Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур в производстве полимерных композитов

Полимерные композиты с лигноцеллюлозными наполнителями являются современными перспективными материалами, уверенно завоевывающими рынки мира. Особое внимание исследователей уделяется наполнителям на основе многотоннажных сельскохозяйственных отходов как дешевого возобновляемого ресурса, отличающегося разнообразием свойств. Показано, что композиты с шелухой гречихи обладают приемлемыми физико-механическими и потребительскими свойствами. Сделана попытка выявить взаимосвязь между прочностными свойствами композитов с наполнением из различных сельскохозяйственных культур и их компонентным составом (целлюлоза, лигнин).

Истощение ископаемых источников сырья, неблагоприятные изменения климата, рост численности населения, загрязнение окружающей среды и другие факторы требуют обеспечения механизмов устойчивого развития и являются главными стимулами развития биоэкономики, основанной на применении возобновляемых источников сырья и технологиях их переработки.

Для многих стран вопрос переработки сельскохозяйственных отходов является актуальным по причине того, что ежегодно увеличиваются объемы отходов, нерациональная утилизация и захоронение которых приводят к тяжелым экологическим последствиям, негативно сказываются на дальнейшей эксплуатации почвы. Улучшение экологической ситуации в агропромышленном секторе может быть достигнуто при согласованных действиях сельхозпроизводителей, разработчиков «зеленых» технологий, а также внедрением в производства механизмов и методов рационального природопользования.

Разработаны государственные программы [1, 2], направленные на внедрение в агропромышленном комплексе современных ресурсосберегающих технологий глубокой переработки сельскохозяйственного и пищевого сырья, вторичных сырьевых ресурсов, обеспечивающих высокую эффективность производств, повышение качества, создание социально значимой продукции с функциональными свойствами, способствующей импортозамещению и усилению конкурентных позиций отечественных производителей.

Логическим продолжением внедрения "зеленых технологий" являются технологии комплексной переработки отходов сельскохозяйственного производства, не имеющих пищевого или кормового значения. С этой точки зрения перспективным ресурсом является шелуха (лузга, плодовые оболочки зерна) гречихи (ШГ). В России среднегодовой объем производства гречневой крупы составляет 285,1 тыс. тонн. Доля ШГ от общей массы зерна составляет около 20 %. Расчеты показывают, что ежегодно образуются порядка 57 тыс. тонн лузги гречихи [3]. ШГ является ценным лигноцеллюлозным сырьем, содержащим полифенольный комплекс, лигнин, минеральные вещества [4], однако в настоящее время широкого практического применения научные разработки по переработке ШГ не находят. В любой технологии переработки ШГ (извлечения полифенольных веществ, полисахаридов, получения лигнина) остается значительная масса технологических отходов, которая также требует утилизации. В то же время, любые лигноцеллюлозные отходы, полученные при переработке ШГ, могут быть использованы как наполнитель для древесно-полимерного композиционного (ДПК) материала.

Тема исследований ДПК весьма актуальна, поскольку данный материал, основанный на смешении термопластичных полимеров и частиц древесного происхождения, стремительно набирает популярность на мировом рынке и в России. Даже в Америке, где этот продукт получил первоначальное продвижение, спрос еще не достиг точки насыщения.

Наша работа посвящена получению полимерного композиционного материала на основе полиэтилена и шелухи гречихи и изучению его свойств.

В результате проведения экспериментальных исследований были установлены зависимости физико-механических показателей ДПК (предел прочности при растяжении и модуль упругости) от содержания наполнителя в полимерной матрице и размера частиц шелухи гречихи. Максимальное значение предела прочности при растяжении составляет 21,75 МПа.

Изучена плотность полимерного композиционного материала на основе полиэтилена и ШГ, данный показатель варьируется в пределах от 0,9 до 1,1 г/см³ в зависимости от содержания наполнителя в композите.

Полученные экспериментальные данные испытания на водопоглощение показывают, что композиты с ШГ в качестве наполнителя воду впитывают незначительно. Водопоглощение возрастает соответственно со степенью наполнения и составляет 0,73-1,35 % после 24 часов погружения в воду.

В результате проведенных нами исследований установлено, что полимерный композиционный материал на основе полиэтилена и шелухи гречихи обладает приемлемыми физико-механическими и эксплуатационными характеристиками, а, следовательно, может быть использован как финальная стадия безотходной комплексной технологии переработки шелухи гречихи.

Конечные свойства ДПК зависят как от свойств наполнителя (морфологии, химии поверхности, химического состава), так и от свойств полимерной матрицы (природы и функциональности). Химический состав наполнителя имеет значительный вклад в смачиваемость и адгезию в композиционных материалах. Существуют противоречивые свидетельства о влиянии химического состава наполнителя на механические свойства композитов. Например, сообщалось, что для композита с наполнителем с низким содержанием целлюлозы характерны высокие значения прочностных характеристик [5]. С другой стороны, было установлено, что удаление лигнина из древесных волокон приводит к хорошей адгезии на границе раздела фаз с полимерной матрицей, что в свою очередь обеспечивает высокие механические свойства [6]. Тем не менее, авторы исследования [7] сообщили, что химический состав наполнителя не имеет непосредственного влияния на механические свойства композитов.

В связи с этим представляет интерес выявить зависимость между механическими свойствами ДПК, не содержащих компатибилизаторов и технологических добавок, и компонентным составом наполнителя. Учитывая многообразие наполнителей и состава, использовались собственные и литературные данные (см. табл. 1).

Основная сложность заключалась в том, что данные о компонентном составе растительного сырья, приведенные в разных источниках, могут отличаться на порядок, что, вероятно, вызвано не только нестабильностью состава в зависимости от условий произрастания, фазы вегетации и прочих факторов, но и различием в методиках определения компонентного состава.

Установлено, что наибольшие значения предела прочности имеют ДПК с волокнистыми наполнителями (кенаф, джут, лен, конопля, банан), что вполне объяснимо перераспределением нагрузки на волокно. При этом для этих же наполнителей характерны высокие значения содержания целлюлозы (56– 2 %). Однако для композитов с рами (крапивы китайской), ананаса и сизаля характерны средние значения прочностных характеристик, при сопоставимых содержаниях целлюлозы и лигнина. В ряду изученных наполнителей резко выделяются кокос и шелуха гречихи, имеющие в своем составе порядка 40 % лигнина, при этом механические свойства композитов на их основе имеют средние значения. Таким образом, ранее высказанное предположение о том, что химический состав наполнителя не оказывает непосредственного влияния на механические свойства композита, подтверждается.

Таблица 1

Физико-механические свойства ДПК, компонентный состав наполнителя

Литература:

1. Стратегическая программа исследований Технологической платформы БиоТех2030 // Научно-техническое некоммерческое партнерство «Технологическая платформа БиоТех2030». URL: http://biotech2030.ru/wp-content/uploads/2015/02/СПИ_22.04.15.pdf (дата обращения: 12.12.2016).
2. Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года // Гарант.Ру Информационно-правовой портал. URL: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/70068244 (дата обращения: 12.12.2016).
3. Российский рынок гречихи и гречневой крупы в 1990-2013 гг., в январе 2014 года // Экспертно-аналитический центр агробизнеса «АБ-Центр». URL: http://ab-centre.ru/articles/rossiyskiy-rynok-grechihi-i-grechnevoy-krupy-proizvodstvo-grechihi-proizvodstvo-grechnevoy-krupy-eksport-grechihi-ceny-na-grechihu-ceny-na-grechnevuyu-krupu-potreblenie-grechnevoy-krupy (дата обращения: 12.12.2016).
4. Шкорина Е.Д. Состав и комплексная переработка отходов производства гречихи // дисс. … кандидата хим. наук: 03.00.16 : защищена 06.11.2007. – Владивосток, 2007. – 157 с.
5. Han G., Shiraishi N. Composites of wood and polypropylenes // Mokuzai Gakkaishi. – 1990. – Vol. 36. – P. 976-982.
6. Beg M.D.H., Pickering K.L. Composites of wood and poly Accelerated weathering of unbleached and bleached Kraft wood fibre reinforced polypropylene composites propylenes // Polym. Degrad. Stabilitytability. – 2008. – Vol. 93. – P. 1939-1946.
7. Kazayawoko M., Balatinecz J., Woodhams R., Law S.. Effects of wood fiber surface chemistry on the mechanical properties of wood fiber polypropylene composites // J. Polym Mater Polym Mater. – 1997. – Vol. 37. – P. 237-261.
8. Faruk O., Bledzki A. K., Fink H., Sain M. Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010 // Progress in Polymer Science. – 2012. – Vol. 37. – P 1552-1596.
9. Bledzki A. K., Mamuna A. A., Volk J. Barley husk and coconut shell reinforced polypropylene composites: The effect of fibre physical, chemical and surface properties // Composites Science and Technology. – 2010. – Vol. 70, N 5. – P. 840-846.
10. Nourbakhsh A., Ashori A., Tabrizi A. K. Characterization and biodegradability of polypropylene composites using agricultural residues and waste fish // Composites Part B: Engineering. – 2014. – Vol. 56. – P. 279-283.
11. Ashori A., Nourbakhsh A., Mechanical behavior of agro-residue-reinforced polypropylene composites // Journal of Applied Polymer Science. – 2008. – Vol. 111, N 5. – P. 2616-2620.
12. Nourbakhsh A., Ashori A. Wood plastic composites from agro-waste materials: Analysis of mechanical properties // Bioresource Technology. – 2010. – Vol. 101, N 7. – P. 2525-2528.
13. Вураско А.В., Минакова А.Р., Гулемина Н.Н., Дрикер Б.М. Физико-химические свойства целлюлозы, полученной окислительно-органосольвентным способом из растительного сырья // Материалы интернет-конференции "Леса России в ХХI веке". URL: http://spbftu.ru/science/internet-conference (дата обращения: 12.12.2016).