Пожаробезопасные и пригодные для вторичной переработки опилки, разработанные швейцарскими и итальянскими исследователями.
Новый материал из древесных отходов обещает высокую огнестойкость и полное восстановление компонентов.
Перерабатываемые огнеупорные опилки могут стать конкретным решением для строительства благодаря новому композиту, разработанному исследователями из ETH Zurich, Empa и Туринского политехнического института, опубликованному в журнале. Химическая замкнутостькоторый превращает широко сгоревший побочный продукт в конструкционный, огнестойкий и полностью восстанавливаемый материал.
Исследование показывает, что опилки можно скрепить минеральным связующим на основе струвита, в результате чего получаются панели с прочностью на сжатие до 4,7 МПа, временем воспламенения 51 ± 1 секунда и пиковым тепловыделением 118 ± 2 кВт/м².
Этот подход является ответом на структурную проблему в цепочке поставок древесины. Миллионы тонн опилок в настоящее время используются для сжигания с целью рекуперации энергии, что приводит к выбросам CO₂ и потерям сырья.
Вместо этого новый процесс позволяет сохранить его в круговороте материалов, снижая воздействие на окружающую среду и предлагая альтернативное решение традиционным композитам на основе ископаемого топлива.
Как получить пригодные для вторичной переработки огнеупорные опилки
Суть технологии – использование струвита – фосфата аммония-магния – в качестве минерального связующего. Материал не просто добавляется в опилки, а формируется непосредственно внутри них путем контролируемого химического превращения. Исследователи объясняют в Chem Circularity, что уреолитические белки, извлеченные из семян арбуза, можно использовать для управления кристаллизацией минерала, позволяя расти крупным кристаллам, которые внедряются в древесные волокна.
Этот процесс позволяет нам преодолеть ограничения традиционных связующих. Полимеры, полученные из ископаемых источников, не подлежат вторичной переработке и могут образовывать микропластик. С другой стороны, традиционные минеральные вяжущие требуют высоких температур производства и их трудно восстановить. Предлагаемое решение сочетает в себе обе потребности: низкую энергоемкость и полную возможность вторичной переработки.
В результате получается гибридный материал, в котором минеральная фаза распределена однородно, обволакивает частицы опилок и создает механическое соединение, гарантирующее прочность даже при пониженном содержании связующего, равном примерно 0,65 по массе по сравнению с опилками.
Механическая стойкость и огнестойкость
Механические испытания выявили прочную и анизотропную структуру. В образцах с высокой плотностью, равной примерно 780 кг/м³, прочность на сжатие достигает значений от 3 до 4,5 МПа, при этом характеристики сравнимы или превосходят твердую древесину в некоторых направлениях нагрузки.
Но наиболее важные данные появляются именно в области пожарной безопасности. Материал демонстрирует минимальную склонность к воспламенению, потеря массы при прямом воздействии пламени составляет менее 1%. В ходе испытаний на принудительное горение в композите быстро образуется обугленный слой, который снижает теплопередачу и ограничивает распространение пламени.
Время возгорания, равное более 50 секундам, более чем в три раза превышает время воспламенения необработанной древесины, в то время как выделение дыма остается ограниченным, с общим уровнем выбросов 74 ± 4 м²/м².
Во время испытаний на проникновение пламени температура открытой поверхности достигает примерно 900°C, но противоположная сторона панели остается ниже 30°C в течение более 5 минут, что является признаком высокой изоляционной способности.
Согласно статистическому анализу, проведенному на основе калориметрических данных, материал может относиться к классу пожарной реакции Еврокласса B, характерному для продуктов с ограниченной горючестью.
Возможное применение в экономике замкнутого цикла
Одним из центральных аспектов проекта является возможность полного восстановления минерального вяжущего. По окончании срока службы панели можно измельчить и обработать при температуре примерно 103°C, разлагая струвит на аморфный фосфат магния. Затем материал растворяется и перекристаллизовывается в небериит, который можно повторно использовать для производства новых композитов без потери характеристик.
Испытания показывают, что переработанные материалы сохраняют прочность на сжатие примерно 4,45 МПа, что соответствует исходным образцам.
Такая способность к восстановлению отличает новый композит от традиционных цементных панелей, которые содержат до 60-70% цемента и трудно поддаются вторичной переработке. С другой стороны, в материале на основе струвита используется около 40% связующего, что делает его легче и с потенциально меньшим выбросом углекислого газа.
Перерабатываемые огнеупорные опилки, в том числе для строительного сектора.
Механические характеристики и огнестойкость делают материал пригодным для внутреннего применения, например, для изготовления перегородок и облицовки. Сочетание огнестойкости и экологичности делает его одной из возможных альтернатив композитным материалам, используемым в настоящее время в строительстве.
Еще один элемент интереса касается ресурсного цикла. Струвит также можно получить на очистных сооружениях, где он образуется в качестве побочного продукта. Это открывает возможность интеграции материала в более крупные круговые цепочки поставок, связывая строительство и управление отходами.
Пределы и перспективы
В исследовании также освещаются некоторые важные проблемы. Стоимость струвита на сегодняшний день остается выше традиционных связующих. Крупномасштабное распространение будет зависеть от наличия альтернативных источников и возможности интеграции потоков промышленного восстановления.
В качестве следующих шагов исследователи указывают оптимизацию производственного процесса и проверку в промышленном масштабе. Целью является проверка экономической конкурентоспособности и фактической применимости в строительном секторе.