Человечество испокон веков использует древесину в быту. Казалось бы, о лесе известно все и вряд ли можно найти какие-то особенные его свойства, которые можно было бы применить в хозяйстве. Тем не менее этой темой продолжают активно заниматься ученые, причем в разных странах. Наши тоже не отстают, а в некоторых исследованиях и вовсе опережают зарубежных коллег. Заведующий кафедрой архитектуры и дизайна изделий из древесины доктор технических наук профессор Руслан Сафин из Казанского национального исследовательского технологического университета разрабатывает перспективную технологию термического модифицирования целлюлозосодержащих волокнистых веществ. Это нужно для создания композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Как он это делает и каких успехов достиг? Наш корреспондент задал молодому ученому несколько вопросов.
— Мы исследуем самое разное целлюлозосодержащее сырье растительного происхождения, — объясняет Руслан Сафин. — Это низкокачественная древесина, отходы деревообрабатывающих и сельскохозяйственных производств. Почему занимаемся такими материалами? Этого требует экологическая ситуация. Во многих центральных регионах России остро стоит проблема старения леса. Мягколиственные породы не представляют коммерческого интереса, поэтому лесозаготовки убыточные. В Республике Татарстан общий объем подлежащих вырубке пород древесины достигает 1 миллиона 500 тысяч кубических метров, из них твердолиственных — всего 125 тысяч кубических метров, хвойных — 65 тысяч, а остальное — мягколиственные. Поэтому вопрос эффективного коммерческого использования последних — серьезная государственная задача.
Не меньшую проблему создают сельскохозяйственные отходы растительного происхождения. Это дешевое, доступное и легкое в обработке сырье. Но оно имеет недостатки. Например, древесный наполнитель в процессе создания композиционного материала и при дальнейшей эксплуатации конструкций на его основе попеременно усыхает и набухает (в зависимости от атмосферных условий), изменяет форму и размеры. Все это приводит к внутренним напряжениям, деструкции контактных зон и снижает прочность структуры композита.
При создании строительных материалов, скажем, из древесно-полимерных композиций их нагревают до 120-160 градусов. Это приводит к частичной газификации древесного наполнителя. В результате в материале образуются микропоры, которые снижают его эксплуатационные свойства: появляются микротрещины, уменьшается прочность, ухудшается внешний вид.
— Что вы предлагаете для решения этих проблем?
— Есть разные методы обработки биомассы, которые уменьшают основные недостатки целлюлозосодержащих волокнистых наполнителей и увеличивают прочность композитов. Например, для снижения объемно-влажностных деформаций и развития давления набухания древесный наполнитель подвергается механическому размолу. Полученная древесная мука используется для термопластичных древесно-полимерных композиций.
Но технологический процесс получения древесной муки энергозатратный и к тому же не решает полностью проблему давления набухания биомассы в композитах. Для уменьшения отрицательного влияния водорастворимых веществ на прочность композиций используют технологические приемы, суть которых в частичном удалении этих веществ из наполнителя, переводе простейших cахаров в нерастворимые или безвредные для связующего соединения. Это в большинстве своем сложные технологические процессы, с многоступенчатой обработкой наполнителя различными химикатами, с последующим кипячением или промывкой.
Если применять нашу технологию термического модифицирования растительного сырья, то гемицеллюлоза (это один из трех основных компонентов растительного сырья, наиболее подверженный структурным изменениям под действием природных факторов) разлагается на реактивные молекулы меньшего размера. Это позволяет снизить гигроскопичность, а значит, и давление набухания. Кроме того, предотвращается газификация наполнителя при создании древесно-полимерных композиций. Снижается отрицательное влияние водорастворимых веществ на минеральные вяжущие вещества. Повышается биостойкость самого наполнителя, что позволяет сохранять внешний вид изделия при эксплуатации.
Эта технология может быть использована для создания различных материалов: начиная с композиций на минеральном вяжущем и заканчивая полимерными связующими. К слову, исследовать то, как предварительная термическая обработка целлюлозосодержащего волокнистого наполнителя влияет на свойства композиционных материалов, ученые активно начали в последние пять-шесть лет. Особенно это направление развито в США и Европе. Но зарубежные исследования, в основном, касаются обработки древесного наполнителя. Наши коллеги не занимаются другими видами растительного целлюлозосодержащего сырья, например отходами сельскохозяйственных производств.
— Давайте перейдем к вашим исследованиям.
— Мы разрабатываем технологию создания композиционных материалов на основе термически модифицированного сырья. Первый этап — это исследование самого процесса и анализ физико-химических свойств биомассы, подвергнутой термической обработке. Процесс термомодифицирования проводится при температуре 180-240 градусов, без доступа кислорода. Чтобы убрать этот газ, мы используем вакуумно-кондуктивный способ и метод обработки биомассы в условиях инертных газов. Наиболее экономичный вариант основан на использовании тепла топочных газов, образующихся при сжигании отходов деревообработки в газификаторах.
Мы приступили к следующему этапу работы — исследованию свойств композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированного растительного сырья, а также разработке новых составов, необходимых для решения конкретных задач. Например, в свете обсуждения законопроекта о запрете продажи и использования пластиковых упаковочных материалов в особо охраняемых зонах России (районы Байкала и Сочи) актуальна разработка биодеградируемых композитов с регулируемым временем разложения. Этого можно добиться, в частности, различной степенью термической обработки древесного наполнителя.
В первую очередь мы занимаемся повышением качества композиционных материалов для строительства. Для этого исследуем поведение модифицированного наполнителя в композитах как на минеральных вяжущих (арболит, цементно-стружечные плиты, фибролит), так и на материалах с полимерными связующими на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полиуретана.
Мы стараемся охватить весь спектр использующихся в строительстве материалов: от несущих, теплоизоляционных до отделочных. Это, кстати, полностью согласуется с Приказом Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 13 июля 2016 года “Об утверждении плана мероприятий по импортозамещению в промышленности строительных материалов (изделий) и строительных конструкций Российской Федерации”. Мы также занимаемся смежными областями, где могут широко использоваться композиты, в частности упаковочной продукцией.
— У вас уже есть готовые технологии?
— Мы разработали полный технологический цикл термического модифицирования растительного сырья, включающий стадии предварительной сушки и термической обработки. Нашли принципиально новые технические решения, способствующие ускорению технологического процесса при одновременном снижении энергетических затрат. Проанализировали свойства термически обработанной биомассы. Например, установили, что наш метод позволяет повысить морозостойкость арболита.
По результатам первого этапа исследований подали три заявки на патент на изобретение, опубликовали 16 статей в журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus. Кроме того, в процессе исследований предложили интересные технические и технологические решения для смежных областей промышленности, в частности, для производства биотоплив. Установили, что при газификации прошедшей предварительную термическую обработку биомассы в составе синтез-газа увеличивается содержание водорода и оксида углерода. Это повышает эффективность производства жидких синтетических углеводородов (масел и топлив) реакцией Фишера — Тропша.
В дальнейшем планируем расширить спектр наших научных интересов и кроме композиционных материалов начать исследования для получения ценных химических продуктов из термически модифицированной растительной биомассы.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено Р.Сафиным
Нет комментариев