Дисертації
Постійне посилання зібранняhttps://repository.lntu.edu.ua/handle/123456789/487
Переглянути
2 результатів
Результати пошуку
Item type:Дисертація, Розробка біокомпозитних матеріалів на основі модифікованих компонентів стійких до впливу атмосферних факторів(Луцьк : ЛНТУ, 2024) Шегинський, Володимир ОлеговичВикористання полімеркомпозитних матеріалів на синтетичній основі ускладнюється через обмеженість сировинної бази та погіршення екологічної ситуації в світовому масштабі. Масове використання синтетичних полімеркомпозитних виробів призводить до забруднення навколишнього середовища через зростання об’ємів сміттєвих полігонів та виділення шкідливих речовин в полімеркомпозитних матеріалів. результаті руйнування компонентів. Одним з перспективних напрямків вирішення даної проблеми є використання біокомпозитних матеріалів, до складу яких входять компоненти природного походження. Це дозволить розширити сировинну базу, яка представляє собою відходи лісопереробної, меблевої, харчової та сільськогосподарської галузей. Біокомпозитні матеріали мають багато переваг порівняно з синтетичними полімеркомпозидами, однак через високу гідрофільність компонентів їх масове виробництво обмежено. В роботі розглянуто особливості формування структури та досліджено властивості бікомпозитних матеріалів на основі біополімерної матриці білкової природи та наповнювачів рослинного походження, які модифіковані гідрофобними речовинами. Це дозволить підвищити стійкість біокомпозитних виробів до експлуатації у вологому середовищі, за понижених температур та в умовах циклічної зміни температури. Мета роботи - дослідити властивості та особливості формування структури модифікованих біокомпозитів на основі компонентів природного походження, які мають стійкість до впливу атмосферних факторів за рахунок 3 використання гідрофобних речовин та технології модифікації матеріалів. Наукова новизна роботи: 1. Вперше встановлено, що за оптимального вмісту парафіну в кількості 4 мас.ч. та втрати вологості композиції 10 % відбувається підвищення на 20 % міцності на стиснення глютинових біокомпозитних матеріалів, які містять порошок деревного борошна (100 мас.ч.), що пов’язано з формуванням щільної структури біокомпозитів через зменшення опору переміщенню частинок наповнювача, на поверхні яких знаходиться гідрофобна добавка. 2. Показано, що використання парафіну в оптимальні кількості 14 мас.ч. в композиції з подрібненими стеблами дикорослих трав (100 мас.ч.) забезпечує підвищення на 76-78 % міцності на стиснення біокомпозитів в результаті антифрикційного впливу гідрофобної добавки, яка забезпечує компактне розташування частинок стебел в біополімерній матриці та формування фізико-хімічних зв’язків між активними групами добавки та компонентами біокомпозиту. 3. Встановлено, що введення оліфи Оксоль до складу біокомпозитного матеріалу в оптимальній кількості (4 мас.ч.) з додатковою обробкою біокомпозиту в середовищі розплавленого парафіну забезпечує формування захисного шару у вигляді плівки, що дозволяє знизити гігроскопічність біокомпозитних матеріалів до 0,37 % в умовах експлуатації за підвищеної вологості. 4. Додаткова обробка у середовищі оліфи Оксоль глютинових біокомпозитних матеріалів, які містять деревне борошно та гідрофобну добавку оліфу в оптимальній кількості 4,0 мас.ч., підвищує у 3,0-6,3 раз межу міцності на стиснення у випадку циклічної зміни температури від 25 °С до 25 °С за рахунок формування стійкої захисної плівки на поверхні біокомпозитного матеріалу. Практичним результатом роботи є розробка нових біокомпозитних покриттів, які мають високу міцність на стиснення, ударну в’язкість, 4 можливість до експлуатації в умовах підвищеної вологості, понижених або підвищених температур, циклічної зміни температур. Ефективність розроблених гідрофобних біокомпозитних матеріалів підтверджено актом впровадження, який визначає перспективність використання розроблених біокомпозитів для виготовлення елементів конструкцій з підвищеною стійкістю до впливу атмосферних факторів. Здобувач особисто приймав участь у проведенні досліджень структури та властивостей біокомпозитних матеріалів. Самостійно проводив аналіз результатів експериментальних досліджень та приймав участь у постановці завдань, визначенні наукової новизни та формулюванні загальних висновків. У вступі визначено проблему, що стосується розробки біокомпозитних матеріалів з використанням компонентів природного походження. Представлено об’єкт та предмет дослідження, визначено мету та основні завдання роботи, подано новизну та практичне застосування результатів роботи. Розділ 1. Представлено характеристику біокомпозитних матеріалів на основі синтетичних матриць та біополімерів. Показано переваги біокомпозитних матеріалів, представлено широкий спектр видів наповнювачів, які являють собою відходи сільськогосподарського виробництва або харчової промисловості. Визначено основні проблеми, що стосуються особливостей формування біокомпозитних матеріалів, наповнювачі яких мають високу гідрофільність. Це визначає широкий напрямок наукових досліджень, які грунтуються в основному на застосуванні методів фізичної та хімічної обробки наповнювачів рослинного походження. Розділ 2. Використано сучасні та класичні методи дослідження механічних та експлуатаційних властивостей, а також мікроструктури біокомпозитних матеріалів. Визначено механічні характеристики біокомпозитних матеріалів: адгезійна міцність, твердість, міцність на стиснення та ударна в’язкість. Визначено стійкість біокомпозитів у вологому середовищі, в умовах понижених температур та циклічної зміни температури. 5 Структуру біокомпозитних матеріалів досліджено методами оптичної мікроскопії та інфрачервоної спектроскопії. Оптимізацію складу та режиму термічної обробки біокомпозитів здійснено в результаті побудови математичної моделі за допомогою методу багатофакторного планування експерименту. Розділ 3. Визначено адгезійну міцність глютинового біополімеру залежно від тривалості витримки в тепловому полі та температури термічної обробки, яка забезпечує процес формування фізико-хімічних зв’язків. Встановлено підвищення адгезійної міцності для біополімерів за тривалості витримки 90 хв та температури 120 °С, що пов’язано з рівномірним структуруванням глютинової матриці. В результаті введення парафіну в кількості 4 мас.ч. відбувається підвищення на 26-39 % міцності на стиснення, що визначається здатністю матеріалу формувати ущільнену структуру через наявність гідрофобної добавки, яка виконує мастильну функцію. Проведення додаткової термічної обробки композиції, яка забезпечує видалення вологи в кількості 10 %, призводить до підвищення міцності на стиснення в межах 50-55 %, оскільки відбувається формування необхідної кількості фізико-хімічних зв’язків між компонентами біокомпозитного матеріалу. Проведено аналіз руйнувань біокомпозитних зразків з різним вмістом гідрофобної добавки. Характер руйнування зразків підтверджує результати експериментальних досліджень по визначенню межі міцності на стиснення. Оптимальний вміст парафіну для біокомпозитних матеріалів, які наповнені подрібненими стеблами дикорослих трав, становить 14 мас.ч., що визначається формуванням щільної структури за рахунок використання антифрикційної добавки, яка полегшує процес пресування композиції. Використання парафіну призводить до зниження на 35-40 % ударної в’язкості біокомпозитів, що пов’язано з зменшенням опору до поширення тріщини в об’ємі біокомпозитного матеріалу. Введення оліфи в кількості 2-4 мас. ч. забезпечує підвищення межі 6 міцності при стисненні на 12-15 % порівняно з міцністю біокомпозитного матеріалу без модифікуючої добавки. Використання гідрофобної добавки забезпечує підвищення жорсткості біополімерної матриці та утворення нових фізико-хімічних зв’язків. Виявлено, що біокомпозитний матеріал, який наповнений деревним борошном та модифікований парафіном, характеризується більшою оптичною густиною та площею піка смуг поглинання порівняно із біокомпозитним матеріалом, який не містить в складі модифікатора. Це вказує на вищу міцність даного біокомпозитного матеріалу за рахунок утворення вищої кількості фізико-хімічних зв’язків в матеріалі. Методом багатофакторного експерименту визначено оптимальний вміст добавок та режим термічної обробки, що дозволило підвищити до 20 % міцність на стиснення біокомпозитних матеріалів, які модифіковані парафіном. Розділ 4. Найвищу гігроскопічну вологість (18,5 %) мають біокомпозитні зразків без гідрофобного покриття та додаткової термічної обробки. Термічна обробка забезпечує формування щільної структури біополімерної матриці, що ускладнює проникання молекул води всередину глобул амінокислот глютинової матриці. Підвищену стійкість до водопоглинання мають біокомпозитні матеріали, на поверхні яких нанесено шар парафіну в результаті занурення зразків у розплав гідрофобної добавки. Це дозволяє сформувати на поверхні біокомпозитного матеріалу захисний шар значно більшої товщини порівняно з покриттям на основі оліфи. Водопоглинання біокомпозитів з таким покриттям не перевищує 3,4 %. Біокомпозити, що містять оліфу та покриті шаром оліфи мають високі значення межі міцності на стиснення за низької температури (-25 °С), що пов’язано з підвищенням жорсткості полімерної сітки глютинової матриці. Також найвищу міцність на стиснення мають біокомпозитні матеріали, які модифіковані оліфою та покриті шаром оліфи, яка утворює стабільну 7 плівку на поверхні біокомпозитних зразків. Під час нагрівання та охолодження плівка зберігає цілісність та здатна деформуватися без руйнування. Подано технологію формування біокомпозитних виробів, які містять комплекс наповнювачів (деревне борошно та подрібнені стебла дикорослих трав) в оптимальній кількості та модифікуючу добавку (парафін). Формування біокомпозитних виробів відбувається в результаті пресування композиції та сушіння за кімнатної температури. Після проведення операції шліфування на поверхню виробу наноситься гідрофобне покриття, яке забезпечує захист від вологи та підвищує стійкість до дії атмосферних факторів.Item type:Дисертація, Розробка біокомпозитних матеріалів на основі глютину, наповнених продуктами переробки відходів рослинного походження(Луцьк : ЛНТУ, 2025) Вишинський, Михайло ІгоровичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 Матеріалознавство. Луцький національний технічний університет, Міністерство освіти і науки України, Луцьк, 2025. Сучасний розвиток технологій спрямований на впровадженні циклічної системи виробництва та споживання, яка передбачає максимальне використання ресурсів за умови мінімального впливу на навколишнє середовище. Підвищена екологічна обізнаність і потреби суспільства вимагають розробки нових екологічно чистих матеріалів, таких як зелені композити. Сьогодні волокнисті композити замінюють традиційні термореактивні пластмаси на основі нафтопродуктів, які є шкідливими і не піддаються біологічному розкладу. Композити з натуральними волокнами поступово витісняють композити із синтетичних волокон. Використання волокон природного походження як наповнювача в термопластичній матриці є альтернативою для виробництва недорогих та екологічних композитів з використанням їх як товарного пластику або пакувального матеріалу. В даний час вже досліджено багато різних натуральних волокон рослинного походження та виявлено їх унікальні властивості. Використання натуральних волокон для армування пластмас дозволяє покращити їх механічні властивості, зокрема міцність. Однак виникає потреба розробки та проведення досліджень біокомпозитних матеріалів на основі матриць природного походження, що забезпечує високий ступінь біодеградабельності та спрощує утилізацію біокомпозитних виробів на кінцевому етапі життєвого циклу. За кордоном дослідженнями біокомпозитних матеріалів на основі природних компонентів займались Mehanny S., Scaffaro R., Kuciel S., Ilyas R.A., Sapuan S.M. В Україні досліджень в напрямку розробки біокомпозитних матеріалів дуже мало і вони насамперед стосуються розробки біокомозитів на 2 основі синтетичного в’яжучого та природних наповнювачів. Зокрема, вчені з ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет» Сухий К.М., Третьяков А.О., Черваков Д.О., Бєляновська О.А. досліджували біокомпозити на основі синтетичного в’яжучого та кукурудзяного крохмалю, а команда вчених з Інституту хімії високомолекулярних сполук НАН України Ященко Л.М., Ярова Н.В., Бровко О.О. досліджували властивості біокомпозитів на основі синтетичного в’яжучого та конопляної костриці. В роботі розглянуто особливості технології формування біокомпозитних матеріалів на основі компонентів натурального походження, досліджено їх механічні властивості та проаналізовано структуру. Це дозволить утилізувати вироби на основі біокомпозитних матеріалів, не завдаючи шкоди навколишньому середовищу. Мета роботи - оптимізація складу та розробка технології формування глютинових біокомпозитних матеріалів на основі продуктів переробки відходів рослинного походження. Наукова новизна роботи: 1. Вперше виявлено, що найвищу міцність на стискання (55,7 МПа) мають високонаповнені глютинові біокомпозитні матеріали з оптимальним вмістом дискретних волокон соломи в кількості 140 мас. ч. зі ступенем підсушування композиції 25% за рахунок утворення фізичних та хімічних зв’язків між полімерною матрицею і поверхнею наповнювача. 2. Встановлено залежність вмісту наповнювача від ступеня підсушування композиції, згідно якої біокомпозити із нижчим вмістом наповнювача (140 мас. ч. подрібненої соломи, 160 мас. ч. подрібнених стебел кропиви, 190 мас. ч. кавової гущі) потребують застосування вищого ступеня підсушування композиції 25% і, навпаки, для біокомпозитів із вищим вмістом наповнювача (150 мас. ч. подрібненої соломи, 170 мас. ч. подрібнених стебел кропиви, 200 мас. ч. кавової гущі) достатнім є застосування меншого ступеня підсушування композиції 20%, що вказує на економічну ефективність формування біокомпозитів з вищим вмістом наповнювача. 3 3. Встановлено, що температура термічної обробки біокомпозитів має становити 150 С, що дозволяє отримати біокомпозитні матеріали високої міцності (115-121 МПа) з вмістом подрібнених стебел кропиви та ударної в’язкості (4,5-6,5 кДж/м2) з вмістом подрібненої соломи за рахунок забезпечення оптимальної щільності (1,38 г/см3) та високого ступеня структурування біокомпозитів. 4. Вперше виявлено, що формування біокомпозитів, які містять волокнисті наповнювачі (подрібнена солома, подрібнені стебла кропиви) в оптимальній кількості під вищим тиском (11 МПа) дозволяє підвищити ударну в’язкість матеріалів на 39-51% за рахунок утворення більшої кількості хімічних зв’язків між компонентами системи, що підтверджено вищими значення оптичної густини для даних біокомпозитних матеріалів. Практичним результатом роботи є розробка нових біокомпозитних матеріалів з високою міцністю, на основі яких виготовляють вироби, які призначені для упакування скляної продукції. Ефективність розроблених біокомпозитних матеріалів підтверджено актом впровадження, який визначає їх придатність до виготовлення виробів високої міцності. Здобувач особисто приймав участь у проведенні досліджень механічних властивостей біокомпозитних матеріалів та аналізі їх структури. Самостійно проводив аналіз результатів експериментальних досліджень та приймав участь у постановці завдань досліджень, визначенні наукової новизни та формулюванні загальних висновків. У вступі визначено доцільність розробки нових біокомпозитних матеріалів на основі екобезпечних компонентів природного походження та подано актуальність теми дослідження. Представлено об’єкт та предмет дослідження, визначено мету та основні завдання роботи, подано новизну та практичне застосування результатів роботи. Розділ 1. Представлено класифікацію та характеристику основних полімерів натурального походження. Наведено класифікацію та властивості волокнистих наповнювачів природного походження. Визначено основні 4 проблеми, які виникають під час використання волокнистих наповнювачів природного походження в якості наповнювачів композитних матеріалів. Подано огляд практичного застосування біокомпозитних матеріалів на основі біорозкладних та наповнювачів природного походження та вказано їх переваги. Розділ 2. Подано основні характеристики та властивості використаних в роботі компонентів для формування біокмопозитів. Використано сучасні та класичні методи дослідження механічних властивостей (міцність на стискання, ударна в’язкість) біокомпозитних матеріалів. Мікроструктуру розроблених біокомпозитних матеріалів досліджено методами ІЧ-спектроскопії, оптичної та електронної мікроскопії. Здійснено математичну обробку з метою оптимізації складу біокомпозиту та режиму формування методом багатофакторного планування експерименту. Розділ 3. Розроблено технологію формування глютинових біокомпозитних матеріалів, наповнених подрібненими стеблами злакових культур. Досліджено вплив підсушування композиції та додаткової термічної обробки на властивості та структурування біоокмпозитів. Встановлено, що міцність на стискання біокомпозитних матеріалів зростає із збільшенням ступеня підсушування композиції до 25% внаслідок формування однорідної щільної структури в результаті видалення надлишку вологи з об’єму матеріалу. Найвищі значення міцності на стискання 87,6МПа мають біокомпозити із ступенем підсушування композиції 20%, для яких проведено додаткову термічну обробку за температури 50 С протягом 4 год. За вищих температур (80-120 С) відбувається інтенсивне видалення вологи внаслідок чого частково руйнуються хімічних звʼязки між компонентами біокомпозитного матеріалу. Встановлено, що оптимальним є вміст 140 мас. ч. подрібнених стебел злакових культур для біокомпозитного матеріалу із ступенем підсушування композиції 25%, про що свідчать отримані високі значення механічних властивостей даних матеріалів (міцність на стискання 73,2 МПа). Аналіз фрактограм вказує, що руйнування відбувається у вигляді виривання скупчених волокон. Подрібнені частинки стебел зернових культур 5 покриті біополімерної матицею, що вказує на високу адгезійну міцність між компонентами біокомпозитної системи. Частинки стебел зернових культур є порожнистими та орієнтованими в напрямку, перпендикулярному до напрямку пресування. Досліджено, що оптимальною для формування композиції з вмістом 140 мас. ч. подрібнених стебел зернових культур є концентрація глютину 50% порівняно із концентраціями 38% та 43%, що дозволяє отримати біокомпозитні матеріали з високою міцністю внаслідок високого структурування композиції. Встановлено, що найвищу ударну в’язкість (6,56 кДж/м2) мають біокомпозити, що містять 140 мас. ч. подрібнених стебел зернових культур зі ступенем попереднього підсушування 25 %, сформовані за тиску 11 МПа. Дані біокомпозитні зразки піддавали додатковій термічній обробці за температури 50 °С з витримкою протягом 4 годин. Вищий тиск пресування композиції, а також додаткова термічна обробка біокомпозитів за низької температури також сприяє утворенню більшої кількісті фізичних та хімічних зв’язків між компонентами біокомпозитного матеріалу. Для біокомпозитів, наповнених подрібненими стеблами кропиви, оптимальним є вміст 170 мас. ч. за ступеня підсушування композиції 20%. Міцність на стискання даного матеріалу становить 121,0 МПа. Ударна в’язкість 3,4 кДж/м2 біокомпозитних зразків, сформованих під вищим тиском (11 МПа), є більшою на 38,8% порівняно із біокомпозитами, сформованими за нижчого тиску 8 МПа (2,45 кДж/м2), що пов’язано із вищим ступенем структурування біокомпозиту за рахунок більшого ущільнення матеріалу. Розділ 4. Встановлено, що оптимальним в біокомпозитному матеріалі є вміст кавової гущі в кількості 200 мас. ч. із ступенем підсушування композиції 20% та щільністю композиції 1,17 г/см3. Міцність на стискання даного біокомпозиту становить 75,8-79,6 МПа. Поверхні даних біокомпозитних зразків є рівними, без видимих структурних дефектів. Ступінь підсушування 25% є занадто великим та не дозволяє отримати біокомпозити високої міцності, про що вказує наявність невеликих мікротріщин по всій поверхні зразка. 6 Встановлено, що оптимальним є наступний режим термічної обробки: 1 год 150 °С + пресування + 1 год 150 °С. У випадку скорочення тривалості витримки відбувається зниження на 19-30% механічних властивостей біокомпозитів. Це пов’язано з недостатнім тепловим впливом на процеси утворення нових фізичних та хімічних зв’язків між активними групами компонентів в результаті ущільнення компонентів після застосування операції стискання. Зниження температури термічної обробки до 120 С та 100 С також є не доцільним, оскільки це призводить до зниження механічних властивостей біокомпозитів внаслідок низького ступеня структурування композиції. Встановлено, що із зниженням концентрації глютину в водному розчині матриці відбувається зниження міцності на стискання розроблених біокомпозитів. Найвищу міцність на стискання 73,2 МПа серед біокомпозитів зі щільністю композиції в прес-формі 1,17 г/см3 отримано для матеріалів на основі розчину глютину з концентрацією 50%. Найвище значення ударної в’язкості (3,55 кДж/м2) мають біокомпозитні матеріали з вмістом наповнювача 190 мас. ч., які сформовані під дією питомого навантаженням 8 МПа. Формування біокомпозитних матеріалів з використанням більшого питомого навантаження (11 МПа) забезпечує вищу щільність матеріалу, однак в даному випадку зростає ступінь деформації частинок, які мають меншу стійкість до впливу динамічних навантажень. Методом багатофакторного планування експерименту визначено, що за оптимального вмісту дискретних волокон кропиви (164,4 мас. ч.), а також оптимального ступеня підсушування композиції (28,4%), температури термічної обробки (154 °С) та тиску пресування (8,2 МПа) біокомпозитні матеріали мають найвищі значення ударної в’язкості (6,02 кДж/м2).