Композиты на основе полиэтилена высокой плотности и измельченных стеблей подсолнечника
Композиты на основе полиэтилена высокой плотности и измельченных стеблей подсолнечника
Аннотация
Площадь посевов подсолнечника на территории РФ составляет более 9000000 га. В результате его промышленной переработки остается большое количество отходов (лузги, стеблей), часть из которых можно использовать в качестве наполнителей при получении полимерных композитов. Настоящая работа посвящена исследованию свойств композитов на основе полиэтилена высокой плотности и измельченных стеблей подсолнечника. В результате исследования установлено, что введение этого типа наполнителя приводит к снижению твердости, прочности при изгибе, ударной вязкости, и повышению плотности, пластичности и водопоглощения. Определены закономерности влияния содержания наполнителя на приведенные показатели. Преимуществом рассматриваемых материалов является высокая ударная вязкость. Композит, содержащий 20 мас. %, характеризуется показателем ударной вязкости равным 25,3 кДж/м2.
1. Введение
Древесно-полимерный композит (ДПК) – материал, объединяющий лучшие свойства древесины и термопластичных полимеров . Характеристики композита определяются сочетанием свойств полимера и древесного наполнителя. В качестве полимерной матрицы ДПК обычно используют полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), реже поливинилхлорид (ПВХ) и полипропилен (ПП). В качестве наполнителя чаще всего используется древесная мука , .
Высокая стоимость изделий из ДПК является причиной, сдерживающей их производство и потребление. Снижение стоимости ДПК возможно при использовании более дешёвых наполнителей. В настоящее время внимание исследователей обращено на различные малоиспользуемые отходы лесного и сельского хозяйства , . Перспективным для применения в качестве наполнителей для ДПК видом лигноцеллюлозных отходов является фитомасса подсолнечника.
Подсолнечник однолетний (лат. Helianthus annuus) – однолетнее травянистое растение семейства Астровые, выращиваемое ради пищевого масла. В 2010 году его посевная площадь составляла 16% всех посевных площадей в мире, а на территории Российской Федерации – более 9 миллионов гектаров .
Механические свойства составных частей стеблей подсолнечника неодинаковы и зависят от расположения волокон и влажности. Например, внешние волокна (кора) значительно жёстче чем волокна, находящиеся в центре стебля (сердцевина). Свойства волокон также существенно изменяются по направлению роста стебля . При погружении в воду сердцевина стебля может впитывать влагу (до нескольких тысяч процентов от своего веса). Эта способность делает её перспективной для производства биосорбентов . Предварительно обработанные стебли подсолнечника могут использоваться как заполнители для бетонов .
Композиты на основе различных полимерных смол и измельченных стеблей подсолнечника характеризуются низкими коэффициентами теплопроводности и достаточной прочностью, что позволяет использовать их в качестве термоизоляционных материалов .
В работе рассматриваются вопросы получения и исследования свойств композитов с полимерной фазой пластифицированного ПВХ и измельченными стеблями подсолнечника. Показано, что при увеличении содержания стеблей подсолнечника в композите, его плотность, пластичность и способность поглощать воду увеличиваются. По показателям твёрдости и жёсткости композиты со стеблями подсолнечника уступают композитам с ПВХ и древесной мукой.
Известно, что ПВХ является полярным полимером, способным к межмолекулярному взаимодействию с функциональными группами лигнина и целлюлозы. В связи с этим представляет интерес получение и исследование свойств композиционного материала с неполярной полимерной фазой, в частности, полиэтиленом высокой плотности, и измельчёнными стеблями подсолнечника. Целью данной работы является получение и исследование физико-механических свойств полиэтилена высокой плотности, наполненного измельчёнными стеблями подсолнечника. В задачи исследования входило установление закономерностей между содержанием наполнителя и свойствами материала.
2. Методы и принципы исследования
В качестве полимерной матрицы использовали полиэтилен высокой плотности марки 273-83 (ПАО «Казань Оргсинтез»). В качестве наполнителя использовали стебли подсолнечника (предоставлены учебно-опытным хозяйством УрГАУ, Екатеринбург). Стебли измельчались с помощью лабораторной мельницы IKA A11, частота вращения ножей которой составляла 3600 об/мин. Измельчённые стебли просеивали через сито с диаметром отверстий 0,7 мм и высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 °C до постоянной массы. В качестве лубриканта использовали технический полиэтиленовый воск марки 200 (ООО «Русский Воск»), в качестве агента, улучшающего совместимость полимерной фазы и наполнителя (компатибилизатора) применяли Метален-1108 (АО «Метаклэй»). Исходные компоненты в соответствии с рецептурами (табл. 1) перемешивались вручную в пластиковой таре, а затем компаундировались с помощью одношнекового лабораторного экструдера (ЛЭРМ-1) при температуре 180-190 °C. Полученные композиты гранулировались, после чего из гранул методом горячего прессования при 180 °С и 5 МПа изготавливались стандартные образцы в форме пластин толщиной 4 ± 1 мм.
Таблица 1 - Рецептуры композитов
№ П.п. | Содержание компонента, мас. % | |||
Наполнитель | ПЭНД | Метален | Воск | |
1 | 0 | 97 | 1,5 | 1,5 |
2 | 20 | 77 | 1,5 | 1,5 |
3 | 30 | 67 | 1,5 | 1,5 |
4 | 40 | 57 | 1,5 | 1,5 |
5 | 50 | 47 | 1,5 | 1,5 |
Для полученных композитов определяли показатели плотность, твёрдость по Бринеллю (ГОСТ 4670-67), пластичность (как отношение пластической деформации к полной), модуль упругости при сжатии (ГОСТ 4670-67), прочность при изгибе (ГОСТ 17036-71), ударную вязкость (ГОСТ 17036-71) и водопоглощение (ГОСТ 19592).
3. Основные результаты
Результаты определения физико-механических свойств образцов композитов представлены на рисунках 1-3. Уравнения регрессии, с высокой точностью описывающие зависимости изменения определяемых показателей от содержания наполнителя, приведены на графиках с соответствующими коэффициентами детерминации.
Рисунок 1 - Влияние содержания наполнителя на плотность (а) и твердость (б) композитов
Рисунок 2 - Влияние содержания наполнителя на пластичность (а) и твердость (б) композитов
Рисунок 3 - Влияние содержания наполнителя на ударную вязкость (а) и водопоглощение за 24 часа (б)
4. Обсуждение
Плотность материала увеличивается с введением измельченных стеблей подсолнечника в полимерную фазу полиэтилена высокой плотности. Влияние содержания наполнителя на этот показатель носит экстремальный характер. Повышение плотности композиционного материала объясняется высокими плотностями основных компонентов стеблей подсолнечника – лигнина и целлюлозы.
Твердость по Бринеллю, прочность при изгибе и ударная вязкости материала уменьшаются при введении наполнителя. Падение физико-механических свойств можно объяснить недостаточно однородным распределением наполнителя в полимерной фазе полиэтилена, низкой интенсивностью взаимодействия фаз наполнителя и полиэтилена, а также недостаточным количеством компатибилизатора в составе композита, необходимого для того, чтобы обеспечить высокий уровень адгезии между компонентами.
В то же время наблюдается резкий рост пластичности и водопоглощения материала, который объясняется плохим смачиванием расплавом полимера частиц наполнителя, что приводит к разрушению кластеров наполнителя при приложении к образцу внешних нагрузок. Высокое водопоглощение композитов с измельченным подсолнечником может быть объяснено неоднородностью структуры материала, так как известно, что наиболее значительный вклад в водопоглощение ДПК вносит капиллярное впитывание, связанное с дефектами на поверхности образца. Кроме того, водоудерживающие свойства и гидрофильность сердцевины стеблей подсолнечника широко известны, и безусловно являются факторами, вносящими вклад в водопоглощение композитов.
Ударная вязкость композита, содержащего 20 мас. % измельченных стеблей подсолнечника характеризуется как очень высокая. При таком низком уровне содержания наполнителя, материал будет обладать текучестью расплава достаточной для переработки методом литья под давлением. В целом по этому показателю композиты с полимерной фазой полиэтилена высокой плотности значительно превосходят как образцы с ПЭНП и древесной мукой, так и аналоги с полимерной фазой ПВХ и стеблями подсолнечника .
Высокое водопоглощение материала может быть как минусом, так и плюсом. В частности, способность к поглощению влаги необходима для биоразлагаемой тары с водоудерживающими свойствами и эффектом подкормки. Высокая гидрофильность материала также является маркером его способности к биоразложению.
По большинству физико-механических свойств композиты на основе полиэтилена высокой плотности и измельченных стеблей подсолнечника уступают эталонам на основе ПЭНП и древесной муки и композитам на основе пластифицированного ПВХ и стеблей подсолнечника . Однако ключевое преимущество последних – ударная вязкость, проявляется в композитах, рассмотренных в настоящем исследовании материалах, еще более явно. Такие композиты могут быть рекомендованы для создания ударопрочных изделий методом литья под давлением. К тому же композиты на основе полиолефиновых матриц в среднем на 18-24% легче чем их аналоги с ПВХ.
5. Заключение
В работе показана возможность получения древесно-полимерных композитов на основе полиэтилена высокой плотности и измельченных стеблей подсолнечника. Установлено, что введение этого лигноцеллюлозного наполнителя приводит к снижению показателей твердости, прочности при изгибе, ударной вязкости, и повышению плотности, пластичности и водопоглощения материала. Определены закономерности влияния содержания наполнителя на перечисленные свойства.
По большинству физико-механических свойств композиты, созданные на основе полиэтилена высокой плотности и измельчённых стеблей подсолнечника, уступают эталонам, изготовленным из полиэтилена низкой плотности и древесной муки, а также композитам, созданным на основе пластифицированного поливинилхлорида и стеблей подсолнечника. Для повышения характеристик исследуемых композитов необходимо значительно увеличить расход компатибилизатора. Это позволит улучшить межфазное взаимодействие между полимерами, что способствует более равномерному распределению компонентов и снижению внутренних напряжений в материале. Альтернативным методом является проведение механохимической активации полиэтилена. Этот процесс включает механическое воздействие на полимер, что приводит к его разрушению и образованию новых функциональных групп. В результате такого воздействия повышается реакционная способность полиэтилена, что улучшает его совместимость с другими компонентами композита.
Ключевым преимуществом рассматриваемых материалов является высокая ударная вязкость. Композит, содержащий 20 мас. % измельченных стеблей подсолнечника характеризуется показателем ударной вязкости 25,3 кДж/м2, что сопоставимо с уровнем композитов на основе полиамида. Наиболее рациональным уровнем содержания наполнителя в композите представляет 20 мас. %. При этом ударная прочность максимальна, а твердость и прочность при изгибе материала остаются на высоком уровне, близком к уровню эталонов на основе полиэтилена и древесной муки.
Среди потенциальных областей использования композитных материалов, созданных на основе полиэтилена высокой плотности и измельчённых стеблей подсолнечника выделяются:
− тара и объёмные материалы для упаковки: ящики, коробки, прокладочные материалы, транспортные паллеты;
− рекламные щиты, таблички и другие изделия;
− биоразлагаемые контейнеры для саженцев и быстрорастущих растений, которые могут сохранять удобрения в почве, продлевая их действие.
Такие материалы могут быть рекомендованы для создания ударопрочных изделий методом литья под давлением