Розробка біокомпозитних матеріалів на основі глютину, наповнених продуктами переробки відходів рослинного походження

Abstract

Дисертація 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).