РАЗРАБОТКА ОРГАНОМИНЕРАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

ДЛЯ УНИВЕРСАЛЬНОЙ МОДИФИКАЦИИ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ БИОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Шаповалов В.М., Валенков А.М., Тимошенко А.А., Носов К.С. (ГНУ ИММС НАН Б им. В.А. Белого, РБ), Розлаениц Збигнев (ИИМПЩ, Польша)

 

Methodical  approaches to physicochemical modification of  lignocellulose wastes and synthesis on the basis of their etheredirived, organicomineral modifying additives were developed.

Одним из направлений при создании безотходных производств в промышленности является разработка технологий наполненных вторичных термопластичных материалов. Однако вследствие пониженных физико-механических характеристик вторичных термопластов возникает острая необходимость в их модифицировании, что позволит не только повысить уровень прочностных характеристик композитов, но и значительно расширить номенклатуру изделий и области их применения.

Актуальность использования гибридных органоминеральных наномодификаторов при получении композиционных материалов на основе биополимеров (лигноцеллюлозных частиц) обусловлено комплексным воздействием модифицирующего агента обеспечивающего улучшение ряда физико-механических свойств композиционной системы.

Для получения реакционноспособного органоминерального матричного комплекса на основе производных целлюлозы, необходимым условиям является предварительная физико-химическая активация исходного сырья. В качестве исходного сырья использовались отходы древесины осины со средним размером частиц 25×5×5 мм содержащая 47% целлюлозы, 28,5% лигнина, 24,5% легкогидролизуемых полисахаридов. Физическую модификацию лигноцеллюлозных частиц проводили с помощью каталитического гидролиза. Процесс взрывного каталитического автогидролиза проводили в автоклаве емкостью 2 л, при температуре 190^ºС и давлении насыщенного водяного пара в 12 атм. Установлено, что в этих условиях происходит гидролиз и деполимеризация лигноуглеводного комплекса, сопровождающийся разрушением надмолекулярных структур древесины с возможностью доступа к рекционноспособным полуацетальным гидроксилам целлюлозы.

После гидролитического воздействия полученную лигноуглеводную массу экстрагировали водой, осадок сушили до содержания связанной влаги в количестве 1 – 2%.

Проведеные исследования морфологического состояния полученной термоцеллюлозы методом сканирующей электронной микроскопии, установили, что средний размер частиц составляет 50-100 мкм, как показано на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Морфологическое состояние термоцеллюлозы

Далее на основе физически модифицированного лигноцеллюлозного сырья были синтезированы эфирпроизводные целлюлозы методами ацетилирования и этилирования, по следующим схемам:

 

Рисунок 2 – Реакция ацетилирования целлюлозы

Рисунок 3 – Реакция этилирования целлюлозы

Таким образом, синтезированы высокозамещенные эфиры целлюлозы активизированной предварительным физическим модифицированием посредством автокаталитического гидролиза.

Далее проводили гидролитическую поликонденсацию тетраэтилортосиликата в 5% растворах диацетата целлюлозы в диметилкетоне и этилцеллюлозы в тетрагидрофуране, в качестве катализатора применялся 10% раствор аммиака. После осаждения диоксида кремния полученное вещество высушивали в вакуумной среде до полного испарения растворителя и использовали как модифицирующую добавку в высоконаполненных композитах.

Образцы композиционных материалов изготавливали методом экструзии на экструзиографе «HAAKE» при температуре 170 °С - 180 °С и скорости вращения шнека 50 об/мин и методом литья под давлением на лабораторной литьевой машине при температуре пресс-формы 180 °С и времени выдержки 10 - 15 с. Исследование характеристик проводили на экструзиографе «HAAKE», на комплексе «INSTRON» и на маятниковом Копре в соответствии с действующими стандартами.

Установлено что при введении в композит органоминерального модификатора в количестве 5% масс обеспечивает повышение физико-механических свойств, ударной прочности на 25%, предела прочности на 30% и модуля упругости на 18%.

Таким образом, в результате проведения данного исследования были разработаны методологические подходы по физико-химической модификации лигноцеллюлозных отходов и синтеза на основе их эфирпроизводных, органоминеральных модифицирующих добавок. Показано что введение органоминерального модификатора в количестве 5% мас. обеспечивает повышение физико-механических свойств высоконаполненных композиционных систем на основе биополимеров.