Изготовление волокнистого заполнителя из рисовой соломы и изучение его адгезивных свойств

АННОТАЦИЯ

В данной работе приводятся данные о композиционном материале на основе рисовой соломы и строительного гипса. Описывается метод подготовки рисовой соломы для повышения дисперсно-армирующего эффекта волокнистого заполнителя. Приводятся результаты исследования синергического влияния модифицирующей добавки “FremNanogis” на формование структуры.

ABSTRACT

The article presents research data on a composite material based on rice straw and construction gypsum. An overview of a method for preparing rice straw to increase the dispersion-reinforcing effect of the fiber filler is given. The results of the study of the synergistic effect of the “FremNanogis” modifying additive on the formation of the structure are presented.

Ключевые слова: волокнистый заполнитель, рисовая солома, возобновляемое недревесное сырье, гипсоволокнистый лист, доступный строительный материал.

Keywords: fiber filler, rice straw, renewable non-wood raw materials, gypsum fiber, low-cost building material.

Во всем мире сегодня неуклонно растет интерес к использованию натурального растительного сырья при производстве строительных материалов. Это обусловлено требованием поиска альтернатив применяемым сегодня материалам, часто оказывающих негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Отходы сельскохозяйственной промышленности, включая солому зерновых культур и костру льна, формируют значительный сырьевой ресурс во всем мире. Одним из путей рационального использования таких отходов является их применение в качестве сырья в производстве стеновых материалов для гражданского строительства [1]. К материалам, производимым с использованием натурального растительного сырья, относится гипсоволокнистый лист, обладающий высокими теплотехническими и физико-механическими параметрами, а также малой трудоемкостью при монтаже изделия.

Гипсоволокнистый лист - это гомогенный, экологически чистый строительный материал, представляющий собой гипсовый лист, дисперсно армированный волокнами целлюлозы. Применяется при отделке помещений, в частности в устройстве сборных оснований пола и при устройстве облицовок стен.

Все свои технические свойства гипсоволокнистый лист приобретает от синергии совместного использования волокон и гипса. Существует ряд строительных материалов, где использование волокон даёт такой же синергический эффект. К примеру, ещё в древности египтянами было замечено, что если в глину, которую использовали для строительства жилищ, добавить солому, овечью шерсть или камышовый тростник, конструкция приобретала более высокие прочностные качества и была меньше подвержена растрескиванию[1]. Таким образом, за долгое время до появления современных строительных материалов человечество уже имело представление о дисперсном армировании органическими волокнами строительных материалов.

Дисперсное армирование повышает прочность сечений сжатых, изгибаемых и растянутых элементов конструкций, увеличивает трещиностойкость, термическое сопротивление, ударную вязкость и многие другие физико-механические параметры.

Однако производство традиционного, армированного целлюлозными волокнами гипсового листа из вторичной целлюлозы в условиях нашей страны является затруднительным ввиду дефицитности такого рода сырья, а использование местных хлопковых или импортных хвойных целлюлозных волокон обходится в огромную сумму, что делает гипсоволокнистый лист неконкурентоспособным. Поэтому целью авторов стала разработка технологии производства гипсоволокнистой плиты, где в качестве армирующих волокон будет использовано доступное сырье – местные сельскохозяйственные отходы, имеющие волокнистую природу.

Технологии по утилизации отходов растениеводства в виде заполнителей композиционных материалов применяются во многих странах [1], что указывает на значительный интерес и востребованность данного направления в строительной отрасли. Предпочтительными примерами крупнотоннажных волокносодержащих сельскохозяйственных отходов местного происхождения являются стебли и шелуха рисовой соломы, а также шрот корня солодки. В данной статье мы рассмотрим в качестве сырья стебли рисовой соломы.

Рисовая солома является возобновляемым ресурсом и доступна в регионах выращивания зерновых культур как сопутствующий продукт сельскохозяйственного производства, который, к сожалению, не находит своего широкого применения в данное время. Основной причиной непопулярности рисовой соломы в качестве кормовой добавки, например, для домашнего скота, является повышенное содержание трудноперевариваемой клетчатки, что может привести к снижению питательности кормовой смеси на 15-20 %, несмотря на сравнительно большее, чем в кукурузной соломе количества перевариваемого протеина. При скармливании коровам рисовой соломы более 1,5 кг в сутки наблюдалось ухудшение качества молока, выражающегося в уменьшении плотности получаемого из него масла [2].

 Химический анализ показал, что целлюлоза рисовой соломы в основном состоит из α-целлюлозы (до 80 %). Пентозаны, лигнин, легкогидролизующиеся вещества во время обработки остаются в варочных растворах.

Массовая доля соломы риса составляет 42-62% от общей наземной части растений, а шелухи – 20% от массы производимого товарного риса[3].

По данным Государственного комитета статистики Республики Узбекистан за 2019 год было получено 300,9 тыс. тонн риса[4]. При переработке зерна риса образуется большое количество отходов в виде шелухи и стеблей соломы. В среднем при получении 1 тонны риса образуется 1 т соломы. Это означает, что каждый год в стране образуется около 250-300 тыс. тонн рисовой соломы, 80-90 % которой до сих пор не находит своего рационального метода использования, приносящего экономическую выгоду.

Для использования целлюлозы рисовой соломы в качестве волокнистого наполнителя в строительном гипсовом листе необходимо в первую очередь избавиться от жировоскового слоя стеблей и делигнифицировать оставшуюся массу. В связи с тем, что в литературе недостаточно освещены эксперименты с использованием рисовой соломы, авторы рассматривали традиционные методы деструктуризации целлюлозосодержащего сырья. В поисках самого оптимального варианта был проведен ряд испытаний. Предпочтение было отдано термической обработке в присутствии слабого водяного раствора щелочного натрия, ведь этот способ делигнификации растительного сырья отличается эффективностью благодаря избирательно-высокой нитрующей и окислительной активности оксидных соединений азота по отношению к лигнину соломы.

Варку сухой и разрезанной по 12-20 мм рисовой соломы проводили водным раствором NaOH при следующих условиях: соотношение солома-раствор - 1/8; количество NaOH - 1-6 % от количества рисовой соломы; температура обработки - 90 °С; продолжительность подъема температуры – 15 мин; продолжительность щелочной обработки - 60-240 мин. Полученный волокнистый материал промывали дистиллированной водой до нейтральной среды, просеивали, истирали, высушивали и взвешивали. Результаты предварительных исследований щелочной варки рисовой соломы и зависимость выхода волокнистого продукта от концентрации щелочи и продолжительности обработки представлены на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость выхода волокнистого заполнителя от концентрации щелочи и продолжительности варки

Судя по графику, при концентрации щелочи 6% и продолжительности обработки 240 мин наблюдается значительное снижение выхода волокнистого заполнителя, и, следовательно, дальнейшее увеличение концентрации щелочи и продолжительности обработки представляется нецелесообразным.

При визуальном осмотре проваренного в 1-2 % щелочном растворе материала, отмечено что, обработка даже при продолжительности 240 мин не обеспечивает требуемых значений по выходу и по качеству. Полученные данные после варки первой партии рисовой соломы позволяют установить диапазон для дальнейших исследований: концентрация щелочи - от 3 до 5 %, продолжительность обработки - от 60 до 240 мин.

После ряда экспериментов удалось найти оптимальные условия для щелочной варки рисовой соломы. С учетом оптимизации щелочной варки (продолжительность щелочной варки – 240 мин; концентрация щелочи – 3, 5 %) был получен волокнистый заполнитель с выходом – 57,1 %, визуально напоминающий хлопковые волокна.

С целью изучения полученного материала в роли заполнителя были проведены сравнительные испытания. Для улучшения адгезии волокон к гипсу, увеличения времени схватывания теста для формования будущего листа, а также для увеличения прочности самого гипсового камня использовали модификатор.

В ходе испытаний в качестве основного вяжущего вещества использовался строительный гипс (ГОСТ 125-70), наполнителем служили полученные вышеописанным способом волокна из рисовой соломы. В качестве модифицирующей добавки использовалась добавка для гипсовых смесей «FremNanogips» производства ЗАО «Завод добавок и смазок «ФРЭЙМ». Волокна в материале располагались хаотично.

Для изготовления образцов взяли пробу гипсового вяжущего и добавили в него сухие волокна. Полученную после перемешивания массу засыпали в чашку с водой, взятой в количестве, необходимом для получения теста стандартной консистенции. После засыпки смесь интенсивно перемешивали ручной мешалкой до получения однородного теста, которым заливали предварительно смазанную маслом форму. Для удаления вовлеченного воздуха форму встряхивали несколько раз. [5].

Для определения прочности на сжатие образцы помещали между двумя пластинами и подвергали сжатию на прессе с предельной нагрузкой до 5-10 т/с. Предел прочности на сжатие одного образца определяли как частное от деления величины разрушающей нагрузки на рабочую площадь образца, равную 25 см² [5]. Предел прочности на сжатие вычисляли как среднее арифметическое результатов шести испытаний без наибольшего и наименьшего результатов.

Ниже приводятся зависимости пределов прочности при изгибе и сжатии гипсоволокнистых образцов от содержания волокнистого заполнителя и добавки для гипсовых смесей «FremNanogips» (Рис 2.).

Рисунок 2. Зависимости предела прочности при изгибе гипсоволокнистых образцов в возрасте 28 суток от содержания модификатора

Рисунок 3. Зависимости предела прочности при сжатии гипсоволокнистых образцов в возрасте 28 суток от содержания модификатора

Как видно из рис. 2.3, введение модификатора в состав гипсоволокнистой смеси оказывает различное влияние на предел прочности при изгибе образцов в зависимости от объемного содержания волокнистого заполнителя. С увеличением содержания модификатора в составе смеси (0-1%) увеличивается предел прочности при изгибе на 12,1-40,8%. Дальнейшее увеличение содержания модификатора приводит к снижению прочности. При этом следует отметить, что максимальное увеличение прочности достигается при меньшем содержании волокон в составе смеси (1%), что, на наш взгляд, обусловлено лучшей анкерующей способностью матрицы на основе модифицированного вяжущего.

Максимальный показатель предела прочности при сжатии гипсоволокнистых образцов на основе модифицированной матрицы также достигается при содержании волокон в количестве 1%. Прочность при этом увеличивается на 39-51 %. Дальнейшее увеличение количества модификатора в составе смеси приводит к снижению прочности.

Необходимо отметить, что при добавлении модифицирующей добавки даже в 1-2 % волокносодержащую смесь водопотребность смеси снижается, что приводит к увеличению плотности изделия. За счет уменьшения водопотребности смешивание теста проходит легче, а при дальнейшем увеличении количества волокон их максимальный порог сдвигается на 2-3 процента.

Добавка модификатора Frem Nanogips уплотняет матрицу и образует слой на поверхности заполнителя, уменьшает возможность диффундирования легкогидролизируемых сахаров из соломы в гипсовое тесто. Это одновременно улучшает сцепление волокон соломы с кристаллами гипса.

Учитывая вышеперечисленное, можно сделать вывод, что введение добавки в гипсовые смеси «FremNanogips» позволяет значительно увеличить пределы прочности дисперсно-армированного гипсового камня при малом содержании волокон в составе матрицы. Так, максимальные повышения значений пределов прочности при изгибе (5,02 МПа) и сжатии (11,4 МПа) достигаются при введении модификатора в состав гипсоволокнистой смеси в количестве 1%.

Полученные результаты указывают на эффективность волокнистого заполнителя, полученного путем щелочной варки из рисовой соломы для дисперсного армирования модифицированной гипсовой матрицы на основе низкомарочного гипса. Помимо этого, максимальные показатели пределов прочности достигаются при введении в состав волокнистого заполнителя в количестве 2% при изгибе и 1% при сжатии.

Список литературы:
1. Mansour, A. Development of straw-cement composite sustainable building material for low-cost housing in Egypt / A. Mansour, J. Srebric, J. Burley // J Appl Sci Res. – 2007. – № 3. – P. 1571–1580.
2. Ялпачик Ф.Е., Ялпачик Г.С. “Переработка рисовой соломы на корм” - Москва: Агропромиздат, 1988 - с.63
3. Вураско А. В., Дрикер Б. Н., Мозырева Е. А., Земнухова Л. А., Галимова А. Р., Гулемина Н. Н. Ресурсосберегающая технология получения целлюлозных материалов при переработке отходов сельскохозяйственных культур // Химия растительного сырья. 2006. №4.
4. Статистический ежегодник регионов Узбекистана // Статистический сборник Государственного комитета Республики Узбекистан по статистике. Ташкент, 2020.
5. Адилходжаев Анвар Ишанович, Игамбердиев Бунёд Гайратович, Карабаева Муслима Ифтихоровна Перспективы использования рисовой соломы в качестве волокнистого наполнителя в производстве строительных материалов // Проблемы Науки. 2019. №12-1 (145).