Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур в производстве полимерных композитов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Прищенко Н. А., Заболотная А. М., Руденко А. А., Ярыгин Д. В., Дорожкин В. П., Гулая Ю. В., Дворницин А. А., Лим Л. А. Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур в производстве полимерных композитов // Молодой ученый. — 2017. — №2.1. — С. 27-30. — URL https://moluch.ru/archive/136/39060/ (дата обращения: 24.10.2018).



Полимерные композиты с лигноцеллюлозными наполнителями являются современными перспективными материалами, уверенно завоевывающими рынки мира. Особое внимание исследователей уделяется наполнителям на основе многотоннажных сельскохозяйственных отходов как дешевого возобновляемого ресурса, отличающегося разнообразием свойств. Показано, что композиты с шелухой гречихи обладают приемлемыми физико-механическими и потребительскими свойствами. Сделана попытка выявить взаимосвязь между прочностными свойствами композитов с наполнением из различных сельскохозяйственных культур и их компонентным составом (целлюлоза, лигнин).

Истощение ископаемых источников сырья, неблагоприятные изменения климата, рост численности населения, загрязнение окружающей среды и другие факторы требуют обеспечения механизмов устойчивого развития и являются главными стимулами развития биоэкономики, основанной на применении возобновляемых источников сырья и технологиях их переработки.

Для многих стран вопрос переработки сельскохозяйственных отходов является актуальным по причине того, что ежегодно увеличиваются объемы отходов, нерациональная утилизация и захоронение которых приводят к тяжелым экологическим последствиям, негативно сказываются на дальнейшей эксплуатации почвы. Улучшение экологической ситуации в агропромышленном секторе может быть достигнуто при согласованных действиях сельхозпроизводителей, разработчиков «зеленых» технологий, а также внедрением в производства механизмов и методов рационального природопользования.

Разработаны государственные программы [1, 2], направленные на внедрение в агропромышленном комплексе современных ресурсосберегающих технологий глубокой переработки сельскохозяйственного и пищевого сырья, вторичных сырьевых ресурсов, обеспечивающих высокую эффективность производств, повышение качества, создание социально значимой продукции с функциональными свойствами, способствующей импортозамещению и усилению конкурентных позиций отечественных производителей.

Логическим продолжением внедрения "зеленых технологий" являются технологии комплексной переработки отходов сельскохозяйственного производства, не имеющих пищевого или кормового значения. С этой точки зрения перспективным ресурсом является шелуха (лузга, плодовые оболочки зерна) гречихи (ШГ). В России среднегодовой объем производства гречневой крупы составляет 285,1 тыс. тонн. Доля ШГ от общей массы зерна составляет около 20 %. Расчеты показывают, что ежегодно образуются порядка 57 тыс. тонн лузги гречихи [3]. ШГ является ценным лигноцеллюлозным сырьем, содержащим полифенольный комплекс, лигнин, минеральные вещества [4], однако в настоящее время широкого практического применения научные разработки по переработке ШГ не находят. В любой технологии переработки ШГ (извлечения полифенольных веществ, полисахаридов, получения лигнина) остается значительная масса технологических отходов, которая также требует утилизации. В то же время, любые лигноцеллюлозные отходы, полученные при переработке ШГ, могут быть использованы как наполнитель для древесно-полимерного композиционного (ДПК) материала.

Тема исследований ДПК весьма актуальна, поскольку данный материал, основанный на смешении термопластичных полимеров и частиц древесного происхождения, стремительно набирает популярность на мировом рынке и в России. Даже в Америке, где этот продукт получил первоначальное продвижение, спрос еще не достиг точки насыщения.

Наша работа посвящена получению полимерного композиционного материала на основе полиэтилена и шелухи гречихи и изучению его свойств.

В результате проведения экспериментальных исследований были установлены зависимости физико-механических показателей ДПК (предел прочности при растяжении и модуль упругости) от содержания наполнителя в полимерной матрице и размера частиц шелухи гречихи. Максимальное значение предела прочности при растяжении составляет 21,75 МПа.

Изучена плотность полимерного композиционного материала на основе полиэтилена и ШГ, данный показатель варьируется в пределах от 0,9 до 1,1 г/см3 в зависимости от содержания наполнителя в композите.

Полученные экспериментальные данные испытания на водопоглощение показывают, что композиты с ШГ в качестве наполнителя воду впитывают незначительно. Водопоглощение возрастает соответственно со степенью наполнения и составляет 0,73-1,35 % после 24 часов погружения в воду.

Климатические испытания ДПК, проведенные в течение трех месяцев, показали, что данный материал является устойчивым к погодным воздействиям.

В результате проведенных нами исследований установлено, что полимерный композиционный материал на основе полиэтилена и шелухи гречихи обладает приемлемыми физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, а, следовательно, может быть использован как финальная стадия безотходной комплексной технологии переработки шелухи гречихи.

Конечные свойства ДПК зависят как от свойств наполнителя (морфологии, химии поверхности, химического состава), так и от свойств полимерной матрицы (природы и функциональности). Химический состав наполнителя имеет значительный вклад в смачиваемость и адгезию в композиционных материалах. Существуют противоречивые свидетельства о влиянии химического состава наполнителя на механические свойства композитов. Например, сообщалось, что для композита с наполнителем с низким содержанием целлюлозы характерны высокие значения прочностных характеристик [5]. С другой стороны, было установлено, что удаление лигнина из древесных волокон приводит к хорошей адгезии на границе раздела фаз с полимерной матрицей, что в свою очередь обеспечивает высокие механические свойства [6]. Тем не менее, авторы исследования [7] сообщили, что химический состав наполнителя не имеет непосредственного влияния на механические свойства композитов.

В связи с этим представляет интерес выявить зависимость между механическими свойствами ДПК, не содержащих компатибилизаторов и технологических добавок, и компонентным составом наполнителя. Учитывая многообразие наполнителей и состава, использовались собственные и литературные данные (см. табл. 1).

Основная сложность заключалась в том, что данные о компонентном составе растительного сырья, приведенные в разных источниках, могут отличаться на порядок, что, вероятно, вызвано не только нестабильностью состава в зависимости от условий произрастания, фазы вегетации и прочих факторов, но и различием в методиках определения компонентного состава.

Установлено, что наибольшие значения предела прочности имеют ДПК с волокнистыми наполнителями (кенаф, джут, лен, конопля, банан), что вполне объяснимо перераспределением нагрузки на волокно. При этом для этих же наполнителей характерны высокие значения содержания целлюлозы (56– 2 %). Однако для композитов с рами (крапивы китайской), ананаса и сизаля характерны средние значения прочностных характеристик, при сопоставимых содержаниях целлюлозы и лигнина. В ряду изученных наполнителей резко выделяются кокос и шелуха гречихи, имеющие в своем составе порядка 40 % лигнина, при этом механические свойства композитов на их основе имеют средние значения. Таким образом, ранее высказанное предположение о том, что химический состав наполнителя не оказывает непосредственного влияния на механические свойства композита, подтверждается.

Таблица 1

Физико-механические свойства ДПК, компонентный состав наполнителя

Тип наполнителя

Состав*

Предел прочности, МПа

Модуль упругости, ГПа

Компонентный состав наполнителя, %

Целлюлоза

Лигнин

Лит.

ШГ/ПП

Кенаф

30

44,0

1,22

72,0

9,0

[8]

Джут

30

40,0

4,80

66,0

12,0

Конопля

30

33,0

2,30

68,0

10,0

Банан

30

32,0

4,30

56,0

7,0

Ячмень

40

29,0

-

39,0

22,0

[9]

Багасса

30

27,0

0,19

55,3

21,0

[10]

Кокос

20

27,0

2,60

37,5

42,0

[8]

Ананас

30

26,0

3,81

81,0

12,7

Пшеница

40

25,5

1,37

51,0

19,5

[11]

Лен

30

36,0

4,30

71,0

2,2

[8]

Рами

20

22,0

-

72,4

0,6

Рисовая шелуха

40

22,0

1,57

48,9

19,1

[10]

Кукуруза

30

21,0

0,17

46,5

14,2

[8]

Древесная мука

40

22,0

-

42,0

31,0

[9]

ШГ/ПЭ

Сизаль

20

25,5

3,50

65,0

9,9

[12]

Шелуха гречихи

20

21,8

0,85

29,4

34,7*

[13]

Примечания: * - обозначения: ПП – полипропилен, ПЭ - полиэтилен

Литература:

  1. Стратегическая программа исследований Технологической платформы БиоТех2030 // Научно-техническое некоммерческое партнерство «Технологическая платформа БиоТех2030». URL: http://biotech2030.ru/wp-content/uploads/2015/02/СПИ_22.04.15.pdf (дата обращения: 12.12.2016).
  2. Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года // Гарант.Ру Информационно-правовой портал. URL: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70068244 (дата обращения: 12.12.2016).
  3. Российский рынок гречихи и гречневой крупы в 1990-2013 гг., в январе 2014 года // Экспертно-аналитический центр агробизнеса «АБ-Центр». URL: http://ab-centre.ru/articles/rossiyskiy-rynok-grechihi-i-grechnevoy-krupy-proizvodstvo-grechihi-proizvodstvo-grechnevoy-krupy-eksport-grechihi-ceny-na-grechihu-ceny-na-grechnevuyu-krupu-potreblenie-grechnevoy-krupy (дата обращения: 12.12.2016).
  4. Шкорина Е.Д. Состав и комплексная переработка отходов производства гречихи // дисс. … кандидата хим. наук: 03.00.16 : защищена 06.11.2007. – Владивосток, 2007. – 157 с.
  5. Han G., Shiraishi N. Composites of wood and polypropylenes // Mokuzai Gakkaishi. – 1990. – Vol. 36. – P. 976-982.
  6. Beg M.D.H., Pickering K.L. Composites of wood and poly Accelerated weathering of unbleached and bleached Kraft wood fibre reinforced polypropylene composites propylenes // Polym. Degrad. Stabilitytability. – 2008. – Vol. 93. – P. 1939-1946.
  7. Kazayawoko M., Balatinecz J., Woodhams R., Law S.. Effects of wood fiber surface chemistry on the mechanical properties of wood fiber polypropylene composites // J. Polym Mater Polym Mater. – 1997. – Vol. 37. – P. 237-261.
  8. Faruk O., Bledzki A. K., Fink H., Sain M. Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010 // Progress in Polymer Science. – 2012. – Vol. 37. – P 1552-1596.
  9. Bledzki A. K., Mamuna A. A., Volk J. Barley husk and coconut shell reinforced polypropylene composites: The effect of fibre physical, chemical and surface properties // Composites Science and Technology. – 2010. – Vol. 70, N 5. – P. 840-846.
  10. Nourbakhsh A., Ashori A., Tabrizi A. K. Characterization and biodegradability of polypropylene composites using agricultural residues and waste fish // Composites Part B: Engineering. – 2014. – Vol. 56. – P. 279-283.
  11. Ashori A., Nourbakhsh A., Mechanical behavior of agro-residue-reinforced polypropylene composites // Journal of Applied Polymer Science. – 2008. – Vol. 111, N 5. – P. 2616-2620.
  12. Nourbakhsh A., Ashori A. Wood plastic composites from agro-waste materials: Analysis of mechanical properties // Bioresource Technology. – 2010. – Vol. 101, N 7. – P. 2525-2528.
  13. Вураско А.В., Минакова А.Р., Гулемина Н.Н., Дрикер Б.М. Физико-химические свойства целлюлозы, полученной окислительно-органосольвентным способом из растительного сырья // Материалы интернет-конференции "Леса России в ХХI веке". URL: http://spbftu.ru/science/internet-conference (дата обращения: 12.12.2016).
Основные термины (генерируются автоматически): шелуха гречихи, химический состав наполнителя, свойство, полимерный композиционный материал, полимерная матрица, основа полиэтилена, механическое свойство композитов, компонентный состав наполнителя, компонентный состав, непосредственное влияние.


Похожие статьи

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

В статье рассматривается влияние наполнителей на свойства композиционных материалов. Показано, что свойства наполненных полимерных композитов определяются характеристиками полимерной матрицы...

Использование дисперсных наполнителей для создания...

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов. Методика расчета гранулометрического состава дисперсных материалов. Получение и анализ свойств наноструктурированных композиционных материалов на основе ферритовых систем.

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных...

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных полимерных композиционных материалов на основе вторичных полимерных отходов.

Кроме того, в состав ДПК входят различного рода добавки для улучшения свойств композита.

Применение композиционных полимерных материалов на...

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов. Использование дисперсных наполнителей для создания композиционных материалов на основе полимерной матрицы.

Исследование влияния гранулометрических характеристик...

Исследование влияния гранулометрических характеристик функциональных наполнителей на свойства композиционных материалов. В представленной работе исследовалась возможность создания новых полимерных композиционных материалов с...

Полимерные композиционные материалы на основе...

В статье приводятся результаты исследований по разработке полимерных композиционных материалов с улучшенными прочностными и антифрикционными свойствами на основе полиэтиленов высокой плотности (ПЭВП), а также низкой плотности (ПЭНП)...

Исследование свойств эпоксидных композиций на основе...

Введение ОГ и ОП в состав полимерной матрицы в качестве наполнителя в исходном виде неэффективно в силу малой насыпной плотности и

Таблица 1. Физико-механические и теплофизические свойства эпоксидных композитов, наполненных МОГ.

Полиэтилен как отход: химические свойства, состав, способы...

наименование компонента, Полиэтилен, Вторичное использование, окружающая природная среда, полимерный материал, Морфологический состав отхода, химический состав отхода, основа полиэтилена, стадий...

Исследование механических свойств графитизированного...

Приготовлены и исследованы композиционные материалы на основе крупнотоннажного полимера — полипропилена и порошкообразного графита.

Созданы различные материалы на основе полиэтилена, полипропилена, эпоксидиановых смол и других полимерных матриц и...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

В статье рассматривается влияние наполнителей на свойства композиционных материалов. Показано, что свойства наполненных полимерных композитов определяются характеристиками полимерной матрицы...

Использование дисперсных наполнителей для создания...

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов. Методика расчета гранулометрического состава дисперсных материалов. Получение и анализ свойств наноструктурированных композиционных материалов на основе ферритовых систем.

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных...

Изучение влагопрочностных свойств древесно-наполненных полимерных композиционных материалов на основе вторичных полимерных отходов.

Кроме того, в состав ДПК входят различного рода добавки для улучшения свойств композита.

Применение композиционных полимерных материалов на...

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов. Использование дисперсных наполнителей для создания композиционных материалов на основе полимерной матрицы.

Исследование влияния гранулометрических характеристик...

Исследование влияния гранулометрических характеристик функциональных наполнителей на свойства композиционных материалов. В представленной работе исследовалась возможность создания новых полимерных композиционных материалов с...

Полимерные композиционные материалы на основе...

В статье приводятся результаты исследований по разработке полимерных композиционных материалов с улучшенными прочностными и антифрикционными свойствами на основе полиэтиленов высокой плотности (ПЭВП), а также низкой плотности (ПЭНП)...

Исследование свойств эпоксидных композиций на основе...

Введение ОГ и ОП в состав полимерной матрицы в качестве наполнителя в исходном виде неэффективно в силу малой насыпной плотности и

Таблица 1. Физико-механические и теплофизические свойства эпоксидных композитов, наполненных МОГ.

Полиэтилен как отход: химические свойства, состав, способы...

наименование компонента, Полиэтилен, Вторичное использование, окружающая природная среда, полимерный материал, Морфологический состав отхода, химический состав отхода, основа полиэтилена, стадий...

Исследование механических свойств графитизированного...

Приготовлены и исследованы композиционные материалы на основе крупнотоннажного полимера — полипропилена и порошкообразного графита.

Созданы различные материалы на основе полиэтилена, полипропилена, эпоксидиановых смол и других полимерных матриц и...

Задать вопрос