Выработка лигноуглеводных древесных пластиков является новым производством. Проблема получения пластических материалов из измельченных частиц древесины без добавления связующих за счет продуктов разложения компонентов древесины давно занимала исследователей. Предложено было много вариантов пьезотермической обработки древесных частиц, которые различались режимами, но по существу все эти способы предполагали обработку древесных частиц при высоких давлениях и температурах прессования, в герметических пресс-формах. Впоследствии полученные таким образом пластики получили название пьезотермопластиков.
В настоящее время в нашей стране предложено два метода получения пьезотермопластиков:
1. Одностадийный метод, разработанный в Белорусском технологическом институте, предусматривает измельчение древесины до состояния, близкого по размерам частиц к древесной муке, и прессование ее в герметичных пресс-формах при давлении 250—300 кг/см2 и температуре 190—200° С с последующим охлаждением до 20° С без снятия давления.
2. Двухстадийный метод, разработанный в Ленинградской лесотехнической академии, предполагает предварительный частичный водный гидролиз древесных частиц в автоклаве с последующим прессованием высушенного, частично гидролизованного материала в пресс-форме в горячем прессе. Предварительный гидролиз позволит снизить давление прессования для прессматериалов из древесины некоторых лиственных пород до 150 кг/см2 и температуру горячего прессования до 160° С.
На кафедре древесиноведения и строительного дела и в проблемной лаборатории древесных пластиков Уральского лесотехнического института под руководством проф. В. Н. Петри с 1962 г. по настоящее время ведутся разносторонние исследования новых материалов — лигноуглеводных древесных пластиков, получаемых за счет использования реакционной способности компонентов древесины (природных лигнинов и полисахаридов), без добавления к древесным частицам термореактивных смол или иных связующих веществ.
Авторы нового метода в отличие от сторонников пьезотермопластиков считают, что при получении пластиков древесину не следует подвергать глубокому разрушению, а лишь мягким воздействиям при пьезотермической обработке, при которой на первой стадии обработки происходит частичный гидролиз полисахаридов (в первую очередь водорастворимых и легкогидролизуемых) с образованием некоторого количества органических кислот, которые и осуществляют гидролитическое расщепление естественного лигноуглеводного комплекса, поскольку известно, что для разрушения химической связи между лигнином и углеводами необходимы хотя бы малые количества кислотного катализатора.
В результате этих процессов возникают не мономеры, а более крупные молекулы, сохраняющие природную реакционную способность основных компонентов древесины — углеводов и лигнина. Глубокой деструкции древесину при изготовлении пластиков подвергать не следует, так как при этом разрушаются реакционноспособные компоненты природной древесины.
В процессе пьезотермической обработки необходимо также обеспечить возможности для последующего взаимодействия между реакционноспособными компонентами отдельных древесных частиц с целью синтеза новых лигноуглеводных комплексов. Благодаря этому и происходит образование из древесных частиц прочного и водостойкого пластика. Новые материалы назвали лигноуглеводными древесными пластиками (ЛУДП). Лигноуглеводный древесный пластик (ЛУДП) — новый плитный материал, получаемый в результате горячего прессования древесных частиц без добавления связующих веществ. Лигноуглеводным древесным пластикам присущ ряд особенностей, благодаря которым их производство является экономически выгодным:
1. Основным преимуществом ЛУДП, с этой точки зрения, является то, что для их изготовления имеется неограниченное количество сырья. Это древесные частицы любых наиболее распространенных как хвойных (сосна, лиственница, ель, кедр, пихта), так и лиственных пород (береза, осина и др.), а также их смеси.
Производство ЛУДП может быть налажено в любом районе нашей страны, где функционируют лесозаготовительные и деревообрабатывающие предприятия, поскольку пластики могут быть изготовлены из любых отходов лесозаготовок и переработки древесины, а также из дров (без ограничения содержания гнили и коры).
На основании технико-экономических расчетов установлено, что экономически целесообразна минимальная мощность цеха по производству ЛУДП 3,5—4 тыс. м3 плит в год; потребность в сырье для такого цеха составляет 10—12 тыс. м3. Следовательно, производство ЛУДП, в отличие от производства древесностружечных плит, может быть организовано на небольших предприятиях.
2. Лигноуглеводные древесные пластики получаются за счет использования реакционной способности компонентов самой древесины, т. е. без добавления к древесным частицам термореактивных смол или иных связующих веществ.
3. Технологический процесс производства ЛУДП по сравнению с производством древесностружечных плит проще, поскольку нет технологических операций по подготовке связующих веществ и смешиванию их с древесными частицами.
4. Для изготовления ЛУДП используют стандартное прессовое и иное оборудование, применяемое для производства древесностружечных плит и серийно выпускаемое отечественной промышленностью.
Основные технические свойства плоских однослойных ЛУДП следующие:
1. Внешний вид и окраска. После прессования плиты ЛУДП имеют среднюю, более темную (кондиционную) часть и светлую кромку по периферии, или некондиционную часть плиты. Некондиционная часть плиты при оптимальных условиях прессования не превышает 10 см. При использовании плит большого размера кромка шириной 10 см составляет всего 2—5% площади запрессованной плиты. Например, при размере прессуемых плит 3100X1100 мм кромка шириной 10 см составляет по площади 2,5%. Ширину некондиционной части плит можно уменьшать.
Окраска кондиционной части плиты, спрессованной при оптимальных условиях, зависит от древесной породы, из которой изготовлены пластики, но всегда значительно темнее, чем у исходной древесины и колеблется от светло- до темно-коричневого. Кора нарушает однородность окраски. Подкрашивая древесные частицы наружных слоев формируемого ковра и изготовляя плиты, облицованные различными декоративными материалами,- можно изменить цвет и внешний вид плит.
2. Качество поверхности. Плиты, изготовленные из мелких и плоских древесных частиц, имеют более гладкую и ровную поверхность, чем плиты, спрессованные из толстых и грубых древесных частиц. При прессовании пластиков из мелких древесных частиц на хорошо обработанных (лучше полированных) поддонах плиты имеют гладкую блестящую поверхность.
3. Коробление. Коробление ЛУДП зависит от толщины и конструкции плит. Тонкие плиты имеют большее коробление, чем толстые. Трехслойные плиты коробятся меньше, чем однослойные, а плиты, облицованные шпоном, несколько больше, чем необлпцованные. Во избежание коробления плит ЛУДП во время кондиционирования должны строго выполняться правила укладки плит и соблюдаться режимы их кондиционирования — сушки.
4. Плотность. Плотность лигноуглеводных древесных пластиков не может быть меньше 1 г/см3. Только при этой плотности обеспечивается та минимальная степень уплотнения прессуемой массы, при которой достигается необходимый контакт и возможность химического взаимодействия между отдельными частицами древесины.
5. Влагопоглощение. ЛУДП в известной мере сохраняет одну из основных особенностей древесины — впитывать влагу из влажного воздуха. С увеличением содержания гигроскопической влаги в пластиках снижаются их механические свойства:
а) ЛУПД с плотностью не меньше 1,2 г/см3 имеют разбухание 7—10%, водопоглощение 5—12%, общее влагосодержание 20—22%;
б) ЛУДП с плотностью 1,20—1,15 г/см3; разбухание 10— 12%, водопоглощение 12—15%;
в) ЛУДП с плотностью 1,15—1 г/см3; разбухание 18—25%, водопоглощение 20—26 %.
6. Теплотехнические свойства. Материал, применяемый для полов в жилых и промышленных зданиях, характеризуется коэффициентом теплоусвоения, который не должен превышать 10 ккал/м2.
Лигноуглеводиые древесные пластики толщиной 10—11 мм позволяют устраивать полы путем непосредственной укладки их на бетонное основание.
7. Биостойкость. ЛУДП обладают высокой противогнилостной стойкостью, которая в 4—5 раз выше, чем у сосновой древесины.
Механические свойства ЛУДП. Плоские однослойные необлицованные плиты ЛУДП можно разделить на три группы.
Группа А — предел прочности при статическом изгибе не менее 270 кг/см2 (плотность более 1,2 г/см3), группа Б — предел прочности при статическом изгибе не менее 220 кг/см2 (плотность 1,2—1,18 г/см3); группа В — предел прочности при статическом изгибе не менее 120 кг/см2 (плотность 1,15—1 г/см3).
Физико-механические свойства лигноуглеводных древесных пластиков, полученных из еловых лесосечных остатков, следующие: предел прочности при статическом изгибе 170—190 кгс/см2, разбухание за 24 ч составляет 8—11%, а плотность 1,2 г/см3. Пластики, изготовленные из дробленки (смесь 1:1) березовой и осиновой, имеют предел прочности при статическом изгибе 176 кгс/см2, разбухание за 24 ч — 16% и плотность 1,18 г/см3.
Технологический процесс производства в целом одинаков для всех видов однослойных необлицованных лигноуглеводных пластиков. Различие состоит лишь в том, что для каждого конкретного вида сырья, применяемого для изготовления ЛУДП, требуется различная подготовка сырья и различные режимы прессования и кондиционирования пластиков. Поэтому организации промышленного производства пластиков на конкретном предприятии должна предшествовать исследовательская работа, направленная на уточнение технологии их изготовления из наличного сырья. Эти исследования можно проводить параллельно с проектированием и строительством цеха по изготовлению пластиков.
В общем виде технологический процесс производства ЛУДП состоит из следующих основных операций: подготовки сырья, сушки сырья, дозировки древесных частиц, формирования ковра (пакета), холодной подпрессовки ковра (пакета), горячего прессования и охлаждения, режима горячего прессования, обрезки плит, кондиционирования — сушки плит-пластиков.
Схема технологического процесса производства ЛУДП горячим прессованием из отходов лесопиления и деревообработки с использованием одного гидравлического пресса.
Сучья, стволики тонкомера, гнилую выколку из дров и т. д. измельчают на рубильной машине или дробилке и подают транспортером или пневмотранспортером в бункер запаса измельченной древесной массы, в который могут поступать также опилки, стружки или отсев от технологической щепы, стружечного производства и т. п. Для получения кондиционных древесных частиц древесная масса, предварительно очищенная от металлических включений с помощью металлоискателя, пропускается через стружечный станок ДО-5,7, а затем через крестообразные мельницы марки ДМ-3. Отверстия ситового барабана мельниц для некоторых пород уменьшаются до 3 мм. После дробления древесные частицы засасываются вентилятором и транспортируются в циклон, установленный под бункером-дозатором.
Дозирующее устройство этого бункера позволяет изменять, количество выдаваемой стружки в единицу времени, что необходимо для поддержания требуемого температурного режима в камере сушильной установки.
Стружка в камеру установки загружается шнековым транспортером.
Сушильная установка в «кипящем» слое состоит из двух параллельно установленных секций. Сушильным агентом является нагретый воздух. Нагнетание воздуха производится вентиляторами. Высушенная до требуемой влажности дробленка через сливные пороги сушильных камер поступает в шлюзовые питатели, а затем во всасывающий пневмотранспортный трубопровод. Воздух, проходя через слой стружки в сушильных камерах, увлекает за собой пыль, которая оседает в циклоне с повышенным коэффициентом очистки. Очищенный от пыли, но с высокой влажностью воздух выбрасывается в атмосферу, а пыль направляется вместе с основной массой материала в бункер сухой стружки.
Из этого бункера стружка равномерно подается выдающим устройством на ленточный транспортер 2 к питателям и распределяется по формирующим машинам с фракционирующими валиками. Машины настилают ковер на поддоны. Формирование боковых сторон ковра производится двумя, вертикальными ленточными транспортерами. Затем поддон с уложенным на нем рыхлым ковром другой секцией цепного транспортера перемещается для подпрессовки ковра в пресс холодного прессования. Подпрессовка ковра производится под давлением 25 кг/см2 в течение 1 мин.
Перед загрузкой пакета в холодный пресс сверху укладывается дюралюминиевая прокладка при помощи перекладника с присосками. Это способствует равномерному прогреву пакета и позволяет получить плиту с высококачественной поверхностью с обеих сторон.
Пакеты накапливаются в загрузочной этажерке пресса. После полного заполнения этажерки одновременно загружаются все пролеты пресса.
После окончания прессования одновременно выгружаются все плиты пластика в разгрузочную этажерку, из которой они последовательно, начиная с нижней, поступают на продольный и поперечный транспортеры.
Плиты пластика механизмом съема передаются с нижнего поддона на форматно-обрезной трехпильный станок. Поддоны же после чистки и нанесения на них талька направляются под формирующие машины.
Плиты пластика, после обрезки светлых кромок, проходят сортировку. Отбракованные плиты разрезаются на меньшие с вырезкой дефектных мест. После сортировки качественные плиты укладываются в штабеля на прокладках и при помощи траверсной тележки загружаются в камеры кондиционирования — сушки. После выгрузки из камер плиты укладывают в плотные стопы в отапливаемом помещении. Затем упаковывают и отправляют на склад готовой продукции для отправки потребителю. (Технологические операции, следующие после обрезки плит пластика, на схеме не показаны.) Повысить производительность цеха ЛУДП можно за счет увеличения размеров плит, этажности прессов или их количества.
Высокие физико-механические свойства ЛУДП, красивый внешний вид и возможность изготовления плит больших размеров позволяют использовать их в строительстве в качестве конструкционного и отделочного материала для настила полов, подшивки потолков, изготовления встроенной мебели, устройства перегородок, дверных полотен, подоконных досок, для облицовки стен и панелей в общественных зданиях, в кухнях и коридорах жилых зданий и т. п., в мебельных и других отраслях промышленности, а также в качестве заменителя цельной древесины, древесностружечных и древесноволокнистых плит и других листовых материалов. Плиты имеют гладкую поверхность и хорошо отделываются прозрачными и непрозрачными лаками и красками по обычной технологии. Отделку прозрачными мебельными лаками можно производить с предварительным тонированием поверхности водорастворимыми и другими красителями в любой цвет с сохранением текстуры плит.
Таким образом, при измельчении сучьев и тонкомера выход кондиционной щепы составляет в среднем 50% общей измельченной массы. Эту кондиционную щепу можно использовать для получения полуцеллюлозы, изготовления древесностружечных и древесноволокнистых плит, а 50% некондиционной щепы — для получения лигноуглеводных древесных пластиков или удобрений.