Исследование физико-механических свойств древесно-композиционных материалов без добавления связующих веществ, полученных на основе активированного пресс-сырья

УДК 674.81

А. В. Савиновских, З.Ф. Хуснутдинова, А. В. Артёмов, О. В. Стоянов, В. Г. Бурындин

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСНО-КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ БЕЗ ДОБАВЛЕНИЯ СВЯЗУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ

АКТИВИРОВАННОГО ПРЕСС-СЫРЬЯ

Ключевые слова: древесный пластик, биоактивация, кавитация, активный ил, лигнин.

Исследованы условия получения методом плоского горячего прессования в закрытых пресс-формах и физико-химические свойства ДП-БС на основе активированного древесного пресс-сырья активным илом и кавитаци-онным лигнином (методом кавитации).

Keywords: wood plastics, bioactivation, cavitation, active sludge, lignin.

Researches have been carried out to prove the possibility of wood plastics production without binder addition on the base of woody moulding raw material bioactivated by active sludge and cavitation lignin (cavitation) using the method of hot-pressing in closed moulds.

Введение

Одним из способов утилизации древесных отходов (таких как опилки, стружка и др.) является производство древесного пластика без добавления связующего (ДП-БС). Одним из недостатков ДП-БС - это низкие показатели пластично-вязкостных свойств древесного пресс-сырья.

Этот вопрос решается путем добавления в пресс-материал химических модифицирующих добавок. Тем не менее, использование традиционных химических модификаторов приводит к удорожанию изделий из ДП-БС.

Проблема устранения низких показателей пластично-вязкостных свойств пресс-композиции ДП-БС без использования химических реагентов может быть решена с помощью предварительной биологической трансформации и частичной деструкции измельченной древесины - её биоактивации. Из литературных источников установлена возможность биоактивации пресс-сырья - это использование различных микроорганизмов, таких как грибы-ксилотрофы, а также процессов гниения для биологической деструкции древесины [1, 2].

Однако использование традиционных методов биоактивации требует подготовки ферментативных жидкостей или времени для процессов гниения пресс-сырья.

В качестве решения данной проблемы в виде биоактивного модификатора предлагается использовать активный ил в виде иловой смеси, который является дешевым и доступным сырьем, одновременно разрешая сразу несколько экологических вопросов:

1) утилизация отходов производства (избыточный активный ил, древесные отходы);

2) удешевление получения изделий из ДП-БС с приемлемыми технологическими свойствами.

Выполненными ранее работами была установлена возможность активации пресс-сырья для получения древесного пластика без добавления синтетических связующих с высокими технологическими свойствами с помощью активного ила (в виде

иловой смеси) [3] и лигнина полученного методом кавитации [4].

Целью данного исследования являлось нахождение оптимальных рецептур композиции и режимов прессования, которое давало бы высокие физико-механические свойства древесно-композиционным материалам, полученных методом плоского горячего прессования в герметичных пресс-формах на основе отходов деревообработки без добавления связующих веществ с использованием активированного пресс-сырья (ДП-БС):

- биоактивированного активным илом (в виде иловой смеси);

- модифицированного кавитационным лигнином (методом кавитации).

Задачами исследования являются:

- изучение методом математического планирования эксперимента влияния параметров вариации (температура прессования, влажность пресс-композиции, продолжительность биоактивации, расход активного ила, содержание активированного лигнина) на параметры оптимизации (плотность, прочность при изгибе, твердость, число упругости, модуль упругости при сжатии, водопоглощение, разбухание по толщине, модуль упругости при изгибе, ударная вязкость) при изготовлении ДП-БС методом горячего плоского прессования в герметичных пресс-формах;

- получение системы уравнений для описания изучаемых процессов прессования при изготовлении ДП-БС с использованием активированного пресс-сырья.

Экспериментальная часть

Для решения целей и задач была составлена матрица планирования эксперимента на основе регрессионного двухуровневого пятифакторного математического планирования, ^ реплики [5].

В качестве независимых факторов были использованы: 21 - содержание кавитационного лигнина: 30^50 % (масс.); Ъ2 - температура прессования: 170^190 0С; 23 - расход иловой смеси активного ила: 10^20 % (по а.с.в); 24 - продолжительность ак-

тивации: 4-20 сут.; 25 - влажность пресс-сырья: 8-16 %.

Проведено 16 опытов с двукратным повторением и 2 эксперимента в центре плана для оценки воспроизводимости.

За выходные параметры приняты: плотность (Р, кг/см3), прочность при изгибе (П, МПа), твердость (Т, МПа), число упругости (У, МПа), модуль упругости при сжатии (Ес, МПа), водопогло-щение (В), разбухание (Ь, %), модуль упругости при изгибе (Еи, МПа), ударная вязкость (А, %).

На основании составленной матрицы планирования, были получены методом плоского горячего прессования образцы-диски в трех параллелях с диаметром 90 мм и толщиной 2 мм.

В качестве исходного сырья для получения образцов были использованы:

- наполнитель - древесный опил сосновых пород фракцией до 0,7 мм;

- биоактивационная добавка - активный ил, используемый для очистки хозяйственно-бытовых сточных вод, в виде иловой смеси

- модификатор - гидролизный лигнин, подверженный кавитационной обработки.

Режимы изготовления образцов: давление прессования - 40 МПа, время прессования - 10 мин, охлаждения под давлением - 10 мин, время кондиционирования - 24 часа.

Испытания свойств ДП-БС были проведены в соответствии с [6 - 9].

Результаты и их обсуждение

Обобщенные результаты определения физико-механических свойств образцов-дисков ДП-БС приведены в табл.1.

Таблица 1 - Физико-механические свойства образцов-дисков ДП-БС

№ У

1 1096 5,8 53 76 609,7 35 11 0,355

2 1183 5,0 38 79 461,0 36 13 0,459

3 1170 4,2 43 83 502,5 49 19 0,716

4 1078 5,4 36 74 441,5 47 18 0,398

5 1172 5,9 52 90 697,7 32 10 0,615

6 1205 6,7 78 89 989,9 52 28 0,769

7 1233 6,6 74 99 1454,2 73 42 0,891

8 1130 4,8 58 97 919,4 48 25 0,709

9 1107 5,8 52 85 630,0 40 22 0,361

10 1195 5,5 66 98 827,5 39 32 0,450

11 1158 5,6 67 95 896,5 67 63 0,545

12 1082 5,8 42 85 498,2 52 37 0,386

13 1072 6,4 48 76 597,8 33 22 0,384

14 1148 5,8 46 99 516,6 31 29 0,446

15 1195 5,7 47 100 559,4 37 27 0,465

16 1060 5,6 31 85 534,4 44 31 0,366

17 1195 5,2 47 87 567,2 38 23 0,526

18 1234 5,2 51 93 622,8 43 27 0,508

Все экспериментальные данные были обработаны и получены уравнения регрессий для значимых параметров оптимизации, с оценкой их достоверности (1-а>0,95):

у(Р)= 728,32 + 72,88*24 + 0,98*212 + 0,05*222 + 0,24*2з2 - 2,81*242 - 0,06*252 - 0,43*21*22 - 0,44*2з*24 - 0,02*21*24;

у(П)=-0,12 + 0,090*21 + 0,019*22 + +0,055*2з+ 0,015*24 +0,073*25

у(Т)= -31,17 + 7,76*24 + 0,12*212 + 0,006*222 + 0,11*232 - 0,21*242 + 0,05*252 - 0,05*21*22 -0,23*23*24 + 0,01*21*24;

у(У)= 53,98 + 7,72*24 + 0,1*212 + 0,005*222

- 0,21*242 - 0,02*252

- 0,05*21*22

+ 0,07*232 0,1*23*24 - 0,02*21*24;

у(Ес)= -197,88 + 122,47*24 + 1,87*212 + 0,08*222 + 2,27*232 - 2,62*242 + 1,02*252 - 0,8*21*22 -4,2*23*24 - 0,11*21*24;

у(В)= 79,27 + 3,73*24 + 0,08*212 + 0,002*222 + 0,05*232 - 0,08*242 + 0,04*252 - 0,03*21*22 -0,14*23*24 + 0,003*21*24;

у(Ь)= 26,49 + 6,99*24 + 0,11*212 + 0,004*222 + 0,06*232 - 0,18*242 + 0,04*252 - 0,05*21*22 -0,14*23*24 + 0,005*21*24;

у(А)= 0,24 + 0,09*24 + 0,002*212 + 0,00007*222 + 0,001*232 - 0,003*242 +0,0000007*252 -0,0007*21*22 - 0,0018*23*24 - 0,0001*21*24.

Высокие значения достоверности для параметров оптимизации (Р, П, Т, У, Ес, В, Ь, А), дают основание для применения системы нелинейных уравнений для описания изучаемых процессов влияния переменных факторов на параметры оптимизации.

На основании адекватных уравнений регрессии, были построены графические поверхности зависимостей, представленные на рис. 1-3.

00

250 200

150 100 050 000

1350-1400 1300-1350 1250-1300 1200-1250 1150-1200 1100-1150 1050-1100 1000-1050

Продолжительность биоактивации, сут

Содержан

ие лигнина,

%

Рис. 1 - Зависимость влияния продолжительности биоактивации и содержания кавитационного лигнина на плотность ДП-БС

Установлено, плотность биактивированного ДП-БС при увеличении количества кавитационного лигнина возрастает. Увеличение продолжительности активации пресс-сырья активным илом (иловой смесью) увеличивают плотность ДП-БС. Изменение температуры прессования ДП-БС в сторону увеличения также увеличивает плотность.

Прочность при изгибе биактивированного ДП-БС заметно увеличивается с увеличением температуры прессования. Увеличение продолжительности активации пресс-сырья активным илом (иловой смесью) увеличивают прочность при изгибе ДП-БС. Содержание лигнина при его увеличении также возрастает прочность при изгибе. Изменение влажности пресс-композиции ДП-БС в сторону уве-

19

личения незначительно увеличивает прочностные показатели.

Рис. 2 - Зависимость влияния расхода активного ила и температуры прессования на прочность при изгибе ДП-БС

110 105 100 95 90

105-110

100-105

95-100

90-95

85-90

80-85

75-80

70-75

Температура прессования, град.С

Содержание лигнина,

%

Рис. 3 - Зависимость влияния температуры прессования и содержания кавитационного лигнина на водопоглощение ДП-БС

Показатели водостойкости образцов ДП-БС в существенной мере зависят от исходной влажности пресс-композиции и температуры прессования. От данных показателей зависит завершенность процесса образования ДП-БС. Исходные значения влажности исходного сырья и температуры прессования определяют интенсивность процесса образования пластика. Продолжительность активации косвенно предопределяют завершенность и интенсификацию процесса образования ДП-БС, предавая при этом ему определенные физико-механические свойства.

Исходя из анализа данных поверхностей и решений системы уравнений был подобран рациональный режим прессования для получения биакти-вированного ДП-БС, исходя из условий минимального водопоглощения и разбухания и максимальной плотности, прочности при сжатии, твердости и модуля упругости при сжатии и изгибе. В качестве целевой функции было принято: у(П)= -1,16 + 0,09*г1 + 0,19*г2 + 0,55*г3+ 0,15*г4 +0,73*г5.

Расчетные рациональные режимы прессования представлены в табл. 2.

В результате решений уравнений при рациональных условиях, были получены теоретические значения физико-механических свойств пластика.

Для доказательства полученных теоретических условий прессования получения ДП-БС с рациональными физико-механическими свойствами был проведен эксперимент при этих условиях. Для этого был получен образец-диск ДП-БС при рациональных условиях, которые представлены в табл.2.

В качестве контроля был принят образец диска, полученный при рациональных условиях из пресс-сырья неподверженному биоактивационной обработке. Результаты представлены в табл.3.

Таблица 2 - Расчетные рациональные режимы прессования

Параметры

Содержание лигнина, % (content lignin) 30

Температура прессования, °C (temperature of hot-pressing) 190

Расход иловой смеси, % (consumption active sludge) 20

Продолжительность активации, сут (time bioactivation) 20

Влажность пресс-сырья, % (humidity of the wood raw material) 10

Таблица 3 - Физико-механические свойства ДП-БС, полученного при рациональных режимах биоактивации

Показатели

Прочность при изгибе (flexural strength), МПа 5,9 9,6 5,2

Твердость (hardness), МПа 64 59 51

Модуль упругости при сжатии (modulus of elasticity), МПа 486,1 732,6 623,0

Водопоглощение (water absorbing), % 31 43 53

Разбухание по толщине (swelling thickness), % 25 27 32

Продолжение табл. 3

Упругость (elasticity), % 74 68 93

Ударная вязкость (impact elasticity), кДж/м2 0,709 0,208 0,510

Приведенные результаты в таблице показывают, что полученный ДП-БС из биактививирован-ного пресс-сырья активным илом (иловой смесью) и кавитационным лигнином, подверженного продолжительной активации (20 суток), имеет наибольшие показатели по прочности при изгибе, твердости, модулю упругости при сжатии, водопоглощению, разбуханию по толщине по сравнению с ДП-БС, полученный из пресс-сырья неподверженному био-активационной обработке (контроль).

Физико-механические свойства ДП-БС, полученного из пресс-сырья подверженного продолжительной активации (20 суток) активным илом

30

(иловой смесью) и кавитационным лигнином, не уступают, а по некоторым показателям даже и превосходят, свойства ДП-БС, полученный из пресс-сырья неподверженному биоактивационной обработке.

Выводы

1. Показана возможность получения ДП-БС на основе биактивированного активным илом (в виде иловой смеси) и модифицированного активированным лигнином (методом кавитации) древесного опила методом плоского горячего прессования в закрытых пресс-формах не уступающим по физико-механическим свойствам материалам, полученных пресс-сырья не подверженному биоактивационной обработке.

2. Получены системы уравнений для описания изучаемых процессов биоактивации пресс-сырья активным илом и кавитационным лигнином при изготовлении ДП-БС и определены рациональные режимы прессования.

Литература

1. Болобова, А.В. Новая технология получения экологически чистых строительных материалов на основе ферментативной биодеструкции древесных отходов / А.В.Болобова // Прикл. Биохим. Микробиол. - 1999. -35. - №5. - С. 590-595.

2. Тютиков, С.С. Лигноуглеводные древесные пластики из гниющих сосновых древесных частиц / С.С.Тютиков, В.Н.Петри // Труды уральского лесотехнического института: сб. работ факультета механической технологии древесины и химико-

технологического факультета. - Свердловск: изд. УПИ. - 1969. - № 20. - С.79-83.

3. Биоактивация древесного пресс-сырья активным илом для получения древесного пластика без добавления связующего / Грэдинару Д.О. [и др.] // Леса России и хозяйство в них: материалы IX междунар. Науч.-техн конф. «Лесные технопарки- дорожная карта инновационного лесного комплекса: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» №1 (44), 2013.- С. 126-129.

4. Изучение влияния активации пресс-сырья активированным лигнином на свойства древесного пластика без добавления связующего / Савиновских А.В. [и др.] // Научное творчество молодежи.- лесному комплексу России: матер. IX Всерос. Науч.-техн. - Екатеринбург: Урал.гос. лесотехн. Ун-т. 2013. - Ч.2. - С.115-117 с.

5. Ахназарова, С.Л. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. Москва: Высш. Шк., 1985. -327с.

6. ГОСТ 10634-88. Плиты древесностружечные. Методы определения физических свойств (с изменением №1). - Введ. с 1990-01-01.- М: ИПК Издательство стандартов, 1991. - 7 с.

7. ГОСТ 4648-71. Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб. - Введ. с 1973-01-01. - М: Издательство стандартов, 1992. - 12 с.

8. ГОСТ 4650-80. Пластмассы. Метод определения водо-поглощения. - Введ. с 1980-12-01.- М: ИПК Издательство стандартов, 1997. - 7 с.

9. ГОСТ 4670-77. Пластмасса и эбонит. Метод определения твёрдости вдавливанием шарика. - Введ. с 1993-0101. - М.: Издательство стандартов, 1992. - 6 с.

© А. В. Савиновских - асп. каф. технологии целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров, Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ), savinovskihand@gmail.com; З. Ф. Хуснутдинова - студент каф. технологии целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров, Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ), z-khusnutdinova@mail.ru; А. В. Артёмов - к.т.н., доцент каф. технологии целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров, Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ); О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф. каф. технологии переработки пластических масс и композиционных материалов КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru; В. Г. Бурындин - д-р техн. наук, проф. каф. технологии целлюлозно-бумажных производств и переработки полимеров УГЛТУ, vgb@usfeu.ru.

© A. V. Savinovskih - graduate student of the department of technology of pulp and paper production and processing of polymers, Ural State Forest Engineering University (USFEU), savinovskihand@gmail.com; Z. F. Khusnutdinova - student of the department of technology of pulp and paper production and processing of polymers, Ural State Forest Engineering University.(USFEU), z-khusnutdinova@mail.ru; A. V Artyomov - Sci. Sciences, prof. of department of technology of pulp and paper production and processing of polymers/ USFEU; O. V. Stoyanov - doctor of technical sciences, professor, Dean of the Faculty of Technology, processing and certification of plastics and composites, Head Department plastics technology, KNRTU, ov_stoyanov@mail.ru; V. G. Buryndin - Dr. Sci. Sciences, prof., department of technology of pulp and paper production and processing of polymers/ USFEU, vgb@usfeu.ru.