Технология древесностружечных плит с использованием модифицированной подсолнечной лузги тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Замазий Леонид Витальевич

• Замазий Леонид Витальевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Замазий Леонид Витальевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Подсолнечная лузга и методология подхода к созданию плитного материала с использованием плодовых оболочек подсолнечника

1.1. Подсолнечная лузга

1.2. Плодовая оболочка подсолнечника - анатомическое строение

1.3. Химический состав подсолнечной лузги

1.4. Основные направления использования плодовых оболочек лузги подсолнечника

1.5. Композиционные плитные материалы и их структура

1.6. Особенности смачивания поверхности подсолнечной лузги стандартными связующими

1.7. Целесообразность применения подсолнечной лузги

1.8. Выводы по главе

Глава 2. Методики исследования

2.1. Сырьё и материалы

2.2. Используемые методики

2.2.1. Методика определение фракционного состава оболочек семян подсолнечника

2.2.2. Методика определение размеров частиц подсолнечной лузги

2.2.3. Методика определение влажности наполнителя

2.2.4. Методика определение насыпной плотности подсолнечной лузги

2.2.5. Методика определение краевых углов смачивания подсолнечной лузги и берёзовой стружки как субстратов

2.2.6. Методика определение температурных переходов подсолнечной лузги

2.2.7. Методика определение температуры тепловых эффектов и потери массы при нагревании подсолнечной лузги

2.2.8. Методика определения степени осмоления субстрата

2.2.9. Методика определения прочности модельных клеевых соединений

2.2.10. Методика изготовления стружечных плит с использованием подсолнечной лузги

2.2.11. Определение температуры в различных точках ковра при прессовании плиты

2.2.12. Методики оценки свойств плитных композиционных материалов типа

ДСП на основе подсолнечной лузги

2.3. Математическая обработка результатов эксперимента

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Исследование возможности замещения древесных частиц в стружечных плитах подсолнечной лузгой

3.1. Особенности формы и размера частиц подсолнечной лузги. Необходимость модифицирования

3.1. Определение смачивания поверхностей подсолнечной лузги стандартными связующими

3.2. Вероятностный анализ клеевых соединений в плитах из подсолнечной лузги

3.3. Термический анализ подсолнечной лузги

3.4. Влияние температуры прессования на физико-механические свойства плит из подсолнечной лузги

3.5. Зависимость физико-механических свойств плит из лузги от их плотности

3.5.1. Предел прочности на отрыв

3.5.2. Предел прочности при изгибе

3.5.3. Разбухание плит по толщине

3.5.4. Водопоглощение плит

3.6. Выводы по главе

Глава 4. Исследование возможности частичного замещения древесных частиц в стружечных плитах модифицированной подсолнечной лузгой

4.1. Определение особенностей теплопередачи при горячем прессовании

4.2. Зависимость прочности стружечных плит от доли модифицированной подсолнечной лузги

4.3. Поведение стружечных плит различного состава по отношению к воде

4.4. Выводы по главе

Глава 5. Определение рецептуры изготовления однослойных древесно-лузговых плит

5.1. Выбор варьируемых факторов

5.2. Планирование эксперимента

5.3. Оценка однородности дисперсий и расчет коэффициентов уравнений регрессии

5.4. Оценка адекватности математических моделей

5.5. Перевод уравнений регрессии из кодированного обозначения переменных в натуральное

5.6. Подбор технологических параметров

5.7. Основные графические зависимости

5.8. Выводы по главе

Глава 6. Технико-экономическое обоснование производства стружечных плит с использованием модифицированной подсолнечной лузги

6.1. Технология производства древесностружечных плит с использованием модифицированной подсолнечной лузги

6.2. Пооперационный расчет сырья и материалов

6.3. Выводы по главе

Глава 7. Оценка экономической эффективности технологии изготовления стружечных плит с использованием модифицированной подсолнечной лузги

7.1. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология древесностружечных плит с использованием модифицированной подсолнечной лузги»

ВВЕДЕНИЕ

Сельское хозяйство играет ключевую роль в экономике и социальном развитии России. Оно не только снабжает население продуктами питания, но и создаёт рабочие места, а также поддерживает инфраструктуру в сельских районах. В России существует большое разнообразие видов деятельности, хозяйственных культур и направлений в производстве в рамках сельскохозяйственного сектора. В стране выращивают зерновые культуры, такие как пшеница, рожь, ячмень, овёс, а также технические культуры, включая подсолнечник, рапс и другие.

Сырьём для производства композиционных плитных материалов могут служить растительные отходы некоторых производств, которые в настоящее время не используются и нередко требуют значительных затрат для своего уничтожения. К таким растительным отходам можно отнести солому, стебли хлопчатника, льняную костру, рисовую шелуху и лузгу подсолнечника. При использовании этих отходов для производства плит можно ожидать экономического эффекта из-за снижения стоимости изготовления плит за счёт удешевления сырья.

Переработка семян подсолнечника помимо производства растительного масла, как основного и самого ценного продукта, даёт и другие, побочные виды продукции: шрот, жмых и подсолнечную лузгу. В семенах подсолнечника содержится 50...55 % жира, более 16 % белка по данным [64], и, следовательно, подсолнечную лузгу можно использовать в качестве питательной кормовой добавки для кормов животных.

В связи с тем, что в состав Российской Федерации вошли новые субъекты -Донецкая и Луганская народные республики (ДНР и ЛНР), а также Запорожская и Херсонская области, необходимо не только восстанавливать эти территории, но и развивать их, создавая новые производства. Поскольку в этих регионах возделыва-ется подсолнечник, согласно данным Министерства агропромышленного комплекса и продовольственной политики Херсонской области, в 2023 урожайном году собрано 473,6 тыс. т подсолнечника, новые производства следует базировать именно на местном сырье.

В результате проведения СВО (специальной военной операции), дома мирных граждан, находящиеся вблизи военных действий подвержены частичному или полному разрушению, соответственно для этого требуются различные строительные материалы, в частности композиционные плитные материалы для внутренней отделки, такие как ДСП (древесностружечная плита), ОСП (плита древесная с ориентированной стружкой) и другие.

По данным [71] за 2023 г. из 674 тыс. частных домов на территориях новых регионов РФ (Российской Федерации) разрушено полностью почти 13 тыс. и почти 78 тыс. повреждены на 30 %. Хозяевам выплачиваются компенсации для восстановления домов, но поскольку стройматериалы в этих регионах приобрести проблематично, их доставляют из других регионов нашей страны.

Подсолнечная лузга может стать альтернативой древесине и использоваться для создания композиционных плитных материалов, производимых по технологии ДСП с необходимой доработкой технологии производства под отличительные особенности лузги. Такие материалы могут использоваться в индивидуальном малоэтажном домостроении для внутренней отделки.

Для обоснования рекомендации технических и технологических мероприятий по производству стружечных плит с использованием подсолнечной лузги необходим научный подход к проблеме смачивания поверхности подсолнечной лузги стандартными связующими используемыми в технологии ДСП, а также приданию более правильной формы частичек лузги для большего их прилегания в процессе горячего прессования композиционного материала.

Актуальность темы исследования. В связи с накоплением побочного продукта - подсолнечной лузги ее использование становится актуальным. Одним из рациональных путей утилизации подсолнечной лузги с одновременным получением технико-экономического эффекта является изыскание возможности включения лузги в состав строительных материалов. В частности, на её основе может быть изготовлен композиционный плитный материал по типу ДСП с физико-механическими свойствами, характерными как минимум их низким маркам. Это откроет перспективу улучшения экологической обстановки с одновременным

использованием их в различных отраслях промышленности, главным образом в строительстве, в частности, в индивидуальном малоэтажном домостроении особенно для южных безлесных районов нашей страны.

Степень разработанности темы исследования. Возможности использования подсолнечной лузги в качестве структурообразующего компонента стружечных плит исследовали С.С. Глазков, Е.Н. Левыкин, Е.В. Снычева, А.А. Филонов. В основном авторы пришли к выводу, что композиционный плитный материал по технологии стружечных плит изготовить возможно, но по своим физико-механическим свойствам он хуже и нуждается в доработке.

Цель работы. Разработка технологии утилизации подсолнечной лузги с созданием конкурентноспособного материала, предназначенного к использованию для частичного замещения ДСП в строительстве.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи, отражающие логику данного исследования:

1. Изучить условия образования плитного материала по типу ДСП из плодовых оболочек подсолнечника.

2. На основе особенностей поведения частичек подсолнечной лузги в процессе получения плитного материала определить достаточность или недостаточность возможности для изготовления плит, соответствующих требованиям ДСП низких марок.

3. Изучить и при необходимости модифицировать физико-химические и термические свойства лузги как основу для получения целевого материала.

4. При недостаточной пригодности подсолнечной лузги рассмотреть частичное ее использование как определяемого экономическими и экологическими условиями.

5. Разработать технологию изготовления плитного материала с определением технологических параметров, с учетом особенностей подсолнечной лузги.

6. Изучить свойства создаваемого материала и эффективность его использования на основании технико-экономической оценки.

Научная новизна. Раскрытые условия модифицирования частичек подсолнечной лузги для пригодности их в качестве структурных элементов плитных материалов. На основании функциональных возможностей структурных компонентов древесно-лузговых плит выдвинута концепция скелетной функции древесных частиц и тепло-физических свойств подсолнечной лузги.

Теоретическая значимость работы. Отмеченные научные функции открывают возможность теоретического обоснования создания других подобных многокомпонентных материалов на основе одно- и двухлетних растений экологически значимых и экономически доступных.

Практическая значимость работы. Для малолесистых районов, занятых переработкой подсолнечника, годовой объемы образующейся лузги составляет 5.. .6 млн. т. Открывается возможность обеспечить местным сырьем создание материала пригодного для использования в индивидуальном малоэтажном домостроении. Косвенное практическое значение имеет также эффективная утилизация побочного продукта при получении подсолнечного масла - подсолнечной лузги.

Методология и методы исследования. Проводили изучение статической прочности и эксплуатационных характеристик исследуемого материала на основе широкой области переменных параметров, включая многофакторный эксперимент. Технологические задачи решались с применением графических и вычислительных программ. Проверка теоретических предпосылок и расчетов осуществлялась экспериментально в лабораторных условиях по принятым методикам и планам экспериментов.

Положения, выносимые на защиту. Условия образования и технология изготовления древесно-лузговых материалов, отвечающих требованиям прочности и водостойкости, для использования в индивидуальном малоэтажном домостроении.

Указанные положения включают:

1. Особенности поведения исходной лузги в процессе плитообразования.

2. Модифицирование исходной подсолнечной лузги для соответствия условиям, предъявляемым к структурным элементам древесностружечных плит.

3. Обоснованную структуру композиционного материала из древесных частиц и подсолнечной лузги с использованием в качестве связующего между ними наиболее дешевого и широкодоступного карбамидоформальдегидного связующего.

4. Параметры технологического процесса производства композиционного материала с использованием модифицированной подсолнечной лузги.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов основывается на применении необходимых методов исследования и статистической обработке результатов эксперимента при доверительной вероятности P = 0,95. Математическую обработку проводили с использованием прикладных программ «Excel». Адекватность полученных зависимостей подтверждали с помощью критериев Сть-юдента и Фишера.

Апробация результатов:

- IX Всероссийская научно-техническая конференция «Леса России: политика, промышленность, наука, образование» (Санкт-Петербург, 22-24 мая 2024 г). -СПб.: СПбГЛТУ им. С.М. Кирова.

- XXVIII Всероссийская научно-практическая конференция «древесные плиты и фанера. Теория и практика» (Санкт-Петербург, 12-13 марта 2025 г). - СПб.: СПбГЛТУ им. С. М. Кирова.

Публикации по работе. По результатам исследований опубликовано 7 работ, включая 2 статьи в журналах, входящих в перечень утвержденный ВАК РФ.

Глава 1. Подсолнечная лузга и методология подхода к созданию плитного материала с использованием плодовых оболочек подсолнечника

1.1. Подсолнечная лузга

Масличные культуры - это важные сельскохозяйственные растения, возделываемые для получения растительных жиров (масел), которые накапливаются преимущественно в семенах, плодах или других органах. Такие культуры служат сырьём для пищевой, технической, кормовой и биоэнергетической промышленности. Отходы, получаемые в процессе производства масла, являются ценным ресурсом с широким спектром применения. Без них невозможно представить современное интенсивное животноводство. Масличные культуры сильно отличаются друг от друга условиями произрастания и распространённостью, содержанием масла и практической ценностью.

Объём сбора масличного сырья с 2012 по 2023 (оценочный) г. в ЕАЭС (Евразийском экономическом союзе) приведен на (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Производство семян масличных культур в ЕАЭС в 2012-2023 г., млн. т

Подсолнечник остаётся основной масличной культурой в Евразийском экономическом союзе. На долю подсолнечника приходится 56 % от общего объёма производства семян масличных культур (рис 1.2).

Рис. 1.2. Структура производства семян масличных культур в ЕАЭС в 2023

урожайном году, %

Производство подсолнечника в мире постоянно растёт. Согласно данным Росстата на 01.10.2023 г., на территории России было собранно 71167,4 тыс. центнеров семян подсолнечника (в первоначальной оприходованной массе). Основными районами возделывания подсолнечника на территории РФ являются: Саратовская, Ростовская области, Краснодарский и Ставропольский края.

Аналитический центр «Ruseed» предоставляет ежегодный аналитический отчёт по рынку масличных культур, статистика отображена в табл. 1.1 (данные без учёта статистической информации по ДНР И ЛНР) показывают некий спад в валовом сборе семян подсолнечника за 2024 урожайный год. Несмотря на это, прогнозируется существенный рост сбора до 18,5 млн. т, при сокращении посевных площадей под подсолнечник до 9,6 млн. га.

Таблица 1.1 - Динамика производства, посевные площади и средняя стоимость подсолнечника в РФ

Год Валовый сбор Посевные площади под- Стоимость, тыс.

подсолнечника, солнечника, млн. га руб./т

млн. т

2020 13,3 8,5 35,8

2021 15,7 9,8 35,9

2022 16,4 10,0 22,2

2023 16,7 9,8 23,5

2024 14,9 9,8 38,3

2025 18,5 9,6 35,0

(прогноз)

С 2022 года в состав Российской Федерации вошли новые субъекты - ДНР, ЛНР, а также Запорожская и Херсонская области. Климат этих регионов отлично подходит для возделывания подсолнечника и согласно данным Министерства агропромышленного комплекса Херсонской области в 2023 урожайном году собрано 473,6 тыс. тонн подсолнечника.

Для этих регионов особенно важен вопрос о возможности использования лузги для производства плит вместо ввозимой древесины. Заменой древесных частиц лузгой можно сократить расход древесины и снизить себестоимость 1 м3 плиты.

Преимуществом подсолнечной лузги перед другими видами растительных отходов является её сосредоточение на предприятиях в больших количествах, что позволит организовать производство плит непосредственно на маслоэкстракцион-ных предприятиях.

При производстве подсолнечного масла из семян подсолнечника в результате операции «лущения» - механического отделения внешней плодовой оболочки от ядра (семени) «балластный» отход, составляющий 35.45 % от массы семян (в зависимости от сортовых особенностей подсолнечника и места произрастания) [32]. Следовательно, из 1 тонны семян образуется 350.450 кг подсолнечной лузги.

Статистических ежегодных данных касательно общего образования плодовых оболочек мы найти не смогли, но если учесть, что валовый сбор составил 14,9 млн. т, а из 1 тонны семян, как написано выше, получается около 400 кг лузги, то в среднем должно образовываться около 5,96 млн. т.

Утилизация отходов масложировой промышленности осуществляется посредством двух методологических подходов: уничтожением (деструкцией) или захоронением, а также вторичной переработкой. К первому варианту прибегают в случаях, когда побочные продукты технологических процессов не обладают потенциалом для трансформации во вторичные материальные ресурсы. Однако, как подчёркивают Гринин и Новиков [19], приоритетной стратегией в системе обращения с отходами промышленного и агропромышленного комплексов должна выступать глубокая переработка с последующей реинтеграцией полученных продуктов в

производственный цикл. Такой подход соответствует принципам циркулярной экономики и минимизирует потенциальный экологический ущерб.

Производители масложировой продукции несут дополнительные финансовые затраты, связанные с хранением, обеспечением безопасности, транспортировкой и размещением подсолнечной лузги в отвалах. Кроме того, в соответствии с действующим законодательством, предприятия обязаны осуществлять установленные отчисления за образование производственных отходов. Вследствие этого вторичный сырьевой ресурс, такой как подсолнечная лузга, не используется рационально, что приводит к неэффективной утилизации и потерям экономической и экологической выгоды. В лучшем случае, если предприятия найдут потребителя данного вида вторичного сырья, то они смогут его реализовать по цене 50...100 рублей/т [77-79]. Если же говорить о промышленном потреблении, то производители масла готовы отдавать подсолнечную лузгу бесплатно, при условии её своевременного самовывоза. В связи с тем, что насыпная плотность лузги очень низкая и составляет всего лишь 100 кг/м3 [24], её транспортировка привнесёт дополнительные затраты, поэтому целесообразно организовывать переработку на мощностях действующих предприятий масложировой отрасли или же как можно ближе к ним.

1.2. Плодовая оболочка подсолнечника - анатомическое строение

Подсолнечник (НеНапШш аппиш L.) - однолетняя короткосезонная культура, относящаяся к семейству астровых (Asteraceae). В мире известно более 70 видов этого растения. Подсолнечник прекрасно растёт в умеренном климате. Средний показатель содержания масла в подсолнечнике составляет 40.50 %, однако фактические значения могут сильно варьироваться в зависимости от условий выращивания, времени сбора урожая и используемых сортов.

В нашей стране наиболее распространён один вид подсолнечника (Helianthusannus Wenze), который подразделяется на три группы: масличный, грыз-ковой и межеумок. Отличительные особенности плодов подсолнечника различных сортов приведены на рис. 1.3.

§

Рис. 1.3. Плоды подсолнечника целые и в разрезе: масличного (а), межеумка (б) и грызкового (в)

Для производства подсолнечного масла используют масличный сорт, который даёт значительно больший выход масла, чем сорта грызкового подсолнечника и межеумка. Масличный подсолнечник - относительно невысокое растение, часто ветвящееся, с мелкими корзинками диаметром 15.20 см. Образует мелкие короткие семянки с тонкими оболочками, плотно охватывающими ядро. Лузжистость сортов данной группы, как правило, ниже 50 %.

В большинстве научных работ основное внимание уделяется изучению биохимических и технологических характеристик ядра (семени). Однако исследование плодовой оболочки не так широко распространено среди исследователей.

Оболочка подсолнечных семян выполняет роль механической и биологической защиты ядра от температурных воздействий, механических повреждений, воздействия микроорганизмов. Это твёрдое деревянистое образование, состоящее из нескольких тканей (рис. 1. 4. ), поверхностной тканью является эпидермис с кутини-зированным слоем [36]. Эпидермис представляет собой ряды плотно сомкнутых клеток, оболочки которых состоят в основном из целлюлозы. Наружные стенки эпидермиса кутинизированны [35]. Кутины содержат в своём составе высокомолекулярные, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты и оксикислоты, а также их эфиры со спиртами (воски). Кутины почти непроницаемы для воды и

растворённых в ней веществ. Кутины делают поверхность органов несмачиваемой - с них быстро стекает вода, чем предупреждается капилярное закупоривание водой устьиц.

Плодовая оболочка состоит из нескольких слоёв различных клеток. Первичной покровной тканью плодовой оболочки является эпидермис. Под эпидермисом располагается гиподерма - бесцветная ткань, состоящая из клеток, лишённых содержимого. Клетки гиподермы и расположенного под ней волокнистого слоя образуют пористую ткань.

Фитомелановый слой - чёрная ткань образует панцирный слой, который залегает между пробковой тканью и склеренхимой. Он защищает зародыш семени от повреждения насекомыми. При рассмотрении среза подсолнечной лузги фитомела-новый слой находится в виде сплошного бесструктурного слоя с острыми выступами, которые вдавлены в прилегающие ткани - гиподерму и межклетники волокнистого слоя [71].

Наиболее толстый слой плодовой оболочки представляет склеренхимная ткань, образованная толстостенными одревесневшими клетками. Клетки её имеют прозенхимную форму с веретеновидно-заострёнными концами с немногочисленными узкими простыми щелевидными порами в оболочке. Стенки клеток средней части этой ткани сильно лигнифицированы. Материал клеточных стенок склеренхимы обладает высокой прочностью и упругостью.

Склеренхима - выстилающая ткань, состоящая из одревесневших клеток, которые имеют оболочки с хорошо выраженными порами. Благодаря очень развитой активной поверхности склеренхима обладает высокой сорбционной способностью по отношению к различным газам и парам, а также к воде [52].

Между клетками с опробковевшими стенками и склеренхимной тканью находится панцирный слой, назначение которого предохранять семянку от поражения насекомыми. Он состоит из отложений минеральных веществ.

Клетки в паренхимных рядах тонкостенные, они имеют невысокую механическую прочность.

Рис. 1.4. Поперечный срез плодовой оболочки подсолнечника 1 - эпидермис; 2 - гиподерма; 3 - фитомелановый слой; 4 - склеренхима;

5 - паренхимные ряды; 6 - тонкостенная паренхима

На микрофотографии (рис. 1.5) показана сотовая текстура оболочки, которая построена из плотно упакованных полых ячеек размером до 30 мкм [32]. Клеточная стенка оболочки подсолнечника в основном состоит из целлюлозы, гемицеллю-лозы и лигнина.

Микрофибриллы целлюлозы встроены в матрицу, обычно состоящую из ге-мицеллюлоз и лигнина, причем последний является основным вяжущим материалом в клеточной стенке. Так как лигнин - это инкрустирующее вещество, растительные клетки с сильно одревесневшими стенками увеличивают прочность и твердость ячеистой структуры лузги. На микрофотографии с наибольшим (х 1500) увеличением хорошо видно, что стенка средней клетки очень тонкая (2-3 мкм) и имеет большое количество небольших отверстий (всего 1-2 мкм в диаметре) [81].

Подсолнечная лузга, как и все созданные природой покровные ткани семян растений, выполняют их основную роль - защитную. Плодовая оболочка предохраняет ядрышко от механических повреждений и влияния негативных факторов внешней среды, регулирует газообмен и поступление/отдачу влаги.

Рис.1.5. Поперечный (а) и продольный (б) разрез плодовой оболочки

подсолнечника

1.3. Химический состав подсолнечной лузги

Лузга подсолнечника, также называемая шелухой, является богатым источником лигноцеллюлозы, которая представляет собой комбинацию целлюлозы, ге-мицеллюлоз и лигнина. Целлюлоза является основным компонентом шелухи и составляет 25 .40 % [4, 48, 75]. Целлюлоза - это сложный углевод, который обеспечивает структурную поддержку клеточной стенки растений. Гемицеллюлоз присутствует в значительном количестве, около 20.35 % [21, 25, 48]. Гемицеллюлозы - это еще один тип углеводов, который помогает связывать целлюлозу с лигнином. Лигнин представляет собой сложный органический полимер, который действует как клей, скрепляя компоненты клеточной стенки. Содержание лигнина в лузге подсолнечника составляет от 20.35 % [68]. Содержание экстрактивных веществ в лузге подсолнечника около 7.8 % [49].

Целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин являются основными составляющими плодовых оболочек подсолнечника. Углеводная фракция состоит по большей части из целлюлозы и сахаров, в основном, пентоз.

Согласно трудам [36] содержание липидной части в плодовых оболочках (лузге) подсолнечника составляет 7.8 % (растворимых в диэтиловом эфире).

Основную часть липидов плодовой оболочки подсолнечника (около 60 %) составляют так называемые «воскоподобные» вещества, остальная часть липидов - это приблизительно 35 %, свободные жирные кислоты и 5 % углеводороды [58]. В данной работе экстракция проводилась в течение 180 мин жидким диоксидом углерода под давлением 6,8 МПа и температуре 22 °С.

Наличие воскового покрова на поверхности частиц лузги с одной стороны, препятствует впитыванию связующего в поры частиц с другой стороны, ухудшает адгезию связующего к поверхности частиц подсолнечной лузги. Из этого можно сделать предположение, что увеличением расхода связующего при изготовлении плит из лузги будет оказывать меньшее влияние на прочностные показатели плит, чем при изготовлении плит из древесной стружки.

Химический состав варьируется в зависимости от сорта семян, используемых при производстве масла, а также от места произрастания подсолнечника. Подробное покомпонентное сравнение химического состава подсолнечной лузги и древесины представлено в табл. 1.2.

Таблица 1.2 - Химический состав растительных сельскохозяйственных отходов и древесины (хвойных/лиственных) пород

Компонент Древесина Подсолнечная Рисовая Костра

[3] Лузга Лузга Льна

Хвойная Лиственная [32, 48] [75] [62, 67]

Целлюлоза,% 45.50 40.45 25.40 30.36 35.45

Лигнин, % 27.28 18.22 20.30 19.24 25.30

Гемицеллю- 17.25 25.40 20.35 20.30 15.20

лозы, %

Экстрактивные 4.5 7.8 2.5 2.4

вещества, %

Из таблицы видны основные отличительные особенности, по которым можно сделать вывод относительно факторов, влияющих на качество будущего композиционного материала:

- содержание целлюлозы в подсолнечной лузге немного больше по сравнению с древесиной, что характеризует более высокую прочность и жесткость частицы лузги подсолнечника;

- содержание гемицеллюлоз в подсолнечной лузге меньше, гемицеллюлозы гигроскопичны, отсюда можно предположить, что водопоглощение композиционных материалов, состоящих из подсолнечной лузги, должно быть меньше, чем во-допоглощение стружечных плит из древесных частиц;

- воски, находящиеся на поверхности плодовых оболочек, снижают адгезию связующих и может потребоваться их предварительное удаление.

1.4. Основные направления использования плодовых оболочек лузги

подсолнечника

Ниже приведены ключевые направления утилизации и использования лузги, основанные на современных научных и технологических разработках. Данных касательно объема использования подсолнечной лузги в представленных ниже направлениях переработки найти не удалось, но поскольку подсолнечная лузга в настоящее время широко не используется и по большей части хранится в отвалах, то необходимо предложить новые способы ее эффективной переработки в целевую продукцию.

Сельское хозяйство

- Кормовые добавки: лузга применяется как источник грубых пищевых волокон в рационе жвачных животных. Существенным недостатком использования подсолнечной лузги в качестве подобной добавки является возможность язвенных заболеваний у животных. Это связанно с тем, что подсолнечная лузга плохо измельчается. Об этом говориться в учебном пособии [49].

- Удобрения и почвоулучшители: компостирование лузги с микробиологическими препаратами ускоряет гумификацию, обогащая почву органическим углеродом.

Энергетика

- Твёрдое биотопливо: лузга обладает высокой теплотворной способностью (16.19 МДж/кг) [20], сопоставимой с древесными пеллетами.

- Биогаз и биоэтанол: лигноцеллюлозная структура плодовой оболочки является субстратом для анаэробного сбраживания с получением биогаза или гидролиза с последующей ферментацией в биоэтанол.

Промышленность и материалы

- Целлюлозно-бумажная промышленность: подсолнечная лузга может служить альтернативным материалом для производства картона, упаковочных материалов и биоразлагаемой посуды [59]. Авторы делают вывод, что волокна, полученные из подсолнечной лузги, имеют меньшую длину относительно волокон из древесины. В соответствии с этим физико-механические показатели материалов, изготавливаемых из лузги подсолнечника, оказываются заведомо ниже по сравнению со стандартной бумагой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Замазий Леонид Витальевич, 2025 год

- 60 с.

76. Электронный ресурс: Восстанавливать частные дома на новых территориях будут через выплату компенсаций [Электронный ресурс] // Российская газета. -2023. - 12 мая. - URL: https://rg.ru/2023/05/12/vosstanavlivat-chastnye-doma-na-novyh-territoriiah-budut-cherez-vyplatu-kompensacij .html (дата обращения: 10.05.2025).

77. Электронный ресурс: Лузга подсолнечника [Электронный ресурс]. - URL: https://agroru.com/doska/luzga-podsolnechnika-besplatno-9691.htm (дата обращения: 10.05.2025).

78. Электронный ресурс: Лузга подсолнечника [Электронный ресурс]. - URL: https://agroserver.ru/b/luzga-podsolnechnika-1699042.htm (дата обращения: 10.05.2025).

79. Электронный ресурс: Лузга подсолнечника бесплатно [Электронный ресурс]. - URL: https://agroserver.ru/b/luzga-podsolnechnika-besplatno-1653939.htm (дата обращения 10.05.2025).

80. Ямансарова, Э.Т. Перспектива применения новых сорбционных материалов для улучшения экологического состояния водных ресурсов / Э.Т. Ямансорова [и

др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Экономика и экологический менеджмент». - 2015. - №. 1. - С. 265-270.

81. Haykiri-Acma, H. Effect of heating rate on the non-isothermal burning mechanism of sunflower seed shell / H. Haykiri-Acma, S. Yaman // Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research. - 2010. - Vol. 24, Is. 2. - P. 113-124.

82. Manickavasaham G. Experimental Investigation of Mechanical Properties of Epoxy/Sunflower Seed Husk Filler Reinforced Composites / G. Manickavasaham, P. Ba-laguru, N. Annamalai // International Journal of Vehicle Structures & Systems (IJVSS). - 2024. - Т. 16. - №. 1. P. 30.

83. Stanescu, M.M. A study of the mechanical properties in composite materials with a dammar based hybrid matrix and reinforcement from crushed shells of sunflower seeds / M.M. Stanescu, A.A. Bolcu //Polymers. - 2022. - Vol. 14, - No. 3. - P. 392.

84. Zeleniuc, O. Influence of adhesive type and content on the properties of parti-cleboard made from sunflower husks / O. Zeleniuc [et. al.] //BioResources. - 2019. -Vol. 14. - No. 3.

Приложение А

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по научной и международной деятельности ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотех-

университет имени С.М. Киро-

A.A. Добровольский

2025 г.

АКТ

опытной выработки композиционных плитных материалов типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечной лузгой

В марте 2025 года в лаборатории кафедры технологии древесных и целлюлозных композиционных материалов Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета изготовлены и испытаны две партии однослойных композиционных плитных материалов типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечной лузгой. Рецептуры разработаны аспирантом кафедры Замазий Л.В. и доктором технических наук, профессором Леоновичем A.A.

Образцы плит размером 400 х 400 х 10 мм изготавливали на опытной установке кафедры, предназначенной для изготовления древесностружечных плит. Всего изготовлено 4 плиты, по 2 плиты в каждой партии.

Расчётная плотность плит составляла 750 кг/м3. В качестве наполнителя использовали древесную (берёзовую) стружку и подсолнечную лузгу в (предварительно пропущенную через вальцы с расстоянием между валками 0,2 мм), соотношение лузга/стружка (наполнитель) в обеих рецептурах составляло 1:1. Перед о смолением лузгу и древесную стружку сушили в сушильном шкафу конвективного типа ШК-2М при температуре 80 °С до относительной влажности 2.. .4 %.

Связующее готовили из карбамидоформальдегидной смолы марки КФ-МТ-15 рабочей концентрацией 60 % и 20 %-го процентного раствора отвер-дителя (хлорида аммония). Массовая доля абс, сух. КФС в композиции составляла 12 и 15 % от массы абс. сух. наполнителя. Расход отвердителя составлял 1 % от массы абс. сух. смолы. Гидрофобную добавку не использовали.

Осмоление наполнителя проводили в барабанном смесителе путём пневматического распыления связующего. Формирование брикетов проводили вручную в лабораторной установке.

Горячее прессование плит проводили в прессе марки «АКЕ» типа НРА 500 х 500 х 1 * 160 х TON с дистанционными планками толщиной 10 мм. Температура прессования — 170 °С, удельное давление - 3,0 МПа, продолжи- « тельность - 0,5 мин/мм, толщины готовой плиты.

После горячего прессования плиты выдерживали при комнатных условиях в течение 3 сут, после чего подвергали физико-механическим испытаниям. Результаты испытаний представлены в таблице.

Определение прочности при статическом изгибе и модуля упругости при изгибе проводили по ГОСТ 10635-88 «Плиты древесностружечные. Методы определения предела прочности при изгибе», ГОСТ 10636—2018 «Плиты древесно-стружечные и древесно-волокнистые. Определение прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты, плотности, водопоглощения и разбухания по толщине в воде за 24 ч. проводили по ГОСТ 10634-88 «Плиты древесностружечные. Методы определения физических свойств».

Свойства композиционного плитного материала типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечной лузгой различного состава

Наименование показателя Значение показателя при расходе КФС, % Норма по ГОСТ 10632-2014 для марки Р-1

12 15

Толщина, мм 9,5 9,5 6...13

Плотность, кг/м3 739 761 550...820

Прочность при изгибе, МПа 16,1 18,6 не менее 10,5

Модуль упругости при изгибе, МПа 1830 2010 не нормируется

Прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты, МПа 0,15 0,16 не менее 0,28

Разбухание по толщине за 24 ч, % 43,7 31,1 не нормируется

Водопоглощение за 24 ч,% 93,2 70,3 не нормируется

Данные, приведённые в таблице, показывают, что при замещении 50 % стружки на предварительно модифицированную методом «уплощения» подсолнечную лузгу можно изготовить плитный композиционный материал типа ДСП. Данный вид плит по прочности при изгибе удовлетворяет требованиям ГОСТ 10632-2014 «Плиты древесно-стружечные. Технические условия» на плиты марки Р-1, но не соответствует требованиям по прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты.

Таким образом, полученный композиционный плитный материал типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечной лузгой должен рассматриваться как самостоятельный в отношении области приме-

УТВЕРЖДАЮ: Главный технолог ООО «Завод Невский Ламинат»

Л.И.

АКТ

испытаний композиционных плитных материалов типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечной лузгой

В лаборатории ООО «Завод Невский Ламинат» проведены испытания физико-механических свойств однослойных композиционных плитных материалов типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечной лузгой, изготовленных на кафедре технологии древесных и целлюлозных композиционных материалов Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова по рецептурам разработанным аспирантом кафедры Замазий Л.В. и профессором Леоновичем A.A.:

• рецептура № 1 - массовая доля связующего 12 мае. %;

• рецептура №2 - массовая доля связующего 15 мае, %.

Расчётная плотность плит - 750 кг/м3 в обоих рецептурах.В качестве наполнителя использовали древесную (берёзовую) стружку и подсолнечную лузгу (предварительно пропущенную через вальцы, с расстоянием между валками 0,2 мм), соотношение лузга/стружка (наполнитель) в обеих рецептурах составляло 1:1.

Связующее готовили из карбамидоформальдегидной смолы марки КФМТ-15 концентрацией 60 % и 20-ти процентного раствора отвердителя. В качестве отвердителя использовался хлорид аммония. Массовая доля КФС в композиции составляла 12 и 15 % от массы абс. сух. наполнителя. Массовая доля отвердителя составляла 1 % от массы абс. сух. смолы. Гидрофобную добавку не использовали.

Технологический режим прессования:

• температура греющих плит пресса - 170°С;

• давление прессования - 3,0 МПа;

• удельное время прессования - 0,5 мин/мм.

Определение прочности при статическом изгибе и модуля упругости проводили по ГОСТ 10635-88 «Плиты древесностружечные. Методы определения предела прочности при изгибе», прочности при растяжении перпендикулярно пласти плиты по ГОСТ 10636-2018 «Плиты древесно-

струженные и дрсвесно-волокнистые. Метод определения предела прочности при растяжении перпендикулярно к пласт л плиты», плотности, водопоглощения и разбухания по толщине в воде за 24 часа по ГОСТ 10634-88 «Пли гы древесностружечные. Методы определения физических свойств». Результаты испытаний приведены в таблице:

Таблица - свойства композиционного плитного материала типа ДСП с частичным замещением древесной стружки подсолнечном лузгой, с различными рецептурами

Наименование показатели Норма для плит толщиной от 6 до 13 мм по ГОСТ 10632-2014 «Плиты древесностружечные. Технические условия» Значение показателя

Рецептура №1 Рецептура №

Плотность, кг/м3 550-820 771 746

Предел прочности при изгибе, МПи 10,5 17,2 19,4

Модуль упругости при изгибе, М Па Не нормируется 2884 3190

Прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты, МП а 0,2 S 0,13 0,14

Разбухание по толщине Ja 24 часа, % 11е нормируется 43.4 26,0

Водопоглощенис ча 24 часа, % Не нормируется 86,9 64,6

Толщина, мм 6-13 9,5 9.5

Используемое оборудование:

• машина для испытания конструкционных материалов марки УТС III, зав, № 18, свидетельство о поверке С-СП/28-10-2024/381956146, срок действия поверки до 27.10.2025 г.;

• весы лабораторные электронные марки KERN 770-15,заа. „V^l 2506261, свидетельство о поверке С-СП/22-10-2024/380425458, срок действия поверки до 21.102025 г,:

• циркуляционный термостат марки LT-900 ,зав. fla LT-117;

• толщиномер индикаторный 0-30 мм ЦД 0,1 мм, зав,№ 8243880. Данные, приведённые в таблице, показывают, что испытанные образцы

плит не соответствуют требованиям ГОСТ 10632 на плиты марки Р-1, но показателю предел прочности при растяжении перпендикулярно к пласти плиты.

Начальник лаборатории ООО «Завод Невский Ламинат»

Заведующий кафедрой ТД и ЦКМ, д.т.н.

Научный руководитель проф. кафедры ТД и ЦКМ, д.т.н.

Аспирант кафедры ТД и ЦКМ

■ _ -

Д-

Блинова И В. Шелоумов А.В

Леонович A.A. Замазий Л. В