Технология химической переработки биомассы в композиционные полимерные материалы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Г. М. Бикбулатова

А. В. Князева

М. В. Слобожанинова

ТЕХНОЛОГИЯ ХИМИЧЕСКОЙ 

ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ 

В КОМПОЗИЦИОННЫЕ 

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2020

УДК 674.81-419(075)
ББК 37.133.6я7

Б60

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук Е. Ю. Разумов 
канд. техн. наук А. З. Халитов

Б60

Бикбулатова Г. М.
Технология химической переработки биомассы в композиционные по-
лимерные материалы : учебное пособие / Г. М. Бикбулатова, 
А. В. Князева, М. В. Слобожанинова; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 144 с.

ISBN 978-5-7882-2861-7

Изложены инновационные решения в области технологии производства по-

лимерных композиционных материалов, реализация которых позволяет повысить 
качественные показатели изготовляемой продукции, экономическую и экологи-
ческую эффективность технологического процесса. Представлены новые резуль-
таты обширных экспериментальных исследований и их научное обоснование.

Предназначено для магистров, обучающихся по направлению подготовки 

18.04.01 «Химическая технология».

Подготовлено на кафедре химической технологии древесины.

Издано в рамках гранта благотворительного фонда Владимира Потанина.

ISBN 978-5-7882-2861-7
© Бикбулатова Г. М., Князева А. В., 

Слобожанинова М. В., 2020

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 674.81-419(075)
ББК 37.133.6я7

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................6

1. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ 
ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..................................................8

1.1. Современные сведения о полимерных 
композиционных материалах ..................................................................9

1.1.1. Краткая история композиционных материалов........................9

1.1.2. Обобщенная информация о полимерных 
композиционных материалах.............................................................. 11

1.1.3. Использование наполнителей для создания 
полимерных композитов......................................................................14

1.1.4. Влияние пластификаторов на свойства полимеров................18

1.1.5. Полимерные смеси.....................................................................21

1.2. Современные методы анализа структуры и свойств 
полимерных материалов и композитов ................................................25

1.2.1. Внешний вид...............................................................................25

1.2.2. Механические испытания.......................................................... 26

1.2.3. Систематический анализ полимеров по 
аналитическим группам.......................................................................27

1.2.4. Анализ полимерных композиционных материалов 
методом ИК-спектроскопии................................................................ 31

1.2.5. Анализ полимерных материалов 
по продуктам разложения....................................................................35

2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ 
ДРЕВЕСИНЫ ............................................................................................. 37

2.1. Технология производства ДВП ......................................................37

2.1.1. Виды и характеристика сырья ..................................................37

2.1.2. Характеристика готовой продукции ........................................39

2.1.3. Принципиальная технологическая схема изготовления 
древесно-волокнистых плит................................................................ 41

2.1.4. Технология производства ДВП мокрым способом ................44

2.1.5. Технология производства ДВП сухим способом....................49

2.1.6. Технология производства МДФ ...............................................53

2.2. Технология производства ДСтП.....................................................56

2.2.1. Характеристика применяемого сырья......................................56

2.2.2. Характеристика готовой продукции ........................................57

2.2.3. Технологический процесс производства 
древесно-стружечных плит ..................................................................58 

2.3. Фанера. Виды фанеры......................................................................63

2.3.1. Технология производства лущеного шпона............................ 64

2.3.2. Технология производства строганого шпона.......................... 66

2.3.3. Технология производства фанеры............................................68

2.3.4. Древесно-слоистые пластики (ДСП)........................................70

2.4. Массы древесные прессовочные (МДП) .......................................71

2.5. Виды древесно-цементных материалов.........................................74

2.6. Композиции древесно-клеевые ......................................................77

3. ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ.......................................................79

3.1. Предмет и задачи промышленной экологии.................................79

3.2. Производство и окружающая среда ............................................82

3.2.1. Основные свойства системы «химическое 
производство – окружающая природная среда»............................ 82

3.2.2. Воздействие химического производства на окружающую 
природную среду..................................................................................84

3.2.3. Основные факторы окружающей  природной среды.............86

3.3. Общие положения о производственном процессе .......................88

3.3.1. Химическое производство и химико-технологический 
процесс...................................................................................................90

3.3.2. Показатели эффективности химического производства и 
химико-технологического процесса...................................................92

3.4. Химико-технологическая система .................................................95

3.4.1. Химико-технологический процесс  как химико-
технологическая система.....................................................................95

3.4.2. Сырьевые ресурсы химико-технологической системы .........99

3.4.3. Энергетические ресурсы 
химико-технологической системы ...................................................117

3.4.4. Отходы производства...............................................................122

3.5. Взаимодействие производства  и окружающей среды ..............125

3.5.1. Классификация и основные характеристики 
загрязнения окружающей среды.......................................................126

3.5.2. Классификация и краткая характеристика методов 
охраны окружающей среды...............................................................130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................137

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................139

В В Е Д Е Н И Е

Научно-технический прогресс в строительной отрасли предполагает 

применение новых и эффективных строительных материалов с различ-
ным комплексом свойств, различного назначения.

В течение длительного времени основными строительными мате-

риалами были древесина, керамика, сталь, бетон и железобетон. С раз-
витием научно-технического прогресса и строительной индустрии 
в строительную практику во второй половине XX века стали интенсивно 
внедряться новые материалы – композиционные строительные матери-
алы, без которых сегодня неосуществимо строительство большинства 
объектов промышленного, гражданского и жилого комплексов. Компо-
зиты активно вошли в нашу жизнь и заменили традиционные материалы 
в строительстве, энергетике, транспорте, электронике и других сферах 
деятельности.

Композиционные материалы – это материалы из двух, трех и более 

разнородных фаз (веществ) в одном объеме. Они однородны в макромас-
штабе, но гетерогенны в микромасштабе. Вследствие рационального со-
четания нескольких исходных компонентов образуются новые матери-
алы с заданными свойствами, не присущими исходным компонентам, но 
сохранившие в то же время индивидуальные особенности каждого из них.

Цель создания композиционных строительных материалов – улуч-

шение тех или иных свойств по сравнению с такими свойствами исход-
ных компонентов, как механические, теплофизические, а также химиче-
ская стойкость, долговечность и т. п., или снижение себестоимости мате-
риалов, в том числе и за счет применения различных отходов.

К композиционным строительным материалам можно отнести: рас-

творы, бетоны, керамику, мастики, клеи, замазки, лакокрасочные матери-
алы, стеклопластики и другие искусственные многокомпонентные мате-
риалы. Идея создания композиционных материалов не нова. Так, напри-
мер, издавна в строительстве применяют материал – саман, состоящий из 
глины и соломы. В этом материале глина служит в качестве связующего 
вещества (матрицы), а солома – в качестве упрочняющей арматуры.

В строительстве давно уже используют такой композиционный ма-

териал, как асбестоцемент, в котором в качестве матрицы выступает це-
мент, а в качестве арматуры – волокнистый природный материал асбест.

С развитием химической промышленности появилась возмож-

ность создания новых композиционных строительных материалов –

полимербетонов. В таких материалах в качестве связующего приме-
няют различные синтетические смолы, позволяющие значительно 
улучшить ряд основных свойств по сравнению с традиционными бето-
нами на минеральных вяжущих. При этом следует отметить, что вслед-
ствие высокой себестоимости таких материалов область их применения 
определяется исходя из технико-экономического обоснования.

В настоящее время к числу композиционных материалов принято 

относить сравнительно небольшую группу материалов, в частности бе-
тоны, полимеры, органопластики, древесно-композиционные матери-
алы, стеклопластики, углепластики, боропластики, текстолиты, компо-
зиционные материалы с металлической матрицей и композиционные 
материалы на основе керамики. Отличие большинства композиционных 
материалов от традиционных состоит в том, что процесс их получения 
может быть совмещен с процессом изготовления изделия. Стратегия 
устойчивого развития России предполагает планомерный, стабильный 
экономический рост страны с учетом рационального использования 
природных ресурсов и сохранения благоприятной окружающей 
среды для настоящего и будущих поколений людей.

Также в учебном пособии формируется экологическое мировоззрение 
будущих магистров, которое позволит им профессионально анализировать 
и оценивать собственную производственную деятельность 
в отношении к окружающей природной среде и принимать экологически 
обоснованные решения.

Работа издана в рамках гранта благотворительного фонда Владимира 
Потанина.

7

1 . И Н Н О В А Ц И О Н Н Ы Е  Т Е Х Н О Л О Г И И  И  М Е Т О Д Ы  

И З Г О Т О В Л Е Н И Я  И  И С С Л Е Д О В А Н И Я  П О Л И М Е Р Н Ы Х  

К О М П О З И Ц И О Н Н Ы Х М А Т Е Р И А Л О В

Благодаря особым свойствам, присущим только полимерным композиционным 
материалам (ПКМ), с применением их в машинострое-
нии открываются широкие конструктивно-технологические возможно-
сти для создания машин и аппаратов на более высоком техническом 
уровне. Многие ПКМ, являясь самостоятельными конструкционными 
материалами, с большим успехом вытесняют как цветные, так и черные 
металлы.

Композиционные материалы на основе эпоксидных олигомеров 

находят широкое применение в различных областях техники за счет хо-
рошей адгезии ко многим материалам, высоких механических показа-
телей, превышающих показатели других конструкционных материалов, 
водо- и химической стойкости, низкой линейной усадки и отсутствия 
низкомолекулярных продуктов отверждения, а также ряда других 
свойств. При этом особого внимания заслуживают стеклопластики, ко-
торые представляют собой термореактивную пластмассу, состоящую 
из синтетической смолы со стекловолокнистым наполнителем. Высо-
кая удельная прочность в сочетании с хорошей химической стойкостью 
по отношению ко многим агрессивным средам открывает возможности 
использования стеклопластиков в различных отраслях промышленно-
сти, в частности в центробежных компрессорных машинах, обслужива-
ющих различные химические производства.

Несмотря на многообразие способов получения деталей и изделий 

из стеклопластиков, применение их в качестве конструкционного мате-
риала часто ограничивается достигнутым уровнем их прочностных 
свойств, которые, в свою очередь, лимитируются несовершенством тех-
нологического процесса и нестабильностью свойств полимерных свя-
зующих. Очень часто имеют место механические повреждения деталей 
наиболее нагруженных узлов энергетических машин, таких как рабочие 
лопатки, диски и т. д. Модифицированные эпоксидные материалы об-
ладают лучшим комплексом свойств по сравнению с исходными, по-
этому такие материалы более востребованы промышленностью, не-
смотря на более высокую стоимость.

Таким образом, задача разработки новых технологических реше-

ний с целью повышения прочностных свойств ПКМ является 

актуальной, и ее решение позволит повысить качество конечной про-
дукции, производительность и экономическую эффективность техноло-
гического процесса ее изготовления.

1 . 1 . С о в р е м е н н ы е  с в е д е н и я  о  п о л и м е р н ы х  

к о м п о з и ц и о н н ы х  м а т е р и а л а х

1 . 1 . 1 . К р а т к а я  и с т о р и я  к о м п о з и ц и о н н ы х  

м а т е р и а л о в

История возникновения искусственных композиционных матери-

алов восходит к истокам цивилизации, когда человек начал сознательно 
конструировать новые материалы. Первые упоминания об армирован-
ных строительных материалах можно найти в Библии. В Египте и Ме-
сопотамии строили речные суда из тростника, пропитанного битумом 
(прототип современных стеклопластиковых лодок и тральщиков). Из-
готовление мумий в Египте можно считать первым примером исполь-
зования метода ленточной намотки (мумии обматывались лентой из 
ткани, пропитанной смолой). Все это происходило за тысячелетия до
новой эры. Таким образом, история полимерных композитов чрезвы-
чайно стара. Однако настоящий бум в современном полимерном мате-
риаловедении начался в конце первой половины XX века, когда появи-
лись хорошие прочные и легкие стеклопластики и из них начали делать 
планеры, а затем и многое др.

Полимерное 
материаловедение, 
развивающееся 
на 
базе 

фундаментальных наук о полимерных композициях, таких как химия, 
физика, физическая химия и механика, выделилось в настоящее время 
в самостоятельный раздел общего материаловедения. Значительно 
повысилась
роль 
полимерных 
материалов 
различных 
типов: 

конструкционных пластиков, резин, защитных покрытий, волокон 
пленок, клеев, компаундов, герметиков – в современной технике 
и быту.
Успешному 
развитию 
современных 
полимерных 

композиционных 
материалов 
(ПКМ) 
содействовали 
разработка 

и применение 
в 
конструкциях 
волокнистых 
стеклопластиков, 

обладающих высокой удельной прочностью (1940–1950 гг.); открытие 
весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, 
нитевидных кристаллов и доказательство возможности использования 
их для упрочения металлических и неметаллических материалов
(1950–1960 гг.); разработка новых армирующих материалов –
высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, 
углерода, А12О3, SiC и волокон других неорганических тугоплавких 
соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960–1970 гг.).

Период 1974–1978 гг. явился началом нового этапа в развитии 

ПКМ, армированных волокнами. В области материаловедения это характеризуется 
завершением изучения «простых» механических свойств 
ПКМ, созданием методик исследований и испытаний, разработкой теоретических 
основ механического поведения материалов и переходом 
к стадии широкого комплексного исследования служебных характеристик 
композиционных материалов при сложных схемах нагружения 
с учетом наличия концентраторов напряжений и при совместном влиянии 
механических, эксплуатационных и климатических факторов.

В области технологии проведены разработки технологических 

процессов изготовления типовых деталей из композиционных материалов. 
Наметился переход к созданию специализированного технологического 
оборудования. Задачами на этом этапе явилось создание научных 
основ технологии и разработка способов управления процессом 
формирования качественных изделий из композиционных материалов, 
завершение работ по созданию высокопроизводительного оборудования 
для изготовления и переработки композиционных материалов.

В области проектирования деталей и узлов из композиционных 

материалов этот этап характеризуется преодолением у конструкторов 
«психологического барьера» недоверия к новым материалам, началом 
разработки принципов оптимального проектирования конструкции из 
композитов, 
инженерных 
методов 
расчета 
конструкций 

с использованием композиционных материалов. В информационной 
области наблюдается переход к изданиям обобщающего типа. 
Таковыми являются, например, энциклопедия по композиционным 
материалам, 
справочник 
по 
методам 
испытаний, 
свойствам 

и применению композиционные материалы и др. В эти годы появилось
несколько 
специализированных 
журналов 
по 
композиционным 

материалам: 
Journal 
Composites 
Materials 
(США),
Composites,

Reinforced Plastics (Великобритания), Transactions of the Japan Society 

for Composite Materials (Япония), «Конструкции из композиционных 
материалов», «Механика композиционных материалов» (Россия).

1 . 1 . 2 . О б о б щ е н н а я  и н ф о р м а ц и я  о  п о л и м е р н ы х  

к о м п о з и ц и о н н ы х  м а т е р и а л а х

Полимерными композиционными материалами (ПКМ) называются 
материалы, в которых в качестве матрицы используются различные 
полимеры (связующие), при этом второй упрочняющий элемент 
(наполнитель) может иметь любую природу, в том числе и полимерную. 
Компоненты ПКМ обладают четкой границей раздела фаз, а свойства 
ПКМ образуются объемным сочетанием компонентов и существенно 
отличаются от свойств каждого из них.

С целью создания материалов с заданными свойствами базовые 

полимеры смешивают с другими веществами. Как правило, современные 
полимерные материалы являются многокомпонентными системами, 
в которых наряду с полимерной основой присутствуют различные 
добавки. Содержание добавок в полимерной композиции может изменяться 
в очень широких пределах. В зависимости от поставленной 
задачи, вида добавки и природы полимера оно может составлять от долей 
процента до 95 %. Введением добавок можно изменять физико-механические, 
теплофизические, оптические, электрические, фрикционные 
и другие эксплуатационные характеристики исходного (базового) 
полимера.

Направленное изменение свойств базового полимера достигается 

путем введения следующих добавок:

– наполнителей для упрочнения и (или) удешевления материала;
– пластификаторов для улучшения технологических и эксплуатационных 
свойств;

– стабилизаторов для повышения технологической и эксплуатационной 
стабильности;

– фрикционных и антифрикционных добавок;
– добавок, регулирующих теплопроводность и электропровод-

ность;

– антипиренов, снижающих горючесть;

– фунгицидов, повышающих устойчивость к воздействию микро-

организмов;

– добавок, регулирующих оптические свойства;
– антистатиков;
– добавок, создающих ячеистую структуру, и др.
Выбор тех или иных добавок для создания композиции, отвечаю-

щей определенным требованиям, связан с их влиянием на ее свойства. 
Добавки могут присутствовать в полимерной композиции в виде новой 
фазы или термодинамически совмещаться с полимерной основой, не 
изменяя ее фазовой структуры. Чаще всего добавки образуют свою, 
собственную фазу, превращая полимерную композицию в гетерофаз-
ную систему. Материалы, состоящие из нескольких компонентов 
и имеющие гетерофазную структуру с поверхностью раздела фаз, назы-
ваются композитами. 

Композиты, или композиционные материалы, могут создаваться 

на полимерной, металлической и керамической основах. Композицион-
ные материалы, имеющие полимерную непрерывную фазу, являющу-
юся матрицей, и одну или несколько дисперсных фаз, называются по-
лимерными композитами.

На базе одного полимера можно создать большое количество раз-

личных композитов. Их разнообразие определяется химической приро-
дой, размерами, формой и количеством дисперсной фазы, а также ха-
рактером взаимодействия фаз на границе раздела. Дисперсная фаза 
в полимерном композиционном материале может быть твердой (в виде 
порошка или волокон), жидкой или газообразной. Кроме того, суще-
ствуют полимерные композиты, представляющие собой смеси термо-
динамически несовместимых полимеров.

Возможности создания композитов практически неисчерпаемы, 

поскольку велико число сочетаний, которые можно образовать
из огромного количества компонентов, пригодных для их получения. 
Причем это количество сочетаний следует еще умножить на число раз-
личных структур компонентов, которые можно получить, управляя их 
формированием путем изменения технологии изготовления материа-
лов. Нетрудно представить, что и свойства различных композиционных 
материалов изменяются в зависимости от их состава и структуры в ши-
роких пределах, позволяя
материаловедам конструировать материалы 

с учетом решаемых задач.

Непрерывная матрица воспринимает внешние нагрузки и передает 

их частицам второй фазы. Одновременно матрица останавливает рост 

трещин, появляющихся при разрушении волокон за счет относительно 
высокой пластичности или местного отслоения волокна от матрицы. 
Функция матрицы – перераспределить напряжения между соседними 
волокнами и остановить рост трещин, появляющихся при разрушении 
волокон. Последнее достигается за счет пластических деформаций матрицы 
или местного отслоения волокон от матрицы.

Матрица защищает также наполнитель от вредного воздействия 

окружающей среды, в первую очередь от влаги. При водопоглощении 
на уровне 5–8 % массы прочность и модуль упругости снижаются на 
15–20 %, а теплостойкость Тс – на 50–100 °С. При выборе матрицы следует 
уделять внимание соотношению свойств матриц и наполнителей, 
что определяет вязкость разрушения, трещинностойкость и монолитность 
ПКМ.

Применяемые в настоящее время связующие для ПКМ можно 

классифицировать следующим образом:

а) по величине молекулярной массы: мономеры, олигомеры, полимеры (
ММ свыше 104);

б) по характеру химических превращений в процессе формования:

термопластические (без изменения химического строения), термореак-
тивные (претерпевающие химическое сшивание молекул) и их смеси;

в) по механизму реакций, приводящих к формированию простран-

ственной структуры: полимеризационные (ненасыщенные полиэфиры, 
малеинаты, акрилаты и т. д.); поликонденсационные (феноло-формаль-
дегидные, кремнийорганические, карбамидные и др), по реакции по-
липрисоединения (эпоксидные, полиуретановые и т. д.); по реакции 
циклотримеризации (полибензоксазолы, полибензтиазолы и др.);

г) по форме использования: растворы (в том числе смеси), рас-

плавы (в том числе смеси), смеси, дисперсии (суспензии, эмульсии, ла-
тексы), пленки, волокна; порошки.

ПКМ с полимерной матрицей, армированной высокомодульными и 

высокопрочными волокнами, в последние годы прошли стадию апробиро-
вания в различных изделиях современной техники и вступили в стадию 
широкого внедрения. Расширение внедрения ПКМ несколько сдержива-
ется недостаточностью знаний по влиянию комплекса внешних воздей-
ствий на работоспособность конструкций из ПКМ. Таким образом, основ-
ной задачей в ближайшие годы будет повышение эксплуатационной 
надежности и работоспособности ПКМ с полимерной матрицей при ком-
плексном воздействии эксплуатационных и климатических факторов (тем-
пературы, влажности, атмосферного электричества, солнечной радиации,