KOMPOZYTY Z ODPADÓW FOLII HDPE I NAPEŁNIACZA ROŚLINNEGO W POSTACI ŁUSKI OWSA

Transkrypt

1 Kamila SAŁASIŃSKA*, Joanna RYSZKOWSKA, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Warszawa, ul. Wołoska 141, KOMPOZYTY Z ODPADÓW FOLII HDPE I NAPEŁNIACZA ROŚLINNEGO W POSTACI ŁUSKI OWSA NATURAL FIBER COMPOSITES FROM POLYETHYLENE WASTE AND OAT HULLS Streszczenie: W ramach pracy wytworzono kompozyty, którego osnowę stanowił polietylen odpadowy pozyskany z selektywnej zbiórki odpadów opakowaniowych, zaś jako wypełnienie zastosowano drobno zmielone łuski owsa. Wykonano mieszanki o różnej zawartości napełniacza (11, 25 i 34% mas.) i poddano je serii badań pozwalającej na określenie ich cech użytkowych oraz odporności na działanie czynników środowiskowych. Najlepszymi właściwościami mechanicznymi charakteryzowały się kompozyty o udziale napełniacza na poziomie 25% mas., zaproponowana zawartość pozwala na wykorzystanie NFC również do aplikacji zewnętrznych. Abstract: Within the framework of the work composites were produced whose matrix constituted polyethylene gained from packaging waste while milled oat hulls was used as filling. The mixtures with different filler content were made (11, 25 and 34 wt. %), the produced materials were analyzed for their properties and resistance to environmental factors. The best mechanical properties were characterized by composites with 25% mass. filler, proposed content allows to use the NFC also to external applications. 1. WSTĘP W dobie zmniejszających się zasobów naturalnych uzasadnienie wydaje się działanie na rzecz poszukiwania nowych materiałów odpowiadających rosnącym potrzebom konsumentów poprzez łączenie w sobie pożądanych cech różnych grup materiałów. Wyrobami na bazie polimerów, które z powodzeniem mogą zastępować tradycyjne surowce oraz dobrze znane kompozyty napełniane włóknem szklanym są z pewnością kompozyty na bazie polimerów i drewna (Wood Polymer Composites). Zabiegiem pozwalającym na obniżenie ich ceny, polecanym zwłaszcza w krajach o małym zalesieniu, jest zastępowanie drewna dostępnym włóknem roślinnym pozyskiwanym z roślin jednorocznych. Kompozyty polimer napełniacz naturalny (Natural Fiber Composites) odznaczają się unikatowym zespołem właściwości tożsamym dla lekkich, łatwych w przetwórstwie i odpornych 1

2 na działanie czynników środowiskowych polimerów oraz estetycznego i twardego napełniacza roślinnego, pozwalających na ich zastosowanie we wskazanych aplikacjach związanych z przemysłem motoryzacyjnym, budowlanym, branżą meblarską, czy jako elementy infrastruktury drogowej i architektury ogrodowej. Włókna wykorzystywane jako napełniacz NFC są pozyskiwane z łodyg, liści, owoców, a także z części zdrewniałych, nasion i łupin owoców. Doskonałym źródłem surowca do produkcji kompozytów polimer napełniacz naturalny są odpady pozyskane z przemysłu rolno spożywczego. Interesującą grupę stanowi włókno pokarmowe w postaci łuski owsa znajdujące zastosowanie głównie jako składnik paszy dla wybranych grup zwierząt hodowlanych, a także źródło błonnika w przemyśle spożywczym. Pod uprawę owsa w naszym kraju przeznaczone jest ponad ha [1, 2], średni plon z 1 ha wynosi 2,5 t, z czego łuska stanowi od 25 do 30 % całkowitej masy. Łuski owsa nie przydatne do zastosowania na cele pokarmowe pozostają niewykorzystane. Celem pracy było wytworzenie tanich kompozytów polimer napełniacz naturalny o poszukiwanych cechach użytkowych. Na osnowę kompozytów zastosowano polietylen wysokiej gęstości (HDPE) w postaci folii, zaś jako napełniacz użyto drobno zmielone łuski owsa. 2. MATERIAŁY I SPOSÓB WYKONANIA PRÓBEK Na osnowę kompozytów zastosowano białą folię HDPE o wysokiej przezroczystości zakupioną od producenta toreb polimerowych - firmy MARINK Pack System s.j, stanowiącą substytut odpadowych materiałów opakowaniowych. Jako napełniacz zastosowano preparat błonnikowy przygotowany na bazie drobno zmielonych łusek owsa, zakupiony od firmy Microfood Poland Sp. z o.o. Produkt o handlowej nazwie NutriCELL OCO25R D90-75µm, zawierał poniżej 8% wody i miał postać mączki. Rys.1. Owsiany preparat błonnikowy firmy Microfood Poland Sp. z o.o. Fig.1. Oat fiber preparation of Microfood Poland Sp. z o.o. 2

3 Przygotowanie kompozytów obejmowało mieszanie substratów i proces wtryskiwania. Komponenty zostały wymieszane przy pomocy mieszarki Farrel Bridge firmy David Bridge and Co., a temperatura panująca w komorze mieszalnika urządzenia, wynosząca w zależności od udziału napełniacza maksymalnie od 120 do 145 C, generowana była dzięki siłom tarcia. Następnie powstałą mieszankę poddano procesowi walcowania w temperaturze 120 C, z wykorzystaniem urządzenia typu LWII firmy Veb Erste Maschinenfabrik, w celu jej ujednorodnienia. Otrzymane mieszaniny rozdrobniono przy pomocy granulatora Rapid firmy Rapid Granulier-Systeme GmbH & Co. KG do postaci granulatu. Proces wtryskiwania dzięki, któremu wytworzono próbki o kształcie wiosełek typu 1A zgodnych normą EN ISO 527-2, prowadzono z wykorzystaniem wtryskarki BOY 22A firmy DR BOY. Parametry procesu wtryskiwania zestawiono w tab.2. Rys.2. Przykładowa mieszanka kompozytowa po pierwszym etapie przetwórstwa Rys.2. An example of the composite mix after the first stage of processing Rys.3. Zdjęcie próbki kompozytu O25 Fig.3. Picture of the composite sample LL21 W ramach pracy wytworzono trzy serie kompozytów o zawartości napełniacza 11%, 25% i 34% masowo, co odpowiadało udziałowi objętościowemu na poziomie około 20%, 40% i 50% oraz materiał wyjściowy wykonany z folii HDPE. Składy trzech wytworzonych mieszanek kompozytowych i próbki wyjściowej zamieszczono w tab.1. 3

4 Tab.1 Składy poszczególnych mieszanek Tab.1. Specification of compositions of individual mixtures Oznaczenia próbek Zawartość napełniacza, % mas. HDPE - O11 11 O25 25 O34 34 Tab.2 Parametry procesu wtryskiwania Tab.2. Parameters of injection molding process Ciśnienie, Ciśnienie docisku, Temperatury stref cylindra, C Oznaczenia próbek bar bar T D T 3 T 2 T 1 T Z HDPE O O O METODYKA BADAŃ 3.1. Charakterystyka napełniacza Rozkład wielkości ziaren zbadano w Instytucie Badawczym Dróg i Mostów w Warszawie na podstawie EN [3], stosując przesiewanie w strumieniu powietrza. Badanie przeprowadzono z wykorzystaniem zestawu 10 sit o wymiarach oczek w zakresie od 2 do 0,032 mm Charakterystyka kompozytów Właściwości przetwórcze Badanie wskaźnika szybkości płynięcia przeprowadzono przy pomocy plastomeru obciążnikowego MP 600 firmy Tinius Olsen wg procedury A opisanej w normie PN-EN ISO 1133 [4]. Próbki rozdrobniono do postaci granulatu o średnicy cząstek 5mm umożliwiającej załadowanie do cylindra plastomeru. Analizę prowadzono przy obciążeniu 2.16 kg i temperaturze 190 C Właściwości mechaniczne Właściwości mechaniczne przy statycznym rozciąganiu zbadano przy użyciu urządzenia Zwick Z005 na podstawie norm EN ISO [5] and EN ISO [6]. Pomiary wykonywano z 4

5 wykorzystaniem ekstensometru, założona długość odcinka pomiarowego wyniosła 50 mm, a prędkość rozciągania 10 mm/min Obserwacje mikroskopowe Obserwacje mikroskopowe wykonano przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego TM 3000 firmy Hitachi. Obrazy mikrostruktury wykonano dla przekrojów kompozytów napylonych złotem z palladem. Podczas obserwacji, prowadzonych przy napięciu przyspieszającym 15 kv, zastosowano stukrotne powiększenie Spęcznianie i absorpcja wody Spęcznianie na długości, szerokości i grubości oceniono na podstawie różnicy wymiarów próbek, a absorpcję na podstawie zmiany masy próbek umieszczonych w wodzie o temperaturze pokojowej na zadany okres czasu. Zmiany wymiarów oraz masy oceniano po upływie 1, 2, 4, 7, 17 i 28 dni. Badanie przeprowadzono zgodnie z metodyką opisaną w normie EN 317 [7]. 4. WYNIKI BADAŃ Na podstawie analizy rozkładu wielkości ziarna, przedstawionej na Rys.3, potwierdzono znaczne rozdrobnienie łusek owsa, 50% cząstek zastosowanego napełniacza ma wielkość poniżej 32 µm. Stopień rozdrobnienia napełniacza warunkuje wielkość powierzchni kontaktu komponentów i wpływa na właściwości mechaniczne wytworzonego kompozytu. Rys.4. Rozkład wielkości ziarna napełniacza Fig.4. Particle size distribution of the filler Wartości masowego wskaźnika szybkości płynięcia wytworzonych NFC oraz próbki wyjściowej zamieszczono w Tab.1. Zastosowanie napełniacza naturalnego utrudnia płynięcie materiału w wyniki czego następuje obniżenie wartości MFR kompozytów w porównaniu do próbki 5

6 HDPE (Tab.1). Wzrost zawartości drobno zmielonych łupin owsa powoduje dalszy spadek badanej właściwości. Rys.5. Obrazy mikrostruktury kompozytów a) O11, b) O25 i c) O34 Fig.5. Images of the microstructure of composites a) O11, b) O25 and c) O34 Analiza obrazów mikrostruktury kompozytów, przedstawiona na rys. 4, pozwala zaobserwować występowanie cząsek napałniacza o dość zróżnicowanej wielkości oraz licznych aglomeratów. Tworzenie się aglomeratów wpływa nagatywnie na jakość połączenia składników mieszaniny kompozytowej. Zdjęcia SEM potwierdzają występowanie pustych przestrzeni na granicy styku komponentów i wewnątrz aglomeratów, co istotnie wpływa na właściwości fizykomechaniczne materiałów oraz czas ich użytkowania. 6

7 Tab.3. Zestawienie wyników badań przetwórczych i mechanicznych Tab.3. Specification of the test results of processing research and mechanical properties Oznaczenia MFR, Rm, E, próbek g/10min MPa GPa PE 0,88 (0,2 a ) 21,75 (0,25) 0,93 (0,08) O11 0,54 (0,2) 25,1 (0,32) 1,51 (0,12) O25 0,43 (0,2) 23,2 (0,30) 1,86 (0,06) O34 0,31 (0,2) 14,1 (0,23) 2,25 (0,18) a W nawiasach podano wartości odchylenia standardowego Zastosowanie drobno mielonych łusek owsa w ilości 11% mas. podnosi wytrzymałość na rozciąganie o ponad 15 %, zaś 25 % mas. o niespełna 7 %, w porównaniu do wartości uzyskanych przez próbkę wyjściową. W przypadku kompozytu o udziale napełniacza na poziomie 34 % wag. odnotowano znaczny spadek badanego parametru, wynoszący aż 35 %. Na uzyskane wartości niewątpliwy wpływ wywarły pustki będące efektem niepełnego zwilżenia włókien napełniacza przez polimerową osnowę zaobserwowane na zdjęciach SEM. Podobne zależności zostały przedstawione w literaturze [8]. Wprowadzenie napełniacza roślinnego do poliolefinowej osnowy istotnie podnosi sztywność otrzymanych kompozytów. W zależności od zawartości łuski owsa wartości modułu Young a wzrosły od 62% do 142% w porównaniu do wyniku uzyskanego przez polimerową osnowę. 7

8 Rys.6. Wpływ chłonności cieczy na zmianę masy i wymiarów próbek po 1, 2, 4, 7, 14 i 28 dniach moczenia Fig.6. Influence of water absorption on changes in mass and sample dimensions after 24 h, 2, 4, 7, 14 and 28 days immersion Badanie spęcznienia i absorpcji po sezonowaniu w wodzie, oceniające zdolność materiału do jej pochłaniania, dostarcza informacji na temat trwałości kompozytu wystawionego na działanie wody. Ilość zaabsorbowanej cieczy istotnie zależy od czasu przebywania kompozytu w wodzie i udziału napełniacza. NFC o zawartości mączki łuski owsa na poziomie 25% mas. charakteryzuje się dość niską zdolnością do pochłaniania wody, po 28 dniach moczenia kompozyt zaabsorbował jedynie 1,1%. W przypadku kompozytu z najwyższym udziale napełniacza zaobserwowano gwałtowny wzrost chłonności, materiał O34 po czterech tygodniach moczenia pobrała ponad 9% wody. Następstwem absorpcji była zmiana wymiarów próbek, dotyczyło to przede wszystkim przyrostu na grubość oraz na szerokość, natomiast długość badanych materiałów zmieniła się nieznacznie. Niewielką zmianę wymiarów, niemalże nie widoczną w przypadku masy, odnotowano również dla próbki HDPE. 8

9 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Procesy przetwórcze kompozytów wykonanych z folii HDPE i drobno mielonej łuski owsa przebiegały z zastosowaniem urządzeń i technologii stosowanych powszechnie w przetwórstwie tworzy sztucznych. Do wytwarzania NFC użyto materiały odpadowe, ponadto nie stosowano dodatków uszlachetniających, które podniosłyby jego cenę i utrudniły późniejszy proces unieszkodliwienia. Wytworzone kompozyty odznaczają się dobrymi właściwościami mechanicznymi, dla wszystkich NFC obserwowano znaczny wzrost sztywności, a kompozytów zawierających do 25% mas. napełniacza również wytrzymałości na rozciąganie. Badane kompozyty nadają się do aplikacji zewnętrznych pod warunkiem, że zawartość napełniacza nie przekroczy 25% mas. PODZIĘKOWANIA ZA FINANSOWANIE: Praca była finansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu nr: N R / 2009, pt. Kompozyty polimerowe z biomasą. LITERATURA [1] Cyfert R., Odmiany owsa, [2] [3] EN , Badania geometrycznych właściwości kruszyw -- Część 10: Ocena zawartości drobnych cząstek -- Uziarnienie wypełniaczy (przesiewanie w strumieniu powietrza) (2009). [4] ISO 1133, Tworzywa sztuczne. Oznaczenie masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MVR) tworzyw termoplastycznych (2002). [5] EN ISO 527-1, Tworzywa sztuczne -- Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu -- Część 1: Zasady ogólne (1998). [6] EN ISO 527-2, Tworzywa sztuczne -- Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu Część 2: Warunki badań tworzyw sztucznych przeznaczonych do prasowania, wtrysku i wytłaczania (1998). [7] EN 317, Płyty wiórowe i płyty pilśniowe -- Oznaczanie spęcznienia na grubość po moczeniu w wodzie (1999). [8] Araujo J.R. i inni, Biomicrofibrilar composites of high density polyethylene reinforced with curaua fibers: Mechanical, interfacial and morphological properties. Composites Science and Technology, 2010, 70, str