Розробка біокомпозитних матерілів, наповнених рослин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка біокомпозитних матерілів, наповнених рослин

О.О. Наливайко - ст. гр. ПМм-11

Луцький національний технічний університет

В статті приведено міцність при стисканні розроблених біокомпозитних матералів, наповнених рослинними відходами.

Проаналізовано макроструктуру розроблених біокомпозитів.

Постановка проблеми

Актуальним напрямком сучасного матеріалозавства є розробка біокомпозитних матеріалів, наповнених відходами рослинного походження. Виготовлення та використання таких біокомпозитів дає змогу для повторного використання відновлювальних ресурсів планети, а також обумовлено зменшенням вмісту полімерної складової, яку, зазвичай, отримують з нафтопродуктів, що є обмеженою сировиною. Ще однією перевагою біокомпозитів, наповнених відходами рослинного походження є їх утилізація. Біокомпозити без особливих труднощів піддаються утилізаії та швидкому розкладанню на нешкідливі для навколишнього середовища і людини складові. біокомпозитний рослинний відхід кавова гуща

Аналіз останніх досліджень і публікацій

В процесі пошуку альтернативних конструкційних матеріалів значна увага приділяється дослідженням, що стосуються розробки композитних матеріалів, які містять наповнювачі природного походження. Це пов'язано з розвинутою сировинною базою, здатністю до відновлювання природних ресурсів, низькою собівартістю сировини та високою екологічністю природних матеріалів. Крім того, доцільність використання біокомпозитів обумовлена обмеженнями на викиди вуглекислого газу, який виділяється в процесі синтезу полімерів із нафтохімічної сировини [1].

Можливість отримання конструкційних матеріалів на основі біокомпозитів має перспективу особливо в сільськогосподарських країнах, що мають великі запаси біомаси. Найчастіше полімеркомпозитні матеріали на основі термопластичних полімерів армують природними волокнами, використання яких постійно зростає порівняно з синтетичними волокнами. Серед різноманітних природних волокон, таких як льон, бамбук, сизаль, технічна конопля, рамі, джут, особливий науковий інтерес представляють деревні волокна.

Окрім переваг економічного та екологічного характеру, волокна природного походження порівняно із синтетичними волокнами мають меншу вагу, піддають меншому абразивному зношуванню технологічне обладнання, вирізняються вищою технологічністю обробки поверхні сформованих деталей, задовільними механічними та експлуатаційними властивостями. Природні наповнювачі забезпечують задовільні механічні властивості біокомпозитів порівняно полімеркомпозитами наповненими мінеральними або синтетичними добавками за умови високої адгезії між компонентами композиту, оскільки низька стійкість до вологи зменшує потенціал природних наповнювачів.

Біокомпозити, наповнені дискретними природними волокнами, мають вищу стійкість до динамічних навантажень, однак є менш технологічними в процесі формування виробів з високою чистотою поверхні, складної конфігурації та тонкими стінками. Тому часто для наповнення біокомпозитів використовують дисперсні наповнювачі природного походження (деревне борошно, крохмаль). При цьому більшість робіт стосується дослідженню технологічних властивостей композицій, зокрема оцінці квазістатичної та в'язкопружної поведінки в'яжучого, армованого порошками крохмалю або деревного борошна [2, 3].

Іноземні виробники надають перевагу саме біокомпозитним матеріалам, адже вони є біодеградабельними, відносно дешевими, відносяться до відновлювальних джерел та в кінці їх життєвого циклу легко утилізуються без шкоди навколишньому середовищу.

Мета дослідження

Розробити біокомпозитні матеріали, наповнені відходами рослинного походження та дослідити їх міцність при стисканні.

Результати дослідження

В якості матриці для формування біокомпозитів вибрано кістковий клей марки К 3,5. В якості наповнювачів застосовано відходи рослинного походження: кавова гуща дрібного помолу, подрібнене сушене листя, подрібнені стебла соломи.

Технологія формування біокомпозитів полягає в наступному. Спочатку готується 40 %-ий розчин кісткового клею в печі при температурі 40 °С протягом 3 год, з вмістом вологи 8 % з доведенням до в'язкого стану. Залежно від об'єму зразків розраховували кількісний вміст компонентів у співвідношенні на 100 мас. ч. кісткового клею. Для формування біокомпозитного зразка необхідно зважити 11,5 г композиції. Наступним етапом є підсушування композиції в сушильній шафі за температури 40 С протягом 30 хв (режим То, табл. 1) з доведенням до вологості композиції до 8 %. Після підсушування маса композиція 9,7 г.

Після цього підсушену суміш запресовують у прес -форми та проводять термічну обробку за режимом Т1 (табл. 1). Після Т1 композит дістають з прес- форми та піддають Т2.

Таблиця 1. Режим формування біокомпозитів

Встановлено, що міцність при стисканні біокомпозитів, наповнених кавовою гущею, зростає у 1,6 раз при збільшенні вмісту наповнювача від 200 мас. ч. (31,85 МПа) до 210 мас. ч. (50,95 МПа). По всій площі зразка біокомпозиту, що містить 200 мас. ч. наповнювача, присутні дефекти у вигляді пор та тріщин (рис. 1, а), зумовлені пружною післядію після

видалення зразка із прес-форми. Найвищу міцність при стисканні (50,95 МПа) має біокомпозит, наповнений кавовою гущею в кількості 210 мас. ч., що пояснюється оптимальним співвідношенням інгредієнтів біокомпозитної системи з формуванням однорідної структури з невеликою кількістю дефектів (рис. 1, б).

Рис. 1. Загальний вигляд зразків біокомпозитів, наповнених кавовою гущею, в кількості: а - 200 мас. ч.; б - 210 мас. ч.; в - 220 мас. ч.; г - 230 мас. ч.

Підвищення вмісту наповнювача до 220 мас. ч. супроводжується незначними зниженням міцності при стисканні біокомпозиту до 50,16 МПа. Даний зразок має більшу кількість макропор (рис. 1, в). Підвищення вмісту кавової гущі до 230 мас. ч. спричиняє різке зниження міцності в 1,8 разів, що пов'язано з недостатнім змочуванням частинок наповнювача в'язкою матрицею. Тому на зразку присутні дефекти у вигляді сколювання (рис. 1, г).

Встановлено, що міцність при стисканні біокомпозитів, наповнених подрібненим сушеним листям волоського горіха, зростає у 3 рази при збільшенні вмісту наповнювача від 200 мас. ч. (3,98 МПа) до 210 мас. ч. (11,94 МПа). Низька міцність біокомпозитів із вмістом наповнювача 200 мас. ч. пояснюється макротріщинами по центру зразка (рис. 2, а), які значно полегшують руйнування матеріалу.

Рис. 2. Загальний вигляд зразків біокомпозитів, наповнених сушеним листям, в кількості: а - 200 мас. ч.; б - 210 мас. ч.; в - 220 мас. ч.; г - 230 мас. ч.

Найвищу міцність при стисканні (11,94 МПа) мають біокомпозити, наповнені сушеним листям в кількості 210 мас. ч., що пояснюється оптимальним вмістом наповнювача. На поверхні даного зразка присутня більша кількість тріщин (рис. 2, б), що зумовлені виникненням пружної післядії після проведення термічної обробки.

При подальшому збільшенні вмісту сушеного листя до 220 мас. ч. відбувається різке зниження міцності при стисканні біокомпозитів в 6,2 рази і становить 2,12 МПа, що пов'язано з формуванням системи з надлишковим вмістом наповнювача. На поверхні зразка біокомпозиту даного складу виявлено менше тріщин (рис. 2, в) порівняно із зразком, що містить 210 мас. ч. наповнювача. Формування біокомпозитів з вмістом наповнювача 230 мас. ч. і вище призводить до зниження технологічності композитної системи, що пов'язано з недостатнім змочуванням частинок матрицею. Міцність при стисканні біокомпозитів з вмістом 230 мас. ч. подрібненого листя становить 0,93 МПа. Даний зразок має пори більшого діаметру, а також більшу кількість макротріщин (рис. 2, г), порівняно зі зразком із вмістом 220 мас. ч. наповнювача (рис. 2, в).

Найвищу міцність при стисканні (рис. 7) мають біокомпозити, наповнені подрібненою соломою в кількості 190 мас. ч. (78,02 МПа), що пояснюється оптимальним вмістом наповнювача. По всій площі зразка присутня рівномірна зміна кольору (рис. 3, а), що свідчить про нерівномірний розподіл наповнювача в об'ємі матеріалу.

Рис. 3. Загальний вигляд зразків біокомпозитів, наповнених подрібненими стеблами соломи, в кількості: а - 190 мас. ч.; б - 200 мас. ч.; в - 210 мас. ч.; г - 220 мас. ч.

При збільшенні вмісту соломи від 190 мас. ч. до 200 мас. ч. (66,52 МПа) відбувається різке зниження міцності при стисканні на 14,74 %, що пов'язано з формуванням неоднорідної системи з високим напруженим станом. Даний вміст наповнювача супроводжується більш рівномірним розподіленням останнього в композитній системі (рис. 2, б), про що вказує зменшення вмісту матричного компоненту.

Подальше підвищення наповнювача до 210 мас. ч. призводить до незначного зниження міцності при стисканні, що становить 55,84 МПа. Дане підвищення вмісту наповнювача призводить до формування біокомпозиту із ще більш рівномірним розподілом наповнювача в об'ємі матриці (рис. 3, в).

Підвищення вмісту подрібненої соломи до 220 мас. ч. призводить до росту міцності при стисканні біокомпозитів на 37 %, що становить 76,72 МПа. На зразку біокомпозиту з вмістом 220 мас. ч. подрібненої соломи (рис.

3, г) спостерігається найбільш рівномірне розподілення наповнювача в об'ємі матриці.

Висновки

Найвищу міцність при стисканні (78,02 МПа) мають біокомпозити, наповнені подрібненою соломою в кількості 190 мас. ч. Оптимальний вміст для біокомпозиту з наповненням кавовою гущею є 210 мас. ч. За даного вмісту наповнювача міцність при стисканні біокомпозитів становить 50,95 МПа. У випадку наповнення біокомпозитів подрібненим сушеним листям волоського горіха оптимальний вміст останнього становить 210 мас.

4. Міцність при стисканні даного біокомпозиту становить 11,94 МПа.

Біокомпозити, наповнені кавовою гущею дрібного помолу мають невелику кількість пор та тріщин, що зумовлено пружною післядією після термічної обробки. Зразки біокомпозиту, що наповнені сушеним листям волоського горіха, мають найбільшу кількість дефектів (макропор та макротріщин) після термічної обробки. Найменшу кількість дефектів мають зразки біокомпозитів, наповнені подрібненою соломою, що підтверджується отриманими виковими значеннями міцності при стисканні.

Перелік джерел посилання

1. П.П. Савчук, О.Л. Садова, В.П. Кашицький, Є.М. Кальба, О.Б. Климовець, Дослідження властивостей біокомпозитів, наповнених дискретними волокнами природного походження, Наукові нотатки, Луцьк, Випуск 69, 2020, С. 75-81. DOI: 10.36910/6775.24153966.2020.69.11

2. О.Л. Садова, В.П. Кашицький, М.Д. Мельничук, О.О. Смолянкін, С.В. Мисковець, Дослідження властивостей біокомпозитів, наповнених високодисперним порошком крохмалю, Наукові нотатки, Луцьк, Випуск 70, 2020, С. 35-42. [DOI: 10.36910/6775.24153966.2020.70.5]

3. В.П. Кашицький, О.Л. Садова, П.П. Савчук, В.М. Малець, В.С. Мазурок, С.В. Мисковець Оптимізація складу та технології формування біокомпозитів на основі крохмального в'яжучого, Наукові нотатки, Луцьк, Випуск 71, 2021, С. 353-359.

Размещено на Allbest.ru