пїњ

“≈Ќƒ≈Ќ÷»» –ј«¬»“»я ѕ–ќ»«¬ќƒ—“¬ј  ќћѕќ«»÷»ќЌЌџ’ ћј“≈–»јЋќ¬ »« ќ“’ќƒќ¬ ƒ–≈¬≈—»Ќџ

”ƒ  674.049.2 UDC 674.049.2
“≈Ќƒ≈Ќ÷»» –ј«¬»“»я ѕ–ќ»«¬ќƒ—“¬ј TRENDS OF PRODUCTION OF COMPOSITE  ќћѕќ«»÷»ќЌЌџ’ ћј“≈–»јЋќ¬ »« ќ“- MATERIALS FROM WASTE WOOD ’ќƒќ¬ ƒ–≈¬≈—»Ќџ
—афонов јндрей ќлегович Safonov Andrey Olegovich
д.т.н, профессор, декан лесопромышленного фа- Dr.Sci.Tech., professor, dean of Forestry Industry
культета F acuity
¬оронежска€ государственна€ лесотехническа€ Voronezh State Academy of Forestry and академи€, ¬оронеж, –осси€ Technologies, Voronezh, Russia
¬ статье дан обзор современного состо€ни€ утили- The article reviews the current state of plant waste зации отходов растительного происхождени€. disposal. Also presents directions of development of “ акже представлены направлени€ развити€ компо- composite materials of this type of stuff зиционных материалов из этого вида сырь€
 лючевые слова: ƒ–≈¬≈—»Ќј,  ќћѕќ«»÷»- Keywords: WOOD, COMPOSITE, MATERIAL, ќЌЌџ…, ћј“≈–»јЋ, ќ“’ќƒџ, ѕ–ќ»«¬ќƒ- WASTE PRODUCTION ENVIRONMENT —“¬ќ, ”“»Ћ»«ј÷»я
ѕо статистической отчетности ѕродовольственной и —ельскохоз€йственной ќрганизации ќбъединенных Ќаций (Food and Agriculture Organization of the United Nations), половина площади мировых запасов леса принадлежит четырем странам мира: –осси€ (22%), Ѕразили€ (16%),  анада (7%), —Ўј (6%) [9].
ѕри этом по процентному соотношению лесов бореальной и умеренной зон –осси€ €вл€етс€ абсолютным мировым лидером. Ќашей стране в этом важном сегменте принадлежит почти половина мировых ресурсов. ¬ отношении на одного жител€ –оссийской ‘едерации приходитс€ около 600 м3 леса, что значительно больше, чем в любой из стран мирового сообщества.
≈жегодно в –оссийской ‘едерации образуетс€ большое количество отходов деревопереработки, требующей незамедлительной утилизации вследствие их быстрой потери важных с технологической точки зрени€ свойств.
ќтходами деревообрабатывающей и лесной промышленности €вл€етс€ часть сырь€, котора€ не попадает в основную продукцию предпри€тий. ƒревесные отходы образуютс€ в значительных количествах практи-
чески на многих этапах технологической цепи переработки: лесозаготовка - лесопиление - деревообработка.
”тилизаци€ отходов лесной промышленности, изучение и исследование процессов получени€ из них экологически чистых материалов €вл€етс€ очень перспективным направлением как развити€ современной промышленности, так и улучшени€ экологического баланса, охраны окружающей среды.
ѕрактически все деревоперерабатывающие процессы предусматривают удаление коры, так называемую окорку, с последующим измельчением ее на более мелкую фракцию. ќтходами этих технологических процессов €вл€ютс€: кора, заболонные слои древесины, и, конечно, опилки, образующиес€ при механической обработке. ќднако, несмотр€ на большие объемы образующей в деревообработке коры ее использование в качестве добавок к различным видам продукции, биотопливу требует большой осторожности по разным причинам. Ќапример, кора накапливаем в дес€тки раз больше радиоактивных элементов, чем сама древесина [1]. — этим фактом без сомнений необходимо считатьс€ и проводить дополнительный радиационный контроль коры в производственных услови€х.
ќбразующиес€ отходы, как правило, складируютс€ в непосредственно вблизи самих деревоперерабатывающих производств. Ќезначительное их количество используетс€ в виде топлива. Ёто обычно отходы от стол€рных и мебельных производств, шлифовальна€ пыль, имеющие низкую влажность.
ќстальна€ часть отходов остаетс€ невостребованной, хот€ имеет множество направлени€ переработки. “ак, например, в –оссии на многих крупных целлюлозно-бумажных комбинатах и деревообрабатывающих предпри€ти€х имеетс€ значительное количество коры и других древесных отходов (опилки, стружка, щепа, торф), образовавшихс€ в процессе производства продукции. Ёто осложн€ет экологическую обстановку на площад-
ках предпри€тий и близлежащих территорий. “ем более, что эти предпри€ти€, как обычно наход€тс€ в черте городов, и запасы отходов посто€нно пополн€ютс€.
¬ –оссийской ‘едерации большое количество целлюлознобумажных предпри€тий: Ќаманганска€ целлюлозно-бумажна€ фабрика, Ќовол€линский целлюлозно-бумажный завод, ћарийский целлюлознобумажный комбинат, Ѕратский целлюлозно-картонный комбинат,
јрхангельский целлюлозно-бумажный комбинат,  отласский целлюлознобумажный комбинат, ѕермский целлюлозно-бумажный комбинат,
—егежский целлюлозно - бумажный комбинат, —оветский целлюлознобумажный завод, —оломбальский целлюлозно-бумажный комбинат,
—€сьский целлюлозно-бумажный комбинат, ¬ыборгска€ целлюлоза, “уринский целлюлозно-бумажный завод, Ѕайкальский целлюлознобумажный комбинат и др. —уммарный объем поизводимой ими продукции в виде целлюлозы и тароупаковочных видов бумаги оцениваетс€ в 440 тыс.тонн/год.
“акже имеетс€ большое количество различных деревообрабатывающих предпри€тий наход€щихс€ вдали от городов и широких транспортных инфраструктур, которые не имеют возможности эффективно перерабатывать образующиес€ отходы (щепа, стружка, шлифовальна€ пыль, опилки, древесна€ кора) в св€зи с нецелесообразностью грузоперевозки из экономических соображений.
–ациональна€ утилизаци€ древесных отходов даст возможность снизить вред окружающей среде, послужит источником экономии средств, получени€ дополнительной прибыли за счет реализации новых видов продукции.
¬ насто€щее врем€ не менее остро стоит вопрос утилизации и использовани€ соломы злаковых и круп€ных культур, масса накоплени€ которой ежегодно составл€ет 80-100 млн. тонн.
”читыва€ наметившуюс€ тенденцию роста продукции сельского хоз€йства проблема утилизации отходов от этого сектора экономии страны будет занимать одно из главных мест в различных перспективных планах развити€ (–исунок 1).
103 93 33 73 63
53 ~\Ч|-1Ч|Ч|-1Ч|Ч|-1Ч|-1Ч|Ч|-1Ч|Ч|-1Ч|Ч|-1
о н и о) тг 1л и г- ——тон€а)'г√1лшг^ —ќ
—√п—ѕ—√п—ѕ—»—√п—ѕ—»—√л—»ќќќќќќќќќ
гЌЌгЌЌЌЌЌЌЌЌѕЌѕ»»ѕћѕ»
–исунок 1. ƒинамика индекса объЄма продукции сельского хоз€йства в –оссии в 1990Ч2008 годах, в процентах от уровн€ 1990 года
ќдним из основных направлений утилизации мелких сыпучих сельскохоз€йственных отходов типа рисовой шелухи, лузги подсолнечника, шелухи гречихи, овса, проса и так далее €вл€етс€ их использование дл€ получени€ тепловой и электрической энергии. ќдной из основных технологий €вл€етс€ сжигание. —жигание сыпучих сельскохоз€йственных отходов базируетс€ на двух методах сжигани€: пр€мое сжигание и сжигание в кип€щем слое.
ѕр€мое сжигание рисовой шелухи используетс€ в электростанци€х малой мощности от 1 до 5 ћ¬т в таких странах как “айланд, Ѕангладеш, ‘иллипины, ћалайзи€, »ндонези€, »нди€. —жигание в котлах с кип€щим слоем обеспечивает повышенную эффективность по сравнению с пр€мым сжиганием и используетс€ в электростанци€х мощностью 25-50 ћ¬т ( алифорни€, —Ўј). ¬ обоих случа€х расход рисовой шелухи составл€ет 1.5 -
2 кг/к¬т-час, а к.п.д. достаточно невысокий. ƒополнительный экономический эффект от сжигани€ рисовой шелухи можно получить за счет продажи золы с высоким содержанием кремнезема.
  сожалению, сжигание некоторых видов лузги представл€ет собой сложную задачу. «ола, котора€ образуетс€ при сжигании лузги, плавитс€ при низкой температуре и налипает на поверхности топки и труб котла.  роме того, лузга сжигаетс€ с низкой эффективностью и высоким уровнем эмиссии несгоревших углеводородов.
Ѕольшие объемы перерабатываемой древесины влекут за собой очевидную проблему утилизации отходов от этого вида промышленности. “акие же проблемы испытывает и сельское хоз€йство нашей страны.
ќчевидных путей решени€ проблемы переработки древесины и сельскохоз€йственных растений несколько:
1) ѕереработка в энергоносители различных составов, назначени€ и свойств (пеллеты, брикеты, спирты, эфиры и т.д.).
2) ѕроизводство товаров народного потреблени€ (различного рода композиционные материалы, мебель, декоративные элементы дл€ обустройства помещений различного назначени€ и т.д.).
3) »спользование рассматриваемых отходов в производстве материалов строительного назначени€ с добавлением цементных св€зующих (арболит, фибролит, опилкобетон и т.д.).
ќстановимс€ более детально на отходах растительного происхождени€, как сырье дл€ производства плитных материалов мебельного и строительного назначени€.
÷еллюлоза €вл€етс€ самым богатым природным биополимером в мире, который возобновл€етс€ и поддаетс€ биохимическому разложению. ѕроведенные в последнее врем€ исследовани€ мирового уровн€ показали, что выделенные из целлюлозы нано и микроволокна имеют более высокие механические свойства, чем единичные волокна [5]. “акого рода волокна
р€д ученых предлагает использовать дл€ укреплени€ некоторых полимеров
[4, 6].
ƒл€ получени€ волокон целлюлозы и агрегатов волокон используютс€ два основных способа: химический - с помощью сильного кислотного гидролиза, а также механический. —пособ механической обработки раздел€етс€ 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]. ѕродукт, полученный химическим способом, называетс€ целлюлозные усы или нанокристаллы целлюлозы. ѕродукт, полученный химическим методом, называетс€ микрофибриллы целлюлозы или мик-рофибрилл€ты.
»сследовани€ нанокомпозитов, полученных из целлюлозы, в последние годы развиваютс€ очень интенсивно. Ёто обусловлено экологической чистотой технологий и возможностью увеличени€ прочности материалов. ‘ранцузские 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 раст€жении и прочность поливинилацетата увеличены. ќднако, дисперси€ целлюлозы не была абсолютно равномерной в матрице сечени€ и были некоторые пробелы между полимерной матрицей и фибриллами [11].
ѕредварительные исследовани€ группы китайских ученых дали возможность выделить микро/нано фибриллы целлюлозы из древесины топол€ и рисовой соломы с помощью фермента и ультразвука высокой интенсивности соответственно. Ќанокомпозиты были получены путем соединени€ микро/нано волокон и полипропилена. –езультаты показали, что лучша€ совместимость микро/нано волокон и полипропилена достигаетс€ путем добавлени€ св€зующего вещества в композиты [14]. ќднако, получен-
ные в насто€щее врем€ мировые результаты по выделению микро и нановолокон из сырь€ растительного происхождени€ не дают возможность их использовани€ дл€ получени€ продукции, так как отсутствуют фундаментальные знани€ по взаимосв€з€м методов модификации отходов природной целлюлозы и технологий получени€ новых материалов, обладающих улучшенными свойствами. –ешение этой проблемы предполагаетс€ в перспективе путем проведени€ международных научно-практических исследований.
ѕроведенные в мире исследовани€ и созданные автоматизированные технологии производства плитных материалов характеризуютс€, как правило, однокритериальностью. ¬ этом случае беретс€ за основной один технико-экономический показатель, например, качество. ќстальные же показатели не учитываютс€. Ёто объ€сн€етс€ не столько сложностью многокритериальных систем управлени€, сколько отсутствием достоверной информации о свойствах сырь€ и характере одновременного изменени€ других важных показателей во врем€ проведени€ процесса обработки. “акже современные методы проведени€ процессов производства плитных материалов из сырь€ растительного происхождени€ и других видов продукции отличаютс€ локальностью автоматизированных систем на конкретном оборудовании технологического цикла [2].
ќдним из основных недостатков примен€емых систем управлени€ €вл€етс€ ограниченное изменение режимных параметров в реальном масштабе времени, нос€щее дискретный характер [3]. “акое обсто€тельство может послужить причиной возникновени€ аварийных ситуаций, например возгорание обрабатываемого материала. јварийные ситуации подобного рода, к сожалению, не €вл€ютс€ редкостью в технологи€х сушки, прессовани€ волокнистых материалов растительного происхождени€ (фанера, MDF (medium density fiberboard), древесностружечные плиты).
ќтсутствие автоматизированных комплексов объ€сн€етс€ недостаточностью в насто€щее врем€ фундаментальных знаний о специфических особенност€х сырь€, закономерност€х его обработки, оптимальных характеристиках. ¬ р€де случаев полученные результаты предполагают узкий аспект применени€ того или иного автоматического управлени€.
—овременный уровень развити€ промышленности, оборудовани€, требует прецизионной точности регулировани€ и установки требуемых параметров в автоматическом режиме основного задействованного парка станков и устройств во врем€ объективного изменени€ внешних воздействий. “олько такое объективное управление делает возможным снижение энергоемкости и безопасности процессов, максимальной производительности, получение продукции высокого качества. ¬ насто€щее врем€ ведетс€ успешна€ российско-китайска€ научно-практическа€ работа по созданию современных систем управлени€ промышленным оборудованием высокой точности.
¬ насто€щее врем€ автором ведетс€ активна€ научна€ работа совместно с коллегами из  итайской народной республики, имеющими большой опыт в производстве плитных материалов из отходов древесины и сельского хоз€йства. ”частие китайских ученых в научно-технических проектах Ђ–азвитие нано-механических протоколов испытаний дл€ характеристики лигноцеллюлозных/полимерных системї, ЂЌано-механические свойства клеточной стенки дес€ти видов лиственных породї (с финансированием по линии ћинистерства сельского хоз€йства —Ўј), ЂЌациональна€ научнотехнологическа€ программы в рамках одиннадцатой п€тилетки), Ђѕодготовка рисовой соломы дл€ получени€ микро/нано фибриллы и потенциал еЄ использовани€ї дало положительные результаты, касающиес€ изучени€ древесины различных пород и волокон, а также биоресурсных технологий. Ѕыл получен патент.
Ќа основании действующего договора между лесопромышленным факультетом ‘√Ѕќ” ¬ѕќ Ђ¬√Ћ“јї и ÷ентром исследований быстрорастущих деревьев и инженерии волокнистых материалов Ќанкинского лесного университета провод€тс€ совместные научные исследовании на прот€жении 6 лет.
Ёти исследовани€ направлены на установление возможностей утилизации отходов растительного происхождени€ с получением модифицированных плитных материалов мебельного и строительного назначени€ с высокими эксплуатационными характеристиками, а также биотоплива.
ќднако, в насто€щее врем€ нет фундаментальных знаний по теории автоматизации таких процессов вследствие отсутстви€ зависимостей изменени€ свойств сырь€ при его переработке, режимных характеристик оборудовани€, а также оптимальных характеристик св€зующих.
ѕоэтому традиционно примен€емые системы управлени€ отдельным оборудованием или целыми производственными процессами, например, древесностружечных плит не €вл€ютс€ приемлемыми. Ёто объ€сн€етс€ как спецификой сырь€, так и существующими уровнем и несовершенством традиционно примен€емых систем управлени€. ѕри этом также планируетс€ получить фундаментальные знани€ по теории св€зей между растительными волокнами, различного происхождени€ дл€ обеспечени€ заданных физико-механических свойств производимой продукции.
—писок использованной литературы
1. ћарадудин ».»., ѕанфилов ј.¬., Ўубин ¬. ј. ќсновы прикладной радиоэкологии леса. - ћ., 2001. - 224 с.
2. —афонов ј.ќ., —.¬. —ергеев –азработка энергосберегающей системы управлени€ сушкой шпона в газовых роликовых сушилках. // ƒеревообрабатывающа€ пром-сть. - 2007. - є 2. - —. 3 - 5.
3. Fumalu S. Robotics and Automation in the production of particle boards // Sci-ence&Manufacturing. - 2009.- є 5. - –. 1011 - 1025.
4. Chakraborty, A., Sain, M., Kortschot, M. Cellulose Reinforcing potential of wood pulp-derived microfibres in a PVA matrix. // Holzforschung. - 2006. - є 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.- є A 40. - –. 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.- є 14. - –. 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.- є 31 (4). - –. 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.- є 64 (4). - –. 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.- є A 80. - –. 155 - 159.
11. Samir, M., Alloin, F., Sanchez, J.Y., Dufresne, A. (2004) Cross-linked nanocomposite polymer electrolytes reinforced with cellulose whiskers. // Macromolecules. -2004.- є 37 (13). - –. 4839-4844.
12. Taniguchi, T. (1996) Microfibrillation of natural fibrous materials. // J Soc Mat Sci Japan. - 1996.- є 45 (14). - –. 472-473.
13. Zimmermann, T., Pohler, E., Geiger, T. (2004) Cellulose fibrils for polymer reinforcement. // Advanced Engineering Materials. . - 2004.- є 6 (9). - –. 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.- є 44 (1). - –. 64-73.

пїњ