6 Июль 2016

 

Л.А. КРОЙЧУК, канд. техн. наук, ОАО «НИИЦемент» (Москва)

 

По материалам Журнала «Zement-Kalk-Gips International» за 2004 г.

 

Расширение области применения древесных отходов является важной задачей.

 

В Техническом университете Горной академии (г. Фрейберг, Германия) были проведены исследования возможности модифицирования отходов древесины неорганическими материалами, содержащими известь и гипс, с целью получения древесноволокнистых изделий, устойчивых к воздействию микроорганизмов, огне- и влагостойких. В качестве исходной древесины в работе использовали крупную стружку канадской ели и сосны без удаления коры, а также гашеную известь и содержащую известь и гипс золу-унос ТЭС.

 

Изготовление модифицированных древесноволокнистых материалов. Процесс получения композита из древесных отходов с известью или золой-уносом заключается в измельчении древесных отходов в двухшнековом дезинтеграторе совместно с водной суспензией модифицирующих добавок.

 

С целью повышения активности гашеную известь и золу-унос предварительно диспергировали в воде при интенсивном перемешивании. Для опытов использовали слабо обожженную при относительно низкой форсуночной температуре золу-унос, богатую известью. Если использовать более сильно обожженную золу, то диспергирование необходимо проводить в вибромельнице. При этом образуется гидрогель Са(ОН)2Н2О и двуводный гипс CaSO42H2O.

 

Перемешивание и измельчение смеси древесной стружки с модификаторами обеспечивается сжимающими и сдвигающими силами, интенсивность этих процессов возрастает при увеличении температуры в зоне измельчения до 80—100оС. Происходит интенсификация свойств содержащихся в древесине парафинов, смол, дубильных веществ. Это создает предпосылки для повышения гидрофобности и консервации материала в результате денатуризации протеинов, сахаров и целлюлозы. При совместном измельчении модифицирующие добавки глубоко проникают в древесные волокна и реагируют с веществами древесины, инициируя возникновение дополнительных валентностей. Образующиеся при электролитической диссоциации выбранных модифицирующих компонентов ионы Са2+ образуют прочные водостойкие соединения с веществами, содержащимися в древесине. Важным результатом модифицирования является заполнение внутренних и наружных пор древесных волокон мельчайшими частицами модифицирующего материала. В результате древесные волокна упрочняются, повышается их прессуемость при изготовлении изделий. Вследствие антисептического действия извести и гипса возрастает сопротивление древесины к биодеструкции, она приобретает огнестойкость. Поверхность волокон древесины приобретает повышенную шероховатость, которая способствует повышению адгезионной способности. В результате образуется композиционный материал, обладающий благоприятными технологическими свойствами.

 

Выходящий из дезинтегратора материал обладает высокой влажностью. Его сушка осуществляется в ленточной сушилке или в кипящем слое горячими газами при температуре не ниже 120оС до влажности 4—10% в зависимости от последующей обработки. Горячие газы интенсифицируют процессы кристаллизации растворенных добавок и термического изменения содержащихся в древесине веществ.

 

Если после повторного измельчения требуется получить древесное волокно, то для этой цели целесообразно применять обеспечивающие глубокий раздув молотковую дробилку или ударную мельницу, снабженные разгрузочным грохотом. При повторном измельчении наблюдается очень слабое отделение от волокна неорганических веществ.

 

Свойства модифицированных древесноволокнистых материалов. Высушенный и измельченный волокнистый композиционный материал обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Испытывали материал после вторичного измельчения в слабоуплотненном состоянии при влажности 4% с насыпной плотностью 300 кг/м3, коэффициент теплопроводности составляет 0,067 Вт/(м К) (состав, включающий 60% древесины и 40% гашеной извести) или 0,068 Вт/(м К) (состав, включающий 50% древесины и 50% золы-уноса).

 

Такой волокнистый материал пригоден для получения изоляционных изделий. Однако его недостатком является то, что в процессе схватывания во внутреннем пространстве могут образоваться поры. Кроме того, насыщенный водой волокнистый изоляционный материал не следует подвергать интенсивной сушке. Однако этот недостаток устраняется, если из него формовать гранулы размером 1—5 мм или таблетки диаметром 3—5 мм.

 

Необработанное неорганическими добавками древесное волокно воспламеняется в печной камере при температуре 250оС и горит с образованием длинного пламени. У модифицированного волокнистого материала, содержащего 40% гашеной извести или золы-уноса, в печной камере при температуре более 300оС наблюдались лишь локальные очаги воспламенения, которые быстро затухали. Процесс местного горения с последующим затуханием продолжался в течение 1 ч обработки до температуры 500оС. Таким образом, модифицированный волокнистый композиционный материал имеет преимущества в огнестойкости перед немодифицированным древесноволокнистым материалом.

 

Для определения биологической устойчивости контрольные и модифицированные образцы волокнистого материала в течение 6 месяцев выдерживали при высокой постоянной влажности. У волокнистого необработанного материала процессы биоразрушения четко фиксировались уже через 28 сут; в материале, содержащем 40% гашеной извести или золы-уноса, до конца испытания не зафиксировано появления плесени и неприятного запаха.

 

В результате модифицирования неорганическими добавками получен древесноволокнистый материал, который можно использовать в качестве:

  • наполнителя и изоляционного материала;
  • армирующей добавки при изготовлении строительных материалов из глинистого сырья;
  • материала для изготовления фильтров для поглощения отходящих кислых газов (SO2, H2S, HCl, NO3, H3P и т. п.) на установках малой мощности;
  • связующего для окусковывания угля при получении топлива с пониженным выделением вредных веществ;
  • добавки, повышающей адгезию и теплоизоляционные свойства штукатурных смесей;
  • армирующей добавки для битумных строительных материалов;
  • материала для изготовления прочных и эффективных гранул для насыпной теплоизоляции.

 

Прессование древесноволокнистых композиционных материалов без предварительной сушки. Преимуществом влажного прессования изделий из обработанных золой-уносом древесных волокон является то, что поры в полученном прессованием изделии всегда оказываются заполненными водной суспензией модификаторов и таким образом создаются благоприятные условия для химических реакций компонентов золы, а также между золой и древесным волокном. Недостатком такого технологического метода является продолжительная сушка изделий и низкое допустимое давление прессования.

 

В экспериментах использовали форму, через дно которой в процессе прессования отсасывался избыток воды. Давление прессования не превышало 25 МПа. Изделия размером 100x60x30 мм из массы, включающей 60% древесной стружки с влажностью 45% и 40% золы-уноса, прессовали при подогреве формы до 120°С, а последующую сушку изделий проводили до влажности 10%.

 

За счет быстрого схватывания золы-уноса сформованное изделие имело относительно высокую формовочную прочность. В процессе сушки прочность растет за счет кристаллизации органических и неорганических веществ.

 

Готовое изделие имеет прочность при сжатии более 48 МПа, прочность при изгибе — 3,4 МПа, прочность при изгибе после 24 ч водонасыщения — 3,1 МПа, при этом не было зафиксировано ни набухания, ни разрушения ребер образцов, а вода оставалась прозрачной; в сыром виде плотность изделия 1,2 г/см3, теплопроводность 0,292 Вт/(мК). При нагреве до 90°С в течение 4 ч образцы не имели трещин.

 

Материал гвоздится без появления трещин, при сверлении в нем образуются ровные отверстия. Поверхность изделий имеет хорошую адгезию со строительными растворами, к ней хорошо приклеиваются обои с помощью обойного клея.

 

Прессование древесноволокнистых композиционных материалов, обработанных золой-уносом, после предварительной сушки. При такой технологии большинство реакций модифицирования и возникновения связей протекает в непрессованном материале на стадии сушки, но они не влияют на развитие прочности сформованного изделия. Поэтому высокопрочное изделие может быть получено только в результате длительного воздействия высокого давления и повышенной температуры прессования. Только при этих условиях волокнистая композиция уплотняется до фактического отсутствия пор.

 

Материал после двухшнекового дезинтегратора сушат до влажности 4—10 % при температуре 80°С, а затем прессуют при давлении не ниже 100 МПа и температуре 180°С.

 

Таким способом были изготовлены изделия размером 240x120x22 мм из композиции, включающей 60% крупной стружки с влажностью 45% и 40% золы-уноса. Образцы имели плотность 1,48 г/см3, теплопроводность 0,433 Вт/(мК), прочность при изгибе 39,4 МПа, прочность при изгибе после 24 ч водонасыщения 35,7 МПа, прочность при изгибе после 6-недельного водонасыщения 38,5 МПа, прочность при изгибе после 2 ч выдержки при 100°С 32,7 МПа и после охлаждения до 20°С 39,5 МПа, прочность при изгибе после 24 ч охлаждения до -18°С 28,9 МПа, твердость по Бринеллю 31,3.

 

При сверлении в изделиях образуются отверстия с ровными краями, при этом на них отсутствуют трещины, материал легко пилится с образованием гладкой поверхности распила.

 

Для определения огнестойкости изделия подвергали нагреву в печной камере до 500°С со скоростью 10°/мин и выдерживали в течение 1 ч. Слабое тление было зафиксировано при температуре более 390°С.

 

Таким образом, использование извести, гипса или содержащего эти реагенты материала, например золы-уноса, для модификации древесных отходов позволяет придать полученному материалу ряд ценных свойств — повышенную биологическую стойкость, хорошие теплоизоляционные характеристики, огнестойкость, высокую механическую прочность. В результате создаются предпосылки для существенного расширения возможности утилизации древесных и других промышленных отходов и создания многофункциональных эффективных материалов.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»