Ультразвуковая экстракция водорастворимых сахаров из древесины в производстве композиционных материалов

УДК 674.816

Р. Р. Сафин, Ф. В. Назипова, А. Е. Воронин,

Р. Р. Зиатдинов

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЭКСТРАКЦИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ САХАРОВ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: композиционный материал, «цементные яды», цементно-стружечные плиты, ультразвуковая обработка.

При производстве композиционных материалов на минеральном вяжущем одной из основных проблем древесины, как наполнителя, являются «цементные яды». В статье приведены результаты исследования процессов удаления «цементных ядов» из древесного сырья применительно к производству цементно-стружечных плит. В процессе исследования обработка древесного сырья осуществлялась двумя способами: провариванием измельченной древесины и ультразвуковой обработкой в воде. Установлено, что ультразвуковая обработка значительно интенсифицирует и увеличивает экстракцию водорастворимых сахаров и, тем самым, вызывает увеличение прочностных характеристик цементно-стружечных плит. Проведенные исследования указывают на возможность усовершенствования технологии изготовления цементно-стружечных плит с целью повышения их эксплуатационных характеристик без существенных капитальных вложений.

Keywords: composite materials, "cementpoisons", cement-bondedparticleboards, the ultrasonic extraction.

One of the main problems of wood as filler in the production of composite materials based on mineral binder is "cement poisons". Article presents the results of research of the processes of "cement poisons" removal from wood raw material for the production of cement-bonded particleboards. In the research process the treatment of wood raw material was carried out in two ways: by boiling of the crushed wood and by ultrasonic treatment in water. It has been found that ultrasonic treatment significantly intensifies and increases the extraction of water-soluble sugars and, thus, causes an increase of the strength characteristics of cement-bonded particleboards. The conducted research shows the possibility of improvement of the technology ofproduction of cement-bonded particleboards with the aim of improving their performance without significant capital investment.

Введение

В настоящее время широкое распространение по всему миру получили цементно-стружечные плиты (ЦСП), представляющие собой листовой материал, получаемый прессованием смеси, состоящей из цемента, древесного наполнителя, минеральных вяжущих веществ, химических добавок, ускоряющих твердение цемента и улучшающих свойства древес-но-минерального материала, и воды. По сравнению с традиционными древесными материалами, применяемыми в строительстве (Древесно-стружечные Плиты, Древесно-волокнистые Плиты, фанера), ЦСП имеет ряд преимуществ: они негорючи, нетоксичны, био- и атмосферостойки. В этом материале сочетаются положительные свойства минеральной составляющей и наполнителя в виде древесной стружки, плиты могут выдерживать большие нагрузки на сжатие перпендикулярно пластине [1,2].

Древесный наполнитель обладает рядом уникальных свойств: малая плотность, хорошая смачиваемость, легкость обработки [3,4]. Однако некоторые свойства древесины отрицательно сказываются на процессе структурообразования, прочности и стойкости ЦСП к влаге. Частицы древесного наполнителя обладают упругостью, что сказывается на уплотнении материала. Химический состав древесины также изменяется под влиянием сильной щелочной среды, которая создается минеральными вяжущими веществами. В таких условиях в первую очередь деструктируются легкогидролизуемые углеводы, что отрицательно влияет на твердение цементного теста. Поэтому древесина лиственных пород, содержащая большее, чем хвойная древесина, количество легкогидролизуемых гемицеллюлоз, в меньшей степени пригодна для получения высоко-

качественных материалов. В настоящее время существует несколько методов борьбы с «цементными ядами» (веществами, задерживающими твердение): варка древесины, выдержка древесины на воздухе с целью окисления сахаров и перехода их в нерастворимое состояние, обработка древесных частиц растворами хлорида кальция, жидкого стекла, извести, сернокислого глинозема и т.д. [5].

В работе Л.И. Аминова [6] представлены результаты исследований основных свойств композиционного материала, созданного на основе термически модифицированной древесины и портландцемента марки 400 в качестве минерального вяжущего. Установлено, что термическое воздействие на наполнитель снижает водоцементное соотношение, что может быть объяснено существенным снижением содержания гемицеллюлоз и снижением водопо-глощения термомодифицированными древесными частицами по сравнению с необработанными. Исследования на морозостойкость данных видов образцов позволили установить повышение этого показателя с ростом температуры обработки.

Wei-Ping Chang [7,8] в своей работе описал комбинированный процесс обработки древесной муки, объединением щелочной обработки с применением ультразвука. Обработка щелочью удаляет из древесины гемицеллюлозы и лигнин и увеличивает число гид-роксильных групп на поверхности целлюлозы. Анализ размера частиц обработанной древесины показало, что обработка щелочью уменьшает размер частиц незначительно. Дальнейшая обработка ультразвуком позволяет уменьшить размер частиц. Измерения поглощения влаги показали взаимосвязь между наличием относительного количества целлюлозы, гемицеллю-лозы и лигнина в древесине и количеством добав-

ленного связывающего агента. Было установлено, что обработка щелочью плюс оптимальное количество добавленного связывающего агента может, одновременно, как улучшить механические свойства композиционных материалов, так и уменьшить скорость и максимальное поглощаемое количество влаги.

Основным процессом извлечения экстрактивных веществ из растительного сырья является процесс экстрагирования в системе «твердое тело-жидкость». Ультразвук ускоряет процесс экстрагирования и обеспечивает более полное извлечение нужных веществ [9]. Воздействие ультразвука создает кавитацию и турбулентные потоки в жидком экстрагенте, в результате происходит быстрое набухание материала и растворение содержимого клетки, увеличивается скорость обтекания частиц сырья, в пограничном диффузионном слое возникают турбулентные и вихревые потоки. Молекулярная диффузия внутри частиц материала и в пограничном диффузионном слое практически заменяется конвективной, что приводит к интенсификации массообмена. В результате кавитации происходит разрушение клеточных структур, что ускоряет процесс перехода растворимых веществ в экстрагент за счет их вымывания. Сильные турбулентные течения, гидродинамические потоки способствуют переносу масс, растворению веществ, происходит интенсивное перемешивание содержимого даже внутри клетки, чего невозможно достичь другими способами экстракции. Кроме того, изменение давления при сжатии и разряжении при прохождении волны ультразвука, может вызывать эффект губки, при котором улучшается проникновение экс-трагента в материал. На выход действующих веществ влияют интенсивность и продолжительность ультразвукового облучения, температура экстраген-та, соотношение сырья и экстрагента.

В этой связи исследования ультразвуковой интенсификации процесса водной экстракции «цементных ядов» в производстве ЦСП носит актуальный для промышленности характер.

Методы и материалы

На основании этого, были проведены экспериментальные исследования, при которых древесные частицы подвергаются процессу экстракции. Это позволяет повысить деструктурование легкогидролизуе-мых гемицеллюлоз, что в свою очередь снижает возникновение «цементных ядов» в процессе смешения древесных частиц с минеральным вяжущим [10,12].

В работе рассматриваются два способа выведения водорасстворимых веществ: способ варки древесной щепы в экстрагенте и способ варки в экстра-генте с применением ультразвука. В качестве экстрагента использовалась дистиллированная вода. Опыты проводились в универсальной ультразвуковой ванне для обработки в жидкой среде при температурах 20, 50 и 80оС в течение 15, 30 и 45 мин. При водном экстрагировании дистиллированную воду берут в количестве 30-100% от массы дробленого древесного сырья. Для проведения экспериментов была выбрана древесная щепа трех пород: сосна, ель, липа.

После исследования процесса экстракции водорастворимых веществ из древесины, были изготов-

лены образцы цементно-стружечных плит с целью дальнейшего их исследования на прочностные характеристики. Марка цемента в экспериментах составляет М400. В качестве древесного наполнителя использовалась щепа сосны. Соотношение воды, органического наполнителя и цемента в смеси составляло 4:3:3 соответственно. Процесс уплотнения смеси осуществлялся с помощью вибростола в течение 5 минут. После формования образцы помещались на 24 часа в камеру гидратации (Т=70оС, ф=0,8). Далее образцы выдерживались в комнатных условиях в течение 7 суток для достижения максимальной прочности. Полученные ЦСП блоки имели размеры 100х100х20 мм. Исследование прочностных характеристик полученных образцов осуществлялось на универсальной разрывной машине ИР 5082-50.

Результаты

На рисунке 1 представлены данные, полученные в процессе экстрагирования веществ, методом варки древесной щепы в дистиллированной воде с применением и без применения ультразвуковой обработки. Как видно из рисунков, массовая доля экстрагированных веществ увеличивается с увеличением температуры и продолжительности обработки. Аналогичный характер носит скорость экстрагирования веществ, растворимых в дистиллированной воде.

иШЗ

сосна обработанная ультразвуком

ель обработанная ультразвуком

ультразвуком

8

I ^

МИ1

15 30 45

Время, мин

б

I л-

шшк

я ель обработанная ультразвуком

ультразвуком

сосна об раб: ультразвуком

ель обработанная ультразвуком

липа обработанная ультразвуком

Рис. 1 - Массовая доля экстрагированных веществ в зависимости от времени выдержки в дистиллированной воде: а) при 20оС, б) при 50оС, в) при 80 оС

а

в

Образцы ЦСП были исследованы на предел прочности на сжатие в зависимости от вида и температуры обработки измельченной древесины. Для проведения исследований использовалась испытательная машина типа 82-5-1. Полученные данные занесены в таблицу 1.

По результатам исследований можно сделать вывод, что процесс экстракции ультразвуком, по сравнению со способом обычной варки, позволяет значительно ускорить и увеличить выход экстрагируемого вещества и как следствие, увеличить прочность изготавливаемого из данного сырья ЦСП.

Основой получения качественного ЦСП является прочное соединение древесной щепы с цементом, но углеводы и дубильные вещества, входящие в состав древесины при смешивании с цементом под влиянием молекулярных сил сцепления ориентируются вокруг цементных зерен, образуя тончайшее покрытие - адсорбционный слой. Частицы цемента, покрытые такой защитной оболочкой, теряют способность сцепляться друг с другом под влиянием молекулярных сил. При этом образованная оболочка затрудняет доступ воды к зернам цемента и отвод продуктов гидратации от них, что приводит к торможению гидролиза и гидратации цемента, а при определенных концентрациях углеводов - к их прекращению. Поэтому древесную щепу перед смешиванием с цементом необходимо освободить от водо-

растворимых веществ. Ультразвук вызывает в жидких средах ряд специфических эффектов - кавитацию, приводящую к нарушению диффузионного слоя и, как следствие, быстрому проникновению жидкой среды в структуру частицы, экстрагированию растворимых компонентов и качественному перемешиванию компонентов среды. Этот эффект и был использован для интенсификации процесса экстракции водорастворимых веществ из древесной щепы для производства ЦСП.

По результатам испытаний были сделаны выводы:

1. Экстракция в дистиллированной воде с использованием ультразвука увеличивает скорость процесса и количество экстрагирования «цементных ядов», что позволяет значительно улучшить струк-турообразование при твердении цемента.

2. Прочность ЦСП, изготовленного из щепы, обработанной с применением ультразвука, превышает прочность ЦСП из щепы, обработанной способом обычной варки, что при создании изделия с требуемой прочностью позволяет снизить температуру обработки древесного наполнителя и, тем самым, сократить энергетические затраты.

Литература

1. C. Pereira, F. Caldeira Jorge, J. M. F. Ferreira, Journal of Wood Chemistry and Technology, 25, 231-244 (2005).

2. M. Nazerian, M. D. Ghalehno, E. Gozali, Wood Material Science & Engineering, 6, 196-206 (2011).

3. A. A. Klyosov. Wood-Plastic Composites. Wiley. Hobo-ken. NJ. USA. 2007.

4. X. F. Sun, R. C. Sun, J. Tomkinson, M. S. Baird, Polym. Degrad. Stab., 83, 47-57 (2004).

5. B. F. Tjeerdsma, H. Militz, Holz Roh-Werkstojf, 63, 102111 (2005).

6. E.Y. Razumov, R.R. Safin, S.S. Barcik, M. Kvietkova, K.R. Romelevich, Drvna Industrija, 64, 1, 3-8 (2013).

7. W.-P. Chang, K.-J. Kim, Rakesh K. Gupta, Composite Interface.s, 16, 937-951 (2009).

8. W.-P. Chang, M.S. thesis, Department of Chemical Engineering, West Virginia University, Morgantown, WV, USA 2008.

9. H. B. Sowbhagya, V. N. Chitra, Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 50, 146-161 (2010).

10. C. Skear, Syracuse University Press, 28-31 (1972).

11. M. Nazerian, M. D. Ghalehno, E. Gozali, Wood Material Science and Engineering, 6, 196-206 (2011).

12. Ф.В. Назипова, Ш.Р. Мухаметзянов, Деревообрабатывающая промышленность, 3, 49-51 (2014).

Таблица 1 - Прочность на сжатие образцов ЦСП, МПа

Способ обра- Время, мин

ботки древесно- 15 30 45

го сырья

20°C

без ультразвука 0,96 1,26 1,38

с ультразвуком 1,21 1,53 2,84

50°C

без ультразвука 2,06 2,93 6,05

с ультразвуком 2,55 6,23 9,48

80°C

без ультразвука 5,71 9,49 10,58

с ультразвуком 6,69 11,33 11,7

Заключение

© Р. Р. Сафин - доктор технических наук, профессор кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, cfaby@mail.ru; Ф. В. Назипова - ассистент кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, faridaN13@mail.ru, А. Е. Воронин - кандидат технических наук, доцент кафедры архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ; Р. Р. Зиатдинов - кандидат технических наук, доцент кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, radis226@rambler.ru.

© R. R. Safin - Doctor of Technical Sciences, Professor, , KNRTU, cfaby@mail.ru; F. V. Nazipova - assistant, Department of Architecture and Design of wood products, KNRTU, faridaN13@mail.ru, A. E. Voronin - Ph.D., Associate Professor, Department of Architecture and Design of wood products; R .R. Ziatdinov - Ph.D., Associate Professor, Department of processing of wood materials, radis226@rambler.ru.