WYKORZYSTANIE DRZEWNYCH ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH DO WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH

Transkrypt

1 Marlena KWIATKOWSKA, Marek KOZŁOWSKI* poli(propylen), drzewny odpad przemysłowy, analiza sitowa, kompozyty WYKORZYSTANIE DRZEWNYCH ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH DO WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH Kompozyty poli(propylenu) napełnione drzewnym odpadem w postaci wiórów świerkowych stanowią interesującą grupę materiałów, których właściwości nie są pochodną indywidualnych cech składników, ale zależą od wielu czynników, takich jak: metoda przetwórstwa, stopień zawilgocenia, zawartość, wielkość, geometria cząstek drzewnych, stopień dyspersji napełniacza, czy sposób przeprowadzenia badań. W pracy przedstawiono wyniki badań wytrzymałościowych kompozytów polipropylenu napełnionego wiórami drzewnymi (30 i 50% wag.), przesianymi przez sita o wielkości oczek: 0,5; 1,0; 1,6; 2,0 mm. W celu poprawy adhezji międzyfazowej stosowano kompatybilizator w ilości 1,5 oraz 2,5% wag. 1. WPROWADZENIE W ciągu ostatnich lat obserwuje się systematyczne zwiększanie udziału tworzyw drewnopochodnych w rynku materiałów polimerowych. Przyczyny tego zjawiska można upatrywać we względach ekonomicznych i ekologicznych. Napełnianie polimerów drzewnym odpadem przemysłowym (surowcem odnawialnym i tanim) jest racjonalne ze względu na zwiększający się problem zagospodarowania odpadów polimerowych, jak również ryzyko wyczerpania i zastraszające tempo wzrostu cen paliw kopalnych. Projektowanie kompozytów z udziałem nowych komponentów, przy nieustannym postępie technologicznym daje ogromne możliwości w dziedzinie opracowywania nowoczesnych rozwiązań. Ponadto możliwość nadania wyrobom wyglądu drewna oraz uzyskania materiałów o obniżonym ciężarze właściwym stanowi alternatywę o coraz większej atrakcyjności [4 6,8,12]. *Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, pl. Grunwaldzki 9, Wrocław, marlena.kwiatkowska@pwr.wroc.pl

2 320 M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI W ostatnich latach skupiono się głównie na próbach napełnienia tworzyw termoplastycznych napełniaczem drzewnym o różnej wielkości cząstek, co opisano w wielu publikacjach [2,7 8,10 12]. W większości przypadków wykazano, że wartości właściwości mechanicznych kompozytów wzrastają wraz ze wzrostem wielkości cząstek. W kilku przypadkach zaobserwowano jednak tendencję odwrotną. Wyjaśnienie rozbieżności dostępnych wyników nie jest jednoznaczne. Właściwości kompozytu stanowią kombinację właściwości napełniacza i osnowy, zależą także od zdolności przenoszenia obciążeń na granicy faz. Do funkcji osnowy zalicza się: nadanie wyrobom żądanego kształtu, przenoszenie obciążeń na napełniacz, kształtowanie właściwości cieplnych i palnych. Efektywność wzmocnienia zależy natomiast od: zawartości, wielkości, geometrii cząstek drzewnych, stopnia zawilgocenia i jakości dyspersji napełniacza w matrycy polimerowej. Dokonując odpowiedniego zestawienia parametrów o których mowa właściwościami kompozytów można więc sterować w szerokim zakresie [1 3,6 8,9 12]. Przedmiotem niniejszej pracy jest ocena właściwości kompozytów poli(propylenu) z drzewnym odpadem przemysłowym w postaci wiórów świerkowych o różnej frakcji. 2. MATERIAŁY Do badań użyto następujące materiały: - polipropylen (PP) o nazwie handlowej Moplen EP548v produkcji Bassell Orlen Polyolefins z Płocka podstawowe zastosowanie tego tworzywa to produkcja wyrobów wtryskiwanych o długich drogach płynięcia, takich jak szuflady, listwy, półki oraz artykuły użytkowe gospodarstwa domowego i cienkościenne pojemniki do przechowywania żywności, - napełniacz drzewny (WD) w postaci wiórów świerkowych, stanowiący odpad pochodzący z przemysłu meblarskiego, dostarczony przez firmę Stelmet S.A. z Zielonej Góry, - czynnik kompatybilizujący Hercoprime G (prod. Himont Inc.), stanowiący produkt szczepienia PP bezwodnikiem maleiowym ANALIZA SITOWA Skład granulometryczny odpadu drzewnego określono przy użyciu wytrząsarki laboratoryjnej Promax 1020 firmy Heidolph oraz zestawu sit o wymiarach oczek: 0,5; 1,0; 1,6; 2,0 mm. Próbki o masie 60 g przesiewano na zestawie sit przez 5 minut. Każdą klasę wymiarową ważono na wadze laboratoryjnej z dokładnością do 10-2 g. Wynik uzyskanego rozkładu granulometrycznego cząstek przedstawia rys. 1.

3 Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 321 Rys. 1. Analiza granulometryczna odpadu przemysłowego w postaci wiórów świerkowych Najliczniejszą frakcję stanowią wióry drzewne klasy wymiarowej 0,5 1,0 mm. Dla tej frakcji udział procentowy wynosi 38%. Najmniej w badanym odpadzie drzewnym jest wiórów świerkowych wielkości > 2 mm (udział procentowy dla tej frakcji wynosi 1%). Do wytworzenia kompozytów wykorzystano wióry drzewne w czterech klasach wymiarowych: < 0,5; 0,5 1,0; 1,0 1,6; 1,6 2,0 mm (rys. 2). Rys. 2. Zdjęcia poszczególnych klas wymiarowych odpadu drzewnego wykorzystanego do produkcji kompozytów: a) < 0,5 mm, b) 0,5 1,0 mm, c) 1,0 1,6 mm, d) 1,6 2,0 mm

4 322 M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI 2.2. SKŁAD BADANYCH KOMPOZYTÓW Skład badanych kompozytów przedstawia tabela 1. Tabela 1. Skład badanych kompozytów Udział wagowy [%] PP Wióry drzewne Hercoprime G ,5 30 1, ,5 50 2,5 3. METODYKA Plan przeprowadzonych badań przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Schemat przebiegu badań Proces homogenizacji składników przeprowadzono w mieszalniku Rheomix 600,

5 Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 323 Haake mieszając składniki przez 10 min. w temperaturze 190 C przy prędkości obrotowej rotorów 60 min -1. Ze względu na higroskopijny charakter odpad drzewny suszono przed mieszaniem przez 3 godz. w temperaturze 100 C. Próbki do badań formowano przy użyciu prasy hydraulicznej Lab Tech LP20-B oraz wtryskarki laboratoryjnej firmy PROMA. Temperatura procesów prasowania i wtryskiwania wynosiła 190 C; stosowane ciśnienie odpowiednio: 50 i 300 bar OCENA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH BADANIE CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH PODCZAS ROZCIĄGANIA Badania wytrzymałościowe wykonywano w próbie jednoosiowego rozciągania przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Lloyd LR 10K. Stosowano próbki w kształcie wioseł o przekroju części roboczej: - 1 x 10 mm (prasowanie), - 2 x 4 mm (wtryskiwanie). Prędkość rozciągania wynosiła 5 mm/min BADANIE CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH PODCZAS ZGINANIA Badania wytrzymałościowe wykonywano w próbie trójpunktowego zginania przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Lloyd LR 10K. Stosowano próbki w kształcie belek o wymiarach: 100 x 10 x 4 mm. Prędkość zginania wynosiła 2 mm/min, rozstaw podpór 64 mm. 4. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE Wyniki badań właściwości mechanicznych przy rozciąganiu dla polipropylenu napełnionego wiórami drzewnymi w ilości 30 i 50% wag. przedstawiono na rys. 4 i 5 (kompozyty otrzymane metodą prasowania) oraz na rys. 6 i 7 (próbki wtryskiwane). Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że próbki otrzymane metodą wtryskiwania charakteryzuje większa wartość wytrzymałości na rozciąganie niż w przypadku próbek otrzymanych metodą prasowania. Obserwowane zjawisko można przypisać orientacji cząstek napełniacza w gnieździe formy podczas wtryskiwania. Odnosząc wyniki badań do matrycy polipropylenowej odnotowano wzrost wartości wytrzymałości na rozciąganie kompozytów w stosunku do PP, co wskazuje na działanie wzmacniające napełniacza. Dodatek kompatybilizatora w każdym przypadku powoduje zwiększenie wytrzy-

6 324 M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI małości na rozciąganie. Stopień napełnienia polipropylenu ma decydujący wpływ na wartość wytrzymałości na rozciąganie w przypadku próbek prasowanych. Wielkość cząstek drzewnych również odgrywa dużą rolę. Największą wartością wytrzymałości na rozciąganie charakteryzują się kompozyty napełniane frakcją 0,5 mm. Rys. 4. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą prasowania Rys. 5. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą prasowania

7 Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 325 Rys. 6. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania Rys. 7. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania Kształtowanie się wartości modułu sprężystości przy rozciąganiu przedstawiono na rys. 8 i 9 (kompozyty otrzymane metodą prasowania) oraz na rys. 10 i 11 (próbki wtryskiwane). Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że kompozyty napełniane wiórami charakteryzuje wysoki moduł sprężystości w porównaniu do matrycy polipropylenowej. Kompozyty otrzymane na drodze wtryskiwania charakteryzuje większy moduł sprężystości w porównaniu z próbkami prasowanymi. Zwiększanie ilości napełniacza wpływa na poprawę sztywności kompozytów. Dodatek kompatybi-

8 326 M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI lizatora poprawia sztywność materiału w przypadku tworzyw wtryskiwanych (w wyniku oddziaływania ugrupowań bezwodnika z grupami hydroksylowymi celulozy powstają wiązania wodorowe i estrowe, co zwiększa adhezję pomiędzy odpadem Rys. 8. Moduł Younga kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą prasowania Rys. 9. Moduł Younga kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą prasowania

9 Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 327 Rys.10. Moduł Younga kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania Rys. 11. Moduł Younga kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania drzewnym w postaci wiórów a osnową polipropylenową). W przypadku tworzyw prasowanych kompatibilizator nie spełnia dostatecznie swej funkcji, co może wynikać ze sposobu przygotowania próbki, w szczególności braku orientacji wiórów. Kompozyty napełnione wiórami drzewnymi w ilości 50 % wag. (frakcja 1,6 2,0 mm) charakteryzuje największa sztywność. Wyniki badań właściwości mechanicznych podczas trójpunktowego zginania kompozytów polipropylenu napełnionych wiórami drzewnymi, otrzymanych na dro-

10 328 M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI dze wtryskiwania (30 i 50% wag.) zamieszczono na rys. 12 i 13. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że dodatek wiórów wpływa na wzrost wytrzymałości na zginanie kompozytów w odniesieniu do matrycy polipropylenowej. Dodatek kompatybilizatora znacznie poprawia wytrzymałość na zginanie, natomiast wielkość frakcji drzewnej praktycznie nie ma znaczenia. Rys. 12. Wytrzymałość na zginanie kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania Rys. 13. Wytrzymałość na zginanie kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania Wyniki badań kompozytów otrzymanych na drodze wtryskiwania przedstawiono na rys. 14 i 15. Stwierdzono, że sztywność kompozytów wzrasta wraz z dodatkiem napełniacza, zaś korzystny wpływ kompatybilizatora zaobserwowano szczególnie w przy-

11 Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 329 padku napełnienia w ilości 50 % wag. Największą sztywnością charakteryzują się kompozyty zawierające frakcję 0,5 napełnione wiórami w ilości 50% wag. Rys. 14. Moduł Younga kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania Rys. 15. Moduł Younga kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania

12 330 M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI 5. WNIOSKI Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, co następuje: - korzystne jest wytwarzanie kompozytów drogą wtryskiwania (wysoka wartość wytrzymałości na rozciąganie i zginanie w stosunku do matrycy polipropylenowej, jak również względem materiałów otrzymanych przez prasowanie), - dobre wyniki daje napełnianie polipropylenu wiórami drzewnymi w ilości 50% wag. w obecności promotora adhezji międzyfazowej, - korzystne jest wytwarzanie kompozytów zawierających dodatek wiórów drzewnych należących do klasy wymiarowej < 0,5 mm (wysoka wartość modułu sprężystości przy rozciąganiu i zginaniu). LITERATURA [1] CUI Y., LEE S., Fabrication and interfacial modification of wood/recycled plastic composites materials. Composites part A.: Applied Science and Manufacturing, 2008, Vol. 39, I.4, [2] GOZDECKI C., ZAJCHOWSKI S., Effect of Wood particle size on mechanical properties of industrial wood particle-polyethylene composites, Polimery, 2011, Vol 28, Nr 5, [3] IWAŃCZUK A., KOZŁOWSKI M., FRĄCKOWIAK S., Wpływ modyfikacji włókien naturalnych na właściwości kompozytów biodegradowalnych na osnowie PLA, Czasopismo Techniczne. Mechanika, 2009, R. 106, z. 1 M, [4] KOZŁOWSKI M., Lightweight plastic materials [w:] Thermoplastic elastomers. Ed. Adel Zaki El- Sonbati, InTech, Rijeka 2012, [5] KUCIEL S., RYDAROWSKI H., Wprowadzenie, [w:] Biokompozyty z surowców odnawialnych, pod red. S. Kuciela, H. Rydarowskiego, Kraków 2012, [6] KOZŁOWSKI M., MACYSZYN J., KARAŚ R., Termoplastyczne kompozyty komórkowe, [w:] Biokompozyty z surowców odnawialnych, pod red. S. Kuciela, H. Rydarowskiego, Kraków 2012, [7] OKSMAN NISKA K., SAIN M. (Ed.), Wood-polymer composites, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge [8] POŁEĆ I., KOZŁOWSKA A., Kompozyty hybrydowe polipropylenu z mączką drzewną i talkiem, Prace Naukowe Instytutu Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocławskiej. Konferencje, 2002, Vol. 63, Nr 10, [9] PORĘBSKA R., Wybrane zagadnienia oceny własności mechanicznych kompozytów termoplastycznych, Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska. Wydział Mechaniczny, Kraków [10] SALEMANE M.G, LUYT A.S., Thermal and mechanical properties of polypropylene wood powder composites, Journal of Applied Polymer Science, 2006, Vol. 100, I. 5, [11] ZAJCHOWSKI S., TOMASZEWSKA J.., Kompozyty polimerowo-drzewne, TEKA Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa, 2008, Vol. 2, [12] ZAJCHOWSKI S., TOMASZEWSKA J., Właściwości mieszanin polimerowych z mączką drzewną,[w:] Biokompozyty z surowców odnawialnych, pod red. S. Kuciela, H. Rydarowskiego, Kraków 2012,

13 Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 331 MANUFACTURING OF INDUSTRIAL WOOD WASTE POLYMER COMPOSITES Polypropylene/spruce chips composites constitute an interesting group of materials, which mechanical properties depend on many factors. In this paper influence of the wood particle size (sieve analysis: < 0.5, , , mm) and content (30 and 50% by weight) on PP composites have been presented. It has been shown, that industrial wood waste can be good materials to make composites by injection moulding, especially that with a particle size < 0.5 mm. The coupling agent is required to prepare polypropylene composites with high filler content (50 wt.%).