Нашествие уссурийского короеда уничтожает пихтовые древостои в сибирских лесах, оставляя тысячи гектаров мёртвой древесины, которую традиционно считали непригодной для переработки. Однако исследователи из Сибирского государственного университета науки и технологий вместе с коллегами из Института леса СО РАН выяснили, что эта древесина — вовсе не отходы, а ценное сырьё, способное заменить синтетические смолы в производстве строительных материалов.
Оказалось, что грибы, разлагающие древесину погибших деревьев, делают за людей половину работы. В процессе биодеструкции меняется химический состав древесины: увеличивается доля лигнина — природного полимера, который склеивает растительные клетки. При этом лигнин окисляется, и в нём появляются активные группы, способные вступать в реакции при нагревании. Учёные проследили эти изменения с помощью инфракрасной спектроскопии и выяснили, что древесина, пролежавшая мёртвой 19–20 лет, приобретает свойства, которых нет у свежесрубленных стволов.
Из древесины средней степени разложения — 8–14 лет после гибели — учёные научились получать качественные волокна. Специальная размольная гарнитура с фибриллирующим эффектом позволяет расщеплять ослабленную структуру древесины на тонкие длинные волокна, которые становятся основой для плит. А вот древесина на самой поздней стадии разложения — 19–20 лет — уже не годится для получения волокон, её структура слишком рыхлая. Но из неё сделали мелкодисперсный порошок с помощью роторно-пульсационного диспергатора, где частицы обрабатываются гидравлическими ударами и превращаются в активную добавку.
Ключевой момент технологии — эта добавка, состоящая из мельчайших частиц бурой гнили, работает как природный клей. Когда её смешивают с волокнистой основой в пропорции 30 к 70, а затем прессуют при температуре 195 градусов, лигнин из разрушенной древесины вступает во взаимодействие с лигнином волокон. Образуются дополнительные химические связи, которые делают материал прочнее и устойчивее к воде. При этом никаких фенолоформальдегидных смол, парафина или других синтетических добавок не требуется — всё работает на природных механизмах.
Результаты эксперимента впечатляют: прочность на изгиб повышается на 10%, внутренние связи между волокнами укрепляются на 15–35%, а разбухание в воде уменьшается на те же 15–35%. Плиты, полученные по этой технологии, соответствуют требованиям ГОСТа для полутвёрдых плит и могут использоваться во влажных помещениях, в мебели и строительстве. При этом плотность материала остаётся на уровне 730–800 кг на кубометр, что сопоставимо с обычными древесноволокнистыми плитами средней плотности.
Такой подход решает сразу две проблемы. Во-первых, утилизация мёртвой древесины, которая сегодня просто сгорает или гниёт, выделяя углекислый газ. Во-вторых, сокращение использования химических связующих, которые дороги и экологически небезопасны. Учёные отмечают, что технология особенно актуальна для регионов, где массовое усыхание лесов становится системной проблемой. Вместо того чтобы бороться с последствиями природных катаклизмов, можно превращать их в ресурс для промышленности — и делать это без дополнительных затрат на ферментативные обработки, которые требуют времени и дорогого оборудования.
Исследование выполнено в рамках государственного задания научной лаборатории «Биорефайнинг лесных ресурсов» и уже привлекло внимание специалистов по деревообработке. В ближайшее время авторы планируют масштабировать эксперимент и проверить технологию в условиях реального производства. Если всё пойдёт по плану, скоро в магазинах могут появиться плиты из древесины, которую раньше считали мёртвым грузом — и при этом они будут прочнее и экологичнее тех, что делают сегодня с использованием химии.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Химия растительного сырья»
Изображение на обложке: разработано Magnific
