PL242531B1 - Trójwarstwowa płyta wiórowa modyfikowana celulozą bakteryjną i sposób wytwarzania płyty - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest modyfikowana płyta wiórowa zawierająca warstwę wewnętrzną, którą tworzą zespolone spoiwem celuloza bakteryjna i cząstki ligninocelulozowe drewna, a także sposób otrzymywania takiej płyty. Płyta wiórowa według wynalazku cechuje się zmniejszoną gęstością, przy zachowaniu niezmienionej budowy oraz parametrów jej wytwarzania. Przedmiotem zgłoszenia jest także sposób otrzymywania ww. płyty.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest trójwarstwowa płyta wiórowa modyfikowana rozdrobnioną celulozą bakteryjną. Wynalazek dotyczy technologii płyt drzewnych, która polega na modyfikacji płyt wiórowych celem uzyskania płyt o obniżonym ciężarze właściwym i udoskonalonych własnościach.

Celuloza syntetyzowana przez mikroorganizmy Kombucha jest polimerem jednostek e,D-glukopiranozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. W przeciwieństwie do celulozy roślinnej wyróżnia się wysoką czystością, co jest gwarantowane brakiem ligniny i hemiceluloz, wysoką krystalicznością, podatnością na formowanie do dowolnego kształtu, bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną, dużą kompatybilnością biologiczną i większym stopniem polimeryzacji. Te cechy gwarantują ogromne możliwości wykorzystania celulozy bakteryjnej w różnych branżach przemysłowych. Celuloza bakteryjna jest syntetyzowana przez liczną grupę mikroorganizmów, zarówno bakterii i drożdży, wśród których wyróżniane są rodzaje: Acetobacter, Aerobacter, Achromobacter, Agrobacterium, Psedomonas, Zygosaccharomyces, Candida, Torulaspora. Mikroorganizmy wchodzące w skład wskazanych rodzajów tworzą ekosystem zwany SCOBY lub Kombucha, który jest łatwy w namnażaniu, nie jest toksyczny dla ludzi i środowiska oraz intensywnie syntetyzuje w nieskomplikowanych warunkach środowiskowych polimer celulozy, który może być wykorzystany do różnych celów praktycznych.

Z patentu polskiego PL 171952 znany jest sposób wytwarzania celulozy bakteryjnej w postaci błon, na drodze hodowli powierzchniowej bakterii Acetobacter xylinum na podłożu opartym na glukozie.

Patent PL 190961 zapewnia sposób wytwarzania modyfikowanej celulozy bakteryjnej na drodze hodowli bakterii octowych z rodzaju Acetobacter na podłożu płynnym opartym na glukozie i jej pochodnych. Proces charakteryzuje się tym, że podłoże płynne zawierające glukozę, ekstrakt drożdżowy, pepton, fosforan dwusodowy, kwas cytrynowy, etanol oraz ewentualnie poliaminosacharydy i/lub oligoaminosacharydy zaszczepia się bakteriami octowymi z rodzaju Acetobacter, korzystnie szczepem bakterii Acetobacter xylinum i wstępnie inkubuje w warunkach stacjonarnych bądź w trakcie mieszania w temperaturze 20-30°C w czasie 10-50 godzin, a następnie tak otrzymane inokulum dodaje się do kolejnego podłoża hodowlanego, przy czym proces biosyntezy modyfikowanej celulozy bakteryjnej prowadzi się w warunkach stacjonarnych bądź w trakcie napowietrzania i mieszania podłoża, w temperaturze 15-40°C w czasie 1-30 dni, przy pH = 3-8.

Przedmiotem patentu PL212003 jest sposób otrzymywania celulozy bakteryjnej, w warunkach hodowli stacjonarnej z wykorzystaniem szczepu Acetobacter xylinum, w którym na powierzchni ciekłej pożywki formuje się hydrożelowa, sprężysta błona celulozowa. Celuloza bakteryjna według wynalazku znajduje zastosowanie w medycynie jako materiał opatrunkowy w terapii rozległych ran oparzeniowych 2 i 3 stopnia, stosowany w postaci membran celulozowych o dowolnych rozmiarach i formie.

PL214844 dostarcza sposób modyfikacji błon celulozowych, pełniących rolę matrycy wiążącej komórki odtwarzające strukturę skóry, otrzymywanych w drodze hodowli stacjonarnej z wykorzystaniem szczepu Acetobacter xylinum. Modyfikowane błony celulozy bakteryjnej znajdują zastosowanie w medycynie jako materiał opatrunkowy w terapii rozległych ran oparzeniowych 2 i 3 stopnia, stosowany w postaci membran celulozowych o dowolnych rozmiarach i formie, czy do immobilizowania białek np. do wiązania lizozymu

Główne kierunki badań i wykorzystania mikroorganizmów syntetyzujących celulozę, jak do tej pory skupiają się w obszarze nauk medycznych (np. wytwarzanie sztucznej skóry, materiałów opatrunkowych) oraz dziedzinach związanych z ochroną środowiska (np. absorpcja toksyn), technologią żywności i papiernictwem. Nie podejmowano natomiast prób wykorzystania celulozy w przemyśle drzewnym, np. w produkcji tworzyw drzewnych. Pomimo wielu wyjątkowych cech fizykochemicznych i bardzo obiecującej perspektywie zastosowania, użycie celulozy bakteryjnej na szeroką skalę niesie jednak pewne trudności. Związane jest to przede wszystkim z wydajnością jej syntezy. Na wysoką wydajność syntezy wpływa bowiem nie tylko sposób hodowli, związany z dostępnością składników odżywczych, ale również dynamiczne współdziałanie między sobą szczepów mikroorganizmów.

Zagadnienia dotyczące zaadoptowania alternatywnej bazy surowcowej dla przemysłu drzewnego jest w obecnej chwili głównym wyznacznikiem badań w dyscyplinie nauk leśnych, w zakresie drzewnictwa. Aspekt ten wiąże się z koniecznością poszukiwana nowej bazy surowcowej, pozwalającej na utrzymanie wysokiego tempa rozwoju przemysłu płyt drewnopochodnych.

W patencie europejskim EP2507020 opisano lekką płytę wiórową o budowie jednowarstwowej z tworzywa drzewnego, która z jednej strony cechuje się małą gęstością pozorną, a z drugiej strony daje się łatwo powlekać tradycyjnymi powłokami. Składa się ona z mieszaniny wiórów kruszonych i ciętych, przy czym udział wiórów kruszonych wynosi pomiędzy 5 i 30%, a udział wiórów ciętych pomiędzy 70 i 95% wag. Płyta charakteryzuje się w szczególności tym, że jej gęstość pozorna wynosi poniżej 500 kg/m³.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US2018186126 ujawniono płytę warstwową, w której warstwa środkowa jest wykonana z płyty wiórowej, warstwa środkowa jest połączona z co najmniej jedną warstwę zewnętrzną z płyty pilśniowej, w której papier impregnowany żywicą sztuczną jest umieszczony między warstwą środkową a warstwą zewnętrzną.

W innym patencie europejskim EP2987632 opisano płytę kompozytową z materiału drewnopochodnego. Płyta ta zawiera warstwę środkową z płyty wiórowej, przy czym warstwa środkowa jest połączona z co najmniej jedną warstwą zewnętrzną z płyty pilśniowej, i charakteryzuje się tym, że pomiędzy warstwą środkową a warstwą zewnętrzną umieszczono papier impregnowany żywicą syntetyczną w ilości od 30 g/m² do 200 g/m².

W polskim patencie PL229501 opisano wzmocnioną płytę wiórową z wiórów drzewnych zaklejonych żywicą kondensacyjną i sprasowanych pod ciśnieniem w podwyższonej temperaturze, zawierającą elementy wzmacniające, gdzie w warstwie środkowej płyty są umieszczone listwy drewniane o wysokości równej grubości warstwy środkowej, przy czym listwy te są usytuowane równoległe do krawędzi płyty.

Celem wynalazku jest opracowanie płyty wiórowej o udoskonalonych własnościach, w szczególności celem wynalazku jest dostarczenie rozwiązania, które pozwoli na zagęszczenia struktury płyty, przy jednoczesnym obniżeniu jej gęstości, co jest szczególnie pożądane w branży meblarskiej i budowlanej. Celem wynalazku jest dostarczenie płyty wiórowej, która pomimo zmniejszenia jej gęstości zachowuje niezmienioną budowę oraz parametry jej wytwarzania.

Przedmiotem wynalazku jest płyta wiórowa trójwarstwowa, charakteryzująca się tym, że warstwa wewnętrzna płyty zawiera cząstki ligninocelulozowe drewna połączone spoiwem bazującym na żywicy aminowej z celulozą bakteryjną wytworzoną przez mikroorganizmy należące do ekosystemu Kombucha, przy czym warstwa wewnętrzna zawiera 80±2,5% wag. cząstek ligninocelulozowych drewna, 10 ±2,5% wag. bakteryjnej celulozy oraz 10 ±2,5% wag. spoiwa.

Korzystnie, spoiwo wybrane jest z grupy obejmującej żywice mocznikowo-formaldehydowe, żywice melaminowo-mocznikowo-formaldehydowe, żywice melaminowo-formaldehydowe.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania trójwarstwowej płyty wiórowej, w którym warstwy zewnętrzne wytwarza się standardowymi technikami, charakteryzujący się tym, że biomasę do wytworzenia warstwy wewnętrznej trójwarstwowej płyty wiórowej otrzymuje się w następujących etapach:

a) prowadzi się hodowlę bakteryjną mikroorganizmów tworzących ekosystem Kombucha w warunkach temperaturowo-wilgotnościowych, wynoszących odpowiednio 23±3°C i 65±5% przez okres 7 dni, na podłożu z cząstkami drewna z zastosowaniem pożywki, która zawiera w składzie frakcję cząstek drewna, od 5% do 10% sacharozy oraz od 0,1% do 0,6% peptonu.

b) powstałą w hodowli celulozę bakteryjną poddaje się procesowi rozdrobnienia,

c) zmieloną masę celulozy bakteryjnej ponownie umieszcza się w tej samej hodowli, miesza się ze znajdującymi się w niej cząstkami drewna i kontynuuje się hodowlę przez kolejne 7 dni w tych samych warunkach temperatury i wilgotności,

d) ponownie usuwa się z powierzchni pożywki nowo wytworzoną celulozę i poddaje ją procesowi rozdrobnienia,

e) zmieloną masę celulozową łączy się z cząstkami drewna przeznaczonymi do wytworzenia warstwy wewnętrznej płyty wiórowej,

f) odsącza się masę cząstek drewna i rozdrobnionej celulozy od płynu hodowlanego, całość płucze się co najmniej raz w wodzie, a następnie otrzymaną masę poddaje się procesowi suszenia w temperaturze 50±10°C do momentu uzyskania wilgotności materiału do poziomu wynoszącego 2-6%.

g) przygotowana masę używa się do wytworzenia warstwy wewnętrznej płyty wiórowej.

Wynalazek zapewnia płytę wiórową modyfikowaną poprzez połączenie cząstek ligninocelulozowych z rozdrobnioną celulozą bakteryjną. Płyta wiórowa według wynalazku wytworzona jest poprzez zespolenie cząstek drewna i celulozy wytworzonej przez mikroorganizmy za pomocą standardowych spoiw używanych w technologii płyt wiórowych. Zespolenie cząstek drewna i celulozy bakteryjnej standardowymi spoiwami używanymi w technologii płyt wiórowych ma na celu uzyskanie efektywniejszego przylegania wiórów względem siebie oraz kompensowania wolnych przestrzeni pomiędzy sprasowanymi

PL 242531 Β1 wiórami. Modyfikacja płyt poprzez zespolenie cząstek drewna i celulozy bakteryjnej standardowymi spoiwami używanymi w technologii płyt wiórowych, prowadząca do zagęszczenia struktury płyt, przy jednoczesnym obniżeniu ich gęstości jest propozycją dla nowych technologii produkcji płyt, która jest skutkiem obserwowanego deficytu surowcowego.

Rozwiązanie według wynalazku ma na celu również zmniejszenie gęstości płyt, przy zachowaniu niezmienionej budowy oraz parametrów ich wytwarzania. Płyty takie mogą być przeznaczone zarówno na wyroby meblarskie, jak i do aranżacji wnętrz, a przy dodatkowym wprowadzeniu środków hydrofobowych, również w budownictwie.

Jednocześnie, modyfikacja płyt poprzez obniżenie zawartości ligniny i hemiceluloz na skutek wprowadzenia celulozy pochodzenia bakteryjnego nie tylko pozwala na otrzymanie materiałów o przydatnych właściwościach fizycznych i mechanicznych, ale również na zmniejszenie udziału i zużycia podstawowego surowca jakim jest drewno.

Przykład

Sposób wytwarzania celulozy przez mikroorganizmy Kombucha, na podłożu z cząstkami drewna polega na przygotowaniu płynnej pożywki, zawierającej w swym składzie sacharozę (w zakresie od 5% do 10%) oraz pepton (w zakresie od 0,1% do 0,6%), do których dodaje się odpowiednią porcję wagową frakcji większych cząstek drewna (przeznaczonych na warstwę wewnętrzną płyty). Sacharozę i pepton rozpuszcza się w gorącej wodzie, a po jej ochłodzeniu do temperatury pokojowej dodaje się cząstki drewna (wióry drzewne przeznaczone na warstwę wewnętrzną) o dowolnej wartości wilgotności. Hodowlę prowadzi się w warunkach temperaturowo-wilgotnościowych, wynoszących odpowiednio 23±3°C i 65±5%, przez okres 14 dni.

W hodowli stacjonarnej wzrost mikroorganizmów oraz synteza celulozy występuje na powierzchni pożywki, na wiórach drewna będących na styku pożywka : powietrze.

W okresie 7 dni od momentu założenia hodowli zdejmuje się z powierzchni pożywki wytworzoną celulozę i poddaje procesowi rozdrobnienia. Zmieloną masę ponownie umieszcza się w tej samej hodowli, miesza dokładnie ze znajdującymi się w niej cząstkami drewna. Po okresie kolejnych 7 dni czynność powtarza się w sposób identyczny. Ponownie usuwa się z powierzchni pożywki nowo wytworzoną celulozę i poddaje ją procesowi rozdrobnienia. Zmieloną masę celulozową łączy się z cząstkami drewna i wcześniej zmieloną celulozą. Po dokładnym wymieszaniu następuje odsączanie cząstek drewna i rozdrobnionej celulozy od płynu hodowlanego, całość płucze się trzykrotnie w wodzie, a następnie otrzymaną masę poddaje się procesowi suszenia. Proces suszenia odbywał się w warunkach temperaturowych wynoszących 50±10°C. Uzyskaną biomasę suszy się do momentu uzyskania wilgotności materiału do poziomu wynoszącego 2-6%. Przygotowana biomasa służy do wytworzenia warstwy wewnętrznej płyty wiórowej, analogicznie jak przy standardowych tworzywach tego typu. Warstwy zewnętrzne płyty nie zawierają dodatku biocelulozy i są przygotowane analogicznie jak przy standardowych płytach wiórowych. Parametry prasowania płyt przedstawiono w tabeli 1:

Tabela 1

Parametr	Wartość
Temperatura półek prasy	Od 150°C do 230°C
Jednostkowe ciśnienie prasowania	od 0,1 do25N/mm2
Faktor prasowania	Od 3 s/mm założonej grubości płyty do 10 s/mm założonej grubości płyty

Otrzymane płyty były kolejno sezonowane przez okres 7 dni w warunkach temperaturowo-wilgotnościowych, wynoszących 20±2°C i 65±5%.

Przygotowane płyty poddano ocenie:

• wytrzymałości na zginanie statyczne, zgodnie z PN-EN 310:1994 „Płyty drewnopochodne - Oznaczenie modułu sprężystości przy zginaniu i wytrzymałości na zginanie”, • wytrzymałości na rozciąganie w kierunku prostopadłym do płaszczyzn płyt, zgodnie z normą PN-EN 319:1999 „Płyty wiórowe i płyty pilśniowe - Oznaczanie wytrzymałości na rozciąganie w kierunku prostopadłym do płaszczyzn płyty”,

PL 242531 Β1 • spęcznienia na grubość po 2 i 24 godzinach moczenia w wodzie, zgodnie z normą PN-EN 317:1999 „Płyty wiórowe i płyty pilśniowe - Oznaczenie spęcznienia na grubość po moczeniu w wodzie”.

Na podstawie przeprowadzonych badań, stwierdzono, że spęcznienie płyty wiórowej zawierającej celulozę po 24 h moczenia w wodzie jest o 12% mniejsze niż standardowej płyty wiórowej. W badaniach wytrzymałości na rozciąganie, zarówno dla płyty wiórowej z celulozą, jak i płyty wiórowej standardowej uzyskano rezultaty, pozwalające na stwierdzenie, że płyty wiórowe modyfikowane celulozą oraz płyty wiórowe standardowe mają zbliżone właściwości wytrzymałości na rozrywanie. Zatem należy stwierdzić, modyfikacja płyt wiórowych celulozą bakteryjną nie pogarsza właściwości wytrzymałości na rozciąganie. Wartości wytrzymałości na zginanie statyczne dla płyty wiórowej modyfikowanej celulozą były niższe niż płyty wiórowej standardowej. Należy jednak zwrócić uwagę, że wytrzymałość na zginanie statyczne, w przeciwieństwie do wytrzymałości na rozciąganie jest związana z jakością materiału zewnętrznego, czyli warstwami zewnętrznymi, a te nie zawierały dodatku w postaci celulozy bakteryjnej. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabelach:

Płyta	Spęcznienie na grubość po 2 h [%]	σ [%]	V [%]	Spęcznienie na grubość po 24 h [%]	σ [%]	V [%]
standardowa	22	5	22	34	5	13
modyfikowan a celulozą	15	3	17	22	3	16
σ-odchylenie standardowe
V-współczynnik zmienności

Płyta	MOR [MPa]	σ [MPa]	V [%]	MOE [MPa]	σ [MPa]	V [%]
standardowa	8	1	17	1206	183	15
modyfikowana celulozą	6	1	13	831	92	11
σ-odchylenie standardowe
V-współ czynnik zmienności

Zastrzeżenia patentowe

Claims (3)

1. Płyta wiórowa trójwarstwowa, znamienna tym, że warstwa wewnętrzna płyty zawiera cząstki ligninocelulozowe drewna połączone spoiwem bazującym na żywicy aminowej z celulozą bakteryjną pozyskaną na drodze syntezy przy udziale mikroorganizmów należących do ekosystemu Kombucha, przy czym warstwa wewnętrzna zawiera 80±2,5% wag. cząstek ligninocelulozowych drewna, 10±2,5% wag. bakteryjnej celulozy oraz 10±2,5% wag. spoiwa.

2. Płyta wiórowa według zastrz. 1, znamienna tym, że spoiwo wybrane jest z grupy obejmującej żywice mocznikowo-formaldehydowe, żywice melaminowo-mocznikowo-formaldehydowe, żywice melaminowo-formaldehydowe.

3. Sposób otrzymywania trójwarstwowej płyty wiórowej, w którym warstwy zewnętrzne wytwarza się standardowymi technikami, znamienny tym, że biomasę do wytworzenia warstwy wewnętrznej trójwarstwowej płyty wiórowej otrzymuje się w następujących etapach:

a) prowadzi się hodowlę bakteryjną mikroorganizmów tworzących ekosystem Kombucha w warunkach temperaturowo-wilgotnościowych, wynoszących odpowiednio 23±3°C i 65±5%, przez okres 7 dni, na podłożu z cząstkami drewna z zastosowaniem pożywki, która zawiera w składzie frakcję cząstek drewna, od 5% do 10% sacharozy oraz od 0,1 % do 0,6% peptonu.

b) powstałą w hodowli celulozę bakteryjną poddaje się procesowi rozdrobnienia,

c) zmieloną masę celulozy bakteryjnej ponownie umieszcza się w tej samej hodowli, miesza się ze znajdującymi się w niej cząstkami drewna i kontynuuje się hodowlę przez kolejne 7 dni w tych samych warunkach temperatury i wilgotności,

d) ponownie usuwa się z powierzchni pożywki nowo wytworzoną celulozę i poddaje ją procesowi rozdrobnienia,

e) zmieloną masę celulozową łączy się z cząstkami drewna przeznaczonymi do wytworzenia warstwy wewnętrznej płyty wiórowej,

f) odsącza się masę cząstek drewna i rozdrobnionej celulozy od płynu hodowlanego, całość płucze się co najmniej raz w wodzie, a następnie otrzymaną masę poddaje się procesowi suszenia w temperaturze 50±10°C do momentu uzyskania wilgotności materiału do poziomu wynoszącego 2-6%,

g) przygotowana masę używa się do wytworzenia warstwy wewnętrznej płyty wiórowej.