Изучение сорбционных свойств биоразлагаемых полимерных композиционных материалов на основе вторичного полипропилена и природных наполнителей растительного происхождения

ХИМИЯ

УДК 661.183. 544.732.212

М. В. Базунова, Е. C. Хлобыстова, Р. К. Фахретдинов, Л. Р. Галиев, В. П. Захаров

ИЗУЧЕНИЕ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ

ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНОГО

ПОЛИПРОПИЛЕНА

И ПРИРОДНЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Ключевые слова: вторичный полипропилен, биоразлагаемые полимерные композиты, адсорбционная ёмкость.

Изучены сорбционных свойств биоразлагаемых полимерных композиционных материалов на основе вторичного полипропилена и природных наполнителей растительного происхождения (древесной муки, рисовой шелухи и лузги гречихи) по отношению к парам летучих органических жидкостей (бензола, гептана и ацетона), не являющихся растворителями для полипропилена. Определено влияние контакта образцов полимерных композитов с парами данных жидкостей на их физико-механические характеристики.

Key words: secondary propylene, biodegradable polymeric composites, adsorption capacity.

Sorption properties of biodegradable polymeric composite materials based on secondary polypropylene and natural fillers of vegetable origin (wood meal, rice husks and buckwheat husks) with respect to vapors of volatile organic liquids (benzene, heptane and acetone), which are not solvents for polypropylene, have been studied. The influence of contact between polymer composites samples and vapors of these liquids on their physico-mechanical characteristics is determined.

Введение

Для материалов, предназначенных для изготовления упаковки и тары технического назначения, отделочных и строительных материалов, пластиковой мебели и пр., целесообразно использование биоразлагаемых полимеров, которые сохраняют эксплуатационные характеристики только в течение периода потребления, а затем претерпевают физико-химические и биологические превращения под действием факторов окружающей среды и легко включаются в процессы метаболизма природных биосистем.

Проблема придания биоразлагаемости хорошо освоенным многотоннажным промышленным полимерам занимает важное место в современных исследованиях. Одним из направлений создания полимерных материалов, способных разлагаться под действием факторов окружающей среды, в том числе микроорганизмов, является использование смесей синтетических полимеров с природными, которые могут играть как роль наполнителя, так и модификатора, обеспечивая при этом фрагментацию макромолекулы синтетического полимера за счет собственной биодеструкции [1].

Модифицирование синтетического полимера природным может быть достигнуто при их совмещении в условиях упруго-деформационного воздействия, которое может привести к химическому модифицированию макромолекул синтетического полимера блоками природного полимера за счёт процессов рекомбинации образующихся макрорадикалов, а, следовательно, обеспечить процесс биоразложения полимерного материала [2, 3].

В данной работе в качестве компонентов при получении биоразлагаемых полимерных композитов использованы крупнотоннажный синтетический полимер полипропилен (1111) и растительные наполнители природного происхождения: древесная мука (ДМ), рисовая шелуха (РШ) и лузга гречихи (ГШ), обогащённые природным полимером целлюлозой.

Материалы на основе ПП характеризуются высокой динамической сопротивляемостью, стойкостью к механическим воздействиям, химической устойчивостью, низкой

теплопроводностью и гидростойкостью. Известно, что в мировых масштабах производство ПП выражается показателем в 20%, соответственно, отходы ПП составляют те же 20% от всех имеющихся, при том, что полимеры занимают одно из первых мест в составе твердых бытовых отходов. Поскольку полиолефины, в частности ПП, используются как для производства изделий с коротким жизненным циклом, так и для получения материалов, которые должны сохранять свои эксплуатационные свойства достаточно длительное время, вытекают две взаимосвязанные задачи - рециклинга и разлагаемости (регулирования сроков эксплуатации

композиционных материалов) [4-6]. В связи с этим, в качестве связующего компонента биоразлагаемых полимерных композиционных материалов также является актуальным использование вторичного полипропилена.

При оценке влияния условий эксплуатации на физико-механические характеристики и показатели качества полимерных композиционных

материалов целесообразным является изучение их сорбционных свойств по отношению к парам летучих органических жидкостей (бензола, гептана и ацетона), не являющихся растворителями для полипропилена.

Экспериментальная часть

В работе использовали вторичный ПП (ВПП) соответствующий ПП марки H-350FF/3, представляющий собой дробленый материал из некондиционных изделий, производимых методом литья под давлением в технологическом производстве

000 "ЗПИ Альтернатива" (Республика Башкортостан, г. Октябрьский).

Древесная мука марки 180 хвоя (г. Дзержинск) соответствовала ГОСТу 16361-87 и ТУ 5386-00187877379-2014, со средним размером частиц около 0.17 мм, содержала 45-52% целлюлозы, 35% лигнина, 17-23% гемицеллюлозы.

Рисовая шелуха имела средний размер частиц 0.5 мм и содержала 40-45% целлюлозы, 20-25% лигнина, 15% гемицеллюлозы.

Лузга гречихи имела средний размер частиц 0.5 мм и содержала 47-58% целлюлозы, 10-12% лигнина, 57% гемицеллюлозы, остальное - минеральные вещества.

Моделирование процесса переработки

полимерных материалов осуществляли в расплаве на лабораторной станции (пластограф) "PlastographEC" (Brabender, Германия) в течение 15 мин при нагрузке 200 Н при температуре 180°С. Скорость вращения роторов варьировалась от 10 до 120 об/мин. Количество загружаемого полимера составляло 25 г. Сорбционные свойства материала определяли на прессованных образцах материала толщиной 1 мм. Прессование осуществляли на автоматическом гидравлическом прессе "AutoMH-NE" (Carver, США) при 210 оС и выдержке под давлением 7000 кгс в течение 3 мин.

Адсорбционная емкость (А) образцов в статических условиях по сконденсированным парам воды, бензола, н-гептана и ацетона определена методом полного насыщения сорбента парами адсорбата в стандартных условиях при 20 оС [5] и рассчитана по формуле: A=m/(Md), где m - масса поглощённого бензола (ацетона, н-гептана), г; M - масса навески осушенного образца, г; d - плотность адсорбата, г/см3.

Во всех весовых методах при доверительной вероятности 0,95 и количестве повторных опытов 3 погрешность эксперимента не превышает 5 %.

Физико-механические свойства полимерных композитов при разрыве определяли согласно ГОСТ 11262-80 на разрывной машине "ShimadzuAGS-X" (Shimadzu, Япония) при температуре 20 °С и скорости движения подвижного захвата разрывной машины

1 мм/мин.

Обсуждение результатов

Изучение адсорбционной ёмкости

композиционных материалов на основе ПП по парам гептана позволит оценить влияние углеводородной

среды на изменение физико-механических характеристик готового изделия

Как следует из данных, представленных в таблице 1, между содержанием растительного наполнителя и сорбционными свойства композиции В1II 1-растительный наполнитель по парам гептана практически отсутствует корреляция. Подобный факт можно объяснить тем, что вклад в адсорбционную ёмкость композиций вносит не только пористая структура композита, которая зависит от содержания наполнителя, но и незначительное набухание поверхности полипропилена в углеводородном растворителе.

Достаточно длительный контакт композитов В1II 1-растительный наполнитель с парами гептана оказывает небольшое отрицательное воздействие на механическую прочность образцов, причём, для образцов, имеющих максимальную

адсорбционную ёмкость по парам гептана, наблюдается достаточно существенная потеря прочности (рис. 1-3, кривые 2).

Таблица 1 - Адсорбционная ёмкость композиционных материалов на основе ВПП

Вид и содержание наполнителя А, г/см3

По парам гептана По парам бензола По парам ацетона

- 3,10 1,20 1,90

РШ 5 мас. ч. 4,40 1,30 2,00

РШ 10 мас. ч. 5,30 1,70 2,15

РШ 15 мас. ч. 8,60 2,15 2,8

РШ 30 мас. ч. 17,70 2,30 3,00

РШ 50 мас. ч. 5,10 2,80 3,40

ДМ 5 мас. ч. 17,40 1,40 2,00

ДМ 10 мас. ч. 14,30 1,70 2,4

ДМ 15 мас. ч. 14,20 2,50 3,1

ДМ 30 мас. ч. 6,00 3,60 4,50

ДМ 50 мас. ч. 10,90 5,40 6,60

ГШ 5 мас. ч. 0,19 0,90 2,00

ГШ 10 мас. ч. 2,40 1,30 2,30

ГШ 15 мас. ч. 2,9 2,10 2,90

ГШ 30 мас. ч. 7,30 2,90 3,30

ГШ 50 мас. ч. 23,90 3,60 4,00

Для моделирования условий контакта композиций с полярной средой выбран ацетон. Установлено (табл. 1), что адсорбционная ёмкость композиций повышается с увеличением содержания растительного компонента, однако величины сорбционной ёмкости незначительны и

практически не зависят от вида наполнителя. Аналогичная картина наблюдается и при контакте изученных образцов с бензолом. Вероятно, сорбция паров ацетона и бензола осуществляется лишь да счёт пористой структуры композиций.

Как следует из данных, представленных на рисунках 1-3, кривые 3 и 4, для всех исследованных образцов композиционных материалов с высоким (более 10 массовых частей) содержанием наполнителя, независимо от его природы, контактирование с парами бензола и ацетона приводит к существенной потере прочности.

30

О -1-1-1-1-1-1

О 10 20 30 40 50 60

содержание наполнителя, мае. ч.

Рис. 1 - Зависимость прочности при разрыве образцов полимерных композиционных материалов на основе ВПП и ДМ; 1 - исходный образец, 2 - образец после контактирования с парами гептана, 4 - образец после контактирования с парами бензола, 4 - образец после контактирования с парами ацетона

20

= 2

0 -I-1-1-1-1-1-1

0 10 20 30 40 50 60

содержание наполнителя, мае. ч.

Рис. 2 - Зависимость прочности при разрыве образцов полимерных композиционных материалов на основе ВПП и РШ; 1 - исходный образец, 2 - образец после контактирования с парами гептана, 4 - образец после контактирования с парами бензола, 4 - образец после контактирования с парами ацетона

После контакта с парами ацетона и бензола для композиций ВПП-растительный наполнитель наблюдается более существенная потеря прочности, чем после контакта с парами гептана. Вероятно, при

воздействии ацетона и бензола, являющихся термодинамически более плохими растворителями для полипропилена, изменяется вид надмолекулярных образований и степень кристалличности поверхностных слоёв полимера, а также, возможно, ухудшается совместимость компонентов композиции, что приводит к уменьшению прочности при разрыве. Следовательно, эти факты необходимо учитывать при эксплуатации полимерных композиционных материалов на основе ВПП и природных наполнителей растительного происхождения в среде ацетона и бензола.

Рис. 3 - Зависимость прочности при разрыве образцов полимерных композиционных материалов на основе ВПП и ГШ; 1 - исходный образец, 2 - образец после контактирования с парами гептана, 4 - образец после контактирования с парами бензола, 4 - образец после контактирования с парами ацетона

Таким образом, биоразлагаемые

композиционные материалы на основе ВПП и природных наполнителей растительного происхождения могут эксплуатироваться после контакта с парами ациклических углеводородов без существенных изменений физико-механических характеристик.

Статья подготовлена в рамках выполнения научно-исследовательской работы в ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации

Литература

1. Фомин В.А., Гузеев В.В. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования. // Пластические массы. 2001. № 2. с. 42-46.

2. Роговина С.З. Биоразлагаемые полимерные композиции на основе синтетических и природных полимеров различных классов. // Высокомолекулярные соединения, серия С. 2016. Т. 58. № 1. С. 68-80.

3. Базунова М.В., Бабаев М.С., Вильданова Р.Ф., Прочухан Ю.А., Колесов С.В., Ахметханов Р.М. Порошково-полимерные технологии в создании сорбционно-активных композиционных материалов // Вестник Башкирского университета. 2011. Т. 16. № 3. С. 684-688.

4. Ла Мантиа Ф. Вторичная переработка пластмасс. Л.: Профессия, 2006.

5. Базунова М.В., Прочухан Ю.А. Способы утилизации отходов полимеров. // Вестник Башкирского университета. 2008. Т.13. № 4. С. 142-156

6. Родионов А.И.,. Клушик В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989.

© М. В. Базунова, канд. хим. наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений и общей химической технологии, специалист в области общей химической технологии и технологии полимерных композиционных материалов, Башкирский государственный университет (г. Уфа), mbazunоva@mail.ru, Е. C. Хлобыстова, студент той же кафедры, khlobystovalena@yandex.ru; Р. К. Фахретдинов, генеральный директор, ООО «Завод пластмассовых изделий «Альтернатива», alternat@mail.ru, Л. Р. Галиев, главный технолог, ООО «Завод пластмассовых изделий «Альтернатива», linairr@mail.ru, В. П. Захаров, д.х.н., профессор, ФГБОУ ВО Башкирский государственный университет, химический факультет, ZaharovVP@mail.ru.

© M. V. Bazu^va, the candidate о!" the chemical sciences, the dоcent оf the department оf high-mеоlecular соппесйош and general chemical technоlоgy оf the chemistry faculty оf the Bashkir State University, mbazunоva@mail.ru; E. S. Khlobystova, the student оf the department оf high-mоlecular cоnnectiоns and general chemical techn^^y оf the chemistry faculty оf the Bashkir State University, mbazunоva@mail.ru, R. K. Fahretdinov, "Plant of plastic products" Alternative ", General Director, alternat@mail.ru, L. R. Galiev - "Plant of plastic products" Alternative ", chief technologist, linairr@mail.ru, V P. Zakharov, Bashkir State University, Department of Chemistry, Doctor of chemical sciences, professor, ZaharovVP@mail.ru.