УДК 658

Подсолнечная лузга – как альтернативное сырьё для производства древесностружечных плит

Замазий Леонид Витальевич – аспирант Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета.

Аннотация: В настоящее время, с увеличением потребления древесных ресурсов, возникает необходимость в разработке альтернативных источников сырья для производства древесностружечных плит. Одним из возможных альтернативных растительных сырьем является подсолнечная лузга, которая получается в результате очистки семян подсолнечника при производстве масла.

В связи с этим, было проведено исследование литературных источников о возможности использования подсолнечной лузги в качестве наполнителя древесностружечных плит. В ходе исследования была изучена различная литература, посвященная химическому составу древесины и подсолнечной лузги, а также особенностям её применения в стандартной технологии древесностружечных плит.

Ключевые слова: древесностружечные плиты, подсолнечная лузга, альтернативное сырьё.

Древесностружечные плиты (ДСП) представляют собой строительный материал, получаемый из древесной стружки, которая связывается с помощью синтетической смолы, подвергнутой горячему прессованию при определенных параметрах давления и температуры.

Одним из основных сырьевых материалов, используемых в этом процессе, является древесная стружка, получаемая из различных источников, включая рубки ухода за лесом и древесные отходы.

Леса являются не только источником сырья для производства строительных материалов, но и важным элементом поддержания здоровой экосистемы и устойчивой окружающей среды. Поэтому крайне важно осуществлять разумное потребление древесного сырья и по возможности сохранять лесные ресурсы. В связи с этим, проводятся различные исследования с целью нахождения заменителей (альтернативных источников) древесного сырья для производства композитных плитных материалов.

Не древесные лигноцеллюлозные материалы и сельскохозяйственные отходы привлекают все больше внимания в качестве альтернативного сырья. Они образуются из возобновляемых растительных источников и являются невостребованным отходом, что позволяет использовать их в качестве дополнительного источника дохода и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Одним из видов не древесного растительного сырья являются отходы переработки подсолнечника, в частности – плодовые оболочки (лузга).

Подсолнечник (однолетний) имеет относительно короткий цикл роста и легко адаптируется к различным почвенным условиям, поэтому выращивается во всём Мире и является одной из наиболее важных масличных культур.

Лузга используется для изготовления топливных пеллет, применяется в качестве основы для выращивания грибов, а также как добавка в корм для животных [1-3].

Использование подсолнечной лузги в качестве сырья для производства композиционных плитных материалов, особенно ДСП, предоставляет возможность сократить использование древесного сырья и достигнуть значительного экологического эффекта путём утилизации огромных объёмов лузги, которые в настоящее время скапливаются в отвалах.

Химический состав и свойства подсолнечной лузги

Лузга составляет 21 – 30% от массы семян и имеет средние размеры частиц по длине 10,59 мм, ширине 3,12 мм, толщине 0,26 мм. Внешний вид подсолнечной лузги представлен на рис.1.

1

Рисунок 1. Размер подсолнечной лузги.

Плотность лузги очень низкая и составляет 212 кг/м3 при 10% влажности [4]. В основном состав древесины включает целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин, экстрактивные вещества и некоторые минеральные вещества [5].

 В таблице 1 представлено процентное содержание компонентов в зависимости от породы дерева [6].

Таблица 1. Содержание основных компонентов древесины в зависимости от породы.

Компонент

Порода древесины

Хвойная

Лиственная

Содержание, масс. %

Содержание, масс. %

Целлюлоза

42-51

42-49

Гемицеллюлоза

27-40

24-30

Лигнин

18-24

25-30

Экстрактивные вещества

1-10

2-9

Зола

0,2-0,8

0,2-0,8

В плодовых оболочках подсолнечника находятся целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, а также клетчаточный каркас, обладающий сорбционными свойствами. Химический состав лузги может быть нестабильным в зависимости от сортовых особенностей и почвенно-климатических условий выращивания. В таблице 2 представлены сводные литературные данные по химическому составу лузги.

Таблица 2. Химический состав плодовых оболочек подсолнечника.

Состав

% масс.

Источник

Экстрактивные вещества

Экстрагируемые бензолом

1,1

[7]

Экстрагируемые водой

13,8

[8]

Органические вещества

Целлюлоза

20,0-67,0

[8-11]

Гемицеллюлоза

18,0-35,0

[9,10]

Холоцеллюлоза

62,5

[8]

Гексозаны

33,8

[7]

Пентозаны

26,0-32,0

[11]

Липиды

0,5-5,2

[12-14]

Лигнин

Метоксилы

Гидроксилы

23,0-35,0

[8]

Функциональные группы

Метоксильные группы

4,6-4,9

[7]

Карбоксильные группы

1,8

[15]

Целлюлоза и гемицеллюлоза являются скелетом. Соответственно значительная прочность достигается при высоком содержании целлюлозы [16]. Гемицеллюлоза же приводит к водопоглощению благодаря своим гидрофильным свойствам.

Авторы [17] отмечают, что содержание липидов в лузге обратно пропорционально доле целлюлозы. Согласно [18], содержание липидов в группе высокомасличных сортов колеблется в диапазоне от 2,7 до 2,8%. В состав липидов плодовой оболочки входят воскоподобные вещества, количество которых составляет от 0,28% до 2,34% от общей массы лузги [19-21].

Эти воскообразные вещества, покрывающие поверхность сельскохозяйственных отходов, таких как подсолнечная лузга, могут оказывать негативное влияние на процесс осмоления связующими при изготовлении композиционных материалов.

Чёрный слой, покрывающий внешнюю поверхность плодовой оболочки, является – фитомеланином, выступающем в роли защитного барьера семян. Он не имеет устойчивой структуры, а его состав точно не установлен [22].

Особенности подсолнечной лузги, как сырья для изготовления ДСП

Специфическая форма подсолнечной лузги, а именно форма лодочки, оказывает негативное воздействие на прочность готовых плит. Именно из-за этой формы могут образовываться участки микродефектов – пустот. Пустоты крупным планом показаны на рис.2.

2

Рисунок 2. Пустоты в плитном материале по типу ДСП.

Небольшие линейные размеры подсолнечной лузги, также не способствуют хорошим прочностным показателям.

Одним из ключевых факторов, определяющих физико-механические свойства древесных плит, является геометрия используемых частиц. По результатам поисковых исследований литературы было установлено, что эталонной длиной частиц считается диапазон 20-40 мм [23].Именно в этом диапазоне можно достичь хороших показателей прочности готовой продукции и исключить проблемы более длинных частиц, а именно от 40 мм при их осмолении.

Кроме того, толщина частичек также оказывает значительное влияние на физико-механические свойства древесных плит. С уменьшением толщины частиц увеличивается прочность плит, что обусловлено более эластичной структурой частиц и увеличением площади контакта между древесными частицами. А это в свою очередь способствует повышению прочности плит и уменьшению расхода связующего на единицу поверхности [24]. Таким образом, геометрические параметры сырья оказывают существенное влияние на физико-механические свойства древесных плит и должны учитываться при их производстве.

Выводы

По итогам изучения литературных данных и анализируя подведённые авторами итоги, можно выделить основные параметры, по которым возможно использование такого альтернативного вида сырья – подсолнечной лузги, но с учётом выявленных на стадии изучения факторов:

  1. Рассмотреть возможность химической ликвидации поверхностного (воскового) слоя для улучшения осмоления частиц.
  2. Необходимо изменить форму лодочки, придать ей более плоский вид, для устранения областей микродефектов и повышения прочностных показателей готовых плит.
  3. Использование подсолнечной лузги в качестве альтернативного сырья вместо древесины для производства композиционных плитных материалов, может привнести значительный экологический эффект и экономическую выгоду для предприятий.

Список литературы

  1. Sunflower hulls as a component of feeds / A. Robertiello, L. Angelini, L. Conte, F. Sciaraffia, P. L. Genevini, S. Pialorsi // Agricultural Wastes. – 1984. – Vol. 10. – Р. 257-266.
  2. Получение кормовых экструдатов на основе подсолнечной лузги / В. Г. Коротков, С. В. Кишкилев, С. Ю. Соловых, С. В. Антимонов // Технические науки – от теории к практике. – 2013. – № 18. – С. 124-131.
  3. González Matute, R. Sunflower seed hull based compost for Agaricusblazei Murrill cultivation / R. González Matute, D. Figlas, N. Curvetto // International Biodeterioration & Biodegradation. – 2010. – Vol. 64. – С. 742-747.
  4. Gamea G. R. Physical properties of sunflower seeds components related to kernel pneumatic separation //International Journal of Engineering & Technology. – 2013. – Т. 13. – №. 1. – С. 103-114.
  5. Терентьева Э. П., Удовенко Н. К., Павлова Е. А. Химия древесины, целлюлозы и синтетических полимеров: учебное пособие/ СПбГТУРП. -СПб., 2015 Ч. 2 – 83 с.
  6. Lohmann, U. Holzlexikon, 4th ed.; Nikol Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG: Hamburg, Germany, 2015.
  7. Справочник по производству древесностружечных плит / И. А. Отлев [и др.]. -2-е изд., перераб. и доп. - М. : Лесная промышленность, 1990.- 384 с.
  8. Wood handbook—Wood as an engineering material / D. Bender [et al.]. -Madison, WI: U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory. - 463 p.
  9. Волынский, В.Н. Технология стружечных и волокнистых древесных плит /В. Н. Волынский. — Таллинн : Дезидерата, 2004. 192 с.
  10. Курдюмова, В. М. Исследование и разработка технологии изготовления плит из стеблей хлопчатника: дис. ...канд. техн. наук: 05.21.05 /Курдюмова Валентина Мифодьевна. - Л., 1981. - 220 с/
  11. Turzyński Tomasz, et al. "Comparative analysis of pelletized and unpelletized sunflower husks combustion process in a batch-type reactor." Materials10 (2021): 2484.;
  12. Pandey, A. K. Phytomelanin in Compositae / A. K. Pandey, M. R. Dhakal // Current Science. – 2001. – Vol. 80, N 8. – P. 933-940.
  13. О структуре лузги и панцирности подсолнечника : отчет о НИР ВНИИЭМК / Ильина А. И. - Краснодар : Советская Кубань, 1958. – С. 129-132.
  14. Arromdee, P. A comparative study on combustion of sunflower shells in bubbling and swirling fludized-bed combustors with a cone-shaped bed / P. Arromdee, V. L. Kuprianov // Chemical Engineering and Processing. - 2012. - Vol. 62. - P. 26-38.
  15. Красильников, В. Н. О содержании воскообразных веществ в липидах лузги высокомасличного подсолнечника / В. Н. Красильников, В. П. Ржехин, Т. В. Карасев // Масло-жировая промышленность. – 1972. – № 3. – С. 17-19.
  16. Baharoğlu M. et al. Effects of anatomical and chemical properties of wood on the quality of particleboard //Composites Part B: Engineering. – 2013. – Т. 52. – С. 282-285.
  17. Щербаков, В. Г. Сорбционные свойства плодовой оболочки современного подсолнечника к растительном маслу и другим неполярным органическим жидкостям / В. Г. Щербаков, С. Ю. Ксандопуло, А. В. Александрова // Известия вузов. Пищевая технология. – 2003. – №5-6. – С. 27-30.
  18. Дублянская, Н. Ф. Состав и биохимические свойства околоплодника высокомасличных сортов подсолнечника / Н.Ф. Дублянская // Доклады Всесоюзной ордена Ленина Академии сельскохозяйственных наук им. В. И. Ленина. – 1967. – № 5. – С. 5-8.
  19. Щербаков, В. Г. Липиды лузги семян подсолнечника и их влияние на качество масла / В. Г. Щербаков, И. П. Кудинов // Масло-жировая промышленность. – 1967. – № 7. – С. 11-14.
  20. Красильников, В. Н. О содержании воскообразных веществ в липидах лузги высокомасличного подсолнечника / В. Н. Красильников, В. П. Ржехин, Т. В. Карасев // Масло-жировая промышленность. – 1972. – № 3. – С. 17-19.
  21. Изучение восков подсолнечных семян / В. П. Ржехин, В. Н. Красильников, Т. В. Карасева, Н. А. Недачина, Э. И. Горшкова // Масло-жировая промышленность. – 1968. – № 7. – С. 13-16.
  22. Pandey A. K., Dhakal M. R. Phytomelanin in compositae //Current Science. – 2001. – С. 933-940.; Kumar J. B., Kumar M. S. A general idea about phytomelanin layer in some Compositae //Indian Journal of Plant Sciences. – 2013. – Т. 2. – №. – С. 44-48.
  23. Модлин, Б.Д. Изготовление стружки для древесно-стружечных плит / Б.Д. Модлин, А.А. Хатилович. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 152 с.
  24. Грибенчикова, А.В. Материаловедение в производстве древесных плит и пластиков / А.В. Грибенчикова. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 120 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: