Введение

Наличие большого количества отходов химической промышленности, сельскохозяйственного производства, различных видов бытовых отходов может быть неплохой альтернативой традиционным наполнителям, что решает одновременно технологические, экономические, экологические проблемы. В настоящее время в качестве наполнителей часто используются отходы различных химических производств. Имеется также большое количество отходов сельскохозяйственного производства, в частности отходов, получаемых при производстве крупяных изделий из гречихи и проса. В связи с этим предложено использование этих отходов в качестве наполнителей для ПКМ. Использование таких наполнителей позволяет не только существенно снизить затраты на получение наполнителей, а, соответственно и стоимость изделий. Кроме того, такие наполнители можно модифицировать, обеспечивая им комплекс заданных свойств.

Использование отходов сельскохозяйственного производства для наполнения полиэтилена

Сбор зерновых культур на территории РФ в период с 1996–2005 г. г. составил: просо – 7557 тыс. т., гречиха – 5816 тыс. т. При обмолоте данных крупяных продуктов существенную долю составляет лузга (отходы обмолота при производстве круп): 15,5% – для проса, 19,3% – для гречихи Таким образом, ежегодно количество лузги проса составляет ~ 117 тыс. т., лузги гречихи ~ 112 тыс. т. В этой связи предложено использование данных отходов в качестве наполнителей для полиэтилена. [44]

Использование таких наполнителей позволяет не только существенно снизить затраты на получение наполнителей, а, следовательно, и стоимость изделий, но и использовать экологически чистое сырье, что обеспечит возможность расширения областей применения изделий из ПКМ. Кроме того, такие наполнители возможно модифицировать, обеспечивая им комплекс заданных свойств, в том числе и пониженную горючесть.

В связи с отсутствием в литературе данных по свойствам отходов обмолота гречихи (ООГ) и проса (ООП), а также для оценки их взаимодействия с другими компонентами композиций и влияния их на процессы пиролиза и горения ПКМ, исследовались свойства используемых наполнителей.

Химический состав наполнителей изучался с применением метода ИКС, устойчивость к воздействию температур и способность к коксобразованию – методом ТГА, гранулометрический состав – ситовым анализом, насыпная и истинная плотность – в соответствии с ГОСТом, форма частичек – методом световой микроскопии.

Так как на прочностные свойства наполненных композиций большое влияние оказывают физические свойства наполнителей: размер частиц наполнителя, их форма и распределение в материале, то проводили подготовку наполнителя, заключавшуюся в его температурной обработке и измельчении.

Частички лузги, по данным световой микроскопии, имеют лепесткообразную форму со средними размерами: длина ~ 2–4 мм, толщина ~0,1 мм (рис. 1)

В связи с тем, что данный наполнитель имеет небольшую толщину при достаточно больших размерах, он обладает высокой удельной поверхностью, что должно обеспечить хорошую смачиваемость наполнителя связующим.

а б

Рис. 1. а) отходы обмолота гречихи; б) отходы обмолота проса (исходные)

По химическому составу они представляют собой в основном крахмал и клетчатку, включают 14–25% воды и незначительное количество минеральных веществ, что частично подтверждается данными ИКС (рис. 4,5).

Для наполнения использовались частички как без разрушения структуры и формы, так и предварительно измельченные в ножевой дробилке.

Измельченные ООГ и ООП имеют гранулометрический состав представленный на рис. 3 и неправильную форму частиц.

Рис. 3. Гранулометрический состав измельченной лузги гречихи и проса

Средний размер частиц составляет 2,5 мм и такому размеру соответствует ~60% наполнителя.

Определена насыпная плотность измельченного наполнителя, составляющая 16,35 кг/м3 для ООГ, и 17,4 кг/м3 для ООП, соответственно. Отходы данных производств не растворяется в воде, в щелочах обугливается, в минеральных кислотах – не растворяется, отмечено незначительное изменение массы в ледяной уксусной кислоте и концентрированной муравьиной кислоте.

В связи с тем, что основным методом получения изделий из термопластов является литье под давлением, в процессе которого на материал воздействуют высокие температуры, оценено влияние температур на наполнители. ООГ и ООП подвергались воздействию температуры 190, 250, 400°С в течение различного времени от 10 до 180 мин. Температурная обработка уже при 250°С в течение 90 мин. изменяет объем и внешний вид наполнителя. Частицы оболочек как бы усаживаются, становятся более хрупкими и значительно легче поддаются измельчению.

Изменения в химическом составе ООГ и ООП после термовоздействия исследовались методами термогравиметрического анализа (ТГА) и инфракрасной спектроскопии (ИКС) (рис. 4,5).

Дегидратация исходных ООГ и ООП происходит в интервале температур 20–150°С с потерями массы 3,5–8%, что подтверждается эндотермичностью данного процесса.

Деструкция исходных ООГ и ООП начинается при 200°С – ООГ и 160°С – ООП, потери массы по завершению основной стадии деструкции составляют 64% у ООГ и 57,5% у ООП. Воздействие температур 200 и 250°С при продолжительности термообработки (от 10 до 180 мин) существенно не влияют на термостойкость образцов.

Исследования химического состава как исходных, так и термообработанных ООГ и ООП методом ИКС показали наличие в спектрах ИКС глубокой полосы поглощения в области 3200–3500 см-1, свидетельствующей о наличии в оболочках гречихи и проса, связанных водородными связями, ОН¯ групп. Полосы поглощения при 2923 см-1 следует отнести к валентным колебаниям связей СН – СН3 группы, 2853 см-1 СН2 группы. Обнаружены также валентные колебания кольца при 1090 см-1, и мостика (–С–О–С–) при 1060 и 898 см-1.

Анализ спектров термообработанных при 250 и 400°С ООГ и ООП показывает, что при воздействии температуры имеются различия в интенсивности и положении некоторых полос.

Так, у термообработанных, особенно при 400°С, ООГ и ООП уменьшается интенсивность полосы поглощения ОН групп, исчезают полосы, соответствующие поглощению – С–О–С – глюкозидной связи (1060 и 898 см-1) и увеличивается интенсивность колебаний СН2 групп (2853 см-1). Все эти изменения могут свидетельствовать о разрушении макромолекулы по глюкозидным связям.