ГАЛКИН В.А.,
генеральный директор ООО «ЯТК АМО ЗИЛ»
КУХАРЕВ В.А.,
главный технолог
Композиционный или композитный материал, сокращенно композит, изготовленный человеком или созданный природой, состоит из двух или большего числа компонентов с различными физическими и химическими свойствами. Их различные сочетания позволяют создавать новые материалы со свойствами и характеристиками, которые отличаются от простой количественной суммы свойств исходных компонентов.
В композите принято выделять матрицу и наполнители, посредством которых осуществляют армирование матрицы. Примером является железобетон с металлической арматурой. В качестве матриц используются полимерные, металлические, керамические, древесные и технические тканые материалы. По структуре наполнителей композиты делятся на волокнистые, дисперсно-упрочнённые, упрочнённые частицами, нанокомпозиты и с пропиткой химическими веществами. Сочетание разных компонентов позволяет улучшить характеристики композитных материалов и делает их одновременно лёгкими и прочными. Это отличает композиты от смесей и затвердевших растворов. Варьируя составы матрицы, наполнителя и их соотношения, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу соответствующих конструкций при сохранении или улучшении их характеристик.
Ещё 1990-е годы в ООО «Ярцевская технологическая компания» (сейчас ООО «ЯТК АМО ЗИЛ») начались исследования по разработке и внедрению в промышленное производство новых композитных материалов из древесины. А более 20 лет назад были созданы первые установки для обработки древесины газообразным аммиаком.
Используемые для пропитки древесины химические вещества выполняют функцию армирования матрицы. Эти вещества, называемые функциональными добавками, реагируют с активированными карбамидом частями молекул лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы, которые и составляют древесное вещество. В результате реакции в древесной матрице создаётся новая пространственная армирующая сетка, обладающая большей плотностью и прочностью, строго ориентированная по текстуре целлюлозной объёмной сетки.
Применение этой технологии способствует увеличению биостойкости и прочности химически обработанной древесины и снижению её разбухания при эксплуатации. При этом также выявляется текстура древесины и изменяется ее цвет, в частности, берёза приобретает цвет орехового дерева, дуб – цвет морёного дуба, а ясень – красный цвет. Материал известен под торговой маркой Лигнамон. Он оказался востребованным для производства пожаробезопасного паркета, незначительно впитывает влагу и имеет привлекательный товарный вид.
После этого компания продолжала исследовать возможности улучшения свойств изделий из древесины и разрабатывать оборудование для их производства. Целью было получить новый материал с заданными физическими характеристиками и эксплуатационными свойствами, которые пожелает иметь в своём изделии заказчик. Эту проблему компания решила, и созданный новый материал назван «Древесный массивный материал с адаптивными физическими свойствами». В частности, он несгораем и влагостоек, его плотность составляет от 650 до 2000 кг/м3 (у обычной древесины от 350 до 850 кг/м3), следовательно, его удельная прочность превышает прочность сталей, при этом его биостойкость обеспечивает вековую продолжительность эксплуатации.
Технология производства нового материала основана на пропитке исходных заготовок древесины модификатором, то есть водным раствором карбамида с функциональными добавками, и последующую термообработку заготовок в автоклаве. Карбамид (синоним – мочевина, азотное удобрение) характеризуется синергией — способностью в несколько раз усиливать свойства добавок при незначительном их количестве. От номенклатуры и количества добавок зависят конечные свойства обработанной древесины. Процесс её обработки длится от 7 до 12 суток в зависимости от породы древесины и толщины заготовки, при затратах электроэнергии до 400 кВт *ч на кубометр. При этом проявляется ее текстура, а также изменяется цветовая гамма — от жёлтого, красного и коричневого цветов до чёрного. Разработаны способы окраски древесины в другие цвета и химическая защита от воздействия солнечных лучей. В качестве сырья применимы хвойные и лиственные породы деревьев. Технология позволяет производить обработку как массивной древесины любой толщины – бревен диаметром до 250 мм, так и пиломатериалов – бруса размерами до 200 х 200 мм, при неизменности их физических свойств.
Технология и новое промышленное оборудование для обработки древесины, на которые получен ряд патентов, испытывались и доводились до кондиции на опытно-промышленном участке компании. Технические испытания и сертификация проводились в ООО «Рустехэкспертиза». Ниже для примера приведены усредненные характеристики сосновых бревен, пропитанных раствором-модификатором, характеристики непропитанной сосны указаны в скобках:
— слабогорючая — класс Г1, — слабовоспламеняющаяся — класс В1, — слабораспространяющая пламя – класс РП1, — со слабой дымообразующей способностью – класс Д2 (эти характеристики из-за показателя дымообразования Д2 соответствуют классу пожароопасности КМ2, у обычной сосны – КМ4); — по токсичности — умеренно опасные – класс Т1;
— плотность 650 кг/м3 (520);
— влажность 4% (12%); — влагопоглощение за 30 суток – 14% (21,5)%; — разбухание за 30 суток — 3,5% (10,5%); — изгибная прочность — 130 МПа (82); — модуль упругости при изгибе — 20 ГПа (11,8); — прочность при скалывании — 8,5 МПа (6);
— потеря массы от древесных грибков — менее 5% (27%).
Новый материал при его производстве не выделяет вредных веществ в атмосферу. Так как срок службы изделий, изготовленных из него, вековой, это позволяет сократить вырубку лесов, используя при этом все породы древесины, а не только деловые. Леса, как известно, поглощают вредные газы и выделяют кислород. Применяемые для обработки древесины вещества — карбамид и другие добавки модификатора тоже экологически безвредны. Поэтому изделия, изготовленные из нового материала, — мебель, кухонная утварь и др., пригодны для применения в жилых помещениях
Помимо производства массивных древесных материалов путем пропитки их модификатором, компания производит древесные плиты переработкой отходов деревообработки в виде щепы и опилок, их пропиткой тем же модификатором с последующим экструдированием. Экструдирование (экструзия) – это способ получения продуктов (экструдатов) путем образования из исходного сырья под действием высокой температуры и давления их вязкого расплава и его последующего продавливания шнеком (стержень со сплошной винтовой поверхностью вдоль продольной оси) через формующее устройство с отверстиями. Механизм подобен мясорубке. Экструдированию можно подвергать практически любое сырье, в частности, опилки из древесных отходов, которое под действием температуры, давления и воздействия модификатора превращается в пластичную массу.
Пропитанные раствором опилки просушиваются, и затем под воздействием высокой температуры и давления прессуются в плиты. Однако производительность их изготовления низкая и эффективен этот способ только при изготовлении крупногабаритных плит размером более 3х5 метров. Для этого разработана технология экструзии отходов при повышенной температуре с уплотнением и профилированием изделий. Производительность экструдирования — более 5 м2/мин, ширина изделия — до 1,2 м, плотность нового материала от 650 до 800 кг/м3, геометрия изделия ограничена профилем фильеры – формирующего устройства с отверстиями для выдавливания вязкой массы.
Класс эмиссии вредных веществ нового материала – Е0, то есть выделение токсинов составляют менее 0,04 мг на 100 грамм изделия. Достоинства этого способа очевидны: опилки малоценны, модифицирующий раствор пропитывает их за малое время и не требует специального смешивающего оборудования, да и стоимость химикатов составляет проценты от стоимости дорогих смол или органических наполнителей для экструдирования, например, древесно-полимерных композитов. Материал древесных плит запатентован.
Широкое производство древесных материалов с адаптивными физическими свойствами могло бы за небольшой промежуток времени решить проблемы деревообрабатывающей промышленности и домостроения Дальнего Востока, Приморья, Хабаровского края и Амурской области. На этих территориях находится около 50% лесов России. Так как за последние десятилетия деревопереработка там была сосредоточена только на лесопилении и отправке брёвен в Китай, введение ограничений по экспорту кругляка негативно повлияло на местную лесодобычу. Внедрение там новой технологии позволит эффективно решить назревшие проблемы.
Древесина с адаптивными физическими свойствами, которые можно регулировать в соответствии с техническими требованиями её заказчика, имеет большой экспортный потенциал. В то же время «распиаренная» в мире ацетилированная древесина марки Accoya (Нидерланды), обработанная уксусным ангидридом, имеет строго определённые свойства. При этом один кубометр российской адаптивной по свойствам древесины в коммерческом (среднем) варианте стоит 100 тысяч рублей, а древесины марки Accoya идёт в ценовом промежутке от 2,5 тысяч до 5 тысяч евро.
Помимо низкой стоимости новой отечественной древесины нами предлагается экономически выгодная логистическая модель ее распределенной во времени обработки и транспортировки. Модули по пропитке исходных заготовок в виде брёвен предлагается обрабатывать в местах, где расположены лесопилки и запасы леса. Бревна после пропитки не трескаются и не гниют, и могут долго храниться на открытых площадках в штабелях. Затем пропитанные брёвна транспортируются на территории расположения железных дорог и электростанций, так как последующая термообработка является энергетически затратной частью техпроцесса. После неё уже глубоко переработанные брёвна могут быть отправлены, допустим, в тот же Китай, но уже по цене, которая предполагает большую маржинальную составляющую.
При этом общие капзатраты окажутся сравнительно небольшими. Одна пропитывающая установка стоит порядка 17 млн. рублей и позволяет обрабатывать в сутки до 15 кубометров древесины. Термообрабатывающая установка стоит примерно 14 млн. рублей и на десяти таких установках можно получить до 3600 кубометров обработанной древесины в год. Одна пропитывающая установка обеспечит работу на месяц до 10 установок термообработки. Это составит производственный модуль производительностью 300 кубометров в месяц, который будут обслуживать круглосуточно посменно 10 рабочих. Модуль полностью автоматизирован и допускается его дистанционное управление, ручной является только загрузка-выгрузка бревен и готовой продукции.
Стоимость создания предприятия в виде одного модуля оценивается в 200 млн. рублей по сегодняшним ценам. Если учесть, что расход химикатов на кубометр древесины составляет сегодня около 2500 рублей, себестоимость одного кубометра древесины с адаптивными физическими свойствами не превысит 50-52 тысяч рублей. Тогда чистая прибыль составит 130 миллионов рублей в год, и производство окупится за два, максимум за 2,5 года. Размещение пропиточных установок на удаленных лесодобывающих территориях позволит создать новые рабочие места в деревнях и даст дополнительный импульс развития лесопромышленному комплексу.
Сейчас доля лесопромышленного комплекса в ВВП страны составляет 0,9%. Между тем у России имеется 21% мировых запасов леса, готовых к переработке, а добывают и перерабатывают только 5%, тогда как США располагают 8% мировых запасов, но перерабатывают до 46%. Мы не скоро создадим новое производство сушилок и деревообрабатывающих станков нового поколения, а вот часть производства автоклавов у нас ещё сохранилась. Все это нужно для созданных нами новых технологий. Мы связались с 11 заводами по выпуску автоклавов, как в России, так и в Белоруссии, и пришли к выводу, что сегодня ни один из них не может выполнить предлагаемую нами программу по их выпуску в объёме, который необходим для выполнения проекта. Поэтому нужно создать либо кооперацию этих предприятий или построить завод нового технологического оборудования.
Говоря про число необходимых автоклавов, мы руководствовались следующими соображениями. Добыча древесного сырья в России составляет в среднем 200 миллионов кубометров в год. Если хотя бы половину этих запасов перенаправить для производства древесины с адаптивными физическими свойствами, то понадобится более 20 тысяч автоклавов, производство которых в таком количестве будет способствовать подъёму металлургии и машиностроения в стране. Для производства 100 миллионов кубометров древесины с адаптивными характеристиками необходимо восемь миллионов тонн карбамида. Его получают из природного газа, следовательно, увеличится потребление газа внутри страны, а химическая промышленность получит дополнительный импульс к развитию.
Древесина с адаптивными физическими свойствами имеет высокую прочность, не горит и незначительно разбухает при воздействии влаги, а, следовательно, она станет важным конструкционным материалом для строительства. Сейчас разрабатываются строительные нормы и правила для многоэтажных деревянных домов, и мы готовы сотрудничать с разработчиками этого направления. Как строительный материал древесина с адаптивными физическими свойствами будет востребована при дальнейшем освоении Арктики, в зонах подтопления, вблизи береговых линий и др.
Производство новой древесины – долгосрочное и выгодное вложение капитала. Спрос на модифицированную древесину по данным ВТО в мире растёт на 9,8% в год. Так в Германии ее доля в 2019 году составляла 40% от использованной в стране. Следует учесть, что ресурсы деловой древесины резко сокращаются, а технология изготовления древесного материала с адаптивными физическими свойствами пока единственная, которая позволит использовать неделовой лес. Заметим, что рост производства пиломатериалов в России в основном направлен на экспорт. Если раньше Китай в основном закупал лес-кругляк, то в настоящее время его больше интересуют пиломатериалы, особенно стойкие к биоповреждениям.
Наша компания запланировала строительство на своей территории комплекса для производства изделий из нового древесного материала с адаптивными физическими свойствами. Запланировано также строительство цеха по экструдированию опилок из древесных отходов и производству плит по новой технологии. Оборудование предполагается закупать непосредственно у его производителей. Остается актуальной и обработка пиломатериалов из древесины с ее пропиткой аммиаком, и изготовление необходимого для этого оборудования. Внедрение всех этих производств предполагается осуществить совместно с инвесторами, которых мы сейчас подыскиваем.
Предлагаемые новые промышленные технологии позволят решить многие проблемы лесодобывающего комплекса и деревообрабатывающей промышленности. Они будут способствовать глубокой переработке древесины и, тем самым, эффективному лесосбережению.
