PL174283B1 - Sposób wytwarzania płyt z materiału zawierającego lignocelulozę - Google Patents

Abstract

1 . Sposób wytwarzania plyt z materialu zawierajacego lignoceluloze, w którym material rozdrabnia sie na czastki lub wlókna, suszy, skleja przed lub po suszeniu, formuje w mate i osta- tecznie suszy przez prasowanie na goraco w gotowe plyty, znamienny tym, ze przed suszeniem ligniny dodaje sie reagujace z lignina srodki sulfonujace, zwlaszcza Na2SO3 i NaHSO3, modyfi- kujac chemicznie lignine co najmniej w powierzchniowej warstwie czastek lub wlókien zwie- kszajac reaktywnosc klejenia przez wprowadzenie grup hydrofilowych, i obnizajac temperature mieknienia ligniny do temperatury nizszej od najnizszej temperatury wymaganej w plycie do utwardzenia kleju podczas prasowania na goraco. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania płyt z materiału zawierającego lignocelulozę w postaci cząstek lub włókien, to jest płyt wiórowych i płyt pilśniowych.

Płyty tego typu wytwarza się przez rozdrabnianie materiału zawierającego lignocelulozę na cząstki lub włókna. Rozwłókniony materiał następnie suszy się, skleja i formuje w matę. Sklejanie można prowadzić przed lub po suszeniu. Gotowąpłytę wytwarza się następnie, ostatecznie susząc matę przez prasowanie na gorąco w celu utwardzenia kleju tak, że powstaje gotowa płyta.

Przykładowymi płytami tego typu są płyty wiórowe i płyty MDF (płyty pilśniowe o średniej gęstości). Płyty wiórowe wytwarza się z materiału rozdrobnionego na grube cząstki, podczas gdy płyty pilśniowe wytwarza się z materiału rozdrobnionego przez rozwłóknianie, to znaczy na mniej lub bardziej eksponowane włókna.

Wytrzymałość płyty jest określona przez wzajemne związanie cząstek lub włókien. Wytrzymałość sklejanych płyt formowanych na sucho jest określona przez dodatek kleju, gdyż utwardzony klej wiąże razem cząstki lub włókna.

W procesie wytwarzania płyt klejonych jako środek wiążący na ogół stosuje się klej mocznikowo-formaldehydowy, zmieszany z rozdrobnionym materiałem. Zawartość kleju może dochodzić do 6% lub więcej. Klej jest stosunkowo drogi i dlatego pożądane jest zmniejszenie ilo174 283 ści dodawanego kleju.' Zmniejszenie ilości kleju pogarsza jednak wytrzymałość gotowej płyty.

Dlatego też należy zoptymalizować ilość dodawanego kleju.

Wynalazek umożliwia poprawę wytrzymałości wyżej wymienionych rodzajów płyt. Alternatywnie, ilość dodawanego kleju można zmniejszyć, utrzymując wytrzymałość płyty.

Sposób wytwarzania płyt z materiału zawierającego lignocelulozę, w którym materiał rozdrabnia się na cząstki lub włókna, suszy, skleja przed lub po suszeniu, formuje w matę i ostatecznie suszy przez prasowanie na gorąco w gotowe płyty, charakteryzuje się tym, że przed suszeniem ligniny dodaje się reagujące z ligniną środki sulfonujące, zwłaszcza Na2SO₃ i NaHSO₃, modyfikując chemicznie ligninę co najmniej w powierzchniowej warstwie cząstek lub włókien zwiększając reaktywność klejenia przez wprowadzenie grup hydrofilowych, i obniżając temperaturę mięknienia ligniny do temperatury niższej od najniższej temperatury wymaganej w płycie do utwardzenia kleju podczas prasowania na gorąco.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że temperaturę mięknienia ligniny w warstwie powierzchniowej cząstek lub włókien o grubości 1 pm korzystnie obniża się o co najmniej 10°C. W sposobie według wynalazku ligninę sulfonuje się tak, aby uzyskać rozkład siarki w całym przekroju poprzecznym cząstek lub włókien.

Korzystnie ligninę sulfonuje się tak, aby zawartość siarki w warstwie powierzchniowej o grubości 2 pm była co najmniej o 50% większa niż średnia zawartość siarki w pozostałej części cząstek lub włókien. Sulfonowanie ligniny prowadzi się przez dodawanie chemikaliów zawierających siarkę w ilości maksymalnie 13 kg/tonę, a korzystnie maksymalnie 6 kg/tonę materiału zawierającego lignocelulozę.

W sposobie według wynalazku modyfikację chemiczną ligniny korzystnie prowadzi się przez obróbkę ozonem.

W sposobie według wynalazku chemikalia dodaje się po ostatecznym rozdrobnieniu materiału, korzystnie przed lub podczas rozdrabniania.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że prowadzi się rozdrabnianie obejmujące rozwłóknianie materiału w jednym lub kilku etapach.

Wynalazek opisano niżej bardziej szczegółowo w odniesieniu do jego pewnych postaci.

Podczas wytwarzania płyt pilśniowych metodą suchą, wychodząc z surowca w postaci zrębków, zrębki te rozdrabnia się przez rozwłóknianie w urządzeniu do rozwłókniania w jednym lub więcej etapach. Po rozdrobnieniu prowadzi się klejenie, suszenie, formowanie i prasowanie na gorąco. Alternatywnie, suszenie prowadzi się przed klejeniem. W trakcie prasowania na gorąco, dla układów klejących opartych na klejach mocznikowo-formaldehydowych, usiłuje się osiągnąć temperaturę 100-115°C w środku płyty.

W sposobie tym, chemikalia reagujące z ligniną dodaje się do materiału przed prasowaniem na gorąco. Obróbka chemiczna, np. sulfonowanie, modyfikuje ligninę pod względem chemicznym tak, że osiąga się zwiększenie reaktywności klejenia dzięki wprowadzeniu grup hydrofilowych. Jednocześnie ulega także obniżeniu temperatura mięknienia ligniny. Jako takie przykładowe, dobrze znane chemikalia, można wymienić Na₂SO3 i NaHSO3. Chemikalia można dodać po końcowym rozwłóknieniu materiału, podczas rozwłókniania lub przed rozwłóknianiem. Właściwe może być dodawanie chemikaliów w bezpośrednim połączeniu z rozwłóknianiem w młynie tarczowym, na przykład na wlocie, w środku lub dalej na obrzeżu tarczy. Podczas rozwłókniania w dwóch lub większej liczbie etapów, chemikalia powinno dodawać się niezwłocznie przed lub w trakcie drugiego lub ostatniego etapu rozwłókniania. Inne punkty dozowania chemikaliów mogą znajdować się w przewodzie wdmuchiwania za młynem, w połączeniu z suszeniem lub w miejscu wstępnego podgrzewania przed rozwłóknianiem.

Podczas wytwarzania płyt wiórowych, surowiec w postaci zrębków rozdrabnia się na cząstki. Cząstki suszy się, skleja i formuje we wstęgę, którąprasuje się na gorąco do postaci gotowej płyty. Jak i w przypadku wytwarzania płyt pilśniowych, zwykle stosuje się kleje utwardzalne oparte na żywicach mocznikowo-formaldehydowych. Dodaje się także chemikalia reagujące z ligniną, w tym przypadku przed prasowaniem na gorąco. Obróbka chemiczna ma ten sam cel i może być taka sama jak w przypadku wytwarzania płyt pilśniowych. Chemikalia można doda4

174 283 wać po końcowym rozdrobnieniu materiału, podczas lub przed rozdrabnianiem, korzystnie, tuż przed rozdrabnianiem, tak więc reakcja chemiczna w ligninie zachodzi podczas rozdrabniania i następującego suszenia.

Jak stwierdzono wyżej, obróbka chemikaliami, korzystnie sulfonowanie, ma na celu chemicznąmodyfikację ligniny co najmniej w warstwie powierzchniowej cząstek lub włókien, częściowo przez wprowadzenie grup hydrofitowych tak, że w ligninie osiąga się wzrost reaktywności klejenia i częściowo przez obniżenie temperatury mięknienia ligniny. Modyfikowana chemicznie warstwa powierzchniowa powinna mieć grubość około 1 pm, podczas gdy obniżenie temperatury mięknienia powinno wynosić co najmniej 10°C.

W trakcie sulfonowania lignina powinna zostać tak zsulfonowana, aby uzyskać rozkład siarki w całym przekroju poprzecznym cząstek lub włókien, ale tak, aby zawartość siarki koncentrowała się w powierzchniowej warstwie cząstek lub włókien. I tak, zawartość siarki w warstwie powierzchniowej o grubości 2 pm powinna być co najmniej o 50% większa niż średnia zawartość siarki w pozostałych częściach cząstek lub włókien. Ponadto, zawartość siarki w warstwie powierzchniowej o grubości 1pm powinna być co najmniej dwukrotnie większa niż średnia zawartość siarki w pozostałych częściach cząstek lub włókien.

Podczas ostatecznego prasowania płyt w całej płycie temperaturę podwyższa się powyżej temperatury utwardzania kleju, aby zapewnić utwardzenie w całej płycie. Tak więc, najniższa temperatura w płycie podczas prasowania na gorąco musi przewyższać wymaganą temperaturę utwardzania.

Dlatego temperaturę mięknienia ligniny w warstwie powierzchniowej cząstek lub włókien należy obniżyć do temperatury niższej od najniższej temperatury w płycie podczas prasowania na gorąco. W wyniku obniżenia temperatury mięknienia, miękka warstwa ligniny na powierzchni cząstek lub włókien jest sprasowywana w miejscu zetknięcia z sąsiadującymi cząstkami lub włóknami, dzięki czemu zwiększają się rozmiary powierzchni zetknięcia, klej jest wykorzystywany bardziej skutecznie i uzyskuje się poprawę właściwości wytrzymałościowych płyty, zwłaszcza w kierunku poprzecznym płyty.

Zwiększenie reaktywności klejenia ligniny przez wprowadzenie grup hydrofitowych dodatkowo implikuje, że lignina może tworzyć łatwiej wiązania wodorowe. Dzięki temu wzrasta siła wiązania na jednostkę powierzchni, i dodatkowo wzrasta wytrzymałość płyty.

Należy unikać modyfikowania ligniny w wewnętrznych częściach cząstek lub włókien, aby utrzymać trwałość ich wymiarów. Dlatego korzystne jest dodawanie niewielkich ilości siarczynu. Taki niewielki dodatek powoduje zasadniczo sulfonowanie głównej i wtórnej ścianki włókna. Przy dodawaniu dużych ilości, rozkład siarki dobrze koreluje z rozkładem ligniny w ściance komórkowej. W przeciwieństwie do tego, siarkę do sulfonowania należy dodawać w ilości wynoszącej maksymalnie 13 kg siarki, korzystnie maksymalnie 6 kg siarki, na tonę materiału zawierającego lignocelulozę.

W celu osiągnięcia pożądanej chemicznej modyfikacji ligniny w warstwie powierzchniowej cząstek lub włókien należy dodawać chemikalia podczas rozdrabniania lub po rozdrobnieniu materiału. Dozowanie chemikaliów, czas reakcji i warunki temperaturowe trzeba dokładnie regulować. Przez sulfonowanie ligniny selektywnie w warstwie powierzchniowej cząstek lub włókien osiąga się modyfikację ligniny przy dodawaniu niewielkich ilości chemikaliów, a duże cząstki lub włókna nie ulegają sulfonowaniu tak, że te części pozostają sztywne i zachowują trwałość wymiarów, co jest korzystne dla wytrzymałości płyty. Dlatego materiał lignocelulozowy w postaci cząstek lub włókien częściowo sulfonuje się tak, że zawartość siarki związanej organicznie przewyższa naturalną zawartość siarki w materiale lignocelulozowym ale jest niższa niż 0,4%. Korzystnie łączna zawartość siarki wynosi 0,04 - 0,2%. Siarka jest zasadniczo związana z ligniną materiału lignocelulozowego w postaci grup kwasu sulfonowego.

Przykład I. Surowiec w postaci zrębków z buku zwyczajnego ogrzewano wstępnie do temperatury 175°C i dodawano roztwór Na₂SO3. Następnie prowadzono rozdrabnianie materiału w urządzeniu rozwłókniającym. Załadowana ilość siarczynu (Na₂SO3) odpowiadała 10 kg/tonę

174 283 zrębków (2,5 kg siarki/tonę zrębków). Sporządzono również szarżę porównawczą bez dodatku chemikaliów.

Temperatura mięknienia ligniny w szarży porównawczej wynosiła około 125°C, podczas gdy temperatura mięknienia ligniny w szarży traktowanej chemikaliami w warstwie powierzchniowej materiału włóknistego była obniżona do około 100°C.

W przewodzie wdmuchującym za urządzeniem do rozwłókniania dodaje się klej mocznikowo-formaldehydowy (klej UF). Załadowana ilość dla materiału traktowanego siarczynem odpowiadała 8% kleju UF w przeliczeniu na suchy materiał włóknisty i 13% kleju UF dla materiału porównawczego, w przeliczeniu na suchy materiał włóknisty. Następnie te dwie szarże materiałów suszono do zawartości suchej masy wynoszącej około 90% i formowano na sucho w maty. Maty te prasowano wstępnie pod ciśnieniem 1,5 MPa i prasowano na gorąco w płyty w ciągu 6 minut w temperaturze 170°C. Temperatura mierzona w środku płyty pod koniec prasowania na gorąco wynosiła od 115 do 120°C, to znaczy była niższa od temperatury mięknienia ligniny w szarży porównawczej: lecz wyższa niż temperatura mięknienia ligniny w szarży traktowanej siarczynem.

Badano wytrzymałość tak wytworzonych płyt. Otrzymano następujące wyniki:

Właściwość	Szarża porównawcza	Szarża traktowana siarczynem
Odporność na łamanie, MPa	39,5	39,0
Wewnętrzna wytrzymałość spojenia, MPa	1,8	1,9
Zawartość kleju UF, %	13,0	8,0

Wyniki wskazują, że dla płyt uzyskano równoważne wytrzymałości, chociaż zawartość kleju w płycie o niższej temperaturze mięknienia ligniny była znacznie mniejsza. Potwierdza to omówiony wyżej efekt techniczny.

Przykład II. Surowiec w postaci zrębków ze świerku ogrzewano wstępnie do temperatury 170°C i dodawano roztwór Na₃SO3. Następnie prowadzono rozdrabnianie materiału w urządzeniu rozwłókniającym. Załadowana ilość siarczynu odpowiadała, odpowiednio, 15 i 22 kg/tonę zrębków (odpowiednio, 3,8 i 5,6 kg siarki/tonę zrębków). W próbie tej nie dodawano kleju.

Temperatura mięknienia ligniny w szarży porównawczej wynosiła około 125°C, podczas gdy temperatura mięknienia ligniny w szarży traktowanej chemikaliami w warstwie powierzchniowej materiału włóknistego była obniżona poniżej 100°C.

Po rozwłóknieniu materiał włóknisty suszono do zawartości suchej masy wynoszącej około 90% i formowano na sucho w maty. Maty te prasowano wstępnie pod ciśnieniem 1,5 MPa i prasowano na gorąco w płyty w ciągu 6 minut w temperaturze 170°C. Temperatura mierzona w środku płyty pod koniec prasowania na gorąco wynosiła od 115 do 120°C, to znaczy była niższa od temperatury mięknienia ligniny w szarży porównawczej lecz wyższa niż temperatura mięknienia ligniny w szarży traktowanej siarczynem.

Badano wytrzymałość tak wytworzonych płyt. Otrzymano następujące wyniki:

Właściwość	Szarża porównawcza	Szarża z siarczynem w ilości 15 kg/tonę	Szarża z siarczynem w ilości 22 kg/tonę
Odporność na łamanie, MPa	5,8	9,0	12,6
Moduł elastyczności, MPa	785	1599	1796

174 283

Wyniki wskazują zasadniczą różnicę pomiędzy właściwościami płyty traktowanej chemi kaliami i płyty porównawczej. Wytrzymałości wykazują efekt zwiększenia reaktywności wiąza nia i zwiększenia powierzchni wiązania, co weryfikuje efekt techniczny wynalazku.

Wynalazek nie jest oczywiście ograniczony do opisanych postaci, ale może być modyfiko wany w zakresie idei wynalazczej.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania płyt z materiału zawierającego lignocelulozę, w którym materiał rozdrabnia się na cząstki lub włókna, suszy, skleja przed lub po suszeniu, formuje w matę i ostatecznie suszy przez prasowanie na gorąco w gotowe płyty, znamienny tym, że przed suszeniem ligniny dodaje się reagujące z ligniną środki sulfonujące, zwłaszcza Na2SO3 i NaHSO₃, modyfikując chemicznie ligninę co najmniej w powierzchniowej warstwie cząstek lub włókien zwiększając reaktywność klejenia przez wprowadzenie grup hydrofitowych, i obniżając temperaturę mięknienia ligniny do temperatury niższej od najniższej temperatury wymaganej w płycie do utwardzenia kleju podczas prasowania na gorąco.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę mięknienia ligniny w warstwie powierzchniowej cząstek lub włókien o grubości 1 pm obniża się o co najmniej 10°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ligninę sulfonuje się tak, aby uzyskać rozkład siarki w całym przekroju poprzecznym cząstek lub włókien.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ligninę sulfonuje się tak, aby zawartość siarki w warstwie powierzchniowej o grubości 2 pm była co najmniej o 50% większa niż średnia zawartość siarki w pozostałej części cząstek lub włókien.
5. 5. Sposób według zastrz. 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że sulfonowanie ligniny prowadzi się przez dodawanie chemikaliów zawierających siarkę w ilości maksymalnie 13 kg/tonę, a korzystnie maksymalnie 6 kg/tonę materiału zawierającego lignocelulozę.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że modyfikację chemiczną ligniny prowadzi się przez obróbkę ozonem.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chemikalia dodaje się po ostatecznym rozdrobnieniu materiału.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chemikalia dodaje się przed lub podczas rozdrabniania.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że prowadzi się rozdrabnianie obejmujące rozwłóknianie materiału w jednym lub kilku etapach.

   * * *