Использование отходов сельскохозяйственного производства

Использование отходов сельскохозяйственного производства

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, 400С в течение различного времени от 10 до 180 мин. Температурная обработка уже при 250С 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 20-150С с потерями массы 3,5-8%, что подтверждается эндотермичностью данного процесса.

Деструкция исходных ООГ и ООП начинается при 200С - ООГ и 160С - ООП, потери массы по завершению основной стадии деструкции составляют 64% у ООГ и 57,5% у ООП. Воздействие температур 200 и 250С 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 400С ООГ и ООП показывает, что при воздействии температуры имеются различия в интенсивности и положении некоторых полос.

Так, у термообработанных, особенно при 400С, 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.

Рис. 4. Данные ИКС отходов обмолота гречихи (ООГ):

1 - ООГ исходный; 2 - ООГ термообраб. (t=190С; ?=90 мин); 3 - ООГ термообраб. (t=250С; ?=90 мин); 4 - ООГ термообраб. (t=400С; ?=2 мин)

Рис. 5. Данные ИКС отходов обмолота проса (ООП):

1 - ООП исходный; 2 - ООП термообраб. (t=190С; ?=90 мин); 3 - ООП термообраб. (t=250С; ?=90 мин); 4 - ООП термообраб. (t=400С; ?=2 мин)

ООГ и ООП использовали в качестве наполнителей для полиэтилена.

Компоненты в композиции совмещались следующим образом: осуществлялась подготовка исходных компонентов; ПЭ смешивался с ООГ и ООП сухим методом, до равномерного распределения наполнителя в объеме ПЭ, полученная композиция обрабатывалась, используемой в качестве антиадгезива, полиэтиленсилоксановой жидкостью (ПЭС).

Исследовались композиции, содержащие до 10 масс. ч. ООГ и ООП. Введение большего количества отходов затруднено вследствие достаточно больших размеров даже измельченных отходов и их низкой насыпной плотности.

Для выбора способа переработки, перерабатывающего оборудования и режимов переработки оценивалась текучесть композиций по показателю текучести расплава (ПТР). Определение проводилось в интервале температур 150-210С и интервале нагрузок 2,6-10 Н. Показано, что с увеличением нагрузки при всех исследуемых температурах текучесть композиции увеличивается.

Аналогичное влияние на показатель текучести оказывает температура. С увеличением температуры при испытаниях со 150 до 210С ПТР возрастает (рис. 17). На основании проведенных исследований для получения образцов методом экструзии выбраны оптимальные технологические параметры:

Т=170C, Р=100МПа.

Согласно технологическим требованиям ПТР для литьевых марок составляет 2-20 г./10 мин., следовательно, исследуемые композиции можно перерабатывать литьем под давлением. [45,46]

Введением наполнителей достигается существенное изменение физико-химических и механических свойств получаемых композиционных материалов.

ПЭ низкой плотности относится по своим прочностным свойствам к классу конструкционных материалов общетехнического назначения.

Образцы, содержащие отходы обмолота гречихи и проса характеризуются комплексом свойств, близких к ненаполненному ПЭ. Отмечены уменьшение плотности, повышение устойчивости к изгибу и теплостойкости, повышение ползучеустойчивости.

Изменение физико-механических характеристик обусловлено изменением структуры наполненных полимеров [49]. Меняется характер разрушения ПКМ на основе ПЭ. Ненаполненный ПЭ при приложении растягивающих нагрузок деформируется с образованием «шейки», то есть, способен к образованию и развитию вынужденно-эластической деформации [47,48].

Полиэтилен, наполненный как исходными, так и измельченными отходами, при растягивающих нагрузках теряет способность к возникновению и развитию вынужденно-эластической деформации, уменьшается относительное удлинение.

Образцы, содержащие лузгу меньших размеров обладают лучшей способностью к деформации, что связано с более равномерным распределением наполнителя.

Таким образом, в результате исследований была показана возможность применения отходов обмолота гречихи и проса в качестве наполнителя ПЭ. Отмечено, что введение данных отходов позволяет перерабатывать композицию методом экструзии при сохранении физико-механических свойств и термостойкости ПЭ со снижением его стоимости. Возможно также получение биодеградируемых композитов.

Заключение

На основании информационного анализа, можно сделать вывод о том, что полимеры, в том числе и полиэтилен обладают уникальным комплексом свойств, не имеющих аналогов среди традиционных конструкционных материалов. В связи с этим, неуклонно растут темпы производства полимерных материалов и расширяются области их применения. Применение полимерных материалов имеет и негативную сторону, связанную с горючестью большинства полимеров. Поэтому во многих странах приняты стандарты, определяющие допустимый уровень горючести полимерных материалов, в таких отраслях как: транспортное машиностроение, электротехника, производство изделий бытового назначения, строительство. С помощью целенаправленного регулирования свойств полимеров, возможно получать материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и пониженной горючестью. Работы по этому направлению ведутся давно, но в недостаточном количестве, т. к. это связано со сложностью поставленной задачи и необходимостью учитывать на только эффективность замедлителей горения, но и влияние используемых веществ на технологические, эксплуатационные свойства материалов, доступность замедлителей горения, экономические аспекты их производства и применения. Комплексное решение этих проблем в настоящее время на достигнуто, разработанные системы сложны и содержат добавки, оказывающие негативное влияние на физико-механические, теплофизические свойства и на окружающую среду.

Актуальность этой проблемы обусловлена необходимостью создания материалов пониженной горючести, а также наличием большого количества отходов химической и сельскохозяйственной промышленности, утилизация которых в настоящее время не проводится и использование которых в качестве наполнителей решает одновременно с технологическими и экологические проблемы.