RU2845059C1 - Method of producing a composite material with a short life cycle - Google Patents
Method of producing a composite material with a short life cycleInfo
- Publication number
- RU2845059C1 RU2845059C1 RU2024135646A RU2024135646A RU2845059C1 RU 2845059 C1 RU2845059 C1 RU 2845059C1 RU 2024135646 A RU2024135646 A RU 2024135646A RU 2024135646 A RU2024135646 A RU 2024135646A RU 2845059 C1 RU2845059 C1 RU 2845059C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- minutes
- composite material
- filler
- temperature
- drying
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения полимерных композиционных материалов с коротким жизненным циклом и может быть использовано при изготовлении полимерных материалов для производства различных конструкционных, отделочных и строительных материалов промышленного, бытового назначения, в том числе упаковочных материалов, товаров домашнего хозяйства и товаров персонального использования с коротким циклом использования.The invention relates to the field of producing polymer composite materials with a short life cycle and can be used in the manufacture of polymer materials for the production of various structural, finishing and building materials for industrial and household purposes, including packaging materials, household goods and personal goods with a short use cycle.
Известен способ получения биодеградируемой полимерной композиции с антимикробными свойствами и регулируемым сроком биоразложения [Патент RU 2753723 C1, опубл. 20.08.2021, бюл. №23]. Такая биодеградируемая полимерная композиция обладает антимикробными свойствами и регулируемым сроком биоразложения.A method for producing a biodegradable polymer composition with antimicrobial properties and a controlled biodegradation period is known [Patent RU 2753723 C1, published 08/20/2021, Bulletin No. 23]. Such a biodegradable polymer composition has antimicrobial properties and a controlled biodegradation period.
Недостатками данного изобретения являются низкие физико-механические свойства, а именно низкие показатели напряжения при растяжении. За счет использования в качестве основного компонента полибутиленадипаттерефталата, готовый композиционный материал будет гибким, но не прочным, что сокращает область его применения в промышленности. The disadvantages of this invention are low physical and mechanical properties, namely low tensile stress values. Due to the use of polybutylene adipate terephthalate as the main component, the finished composite material will be flexible but not durable, which reduces the scope of its application in industry.
Наиболее близким к предлагаемому решению, принятым за прототип, является способ изготовления изделий из лигноцеллюлозных полимерных композиционных материалов [Патент RU 2582498 C1, опубл. 27.04.2016, бюл. №12]. В качестве матрицы используют термопластичный полимер в количестве 80-20 вес.%. В качестве наполнителя используют шелуху гречихи в воздушно-сухом состоянии в количестве 20-80 вес.%. В смесь дополнительно вводят технологические добавки в количестве 8-10% от веса смеси. В качестве добавки используют антиокислитель и/или УФ стабилизатор, и/или УФ-поглотитель, и/или смазочное вещество, и/или минеральный наполнитель, и/или краситель, и/или огнестойкий компонент, и/или термостабилизатор, и/или вспениватель. В качестве термопластичного полимера используют отходы термопластического материала или продукты переработки использованных изделий из него. The closest to the proposed solution, adopted as a prototype, is a method for manufacturing articles from lignocellulosic polymer composite materials [Patent RU 2582498 C1, published 27.04.2016, Bulletin No. 12]. A thermoplastic polymer in an amount of 80-20 wt.% is used as a matrix. Air-dried buckwheat husk in an amount of 20-80 wt.% is used as a filler. Technological additives are additionally introduced into the mixture in an amount of 8-10% of the mixture weight. An antioxidant and/or UV stabilizer and/or UV absorber and/or lubricant and/or mineral filler and/or dye and/or fire-resistant component and/or heat stabilizer and/or foaming agent are used as additives. Waste thermoplastic material or processed products of used articles made of it are used as a thermoplastic polymer.
С основными признаками изобретения в части способа совпадают: сушка и измельчение растительного наполнителя, гомогенизирование компонентов.The main features of the invention in terms of the method coincide with: drying and grinding of the plant filler, homogenization of the components.
Недостатками данного изобретения являются низкие показатели физико-механических характеристик, высокое значение такого параметра, как водопоглощение, а также в прототипе применяются полимеры, срок разложения которых достигает очень длительного промежутка времени (до 100 лет), что делает данные композиционные материалы экологически не безопасными для окружающей среды. При этом растительный наполнитель не подвергается никакой обработке, кроме подсушивания, что в полной мере не обеспечивает отсутствие патогенных микроорганизмов в сырье, способных снизить показатели механических свойств. Применение не измельченного сырья не дает равномерного распределения компонентов во всем композиционном материале, что так же будет способствовать снижению физико-механических свойств. The disadvantages of this invention are low physical and mechanical characteristics, high value of such parameter as water absorption, and the prototype uses polymers, the decomposition period of which reaches a very long period of time (up to 100 years), which makes these composite materials ecologically unsafe for the environment. At the same time, the plant filler is not subjected to any processing, except for drying, which does not fully ensure the absence of pathogenic microorganisms in the raw material, capable of reducing the mechanical properties. The use of uncrushed raw materials does not provide uniform distribution of components throughout the composite material, which will also contribute to a decrease in physical and mechanical properties.
Предлагаемое изобретение направлено на обеспечение композиционного материала с коротким жизненным циклом, обладающего высокими физико-механическими характеристиками и низким водопоглощением. The proposed invention is aimed at providing a composite material with a short life cycle, high physical and mechanical characteristics and low water absorption.
Это достигается тем, что способ получения композиционного материала с коротким жизненным циклом включает высушивание и измельчение шелухи гречихи, смешивание наполнителя с полимером в двухшнековом экструдере и отличается тем, что шелуху гречихи обрабатывают 4% щелочным раствором NaOH в их соотношении 1:5 при перемешивании на магнитной мешалке в течение 60-80 мин с последующим ее промыванием дистиллированной водой не менее 3-5 раз, высушиванием в сушильной печи в течение 120-130 мин при температуре 85-95°С, измельчением в течение 3-5 мин и просеиванием через сито 64 мкм; после чего обработанную шелуху гречихи добавляют в раствор кремнийорганической смолы К-9 в толуоле и осуществляют ультразвуковую обработку смеси с частотой 40 кГц в течение 80-90 мин с получением модифицированной шелухи гречихи с последующим ее высушиванием в СВЧ с мощностью 700 Вт в течение 5-7 мин при температуре 85-90°С, измельчением в течение 5-8 мин и просеиванием через сито 64 мкм; далее указанную модифицированную шелуху гречихи в качестве наполнителя смешивают с полимером, представляющим собой полилактид, в двухшнековом экструдере при температуре 160-170°C и частоте вращения шнека 190-200 об/мин с получением гранул, которые затем загружают в пресс-форму с дальнейшим их нагревом до 140-150°С в течение 60-70 мин и прессованием под давлением 100-110 МПа с выдержкой нагрузки в течение 4-6 мин.This is achieved by the fact that the method for obtaining a composite material with a short life cycle includes drying and grinding buckwheat husks, mixing the filler with the polymer in a twin-screw extruder and is distinguished by the fact that the buckwheat husks are treated with a 4% alkaline solution of NaOH in their ratio of 1:5 while stirring on a magnetic stirrer for 60-80 minutes, followed by washing with distilled water at least 3-5 times, drying in a drying oven for 120-130 minutes at a temperature of 85-95 ° C, grinding for 3-5 minutes and sifting through a 64 μm sieve; after which the treated buckwheat husk is added to a solution of K-9 organosilicon resin in toluene and the mixture is subjected to ultrasonic treatment at a frequency of 40 kHz for 80-90 minutes to obtain modified buckwheat husk, followed by drying it in a microwave with a power of 700 W for 5-7 minutes at a temperature of 85-90°C, grinding for 5-8 minutes and sifting through a 64 µm sieve; then the said modified buckwheat husk as a filler is mixed with a polymer, which is polylactide, in a twin-screw extruder at a temperature of 160-170°C and a screw rotation speed of 190-200 rpm to obtain granules, which are then loaded into a press mold with their further heating to 140-150°C for 60-70 minutes and pressing under a pressure of 100-110 MPa with the load maintained for 4-6 minutes.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что способ получения композиционного материала с коротким жизненным циклом отличается тем, что получение композиционного материала включает подготовку и модифицирование наполнителя:A comparative analysis with the prototype shows that the method for producing a composite material with a short life cycle differs in that the production of the composite material includes the preparation and modification of the filler:
- предварительная подготовка сырья: промывание и обработка наполнителя 4% щелочным раствором (NaOH) в течение 60-80 мин, промывание дистиллированной водой не менее 3-5 раз и сушка при температуре 85-95°С в течение 120-130 мин для удаления остатков влаги, измельчение сырья в течение 3-5 мин и просеивание наполнителя через сито 64 мкм; - preliminary preparation of raw materials: washing and treating the filler with a 4% alkaline solution (NaOH) for 60-80 min, washing with distilled water at least 3-5 times and drying at a temperature of 85-95°C for 120-130 min to remove residual moisture, grinding the raw materials for 3-5 min and sifting the filler through a 64 µm sieve;
- выдерживание в растворе с кремнийорганической смолой К-9, растворенной в толуоле, и обработка ультразвуком в течение 80-90 мин при частоте 40 кГц, и тепловая обработка модифицированного наполнителя в СВЧ в течение 5-7 мин при 85-90°С с мощностью 700 Вт, измельчение наполнителя в течение 5-8 мин и просеивание наполнителя через сито 64 мкм.- holding in a solution with K-9 organosilicon resin dissolved in toluene, and ultrasonic treatment for 80-90 min at a frequency of 40 kHz, and heat treatment of the modified filler in a microwave oven for 5-7 min at 85-90°C with a power of 700 W, grinding the filler for 5-8 min and sifting the filler through a 64 µm sieve.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed technical solution meets the invention criterion of “novelty”.
Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники не подтвердило наличие в последних признаков, совпадающих с их отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».Comparison of the claimed solutions not only with the prototype, but also with other known technical solutions in this field of technology did not confirm the presence in the latter of features that coincide with their distinctive features, or features that affect the achievement of the specified technical result. This allowed us to conclude that the invention complies with the criterion of "inventive step".
Характеристики используемых компонентов:Characteristics of the components used:
1. Полилактид (PLA) (производитель, например, ООО «Промышленная Химия», г. Казань, Россия). Альтернативное вещество для создания безопасных, быстроразлагаемых упаковок (PLA) создан на основе лактида и молочной кислоты. Для производства вещества используют экологически чистые растительные ресурсы – сахарный тростник или кукурузу. Это гранулированный материал белого или светлого оттенка, без запаха [https://chemprome.com/polilaktid-pla].1. Polylactide (PLA) (manufacturer, for example, Industrial Chemistry LLC, Kazan, Russia). An alternative substance for creating safe, rapidly degradable packaging (PLA) is based on lactide and lactic acid. Environmentally friendly plant resources are used to produce the substance - sugar cane or corn. This is a granulated material of white or light color, odorless [https://chemprome.com/polilaktid-pla].
2. Кремнийорганическая смола К-9.2. Organosilicon resin K-9.
Кремнийорганическая смола К-9 (производитель, например, ООО «Химпродукт», г. Люберцы, Россия) – [ТУ 2228-352-09201208-96].Organosilicon resin K-9 (manufacturer, for example, Khimprodukt LLC, Lyubertsy, Russia) – [TU 2228-352-09201208-96].
3. Толуол (C7H8) (метилбензол) – представляет собой жидкость без цвета (производитель, например, ООО «ЦентрХимСервис», г. Казань, Россия) [ГОСТ 5789-78 Реактивы. Толуол. Технические условия. – Введ. 01.01.1971. – М.: Госстандарт России, 1971. – 6 с.].3. Toluene (C 7 H 8 ) (methylbenzene) is a colorless liquid (manufacturer, for example, CenterKhimServis LLC, Kazan, Russia) [GOST 5789-78 Reagents. Toluene. Specifications. – Introduced 01.01.1971. – Moscow: Gosstandart of Russia, 1971. – 6 p.].
4. Модифицированная шелуха гречихи.4. Modified buckwheat husk.
Шелуху гречихи (лузгу) с насыпной плотностью 0,145 г/см3 модифицируют следующим образом: Buckwheat husk (husk) with a bulk density of 0.145 g/ cm3 is modified as follows:
- предварительная подготовка сырья: промывание и обработка 4% щелочным раствором (NaOH) в течение 60-80 мин., промывание дистиллированной водой не менее 3-5 раз и сушка при температуре 85-95°С в течение 120-130 мин для удаления остатков влаги, измельчение сырья в течение 3-5 мин и просеивание наполнителя через сито 64 мкм; - preliminary preparation of raw materials: washing and treatment with 4% alkaline solution (NaOH) for 60-80 min., washing with distilled water at least 3-5 times and drying at a temperature of 85-95°C for 120-130 min. to remove residual moisture, grinding the raw materials for 3-5 min. and sifting the filler through a 64 µm sieve;
- выдерживание в растворе с кремнийорганической смолой К-9, растворенной в толуоле, и обработка ультразвуком в течение 80-90 мин при частоте 40 кГц, и тепловая обработка модифицированного наполнителя в СВЧ в течение 5-7 мин при 85-90°С с мощностью 700 Вт, измельчение модифицированного наполнителя в течение 5-8 мин и просеивание наполнителя через сито 64 мкм. - holding in a solution with K-9 organosilicon resin dissolved in toluene, and ultrasonic treatment for 80-90 min at a frequency of 40 kHz, and heat treatment of the modified filler in a microwave for 5-7 min at 85-90°C with a power of 700 W, grinding the modified filler for 5-8 min and sifting the filler through a 64 µm sieve.
Способ получения композиционного материала с коротким жизненным циклом состоит из нескольких стадий. Получение композиционного материала включает в себя предварительную подготовку сырья: для очистки сырья от пыли и болезнетворных бактерий, а также для повышения способности композиционного материала к адгезии, наполнитель промывали и обрабатывали 4% щелочным раствором (NaOH). Наполнитель замачивали в растворе, в соотношении 1:5, и перемешивали на магнитной мешалке без дополнительного нагрева в течение 60-80 мин. После наполнитель промывали дистиллированной водой не менее 3-5 раз для удаления остатков раствора. Затем наполнитель высушивали в сушильной печи в течение 120-130 мин при температуре 85-95°С, для удаления остатков влаги, измельчали в течение 3-5 мин и просеивание через сито 64 мкм.The method for producing a composite material with a short life cycle consists of several stages. Production of the composite material includes preliminary preparation of the raw material: to clean the raw material from dust and pathogenic bacteria, as well as to increase the ability of the composite material to adhesion, the filler was washed and treated with a 4% alkaline solution (NaOH). The filler was soaked in the solution, in a ratio of 1:5, and stirred on a magnetic stirrer without additional heating for 60-80 minutes. After that, the filler was washed with distilled water at least 3-5 times to remove residual solution. Then the filler was dried in a drying oven for 120-130 minutes at a temperature of 85-95 ° C, to remove residual moisture, crushed for 3-5 minutes and sifted through a 64 μm sieve.
Для разработки способа композиционного материала с коротким жизненным циклом и улучшения взаимодействия компонентов между собой, наполнитель модифицировали для изменения его поверхностной структуры и придания ему гидрофобных свойств. В качестве растворителя кремнийорганической смолы К-9 использовали толуол в соотношении 21,2-37,2 масс.% кремнийорганической смолы К-9, 28,8-52,8 масс.% толуола, для лучшего растворения смолы, шелуху гречихи 10-50 масс.%. Для ускорения процесса растворения применяли ультразвуковую обработку с частотой 40 кГц, используя специализированное оборудование. В первые 30 мин обработки получился мутный раствор, в течение следующих 30 мин произошло полное растворение смолы, и образовалась прозрачная вязкая жидкость. К этой жидкости добавили подготовленное сырье (шелуху гречихи) и продолжали последующую обработку ультразвуком в течение 80-90 мин. Ультразвук применяют для ускорения растворения веществ. При этом наблюдается снижение доли осадка, идёт процесс растворения труднорастворимых веществ. В ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой среде, возникает переменное давление частиц, переменный поток в направлении распространения колебательного процесса, кавитация и др. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация. Кавитация ускоряет протекание ряда физико-химических процессов, в том числе и растворения. Химические превращения, протекающие при нагревании полимеров, включают и деструкцию под действием кислорода воздуха, с которым соприкасается нагретый полимер, и реакции сшивания по образовавшимся двойным связям, и новую полимеризацию выделившихся мономеров, и многие другие. Таким образом, обработка ультразвуком приводит к образованию оболочки кремнийорганической смолы на частичках наполнителя и в процессе модифицирования. Для удаления остатков толуола смесь подвергали тепловой обработки СВЧ в течение 5-7 мин при температуре 85-90°С с мощностью 700 Вт.To develop a method for producing a composite material with a short life cycle and to improve the interaction of the components with each other, the filler was modified to change its surface structure and impart hydrophobic properties to it. Toluene was used as a solvent for the K-9 organosilicon resin in a ratio of 21.2-37.2 wt.% of the K-9 organosilicon resin, 28.8-52.8 wt.% of toluene, for better dissolution of the resin, buckwheat husk 10-50 wt.%. To accelerate the dissolution process, ultrasonic treatment with a frequency of 40 kHz was used, using specialized equipment. A cloudy solution was obtained in the first 30 minutes of treatment, and the resin completely dissolved within the next 30 minutes, and a transparent viscous liquid was formed. The prepared raw material (buckwheat husk) was added to this liquid, and subsequent ultrasonic treatment was continued for 80-90 minutes. Ultrasound is used to accelerate the dissolution of substances. In this case, a decrease in the proportion of sediment is observed, and the process of dissolution of poorly soluble substances occurs. In the ultrasonic field excited in a liquid medium, variable particle pressure, variable flow in the direction of propagation of the oscillatory process, cavitation, etc. occur. The most important nonlinear effect in the ultrasonic field is cavitation. Cavitation accelerates a number of physical and chemical processes, including dissolution. Chemical transformations that occur when heating polymers include destruction under the action of atmospheric oxygen, with which the heated polymer comes into contact, and cross-linking reactions along the formed double bonds, and new polymerization of the released monomers, and many others. Thus, ultrasound treatment leads to the formation of an organosilicon resin shell on the filler particles and in the modification process. To remove toluene residues, the mixture was subjected to microwave heat treatment for 5-7 minutes at a temperature of 85-90 ° C with a power of 700 W.
При уменьшении времени выдержки растворитель не удаляется в полном объеме, а при увеличении полученный наполнитель спекается и теряет необходимые физико-механические характеристики. Затем полученный наполнитель перемалывали в планетарной мельнице не менее 5-8 мин с последующим просеиванием через сито 64 мкм для получения наименьшей фракции, при увеличении времени помола вещества начинает слипаться в крупногабаритные частицы. В результате помола происходит возрастание концентрации поверхностных дефектов наполнителя, что обусловлено отделением соединений между частицами с разрывом ковалентных связей, что создает неоднородный рельеф для повышения показателя совместимости наполнителя и полимера, так же это позволяет вводить большее процентное количество наполнителя.With a decrease in the holding time, the solvent is not completely removed, and with an increase, the resulting filler sinters and loses the necessary physical and mechanical properties. Then the resulting filler was ground in a planetary mill for at least 5-8 minutes, followed by sifting through a 64 μm sieve to obtain the smallest fraction; with an increase in the grinding time, the substance begins to stick together into large-sized particles. As a result of grinding, the concentration of surface defects of the filler increases, which is due to the separation of compounds between particles with the rupture of covalent bonds, which creates a non-uniform relief to increase the compatibility index of the filler and polymer, and this also allows for the introduction of a larger percentage of filler.
По окончанию проведения преобразования наполнителя, его исследовали на показатель краевого угла смачивания порошка, получили, что у модифицированного образца показатель краевого угла смачивания составляет 95°, у немодифицированного 60°, соответственно, до модифицирования наполнитель был гидрофильным, а после модифицирования стал более гидрофобным.Upon completion of the filler transformation, it was examined for the powder contact angle index, and it was found that the modified sample had a contact angle index of 95°, while the unmodified sample had a contact angle index of 60°; accordingly, before modification, the filler was hydrophilic, and after modification, it became more hydrophobic.
Полилактид для производства композиционного материала с коротким жизненным циклом использовали в виде гранул. Для смешения наполнителя и полилактида использовали двухшнековый экструдер при температуре 160-170°C и частоте вращения шнека 190-200 об/мин, при такой температуре происходит размягчение полилактида и его переход в вязко-текучее состояние, что способствует равномерному распределению частиц наполнителя при гомогенизации, а при температуре свыше 170°С начинается процесс деструкции полилактида, что приводит к ухудшению физико-механических характеристик. При проведении исследований были произведены образцы на основе полилактида с добавлением наполнителя методом горячего прессования. Для этого однородную смесь помещали в пресс-форму и нагревали до 140-150°С в течение 60-70 мин, прессовали под давлением 100-110 МПа с выдержкой нагрузки в течение 4-6 мин при меньшем времени прессования образец не успевает охладиться, что способствует деформации получаемого образца, а при увеличении времени прессования в образце образуются микротрещины и деформации, что снижает физико-механические характеристики. Преимуществом данного метода является образование прочных физических связей между компонентами, что стимулирует сдвиговые деформации, способствующие устранению пустот и незаполненных пор в композиционном материале. Polylactide was used in the form of granules to produce a composite material with a short life cycle. A twin-screw extruder was used to mix the filler and polylactide at a temperature of 160-170°C and a screw speed of 190-200 rpm. At this temperature, polylactide softens and becomes viscous, which facilitates uniform distribution of filler particles during homogenization. At temperatures above 170°C, the polylactide begins to degrade, which leads to deterioration of the physical and mechanical properties. During the studies, samples were produced based on polylactide with the addition of filler using the hot pressing method. For this purpose, a homogeneous mixture was placed in a mold and heated to 140-150°C for 60-70 minutes, pressed under a pressure of 100-110 MPa with a load maintained for 4-6 minutes; with a shorter pressing time, the sample does not have time to cool down, which contributes to the deformation of the resulting sample, and with an increase in the pressing time, microcracks and deformations are formed in the sample, which reduces the physical and mechanical characteristics. The advantage of this method is the formation of strong physical bonds between the components, which stimulates shear deformations that help eliminate voids and unfilled pores in the composite material.
Для подтверждения эффективности предлагаемого способа получения композиционного материала с коротким жизненным циклом и достижения технического результата, были приготовлены и исследованы три состава композиционного вяжущего, приготовленных в оптимальных соотношениях полилактид:модифицированный порошок шелухи гречихи 39:11, 34:16, 29:21 (составы определены экспериментальным путем).To confirm the effectiveness of the proposed method for obtaining a composite material with a short life cycle and to achieve a technical result, three compositions of a composite binder were prepared and studied, prepared in optimal ratios of polylactide:modified buckwheat husk powder 39:11, 34:16, 29:21 (the compositions were determined experimentally).
Методики исследованияResearch methods
Методом гидростатического взвешивания согласно стандартной методике ГОСТ 15139-69 (СТ СЭВ 891-78) определяли плотность итогового материала, согласно закону Архимеда в воздухе и в жидкости с известной плотностью. В данном случае использовали дистиллированную воду. Плотность полученных образцов после взвешивания в различных средах определяли по формуле (1): The density of the final material was determined by hydrostatic weighing according to the standard methodology of GOST 15139-69 (ST SEV 891-78), according to Archimedes' law in air and in a liquid with a known density. In this case, distilled water was used. The density of the obtained samples after weighing in various environments was determined by formula (1):
где m0 – вес тела в воздухе; m1 – вес тела в воде; = 0,998 г/см3 – плотность воды при 20оС; σ = 0,0012 г/см3 плотность воздуха.where m 0 is the weight of the body in air; m 1 is the weight of the body in water; = 0.998 g/ cm3 – density of water at 20 o C; σ = 0.0012 g/cm3 – density of air.
Для исследования механических свойств композиционного материала на растяжение использовали оборудование РЭМ-100-А-1-1 (ООО «Метротест», Башкортостан, Россия). Применялась стандартная методика ГОСТ 11262-2017 (ИСО 527-2:2012) для проведения исследований на предел прочности при растяжении. Для проведения испытаний изготавливались прямоугольные образцы, размером 170×25 мм. Проводилось по пять испытаний для каждого состава композиционного материала, после чего определялось среднее значение. Расстояние между зажимами составляло 165-170 мм, максимальная нагрузка при проведении эксперимента достигала 598 Н. Прочность при трехточечном изгибе (МПа) вычисляли по формуле (2): To study the mechanical properties of the composite material under tension, REM-100-A-1-1 equipment (OOO Metrotest, Bashkortostan, Russia) was used. The standard methodology of GOST 11262-2017 (ISO 527-2:2012) was used to conduct studies on the tensile strength. Rectangular samples measuring 170 × 25 mm were made for the tests. Five tests were carried out for each composition of the composite material, after which the average value was determined. The distance between the clamps was 165-170 mm, the maximum load during the experiment reached 598 N. The three-point bending strength (MPa) was calculated using formula (2):
где Fрм – максимальная растягивающая нагрузка, Н; А0 – первоначальное поперечное сечение образца, мм2.where F rm is the maximum tensile load, N; A 0 is the initial cross-section of the sample, mm 2 .
Используя твердомер NEXUS 4504 (INNOVATEST Europe BV, Maastricht, Нидерланды) определяли значения твердости по Виккерсу с применением четырехгранной алмазной пирамиды с применением стандартной методики ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77). Измерения проводились с одинаковой нагрузкой в 200 г и при одинаковом временном воздействии 10 с. Твердость по Виккерсу (HV) вычисляют по формуле (3): Using a NEXUS 4504 hardness tester (INNOVATEST Europe BV, Maastricht, the Netherlands), the Vickers hardness values were determined using a tetrahedral diamond pyramid using the standard method of GOST 2999-75 (ST SEV 470-77). The measurements were carried out with the same load of 200 g and the same time exposure of 10 s. The Vickers hardness (HV) is calculated using formula (3):
где F – нагрузка, Н; α – угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136°; d2 – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.where F is the load, N; α is the angle between the opposite faces of the pyramid at the apex, equal to 136°; d 2 is the arithmetic mean of the lengths of both diagonals of the imprint after the load is removed, mm.
Испытания водопоглощения материала проводили в дистиллированной воде согласно ГОСТ 4650-2014 (ISO 62:2008). Образцы выдерживали в жидкости в течение 1, 30 дней. Для расчета увеличения массы за счет водопоглощения использовали электронные весы, расчет вели по формуле (4):Water absorption tests of the material were carried out in distilled water according to GOST 4650-2014 (ISO 62:2008). The samples were kept in the liquid for 1, 30 days. Electronic scales were used to calculate the increase in mass due to water absorption, the calculation was carried out according to formula (4):
где m0, m1 – массы образца до и после замачивания в воде соответственно; c – процентное увеличение массы.where m 0 , m 1 are the masses of the sample before and after soaking in water, respectively; c is the percentage increase in mass.
Таблица 1Table 1
Физико-механические характеристики композиционного материалаPhysical and mechanical characteristics of composite material
В результате экспериментов было установлено, что полученный композиционный материал с коротким жизненным циклом по предлагаемому способу обладает повышенными физико-механическими свойствами и низким водопоглощением.As a result of the experiments, it was established that the resulting composite material with a short life cycle according to the proposed method has improved physical and mechanical properties and low water absorption.
Рассмотрим способ получения композиционного материала с коротким жизненным циклом на примере образца 2 (таблица 1). Let us consider a method for obtaining a composite material with a short life cycle using sample 2 as an example (Table 1).
Сначала проводилась промывка и обработка шелухи гречихи (продукт был собран на территории Белгородской области, урожай 2022 года) 4% щелочным раствором (NaOH) в течение 60 мин, затем шелуху гречихи промыли дистиллированной водой 5 раз и высушили при температуре 90°С в течение 130 мин. После измельчили в течение 3 мин и просеяли шелуху гречихи через сито 64 мкм. Для модифицирования взяли 4,5 г шелухи гречихи, 4,23 г кремнийорганической смолы К-9 и 6,27 г толуола. Кремнийорганическую смолу К-9 растворяли толуолом при помощи обработки ультразвуком в течение 30 мин, сперва получился мутный раствор, в течение следующих 30 мин произошло полное растворение кремнийорганической смолы К-9, и образовалась прозрачная вязкая жидкость. После добавили шелуху гречихи и продолжили обработку в течение 90 мин при частоте 40 кГц. First, buckwheat husks (the product was collected in the Belgorod region, harvest of 2022) were washed and processed with a 4% alkaline solution (NaOH) for 60 min, then the buckwheat husks were washed with distilled water 5 times and dried at a temperature of 90 ° C for 130 min. Then they were crushed for 3 min and sifted through a 64 μm sieve. For modification, 4.5 g of buckwheat husks, 4.23 g of K-9 organosilicon resin and 6.27 g of toluene were taken. The K-9 organosilicon resin was dissolved with toluene using ultrasound treatment for 30 min, at first a turbid solution was obtained, during the next 30 min the K-9 organosilicon resin was completely dissolved, and a transparent viscous liquid was formed. Then buckwheat husk was added and the treatment was continued for 90 min at a frequency of 40 kHz.
Затем высушили модифицированную шелуху гречихи (наполнитель) в СВЧ и измельчили до прохождения через сито 64 мкм. Затем смешали компоненты для композиционного материала для производства конструкционных и отделочных материалов с коротким жизненным циклом при температуре 170°C, для этого использовали двухшнековый экструдер, после гранулы композита загружали в пресс-фору с дальнейшим нагревом до 150°С в течение 70 мин, прессование под давлением 110 МПа с выдержкой нагрузки в течение 6 мин.Then the modified buckwheat husk (filler) was dried in a microwave oven and ground until it passed through a 64 µm sieve. Then the components for the composite material for the production of structural and finishing materials with a short life cycle were mixed at a temperature of 170°C, for this a twin-screw extruder was used, after which the composite granules were loaded into a press fork with further heating to 150°C for 70 min, pressing under a pressure of 110 MPa with a load holding time of 6 min.
Результаты исследований подтверждают, что заявляемый способ получения композиционного материала с коротким жизненным циклом обладает улучшенными физико-механическими характеристиками, низким показателем водопоглощения, за счет регулирования гидрофильно-гидрофобного баланса функциональных групп на внешней поверхности наполнителя (шелухи гречихи), кроме того предлагаемое изобретение направлено на повышение экологичности готового композиционного материала за счет использования биоразлагаемого полимера – полилактида.The results of the studies confirm that the claimed method for producing a composite material with a short life cycle has improved physical and mechanical characteristics, a low water absorption rate, due to the regulation of the hydrophilic-hydrophobic balance of functional groups on the outer surface of the filler (buckwheat husk), in addition, the proposed invention is aimed at increasing the environmental friendliness of the finished composite material due to the use of a biodegradable polymer - polylactide.
Предложенное решение позволяет использовать данный способ получения композиционного материала с коротким жизненным с высокими физико-механическими свойствами, низким водопоглощением, а также помогает решить экологическую проблему утилизации шелухи гречихи.The proposed solution allows using this method of obtaining a composite material with a short life with high physical and mechanical properties, low water absorption, and also helps to solve the environmental problem of buckwheat husk disposal.
Преимущества предлагаемого способа получения композиционного материала с коротким жизненным заключаются в следующем:The advantages of the proposed method for producing a composite material with a short life are as follows:
- полученный предлагаемым способом композиционный материал обладает высокими физико-механическими показателями; - the composite material obtained by the proposed method has high physical and mechanical properties;
- обладает низким показателем водопоглощения, что позволяет использовать изделия из него на улице во время дождливой погоды и повышенной влажности;- has a low water absorption rate, which allows products made from it to be used outdoors during rainy weather and high humidity;
- является биоразлагаемым, что будет способствовать сохранению экологического баланса и сохранению чистоты окружающей среды;- is biodegradable, which will help maintain the ecological balance and keep the environment clean;
- за счет регулирования соотношения компонентов материала можно регулировать время биоразложения.- by adjusting the ratio of the material components, the biodegradation time can be controlled.
Таким образом, использование предложенного способа получения композиционного материала с коротким жизненным циклом позволяет получить композиционный материал с коротким жизненным циклом с улучшенными физико-механическими характеристиками, низким показателем водопоглощения, с низкой себестоимостью и повышает экологичность готового композиционного материала за счет использования биоразлагаемого полимера – полилактида.Thus, the use of the proposed method for obtaining a composite material with a short life cycle allows obtaining a composite material with a short life cycle with improved physical and mechanical characteristics, a low water absorption rate, with a low cost price and increases the environmental friendliness of the finished composite material due to the use of a biodegradable polymer - polylactide.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2845059C1 true RU2845059C1 (en) | 2025-08-13 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2545349C1 (en) * | 2013-12-10 | 2015-03-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method for production of hydrolysate of buckwheat husks as cocoa powder substitute for gingerbread and confectionary products |
| RU2582498C1 (en) * | 2015-02-26 | 2016-04-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method of making articles from lignocellulose polymer composite materials |
| US20180072889A1 (en) * | 2016-08-04 | 2018-03-15 | Nanjing Tech University | Lignin Enhanced Wood-Plastic Material and Preparation Method thereof |
| CN107840442A (en) * | 2016-09-20 | 2018-03-27 | 河南智联寰宇知识产权运营有限公司 | Polylactic acid composite biological membrane carrier materials and preparation method thereof |
| RU2753723C1 (en) * | 2020-09-22 | 2021-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет пищевых производств" | Biodegradable polymer composition with antimicrobial properties and controlled biodegradation period |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2545349C1 (en) * | 2013-12-10 | 2015-03-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method for production of hydrolysate of buckwheat husks as cocoa powder substitute for gingerbread and confectionary products |
| RU2582498C1 (en) * | 2015-02-26 | 2016-04-27 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Method of making articles from lignocellulose polymer composite materials |
| US20180072889A1 (en) * | 2016-08-04 | 2018-03-15 | Nanjing Tech University | Lignin Enhanced Wood-Plastic Material and Preparation Method thereof |
| CN107840442A (en) * | 2016-09-20 | 2018-03-27 | 河南智联寰宇知识产权运营有限公司 | Polylactic acid composite biological membrane carrier materials and preparation method thereof |
| RU2753723C1 (en) * | 2020-09-22 | 2021-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет пищевых производств" | Biodegradable polymer composition with antimicrobial properties and controlled biodegradation period |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Подденежный Е.Н. и др. Использование молотой лузги в качестве наполнителя в биоразлагаемые материалы / Вестник Гомельского государственного технического университета имени П.О. Сухого, 2023, N 2, с. 47-57. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Członka et al. | Effect of walnut shells and silanized walnut shells on the mechanical and thermal properties of rigid polyurethane foams | |
| Andrzejewski et al. | Cork-wood hybrid filler system for polypropylene and poly (lactic acid) based injection molded composites. Structure evaluation and mechanical performance | |
| Ait Laaziz et al. | Bio-composites based on polylactic acid and argan nut shell: Production and properties | |
| Ibrahim et al. | Effect of fiber treatment on mechanical properties of kenaf fiber-ecoflex composites | |
| DE69327871T2 (en) | BIODEGRADABLE COMPOSITIONS OF SYNTHETIC AND NATURAL POLYMERS | |
| Kumar et al. | Mechanical characterization and quantification of tensile, fracture and viscoelastic characteristics of wood filler reinforced epoxy composite | |
| Huang et al. | Effect of mechanical activation pretreatment on the properties of sugarcane bagasse/poly (vinyl chloride) composites | |
| Rozman et al. | The effect of compounding techniques on the mechanical properties of oil palm empty fruit bunch–polypropylene composites | |
| Amirou et al. | Effects of corona discharge treatment on the mechanical properties of biocomposites from polylactic acid and Algerian date palm fibres | |
| Banat et al. | Olive oil waste filled high density polyethylene bio-composite: mechanical, morphological and water absorption properties | |
| Perisic et al. | Processing of hybrid wood plastic composite reinforced with short PET fibers | |
| Aouat et al. | Effects of interface modification on composites based on olive husk flour | |
| RU2845059C1 (en) | Method of producing a composite material with a short life cycle | |
| Raj et al. | Studies on blends of modified starch–LDPE | |
| Veeman et al. | Numerical and experimental investigations on the mechanical behavior of additively manufactured novel composite materials for biomedical applications | |
| Mallick et al. | Corn-starch/polyvinyl alcohol bio-composite film for food packaging application | |
| Cherkashina et al. | Modification of buckwheat husk powder and creation of composite material on its basis | |
| EP4223835A1 (en) | Cellulose composite resin | |
| Maduranga et al. | Investigation of Thermal and Mechanical Properties of Micro Crystalline Cellulose Based Composites | |
| RU2846118C1 (en) | Biodegradable composite and a method for production thereof | |
| S. Castro et al. | Synthesis and evaluation of the incorporation of sisal fiber cellulose in the polymeric matrix of starch from jackfruit seed (Artocarpus heterophyllus Lam.) using thermogravimetry | |
| RU2836605C1 (en) | Composite material for production of structural and finishing materials with short life cycle | |
| JP7282339B2 (en) | Composite powder and its manufacturing method | |
| Hamid et al. | Effect of grafting on properties of oil palm empty fruit bunch fiber reinforced polycaprolactone biocomposites | |
| Chiromito et al. | Thermoformable fiberboards of wood pulp and nanofibrillated cellulose |