии, токсичны для человека, так как в процессе эксплуатации готовых изделий выделяются пары фенола и формальдегида, которые относятся к высокоопасным веществам. Кроме того, высока их себестоимость, так как синтетические связующие имеют высокую стоимость. Что касается изоцианатных связующих, то, хотя изделия на их основе менее токсичны, изоцианатные смолы являются еще более дорогими, чем фенольные.
Известен способ изготовления тепло- и звукоизоляционного строительного материала (Пат. РФ №2645994; МПК C08J 11/04, В29В 17/00; опубл. 28.02.2018), включающий измельчение, гомогенизацию смеси полимерных отходов и отходов древесины в виде опилок при температуре от 130 до 200°С, загрузку смеси в форму и нагрев до 230°С в течение 10-15 минут с приложением давления до 5 МПа и с последующим охлаждением в течение часа. Смесь полимерных отходов включает отходы полиэтилентерефталата, поливинилхлорида, полиэтилена, натурального каучука и фенопласты.
Основными недостатками данного изобретения являются недостаточные теплоизоляционные свойства и низкие амортизационные качества строительных материалов, полученных данным способом.
Известен способ изготовления древесного композиционного материала (Пат. РФ №2310669; МПК C08L 97/00; опубл. 20.11.2007), включающий приготовление композиции из древесного наполнителя и связующего, формирование ковра и его последующее горячее прессование. При этом в качестве древесного наполнителя используют опилки, которые смешивают со связующим при температуре размягчения связующего 130-140°С, а в качестве связующего используют смесь частично гидролизованного суберина и субериновых кислот, полученную гидролизом измельченной бересты березы в присутствии гидроксида натрия при температуре 85-87°С. Горячее прессование сформированного ковра проводят при температуре 130-140°С и давлении 10-13 МПа. Доля древесного наполнителя может доходить до 80 мас.%. Принят за прототип.
Основными недостатками данного изобретения являются недостаточные теплоизоляционные свойства и низкие амортизационные качества строительных материалов, полученных данным способом. Кроме того, использование опилок в качестве древесного наполнителя позволяет создавать только грубый плитный материал, требующий последующей обработки.
Предлагаемый способ получения композиционного материала из коры березы решает две задачи, во-первых, получение простого и экологически безопасного композиционного материала, обладающего повышенными тепло- и звукоизоляционными свойствами, во-вторых, утилизация безвозвратных отходов фанерных, лесопильных и деревоперерабатывающих производств в виде коры березы.
Наилучшими тепло- и звукоизоляционными свойствами обладают экологически безопасные материалы из коры пробкового дуба. Однако кора пробкового дуба является редким и дорогим сырьем, ее запасы очень ограничены. Кора березы, а именно пробковый слой (береста), схожа по многим свойствам с корой пробкового дуба.
Пробковый слой коры березы (береста) является основной частью корки и составляет до 25 мас.% от общей массы коры, а в стенках пробковых клеток находится щелочерастворимое вещество - суберин (до 40 мас.% от общей массы бересты), представляющий собой комплекс гидрокислот и фенольных кислот, связанных между собой простыми эфирными связями с образованием сетчатой полимерной структуры - полиэстолида. Благодаря суберину береста малопроницаема для воды, газов и звуковых волн. Таким образом, использование бересты в качестве основного наполнителя в композиционном материале позволяет существенно улучшать его тепло- и звукоизоляционные свойства.
Поставленные задачи решаются тем, что в способе получения композиционного материала из коры березы, обладающего повышенными тепло- и звукоизоляционными свойствами, включающем приготовление композиции из древесного наполнителя и связующего, формирование ковра и его последующее горячее прессование, согласно изобретению, сначала производят сушку и измельчение коры березы, отделение ее пробкового слоя - бересты, от общей массы коры и ее сушку; полученную измельченную бересту используют в качестве древесного наполнителя, в количестве от 70 до 89,99 мас.%, с содержанием влаги от 6 до 16 мас.% и размерами частиц от 150 до 3000 мкм, в качестве связующего используют гидролизованный суберин в количестве от 5 до 30 мас.%, горячее прессование сформированного ковра проводят при температуре 135-145°С и давлении от 10 до 15 МПа с последующим извлечением композиционного материала и выдержкой в течение 24 часов при температуре воздуха 20±3°С. Отделение пробкового слоя от основной массы измельченной коры березы осуществляют методом пенной флотации посредством воздуха в воде. Гидролизованный суберин получают гидролизом измельченной бересты березы и гидроксида натрия при температуре 85-90°С.
Согласно изобретению, производят сушку и измельчение коры березы, отделение ее пробкового слоя - бересты, от общей массы коры и ее сушку. Отделение пробкового слоя от основной массы измельченной коры осуществляют методом пенной флотации посредством воздуха в воде. Частицы бересты являются гидрофобными (плохо смачиваемыми водой) в отличие от частиц корки, которые являются гидрофильными (хорошо смачиваемыми водой) частицами. При флотации мелкие пузырьки воздуха прилипают к плохо смачиваемым водой частицам бересты, и образовавшаяся пена поднимает их к поверхности, а все остальные частицы коры оседают. Пену в дальнейшем сгущают и фильтруют.
Полученную измельченную бересту (с содержанием влаги от 6 до 16 мас.% и размерами частиц от 150 до 3000 мкм) используют в качестве древесного наполнителя и смешивают со связующим при температуре его размягчения 135-145°С. В качестве связующего используют гидролизованный суберин, полученный гидролизом измельченной бересты березы и гидроксида натрия при температуре 85-90°С. Связующее и древесный наполнитель берут в массовом соотношении 5-30:70-89,99.
Из полученной композиции формируют ковер и проводят его горячее прессование при удельном давлении 10-15 МПа и температуре 135-145°С с последующим извлечением композиционного материала и выдержкой в течение 24 часов при температуре воздуха 20±3°С. Испытания полученных материалов проводят по ГОСТ 16297-80 «Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний» и ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний».
3
Предлагаемый способ позволяет получить строительный материал из отходов в виде коры березы с улучшенными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Так, при плотности образца 200-210 кг/м и при прочности на разрыв 0,20-0,50 МПа коэффициент теплопроводности составляет 0,041 Вт/(мС°), а коэффициент звукопоглощения - 0,40, что соответствует требованиям ГОСТ.
В таблице 1 представлены основные свойства готовых изделий, полученных заявляемым и известным способами.
Из таблицы 1 видно, что при сравнении тепло- и звукоизоляционных свойств строительных материалов, полученных заявленным и известным способами, тепло- и звукоизоляционный строительный материал, полученный предлагаемым способом обладает лучшими характеристиками.