20.01.2003 18:27
ХХ столетие - время небывалого технического прогресса и дерзких научных открытий глобального значения, изменивших образ жизни и мышления общества. В строительной отрасли ушедший век можно по праву назвать веком бурного развития технологии бетона и железобетона, а также других материалов на минеральных, органических, металлических и прочих вяжущих. На основе последних достижений фундаментальных наук, таких как физика, химия и математика, ученые-материаловеды смогли проникнуть внутрь микро- и макроструктуры этих искусственных материалов. Из хаоса и эмпиризма родилась полиструктурная теория строительных материалов (научная школа академика РААСН В.И. Соломатова), которая раскрыла композиционную природу их строения, дала возможность произвести количественную оценку формирования структур (кластерных, решетчатых и др.) композитов, позволила, применив фрактальную теорию, решать прямую и обратную задачи оптимизации состава композита.
Однако если обратиться к другой группе строительных материалов - природным композитам, становится очевидным, что прогресс в их развитии не столь показателен. Ярким представителем этой группы материалов, включающим комплекс сложных органических соединений, является древесина и другое растительное сырье. Основные компоненты, присутствующие в древесине всех видов, - это три основных полимера: лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза. Причем аморфным матричным материалом служит лигнин, а наполнителем - микроволокна целлюлозы в ориентированном и неориентированном состояниях, которые образуют пространственный сетчатый каркас. Молекулы гемицеллюлозы осуществляют связь между этими компонентами системы.
Использование древесины на всех исторических этапах сводилось в основном к обработке и изготовлению изделий без коренных преобразований первозданной композитной структуры. Но если пиломатериалы -древнейший продукт деревообработки, то древесные плитные материалы (ДСП, фибролит, арболит, ЦСП, ДВП, пластики, фанера) - это материал XX века, приобретение научно-технической революции произошедшей в мире. Исследования в области использования древесных отходов для изготовления плит проводились еще в конце XIX века, и в сороковых годах двадцатого столетья в Западной Европе появляются первые промышленные предприятия по выпуску ДСП.
Создатели древесноволокнистых плит (ДВП) попытались еще глубже проникнуть в макроструктуру древесины и преобразовать ее. Так возникла идея более плотно упаковать волокна целлюлозы (эффект высоконаполненных систем), чтобы увеличить энергию водородных связей, которыми связаны между собой цепи молекул целлюлозы. Но полная реализация такой идеи оказалась весьма проблематичной: чтобы преодолеть сопротивление волокон и сблизить их на расстояние обеспечивающее возникновение водородных связей, потребовалось колоссальное давление и специальная обработка волокон.
Фанера - третий вид современных плитных материалов из древесины. Этот материал известен очень давно. Принципиальный недостаток производства фанеры в древности заключался в том, что тонкие дощечки получали пилением и в отходы уходило больше древесины, чем на само изделие. И только в 1819 году таллинский ремесленник Фишер изобрел безопилочный способ - лущение (метод развертывания с бревна слоев древесины).
Идея создать материал, который, сохраняя положительные свойства древесины, не имел бы ее отрицательных черт (разбухания и коробления) нашла свое воплощение в древесных пластиках. Древесину пропитывали полимерами или мономерами, а затем, используя нагревание, химические реагенты или гамма-облучение, производили отверждение этих химических веществ. Однако из-за сложности и дороговизны метода широкого индустриального внедрения он не нашел.
Благодаря высоким механическим и теплотехническим свойствам плит и относительно простой технологии самое большое распространение получило начатое в 40-х годах производство древесно-стружечных плит (ДСП). Традиционные технологические процессы включают
два основных этапа: подготовку древесного сырья (волокон, стружки) и горячее прессование из них плит с применением синтетических связующих. При этом остро встает проблема экологической чистоты получаемых материалов, и это значительно сужает область их применения. Многочисленные меры по снижению токсичности преимущественно используемых карбамидных и феноло-формальдегидных смол не приносят значительного эффекта.
По-новому решать этот вопрос - использовать связующие свойства природных полимеров - позволяют строительные биотехнологии. В современном понимании биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук, когда уникальность микроорганизмов в отношении узнавания и катализа позволяет справиться со сложнейшими промышленными технологическими процессами. Первыми основоположниками биотехнологии были, конечно, древние пивовары и хлебопеки. Их потомки развили производство сыра, уксуса, соевого соуса. Наконец, бурному возрождению биотехнологии как современной фундаментальной науки способствовала разработка методов генной инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК.
В настоящее время можно говорить о появлении еще одного направления в биотехнологии - строительного.
Ярким представителем группы природных композитных строительных материалов, включающим комплекс сложных органических соединений, является древесина и другое растительное сырье.
В будущем оно, основываясь на удивительной способности ферментов катализировать широкий спектр химических реакций в мягких условиях, позволит радикально изменить стройиндустрию - сделает ее более эффективной, экологически безопасной и энергосберегающей.
Пока строительные биотехнологии делают свои первые шаги, направленные на создание экологически чистых древесных композитов. Причем потенциал ферментативных процессов, происходящих при взаимодействии микроорганизмов и древесины, настолько огромен, что работы ведутся в нескольких направлениях, и уже получены существенные результаты, которые реализуются в промышленное производство. Речь идет о возможности использования частичной биодеградации компонентов древесины под воздействием ферментных систем продуцируемых грибами белой гнили. Биомодификации подвергается преимущественно лигноутлеводный комплекс древесины, включающий в себя гемицеллюлозы и лигнин. Связь между этими компонентами осуществляется за счет реакционно-способных боковых групп гемицеллюлоз через их взаимодействие с аромагическими кислотами, входящими в состав лигнина.
Лигнин в данном случае можно считать сложным полиэфиром различных полиокси-п-пропил-бензолов с молекулярной массой 4000. Энзиматическое воздействие дереворазрушающих грибов обеспечивает частичный разрыв связей лигноуглеводного комплекса с образованием в макромолекулах реакционно-способных групп и активных центров. Позднее под воздействием термической обработки в ходе прессования в биологически активированной древесной массе возникают поликонденсационные процессы, в результате которых структура лигнина претерпевает значительные превращения.
Они протекают вследствие появления активных феноксирадикалов и хинонов в результате деятельности грибных микроорганизмов. Кроме того, между молекулами и в местах контакта древесных частиц друг с другом образуются сложные физико-химические связи, участвующие в формировании общей структуры древесного биокомпозита.
Главным достоинством получаемых биопластиков является их экологическая чистота, так как технология полностью исключает применение синтетических связующих.
Потенциал ферментативных процессов, происходящих при взаимодействии микроорганизмов и древесины настолько огромен, что полученные результаты реализуются в промышленное производство, например, использование частичной биодеградации компонентов древесины под воздействием ферментных систем продуцируемых грибами белой гнили
Прочность при статическом изгибе полученного материала - 16-26 МПа, что во многих случаях достаточно для успешного применения в качестве отделочных и теплоизоляционных материалов. Водостойкость в данном случае обеспечивается инициированием привитой сополимеризации лигнина с непредельными кислотами, мономерами винилового ряда (стиролом, акрилонитрилом, метилметакрилатом).
Другим не менее перспективным, на наш взгляд, направлением применения биотехнологии для производства древесных пластиков является получение биологического вяжущего на основе технических лигнинов. При совместном нагревании культуральной жидкости, представляющей собой инокулят особого гриба белой гнили (семейство Panus tigrinus) и твердого концентрата технического лигносульфоната при температуре не выше 80╟С, в биологически активированной массе возникают полимеризационные процессы, и структура лигносульфоната претерпевает значительные превращения. В результате этого образуются сложные физико-химические связи, формирующие общую структуру биологического вяжущего. Полученный полимер имеет высокую клеящую способность, но не обладает достаточной водостойкостью. Многочисленные исследования показали, что при увеличении молекулярной массы технических лигнинов они частично теряют способность к растворению в воде. Поэтому прививкой к полученному биополимеру различных химических веществ, при сохранении основных реакционно-способных групп, достигается увеличение его молекулярной массы, что обеспечивает достаточную прочность и водостойкость древесных плит, которые изготавливаются с применением этого вяжущего.
Использование древеса сводилось в основном к обработке и изготовлению! изделий без коренных преобразований первозданной композитной структуры
Очевидно, что полученные результаты позволяют прогнозировать дальнейшее применение строительных биотехнологий на пути создания пластиков из самого разнообразного древесного и растительного сырья (отходы производства, костра льна, отходы хлопчатника и т.п.). Следует отметить, что широкая разработка и внедрение биотехнологических процессов в производство теплоизоляционных и отделочных плитных материалов особенно актуальны для регионов, где много отходов сельскохозяйственного производства, в том числе соломы, и вместе с тем остро ощутим недостаток лесных ресурсов.
Профессиональное строительство ╩
Т.Ю.Абызова, к.т.н.
Технологии ╩
Материалы ╩
No. 4
11.10.2002
Новые тесты для старых строительных материалов
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.