Натуральное связующее для связывания всех видов биомассы и отходов производства и композиционные материалы, полученные на их основе
NATURAL BINDER FOR BINDING ALL TYPES OF BIOMASS AND PRODUCTION WASTE, AND COMPOSITE MATERIALS OBTAINED BASED ON THEM

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к натуральным связующим для связывания всех видов биомассы и отходов производства, а также композиционным материалам, полученным на их основе, применяемым, как правило, в изготовлении конструкций и экологически безопасных продуктов.
Уровень техники
Связующие для растительных частиц известны около 70 лет и широко используются для изготовления древесно-стружечных плит, МДФ панелей, ДВП панелей, ориентированно-стружечных плит, предназначенных в основном для применения в строительстве.
Такие связующие являются продуктами нефтепереработки и высокотоксичны для операторов и потребителей, утилизация по окончанию срока службы – это большая экологическая проблема, обусловленная их вредными компонентами.
Наиболее широкое распространение получила мочевиноформальдегидная смола, которая является недорогим связующим, но, как правило, не обладает водостойкостью.
К связующим, которые обладают водонепроницаемостью, относится меламиноформальдегидная смола,  однако такое связующее отличается высокой стоимостью.
Другое связующее, фенолформальдегидная смола, характеризуется такой же высокой стоимостью, как и меламиноформальдегидная смола, однако еще более токсично и опасно, что связано с образованием фенола в процессе обработки.
Современные дорогостоящие связующие, такие как диизоционат и бикомпонентные полиуретановые преполимеры, отличаются более высокой сложностью в применении, так как требуют закрытой защитной системы при изготовлении, а в случае возгорания выделяют цианид.
На протяжении многих лет было сделано множество попыток, чтобы создать натуральное связующее, которое могло бы заменить дорогостоящий молочный или кровяной казеин, используя растительный казеин и обрабатывая его, также как и молочный или кровяной казеин, с помощью щелочного или щелочноземельного гидроксида или аммиака.
Тем не менее, была отмечена низкая водостойкость данного связующего.
В дальнейшем были сделаны попытки, чтобы придать водостойкость  натуральному связующему, используя такие химические вещества, как формальдегид, или реагенты, которые образуют формальдегид при нагревании, или добавляя фенолформальдегид, или даже гуминовые кислоты, смешанные с лигнином или танинами, полученными гидролизом целлюлозы с помощью кислотно-основных химических процессов, в сочетании с химическим и термическим воздействиями.
Однако при этом не было получено значительных результатов относительно механической прочности и/или водостойкости, по сравнению с химическими связующими, полученными из меламиноформальдегидной смолы, фенолформальдегидной смолы, МДИ (метилен диизоцианата), бикомпонентных полиуретанов, таким образом, попытки получения полностью натурального связующего с низкой стоимостью, близкой к стоимости мочевиноформальдегидной смолы, оказались неудачными.
В связи с тем, что 1 апреля 2015 года Европейское Сообщество классифицировало формальдегид как канцерогенное вещество и причислило к классу 1/В, любому промышленному предприятию, использующему данный компонент, необходима «закрытая система», чтобы ограничить воздействие данного вещества на операторов.
Таким образом, необходимо новое и нетоксичное натуральное связующее, которое сможет заменить, даже с точки зрения экономической эффективности, известное и менее дорогостоящее связующее, такое как мочевиноформальдегидная смола, при этом обеспечивая соответствующие характеристики водостойкости, присущие связующим с более высокой стоимостью, таким как меламиноформальдегидным, фенолформальдегидным и полиуретановым связующим.
Техническим решением является связующее, которое отвечает данным требованиям, также предусмотрена утилизация по окончании срока службы конгломератов и продуктов, полученных на их основе, путем компостирования, при этом образуется  питательное гумусовое вещество, используемое в качестве удобрения в сельском хозяйстве.
Конгломераты, полученные с применением нового связующего, представленного в данном изобретении, относятся к конгломератам растительного происхождения, выдерживают многократные циклы кипячения и сушки без разрушения, а умеренное растяжение, вызванное поглощением воды волокном, не подвергнутым воздействию связующего, может быть компенсировано стадией сушки.
Описание изобретения
Одной из задач изобретения является улучшение известного уровня техники.
Другой задачей изобретения является создание натурального связующего для связывания всех видов биомассы и отходов производства, а также композиционных материалов, полученных на их основе, которые являются полностью натуральными, имеют низкую стоимость, обладают водостойкостью и устойчивы к вымывающему воздействию.
Согласно одному из аспектов изобретение относится к натуральному связующему для связывания всех видов биомассы и отходов производства и композиционным материалам, полученным на их основе, как описано в пункте 1. В частности,  натуральное связующее представляет собой смесь трех компонентов, включающих по весу белковую муку, растительный гидролизат, содержащий 22-24% фульвокислот, 18-19% белков и 1-3% гуминовых кислот, а также оксид щелочноземельного элемента.
Другие аспекты изобретения определены в зависимых пунктах.
Например, белковая мука может быть выбрана из белковой муки растительного происхождения или белковой муки животного происхождения. В случае животного белка муку выбирают из казеина, рыбной муки, муки, полученной из отходов переработки пищевых белков.
В соответствии с вариантами осуществления белковая мука включает муку из белково-маслянистых семян, полученным из Панели.
В соответствии с вариантами осуществления связующее необязательно содержит псевдоожижающую жидкость в количестве от 50% до 100% по массе. Предпочтительно псевдоожижающая жидкость включает диспергированный оксид магния, белковую муку, растительный продукт гидролиза или порошок или гель, содержащий фульвовые кислоты, необходимые для сшивания.
В другом аспекте изобретение относится к конгломерату, содержащему натуральное связующее, которое содержит по весу белковую муку, растительный гидролизат, содержащий по массе фульвокислоты 22-24%, белки 18-19% и гуминовые кислоты 1-3%, и оксид магния.
Изобретение характеризуется следующими преимуществами:
Обеспечение полностью натурального и экологически чистого связующего;
Изготовление продуктов, в основном предназначенных для применения в строительстве, обладающих высокой устойчивостью к воде и механическим нагрузкам, используя отходы производства;
Использование продуктов и конгломератов, полученных с применением связующего, описанного в данном изобретении, после окончания срока службы в качестве удобрений;
Упрощение утилизации продуктов, полученных с использованием связующего, представленного в данном изобретении;
Отсутствие необходимости использования  сложных и дорогостоящих «закрытых систем» в промышленных производственных циклах.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут более очевидными из детального описания предпочтительного, но неисключительного варианта осуществления натурального связующего для связывания всех видов биомассы и отходов производства.
Согласно изобретению связующее состоит из смеси, как минимум, из трех компонентов.
В соответствии с изобретением первым компонентом связующего, который увеличивает содержание белков, является белковая мука, т.е. необработанная соевая мука с общей концентрацией белков около 36%-45% и содержанием ненасыщенных и полиненасыщенных жиров около 30%.
В альтернативном варианте необработанная соевая мука может быть заменена другой мукой растительного происхождения, в том числе мукой из садовых бобов, гороха, нута, фасоли, чечевицы, арахиса, спирулины, или мукой из животного белка, например, побочными продуктами производства мяса и кожи или отходами производства рыбных продуктов.
В связующей смеси необработанная соевая мука содержится в количестве от 10% до 70%  весовых, предпочтительно 43,75%.
3
Вторым компонентом является безводный жидкий растительный продукт гидролиза, имеющий плотность 1300 кг/м, рН = 4,5, полученный при разрушении целлюлозы.
Примером может служить жидкий растительный продукт гидролиза, производимый SocietàBioiberica, который извлекается при разрушении жома сахарного тростника, оставшегося после экстракции сахара, содержащий большое количество фульвовых кислот (23%) и большое количество белков (18,75%), а также небольшое количество гуминовых кислот (2%), которые не оказывают влияния на водостойкость.
Первые два компонента химически активны, фульвовые кислоты, вследствие того, что содержат карбоксильные, альдегидные, кетоновые, фенольные и хиноновые группы, белки, благодаря тому что содержат в своей структуре две функциональные группы, а именно амидные группы (-NH2-) и кислотную группу (-СООН-), которые увеличивают содержание белка соевых бобов.
Лабораторные тесты, проведенные в ходе формирования натурального связующего согласно изобретению, показали, что добавление большего количества гуминовых кислот по сравнению с натуральным ферментным продуктом, как упомянуто выше, приводит к снижению водостойкости связующего, так как гуминовые кислоты растворимы в исходной кислотной среде, но не растворимы в щелочной среде.
Таким образом, наличие большего количества гуминовых кислот приводит к снижению количества других компонентов, растворимых и реакционно-способных в щелочной среде.
Количество второго компонента, т.е. ферментного продукта гидролиза растительного происхождения, добавленного в смесь, составляет от 60% до 25% весовых, предпочтительно 37,51%.
Растительный продукт гидролиза также может быть представлен как 100% водорастворимый порошок.
Фульвовые кислоты в растительном продукте гидролиза характеризуются наличием в своем составе карбоксильных, фенольных, хиноновых, альдегидных, кетоновых и нескольких кислотных групп: все группы высоко реакционно-способные и могут сшиваться со многими веществами, такими как аминокислоты и моно- и полиненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в первом компоненте, т.е. соевых бобах.
Третьим компонентом является оксид щелочноземельного металла, предпочтительно оксид магния, полученный обжигом доломита при температуре в пределах от 550 до 650°С.
Оксид магния отличается высокой реакционной способностью и может содержаться в связующей смеси в количестве от 30% до 5% весовых, предпочтительно 18,75%.
Оксид магния является активатором связующего, так как в присутствии воды образует гидроксид магния (или брусит), обеспечивающий сильно щелочную среду, в которой белки гидролизата растворяются вместе с соевыми белками и взаимодействуют друг с другом, таким образом, создавая аминопластовые цепочки.
Более того, белки продукта гидролиза сшиваются с фульвовыми кислотами, которые также растворяются в щелочной среде, в отличие от гуминовых кислот, растворимых в кислой среде.
В качестве альтернативы оксиду магния могут быть использованы безводный гидроксид магния или гидроксиды других щелочноземельных элементов, возможно в сочетании с оксидом, например, оксид кальция вместе с гидроксидом кальция.
Углеводы и пектины, содержащиеся в соевых бобах, также подвергаются гидролизу в щелочной среде, образованной гидроксидом магния, что приводит к образованию гексозных и пентозных сахаров, которые также обладают высокой химической активностью.
Ненасыщенные углерод-углеродные связи моно- и полиненасыщенных жирных кислот, содержащихся в соевой или другой белковой муке растительного происхождения, эпоксидируются и образуют сложные поперечные межмолекулярные связи, например, как при формировании линолеума  или естественной сушке лаков.
В качестве замены оксиду или гидроксиду магния связующее, представленное в данном изобретении, может быть образовано с использованием оксидов и гидроксидов других щелочноземельных элементов, например, кальция, бария, стронция, исключая берилл, обладающий другими свойствами, и радиоактивный радий, а также основных оксидов или гидроксидов, таких металлов, как литий, калий и натрий.
Предпочтительны оксиды или гидроксиды таких щелочноземельных элементов, как магний, кальций, барий, стронций, потому что они образуют нерастворимые омыляющие вещества при взаимодействии с моно- и полиненасыщенными жирными кислотами соевых бобов.
В случае необходимости к связующему согласно изобретению может быть добавлена вода для того, чтобы привести его в псевдоожиженное состояние, в результате чего оно может быть диспергировано в биомассе (например, растительных волокнах и/или древесных частицах), а также в процессе производства при воздействии давления и высокой температуры.
Согласно предложенному варианту осуществления изобретения добавляется вода в количестве 100% весовых.
При формировании связующего также могут быть добавлены такие вспомогательные вещества, как инертные наполнители, красители, антисептические средства, гидрофобные материалы, добавки, придающие огнеупорные свойства,  для того, чтобы варьировать вязкость и плотность, увеличивать водонепроницаемость и огнестойкость.
Количество связующего, которое может быть использовано в процессах связывания свободных частиц, т.е. при изготовлении продуктов, может изменяться, учитывая три компонента, как описано выше, от 5% до 100% весовых и выше в зависимости от количества частиц, которое необходимо связать, от желаемых конечных физических свойств, например, достаточная водостойкость и/или улучшенная водонепроницаемость продуктов, полученных на их основе.
В соответствии с изобретением связующее может быть переведено в псевдоожиженное состояние и в таком состоянии использоваться, например, в производстве бумаги при изготовлении конгломератов, состоящих из уложенных слоями листов крафт-бумаги, предназначенных для формирования ламинатов высокого давления (HPL), заменяя фенолформальдегидную пропитывающую смолу, которая применяется в настоящее время.
В связи с этим, могут быть сформированы полностью биологически разлагаемые конгломераты, в данном случае ламинаты высокого давления.
Условия применения натурального связующего, описанного в данном изобретении, к которым относится температура, давление, время, значительно не отличаются от условий процессов известного уровня техники, в которых используются связующие нефтяного происхождения, таким образом, связующее может применяться в производственных циклах на существующих предприятиях.
В зависимости от температуры, давления и временных параметров могут быть получены сшитые аминокислоты (полиамиды), фенопласты и органические хелатные комплексы магния.
Натуральное связующее, представленного в данном изобретении, сшивает в течение нескольких секунд, процесс сшивания сопровождается тепловым воздействием и удалением добавленной воды, способствующей диспергированию связующего между частицами, таких как конгломераты (древесные волокна), которые образуются при высокой температуре порядка 230-240°С, характерной для процессов связывания.
В то же время, химическим связующим с низким содержанием формальдегида, например, связующим на основе соевых бобов и оксида магния или кальция, требуется несколько минут.
В связи с высокой скоростью сшивки, применение натурального связующего, описанного в данном изобретении, на производстве, где ранее использовали мочевиноформальдегидные связующие, позволяет получить гораздо большее количество конгломератов, и соответственно конечных продуктов.
В соответствии с данным изобретением натуральное связующее отличается от других натуральных связующих, полученных из соевых белков тем, что реакции поликонденсации линейной аминокислоты протекает только в последних, согласно следующей схеме:
Где «R» и «R’» обозначены соответствующие радикалы.
В результате добавления третьего компонента, а именно растительного продукта гидролиза, полученного при разрушении целлюлозы, в связующем, представленном в данном изобретении, значительно увеличивается содержание аминокислот и фульвовых кислот.
На последней стадии образуется не одна кислота, а сложная смесь различных кислот, в которых амидная группа аминокислоты в молекуле белка связана, кроме того содержатся карбоксильная, фенольная, хиноновая, альдегидная, кетоновая группы и реакционно-способные сахариды.
По этой причине фульвовые кислоты, содержащиеся в растительном продукте гидролиза, проявляют свойства дитроповой (и тритроповой) кислоты, способных изменяться, соединяться или взаимодействовать практически со всеми органическими и неорганическими веществами, благодаря чему сложный процесс сшивки протекает быстро и характеризуется высокой механической прочностью, таким образом, снижается время связывания частиц (древесных волокон), по сравнению с процессами, в которых используются синтетические связующие на нефтяной основе.
В качестве примера ниже представлена химическая структура фульвовой кислоты со множеством функциональных кислотных групп (-СООН-), которые могут соединяться с амидными группами белков в связующем, таким образом, обеспечивая сшивание.
Использование необработанной муки вместо измельченного остатка сои, также называемого жмыхом, как в предшествующем уровне технике, приводит к тому, что в связующем, описанном в данном изобретении, содержатся моно- и поли- ненасыщенные жирные кислоты, в которых происходит присоединение кислорода по ненасыщенной углерод-углеродной связи, благодаря чему образуются высоко реакционно-способные эпоксидные группы, которые способствуют протеканию реакции образования сложных поперечных межмолекулярных связей фульвовых кислот и процессу сшивания между собой, в то время как их кислотные радикалы образуют хелатный комплекс с магнием или другими щелочноземельными металлами, при этом, обеспечивая огнестойкость конгломератов.
Согласно изобретению преимуществом связующего является возможность его применения с отходами древесины, при этом происходит удаление содержащегося в них в большом количестве свободного формальдегида.
Вододиспергируемое связующее, представленное в данном изобретении, получают путем диспергирования, в первую очередь, порошка щелочноземельного металла, а затем белковой муки.
Затем добавляют растительный продукт гидролиза и, тщательно перемешивая, получают связующее.
Последнее, соответственно, может быть добавлено к древесным частицам, которые необходимо связать; пропитанные древесные частицы отправляются под горячий пресс на несколько секунд или несколько минут в зависимости от выбранной температуры.
Также, в соответствии с изобретением связующее может быть получено путем диспергирования в воде растворимой белковой муки с добавлением щелочного активатора и растительного продукта гидролиза.
Так как натуральное связующее представлено в виде раствора, то оно может быть использовано в процессе получения ламината высокого давления, в ходе которого крафт-бумага пропитывается связующим с последующей стадией сушки, ламинируют несколько высушенных листов крафт-бумаги, пропитанной связующим, и подвергают горячему прессованию в течение заданного времени, приблизительно равному нескольким секундам или нескольким минутам, в зависимости от выбранной температуры.
С целью достижения поставленных задач было получено связующее, которое имеет такую же низкую стоимость, как и мочевиноформальдегидное связующее, при этом обеспечивая высокую водостойкость без использования токсичных и дорогостоящих связующих, как в предыдущем уровне технике.
Кроме того, связующее, в соответствии с данным изобретением, получают из возобновляемого сырья, оно является экологически чистым и безопасным, рассчитано на долгосрочную перспективу социально-экономического развития, не содержит формальдегид, а также продукты нефтепереработки и другие элементы, токсичные для операторов и потребителей.
Связующее, представленное в данном изобретении, может быть использовано в технологических процессах, применяемых на современных производствах, при этом способствуя снижению времени изготовления и увеличению производительности.
Согласно изобретению связующее может применяться при наклеивании шпона или слоистых материалов на древесно-стружечную плиту, при изготовлении фанерных или столярных плит, ориентированно-стружечных плит, полых досок, изоляционных древесно-волокнистых плит, древесно-волокнистых плит средней и высокой плотности, деревянных деталей с зубчатым клеевым соединением, деревянных несущих стен для строений, например,  “lignolam”, при формировании перекрытий, балок и несущих конструкций, таким образом, позволяя строить полностью экологичные деревянные дома, в отличие от предшествующего уровня техники, в котором использовались токсичные клеи на основе продуктов нефтепереработки.