ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ

УДК 674.049.2 UDC 674.049.2
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА TRENDS OF PRODUCTION OF COMPOSITE КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТ- MATERIALS FROM WASTE WOOD ХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ
Сафонов Андрей Олегович Safonov Andrey Olegovich
д.т.н, профессор, декан лесопромышленного фа- Dr.Sci.Tech., professor, dean of Forestry Industry
культета F acuity
Воронежская государственная лесотехническая Voronezh State Academy of Forestry and академия, Воронеж, Россия Technologies, Voronezh, Russia
В статье дан обзор современного состояния утили- The article reviews the current state of plant waste зации отходов растительного происхождения. disposal. Also presents directions of development of Т акже представлены направления развития компо- composite materials of this type of stuff зиционных материалов из этого вида сырья
Ключевые слова: ДРЕВЕСИНА, КОМПОЗИЦИ- Keywords: WOOD, COMPOSITE, MATERIAL, ОННЫЙ, МАТЕРИАЛ, ОТХОДЫ, ПРОИЗВОД- WASTE PRODUCTION ENVIRONMENT СТВО, УТИЛИЗАЦИЯ
По статистической отчетности Продовольственной и Сельскохозяйственной Организации Объединенных Наций (Food and Agriculture Organization of the United Nations), половина площади мировых запасов леса принадлежит четырем странам мира: Россия (22%), Бразилия (16%), Канада (7%), США (6%) [9].
При этом по процентному соотношению лесов бореальной и умеренной зон Россия является абсолютным мировым лидером. Нашей стране в этом важном сегменте принадлежит почти половина мировых ресурсов. В отношении на одного жителя Российской Федерации приходится около 600 м3 леса, что значительно больше, чем в любой из стран мирового сообщества.
Ежегодно в Российской Федерации образуется большое количество отходов деревопереработки, требующей незамедлительной утилизации вследствие их быстрой потери важных с технологической точки зрения свойств.
Отходами деревообрабатывающей и лесной промышленности является часть сырья, которая не попадает в основную продукцию предприятий. Древесные отходы образуются в значительных количествах практи-
чески на многих этапах технологической цепи переработки: лесозаготовка - лесопиление - деревообработка.
Утилизация отходов лесной промышленности, изучение и исследование процессов получения из них экологически чистых материалов является очень перспективным направлением как развития современной промышленности, так и улучшения экологического баланса, охраны окружающей среды.
Практически все деревоперерабатывающие процессы предусматривают удаление коры, так называемую окорку, с последующим измельчением ее на более мелкую фракцию. Отходами этих технологических процессов являются: кора, заболонные слои древесины, и, конечно, опилки, образующиеся при механической обработке. Однако, несмотря на большие объемы образующей в деревообработке коры ее использование в качестве добавок к различным видам продукции, биотопливу требует большой осторожности по разным причинам. Например, кора накапливаем в десятки раз больше радиоактивных элементов, чем сама древесина [1]. С этим фактом без сомнений необходимо считаться и проводить дополнительный радиационный контроль коры в производственных условиях.
Образующиеся отходы, как правило, складируются в непосредственно вблизи самих деревоперерабатывающих производств. Незначительное их количество используется в виде топлива. Это обычно отходы от столярных и мебельных производств, шлифовальная пыль, имеющие низкую влажность.
Остальная часть отходов остается невостребованной, хотя имеет множество направления переработки. Так, например, в России на многих крупных целлюлозно-бумажных комбинатах и деревообрабатывающих предприятиях имеется значительное количество коры и других древесных отходов (опилки, стружка, щепа, торф), образовавшихся в процессе производства продукции. Это осложняет экологическую обстановку на площад-
ках предприятий и близлежащих территорий. Тем более, что эти предприятия, как обычно находятся в черте городов, и запасы отходов постоянно пополняются.
В Российской Федерации большое количество целлюлознобумажных предприятий: Наманганская целлюлозно-бумажная фабрика, Новолялинский целлюлозно-бумажный завод, Марийский целлюлознобумажный комбинат, Братский целлюлозно-картонный комбинат,
Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат, Котласский целлюлознобумажный комбинат, Пермский целлюлозно-бумажный комбинат,
Сегежский целлюлозно - бумажный комбинат, Советский целлюлознобумажный завод, Соломбальский целлюлозно-бумажный комбинат,
Сясьский целлюлозно-бумажный комбинат, Выборгская целлюлоза, Туринский целлюлозно-бумажный завод, Байкальский целлюлознобумажный комбинат и др. Суммарный объем поизводимой ими продукции в виде целлюлозы и тароупаковочных видов бумаги оценивается в 440 тыс.тонн/год.
Также имеется большое количество различных деревообрабатывающих предприятий находящихся вдали от городов и широких транспортных инфраструктур, которые не имеют возможности эффективно перерабатывать образующиеся отходы (щепа, стружка, шлифовальная пыль, опилки, древесная кора) в связи с нецелесообразностью грузоперевозки из экономических соображений.
Рациональная утилизация древесных отходов даст возможность снизить вред окружающей среде, послужит источником экономии средств, получения дополнительной прибыли за счет реализации новых видов продукции.
В настоящее время не менее остро стоит вопрос утилизации и использования соломы злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн. тонн.
Учитывая наметившуюся тенденцию роста продукции сельского хозяйства проблема утилизации отходов от этого сектора экономии страны будет занимать одно из главных мест в различных перспективных планах развития (Рисунок 1).
103 93 33 73 63
53 ~\—|-1—|—|-1—|—|-1—|-1—|—|-1—|—|-1—|—|-1
о н и о) тг 1л и г- ССтоняа)'гГ1лшг^ СО
СГпСПСГпСПСИСГпСПСИСГлСИООООООООО
гННгННННННННПНПИИПМПИ
Рисунок 1. Динамика индекса объёма продукции сельского хозяйства в России в 1990—2008 годах, в процентах от уровня 1990 года
Одним из основных направлений утилизации мелких сыпучих сельскохозяйственных отходов типа рисовой шелухи, лузги подсолнечника, шелухи гречихи, овса, проса и так далее является их использование для получения тепловой и электрической энергии. Одной из основных технологий является сжигание. Сжигание сыпучих сельскохозяйственных отходов базируется на двух методах сжигания: прямое сжигание и сжигание в кипящем слое.
Прямое сжигание рисовой шелухи используется в электростанциях малой мощности от 1 до 5 МВт в таких странах как Тайланд, Бангладеш, Филлипины, Малайзия, Индонезия, Индия. Сжигание в котлах с кипящим слоем обеспечивает повышенную эффективность по сравнению с прямым сжиганием и используется в электростанциях мощностью 25-50 МВт (Калифорния, США). В обоих случаях расход рисовой шелухи составляет 1.5 -
2 кг/кВт-час, а к.п.д. достаточно невысокий. Дополнительный экономический эффект от сжигания рисовой шелухи можно получить за счет продажи золы с высоким содержанием кремнезема.
К сожалению, сжигание некоторых видов лузги представляет собой сложную задачу. Зола, которая образуется при сжигании лузги, плавится при низкой температуре и налипает на поверхности топки и труб котла. Кроме того, лузга сжигается с низкой эффективностью и высоким уровнем эмиссии несгоревших углеводородов.
Большие объемы перерабатываемой древесины влекут за собой очевидную проблему утилизации отходов от этого вида промышленности. Такие же проблемы испытывает и сельское хозяйство нашей страны.
Очевидных путей решения проблемы переработки древесины и сельскохозяйственных растений несколько:
1) Переработка в энергоносители различных составов, назначения и свойств (пеллеты, брикеты, спирты, эфиры и т.д.).
2) Производство товаров народного потребления (различного рода композиционные материалы, мебель, декоративные элементы для обустройства помещений различного назначения и т.д.).
3) Использование рассматриваемых отходов в производстве материалов строительного назначения с добавлением цементных связующих (арболит, фибролит, опилкобетон и т.д.).
Остановимся более детально на отходах растительного происхождения, как сырье для производства плитных материалов мебельного и строительного назначения.
Целлюлоза является самым богатым природным биополимером в мире, который возобновляется и поддается биохимическому разложению. Проведенные в последнее время исследования мирового уровня показали, что выделенные из целлюлозы нано и микроволокна имеют более высокие механические свойства, чем единичные волокна [5]. Такого рода волокна
ряд ученых предлагает использовать для укрепления некоторых полимеров
[4, 6].
Для получения волокон целлюлозы и агрегатов волокон используются два основных способа: химический - с помощью сильного кислотного гидролиза, а также механический. Способ механической обработки разделяется на ультразвуковую обработку высокой интенсивности [7], гомогенизирующую обработку под высоким давлением [8, 10], обработку дроблением под высоким давлением [12] а также обработку микрофлюи-дизатором [13]. Продукт, полученный химическим способом, называется целлюлозные усы или нанокристаллы целлюлозы. Продукт, полученный химическим методом, называется микрофибриллы целлюлозы или мик-рофибрилляты.
Исследования нанокомпозитов, полученных из целлюлозы, в последние годы развиваются очень интенсивно. Это обусловлено экологической чистотой технологий и возможностью увеличения прочности материалов. Французские исследователи использовали некоторые натуральные целлюлозные волокна, обработанные ультразвуком высокой мощности при производстве поливинилацетата при комнатной температуре и обнаружили, что при добавлении целлюлозных волокон модуль упругости при растяжении и прочность поливинилацетата увеличены. Однако, дисперсия целлюлозы не была абсолютно равномерной в матрице сечения и были некоторые пробелы между полимерной матрицей и фибриллами [11].
Предварительные исследования группы китайских ученых дали возможность выделить микро/нано фибриллы целлюлозы из древесины тополя и рисовой соломы с помощью фермента и ультразвука высокой интенсивности соответственно. Нанокомпозиты были получены путем соединения микро/нано волокон и полипропилена. Результаты показали, что лучшая совместимость микро/нано волокон и полипропилена достигается путем добавления связующего вещества в композиты [14]. Однако, получен-
ные в настоящее время мировые результаты по выделению микро и нановолокон из сырья растительного происхождения не дают возможность их использования для получения продукции, так как отсутствуют фундаментальные знания по взаимосвязям методов модификации отходов природной целлюлозы и технологий получения новых материалов, обладающих улучшенными свойствами. Решение этой проблемы предполагается в перспективе путем проведения международных научно-практических исследований.
Проведенные в мире исследования и созданные автоматизированные технологии производства плитных материалов характеризуются, как правило, однокритериальностью. В этом случае берется за основной один технико-экономический показатель, например, качество. Остальные же показатели не учитываются. Это объясняется не столько сложностью многокритериальных систем управления, сколько отсутствием достоверной информации о свойствах сырья и характере одновременного изменения других важных показателей во время проведения процесса обработки. Также современные методы проведения процессов производства плитных материалов из сырья растительного происхождения и других видов продукции отличаются локальностью автоматизированных систем на конкретном оборудовании технологического цикла [2].
Одним из основных недостатков применяемых систем управления является ограниченное изменение режимных параметров в реальном масштабе времени, носящее дискретный характер [3]. Такое обстоятельство может послужить причиной возникновения аварийных ситуаций, например возгорание обрабатываемого материала. Аварийные ситуации подобного рода, к сожалению, не являются редкостью в технологиях сушки, прессования волокнистых материалов растительного происхождения (фанера, MDF (medium density fiberboard), древесностружечные плиты).
Отсутствие автоматизированных комплексов объясняется недостаточностью в настоящее время фундаментальных знаний о специфических особенностях сырья, закономерностях его обработки, оптимальных характеристиках. В ряде случаев полученные результаты предполагают узкий аспект применения того или иного автоматического управления.
Современный уровень развития промышленности, оборудования, требует прецизионной точности регулирования и установки требуемых параметров в автоматическом режиме основного задействованного парка станков и устройств во время объективного изменения внешних воздействий. Только такое объективное управление делает возможным снижение энергоемкости и безопасности процессов, максимальной производительности, получение продукции высокого качества. В настоящее время ведется успешная российско-китайская научно-практическая работа по созданию современных систем управления промышленным оборудованием высокой точности.
В настоящее время автором ведется активная научная работа совместно с коллегами из Китайской народной республики, имеющими большой опыт в производстве плитных материалов из отходов древесины и сельского хозяйства. Участие китайских ученых в научно-технических проектах «Развитие нано-механических протоколов испытаний для характеристики лигноцеллюлозных/полимерных систем», «Нано-механические свойства клеточной стенки десяти видов лиственных пород» (с финансированием по линии Министерства сельского хозяйства США), «Национальная научнотехнологическая программы в рамках одиннадцатой пятилетки), «Подготовка рисовой соломы для получения микро/нано фибриллы и потенциал её использования» дало положительные результаты, касающиеся изучения древесины различных пород и волокон, а также биоресурсных технологий. Был получен патент.
На основании действующего договора между лесопромышленным факультетом ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» и Центром исследований быстрорастущих деревьев и инженерии волокнистых материалов Нанкинского лесного университета проводятся совместные научные исследовании на протяжении 6 лет.
Эти исследования направлены на установление возможностей утилизации отходов растительного происхождения с получением модифицированных плитных материалов мебельного и строительного назначения с высокими эксплуатационными характеристиками, а также биотоплива.
Однако, в настоящее время нет фундаментальных знаний по теории автоматизации таких процессов вследствие отсутствия зависимостей изменения свойств сырья при его переработке, режимных характеристик оборудования, а также оптимальных характеристик связующих.
Поэтому традиционно применяемые системы управления отдельным оборудованием или целыми производственными процессами, например, древесностружечных плит не являются приемлемыми. Это объясняется как спецификой сырья, так и существующими уровнем и несовершенством традиционно применяемых систем управления. При этом также планируется получить фундаментальные знания по теории связей между растительными волокнами, различного происхождения для обеспечения заданных физико-механических свойств производимой продукции.
Список использованной литературы
1. Марадудин И.И., Панфилов А.В., Шубин В. А. Основы прикладной радиоэкологии леса. - М., 2001. - 224 с.
2. Сафонов А.О., С.В. Сергеев Разработка энергосберегающей системы управления сушкой шпона в газовых роликовых сушилках. // Деревообрабатывающая пром-сть. - 2007. - № 2. - С. 3 - 5.
3. Fumalu S. Robotics and Automation in the production of particle boards // Sci-ence&Manufacturing. - 2009.- № 5. - Р. 1011 - 1025.
4. Chakraborty, A., Sain, M., Kortschot, M. Cellulose Reinforcing potential of wood pulp-derived microfibres in a PVA matrix. // Holzforschung. - 2006. - № 60(1). - P 5368.
5. Cheng, Q., Wang, S., Rials, T. Poly(vinyl alcohol) nanocomposites reinforced with cellulose fibrils isolated by high intensity ultrasonication. // Composites- 2009.- № A 40. - Р. 218 - 244.
6. Cheng, Q., Wang, S., Rials, T., Lee, S. Physical and mechanical properties of polyvinyl alcohol and polypropylene composite materials reinforced with fibril aggregates isolated from regenerated cellulose fibers. // Cellulose- 2007.- № 14. - Р. 593 - 602.
7. Cheng, Q., Wang, S., Zhou, D., Zhang, Y., Rials, T. Lyocell-derived cellulose fibril and its biodegradable nanocomposite. // Journal Nanjing Forestry University - 2007.- № 31 (4). - Р. 21 - 26.
8. Dufresne, A., Cavaille, J.Y., Vignon, M.R. Mechanical behavior of sheets prepared from sugar beet cellulose microfibrils. // Appl Polym Sci. - 1997.- № 64 (4). - Р. 633 -639.
9. Juka Tissari. Highlights on paper and paperboard: 1999- 2009 // Juka Tissari. -FAOSTAT, 2011. C 1-10.
10. Nakagaito, A.N., Yano, H. Novel high-strength biocomposites based on mic-riofibrillated cellulose having nano-order-unit web-like network structure. // Appl. Phys. -2005.- № A 80. - Р. 155 - 159.
11. Samir, M., Alloin, F., Sanchez, J.Y., Dufresne, A. (2004) Cross-linked nanocomposite polymer electrolytes reinforced with cellulose whiskers. // Macromolecules. -2004.- № 37 (13). - Р. 4839-4844.
12. Taniguchi, T. (1996) Microfibrillation of natural fibrous materials. // J Soc Mat Sci Japan. - 1996.- № 45 (14). - Р. 472-473.
13. Zimmermann, T., Pohler, E., Geiger, T. (2004) Cellulose fibrils for polymer reinforcement. // Advanced Engineering Materials. . - 2004.- № 6 (9). - Р. 754 - 761.
14. Yan, W., Wang, S., Zhou, D.G., Xing, C., Zhang, Y., Pharr, G.M. (2009) Use of nanoindentation and SilviScan to determine the mechanical properties of ten hardwood species. // Wood and fiber science. - 2009.- № 44 (1). - Р. 64-73.