Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к биокомпозиционным материалам (биопластикам) и может быть использовано для производства упаковочного материала, облицовочных панелей и т.д. в строительной и мебельной промышленности.

В Китае существует способ получения аналога - экологически безопасных композитов с использованием в качестве связующего лигносульфоната, модифицированного аммонием, и полиэтиленимина, полученных путем горячего прессования. Древесные волокна смешивают в различных пропорциях со связующими: лигносульфонат, модифицированный аммонием, и полиэтиленимин с использованием высокоскоростного смесителя SHR - 10А. После этого сушат на воздухе до 20% влажности, 190 г смеси вручную формуют в ковер размером 200×200 мм в деревянном ящике. Ковер предварительно подпрессовывают при 1,5 МПа в течение 30 с, а затем прессуют методом горячего прессования при давлении от 4 до 10 МПа, пока ковер не достигнет толщины 5 мм (Laemsak, N., and Okuma, М. (2000). "Development of boards made from oil palm frond II: Properties of binderless boards from steam - exploded fibers of oil palm frond," J. Wood Sci. 46 (4), 322-326), а все панели в данном исследовании имеют плотность 0,80 г/см³. Каждая группа условий была воспроизведена три раза. Условия получения были следующими: температура горячего прессования - от 150 до 190°C; время горячего прессования - от 3 до 7 мин; содержание связующего - от 10 мас. % до 30 мас. %; весовое соотношение лигносульфоната модифицированного аммонием и полиэтиленимин - от 1:1 до 9:1 (Yuan Yuan, Minghui Guo, Fangyan Liu. Preparation and evaluation of green composites using modified ammonium lignosulfonate and polyethylenimine as a binder / Yuan Yuan, Minghui Guo, Fangyan Liu. BioResources 9 (1), 2014. - P. 836-848).

Известен способ изготовления лигноуглеводных древесных пластиков, включающий биологическое воздействие на древесные опилки методом поверхностного твердофазного культивирования лигнолитического гриба Panus tigrinus ВКМ Р-3616 Д в течение 2,5-3 суток при 24-26°c, сушку до влажности 8-10%, формирование ковра холодной подпрессовкой и горячее прессование при давлении 5,0 МПа и температуре 160-170°c. Посевной материал для твердофазного культивирования выращивают глубинным культивированием на среде Кирка в течение 5-6 суток при 26°C, полученный инокулят переносят на древесные опилки из расчета на 1 кг опилок 4000 мл инокулята (RU 2193481, МПК B27N 3/00, опубл. 27.11.2002).

Недостатком известного способа является длительное время обработки древесных опилок лигнолитическим грибом, высокий расход инокулята, а также присутствие процесса сушки полученной пресс-массы, что приводит к повышению себестоимости полученных композитов.

Известен способ получения экологически чистых прессованных материалов без использования токсичных связующих с использованием гриба Panus tigrinus штамм 317 (ВКМ 3616-D). Сначала проводили твердофазное культивирование на сосновых опилках. Для этого необессмоленные навески субстрата, стерилизованные при 160°C 2 ч, помещали в растильни слоем в 3-4 см, засевали инокулятом и проводили культивирование при 25-27°C. После этого растильни с проросшими субстратами высушивали до влажности 7-10%. Субстрат загружали в пресс-форму (5×15 см) и проводили горячее прессование на вулканизационном гидравлическом прессе ВП-9030 при давлении 5 МПа в течение 20 мин. В опытах варьировали температуру прессования от 120 до 170°C (Кадималиев Д.А., Ревин В.В., Шутова В.В. Влияние прессования на свойства лигнина древесины сосны, обработанной грибом Panus tigrinus / Д.А. Кадималиев, В.В. Ревин, В.В. Шутова В.В. / Химия растительного сырья. 2001. №3. С. 111-118).

Недостатком известного способа является большая продолжительность прессования пресс-массы, которая равна 20 минут.

Известны древесностружечные плиты на основе лигносульфонатов, обладающие достаточно высокой прочностью и водостойкостью и не имеющие токсичных выделений, что позволяет рекомендовать их для применения в строительстве в качестве облицовочных панелей и элементов встроенной мебели (Семочкин Ю.А. Технология ДСтП на лигносульфонатных связующих / Ю.А Семочкин, Д.В. Пашков // Лесной вестник. - 2002. - №5. - С. 181-189).

Наиболее близким по технической сущности является способ получения биокомпозитов, включающий депарафинизирование лигноцеллюлозного сырья (сено, солома для подстилки животным, льняное волокно и др.) с использованием гидроксида натрия (NaOH) и воды, этанола или дихлорметана. Далее полученную депарафинизированную пресс-массу (70 масс. %) смешивали с лигносульфонатом (30 масс. %) и добавляли пектин. Осуществляли прессованием в три этапа, с общим временем процесса 11 мин при 160°C и давлением 8 МПа (Edwige Privas, Patrick Navard. Preparation, processing and properties of lignosulfonate-flax composite boards. Carbohydrate Polymers. 2011 Vol. 93, 2013, - P. 300-306).

Известный способ позволяет получить биокомпозит с высокими прочностными свойствами. Однако недостатком способа является использование дополнительных материалов, повышающих стоимость биокомпозита, усложнение технологии получения пресс-массы. Кроме того, не определена важная физико-механическая характеристика - чувствительность к влажности (водопоглощение и разбухание по толщине).

Технический результат заключается в сокращении продолжительности изготовления биокомпозиционного материала и снижении себестоимости его изготовления.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления биокомпозиционного материала, содержащего лигноцеллюлозное сырье - древесные опилки, лигносульфонат и добавку - жидкое стекло. Древесные опилки смешивают с лигносульфонатом в соотношении 1:1. Жидкое стекло добавляют в количестве 3% от общей пресс-массы. Формирование ковра подпрессовкой и горячее прессование проводят при давлении 13,1 МПа и температуре 179-181°C в течение 5 мин.

Лигносульфонаты - многотоннажный вторичный продукт целлюлозного производства - представляют собой ароматические ядра, соединенные пропановыми остатками в длинные неполярные цепочки с включенными в них полимерными сульфогруппами, карбонильными, карбоксильными и гидроксильными группами (ОАО «Соликамскбумпром», ТУ 2455-028-00279580-2014, http://www.solbum.ru/output/sulphate.php).

Пример

Древесные опилки (50 масс. %) размером 4-7×1-2×0,-1,5 смешивают с лигносульфонатом (50 масс. %), то есть в соотношении 1:1. Добавляют в качестве гидрофобной добавки жидкое стекло (3 масс. % от массы древесных опилок и лигносульфоната). Компоненты подготовленной пресс-массы тщательно перемешивают, формируют ковер холодной подпрессовкой и проводят горячее прессование при давлении 13,1 МПа и температуре 179-181°C в течение 5 мин.

Полученные биокомпозиционные материалы соответствуют требованиям ГОСТ 10632-2007 «Плиты древесностружечные. Технические условия» по показателям прочности при изгибе, водопоглощения и разбухания по толщине. Параметры способа изготовления биокомпозиционного материала и их физико-механические свойства представлены в табл. 1.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет сократить продолжительность получения биокомпозиционного материала и снизить себестоимость его изготовления за счет отсутствия депарафинизации лигноцеллюлозного сырья и дополнительных материалов, получить биокомпозиционные материалы с высокими водостойкими показателями.