WPŁYW ILOŚCI DODATKÓW MĄCZKI DRZEWNEJ NA MIKROSTRUKTURĘ RECYKLATU POLIETYLENU

Transkrypt

1 91/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN WPŁYW ILOŚCI DODATKÓW MĄCZKI DRZEWNEJ NA MIKROSTRUKTURĘ RECYKLATU POLIETYLENU W. DZIADUR 1, S. KUCIEL 2, A. TABOR 3 Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki, al. Jana Pawła II nr 37, Kraków STRESZCZENIE W niniejszej pracy przeprowadzono badania mikrostruktury recyklatu polietylenu oraz jego różnych kompozycji z mączką drzewną (od 10 do 30%). Wpływ roli napełniacza w poszczególnych kompozycjach oceniano jakościowo i ilościowo. Mikrostrukturę badanych tworzyw określono na zgładach jak i przełomach próbek. Key words: Low density polyethylene, Reinforcements, Wood filler, microstructure 1 WPROWADZENIE Gwałtowny rozwój produkcji i przetwórstwa polimerów i kompozytów na ich osnowie stwarza wiele problemów ściśle związanych zarówno z produkcją, technologią jak i recyklingiem. Zjawisku temu towarzyszy wzrost istotnych problemów gospodarczych i ekonomicznych. Problem ten szczególnie dotyczy dużych aglomeracji miejskich. Wzmiankowane fakty spowodowane są trudnościami związanymi z biodegradacją, różnorodnością odpadów pochodzenia polimerowego oraz niewystarczającym stopniem ich recyklingu [1,2]. Innym problemem jest konieczność poprawy właściwości polimerów. W szczególności to dotyczy zwiększenia modułu Younga, pozwalającą na poszerzenie aplikacji tych polimerów. 1 dr inż., wdziadur@mech.pk.edu.pl 2 dr inż., stask@mech.pk.edu.pl 3 dr inż., atabor@mech.pk.edu.pl

2 W ostatnich latach obserwuje się wzrost roli modyfikacji niektórych polimerów napełniaczami pochodzenia naturalnego (np. poliolefiny). Do takich napełniaczy należą np. ziarna zbóż, łodygi roślin, łupki orzechów, bawełna, celuloza czy mączka drzewna (pochodząca głównie z drzew iglastych) [3-6]. Celem niniejszej pracy jest poznanie roli napełniacza w postaci mączki drzewnej na cechy mikrostruktury oraz przełomów recyklatu polietylenu niskiej gęstości (LDPE). 2. METODYKA BADAŃ Do badań użyto recyklatu LDPE pochodzącego z odpadów aglomerowanej folii. Jako napełniacza użyto mączki drzewnej LiGNOCEL CB 120 (firmy Rettenmaietr). Sporządzono trzy rodzaje kompozycji o zawartości odpowiednio 10, 20 i 30 % mączki drzewnej. Próbki wiosełkowe do badań wykonano metodą wtrysku w Zakładach Azotowych w Tarnowie. Ocenę jakościową zastosowanej mączki drzewnej przeprowadzono na agregacie wyjściowym (sypkim) pozwalającym określić jej zewnętrzne kształty. Budowę wewnętrzną mączki ujawniano na zgładach (nietrawionych). Ilościową ocenę mączki drzewnej w każdym ze sporządzonych kompozytów (o różnej zawartości mączki drzewnej) wykonano na zgładach nietrawionych pobranych poprzecznie do osi wtrysku próbki, metodą komputerowej analizy obrazu [7]. Oceniano takie cechy ilościowe mączki, w poszczególnych kompozycjach jak; ułamek objętościowy (V v ), liczbę wydzieleń na jednostkę powierzchni (N A ) oraz średnią cięciwę (L śr ). Badania mikrostruktury polimeru bazowego oraz jego kompozytów przeprowadzono na zgładach trawionych w toluenie. Analiza faktograficzna obejmowała obserwację przełomów uzyskanych w temperaturze otoczenia (R) oraz ciekłego azotu (N 2 ). Wyżej wymienione badania mikrostrukturalne jak i faktograficzne wykonano za pomocą mikroskopu skaningowego- JSM 5510LV(prod. Japońskiej). 3. WYNIKI BADAŃ Ocena wpływu użytego napełniacza w postaci mączki drzewnej wymaga poznania jego cech jakościowych jak i ilościowych, badań mikrostruktury oraz faktograficznych modyfikowanego polimeru. Tym bardziej ostre kryteria dotyczą recyklatu polimeru otrzymywanego na drodze wtrysku. Typowe kształty mączki drzewnej sypkiej jak i obserwowane na przełomie przedstawiono na rys. 1 i

3 a) b) Rys. 1 a, b. Typowe kształty cząstek użytej do badań mączki drzewnej. Fig. 1 a, b. Typical shap of investigated wood filler. 277

4 a) b) Rys. 2 a, b. Typowe kształty mączki drzewnej obserwowane na zgładzie. Fig. 2 a, b. Typical shape of wood filler observed on sections. Stwierdzone kształty cząstek mączki drzewnej w stanie sypkim jak i na zgładzie wykazują dobrze rozwiniętą powierzchnię zewnętrzną a wewnętrzne nieciągłości wynikające z budowy naturalnej, kanalikowej drewna - mogą one być zapełniane przez polimer (zjawisko to będzie sprzyjać lepszemu jej związaniu z osnową). Wyniki ilościowych oznaczeń użytego napełniacza w polietylenowej osnowie przedstawiono na rys.3a,b i c,. Stereologiczna ocena zastosowanej mączki drzewnej w badanych kompozycjach wskazuje na proporcjonalny wzrost jej objętości (V v ) i ilości (N A ) w stosunku do wprowadzonych masowych jej ilości. Wartość średniego wymiaru mączki estymowanej za pomocą średniej cięciwy wykazuje największy rozrzut z uwagi na naturalny rozrzut tej cechy mączki drzewnej (rys.1a). 278

5 45 42,8 a) V v [%] ,1 31, ,4 1,2 1 1,054 1,146 b) L śr [mm]x10 3 0,8 0,6 0,777 0,4 0, c) NA [mm -2 ] Rys. 3 a, b, c. Graficzne przedstawienie mierzonych cech stereologicznych wypełniacza a- 10%, b-20%, c- 30% mączki drzewnej. Fig. 3 a, b, c. Graphic presentation of measured stereological filler s features/ a- 10%, b-20%, c-30% of wood filler. 279

6 Ocenę budowy nadmolekularnej (mikrostruktury) kompozycji dogodnie jest oceniać na zgładach trawionych pobranych prostopadle do osi wtrysku. Typowe mikrostruktury polietylenu bez jak i z dodatkami maczki drzewnej przedstawiono na rys 4 a-c. a) b) c) d) Rys. 4. Typowe mikrostruktury: a bazowy LDPE;b, c i d-ldpe odpowiednio z dodatkiem 10,20 i 30%(masowy) mączki drzewnej. Fig. 4. Typical microstructures of the; a-base LDPE; b,c and d - suitable with addition 10,20 and 30% of the wood filler. Mikrostruktura bazowego polimeru wykazuje warstwową budowę o lamelarnym ułożeniu krystalitów. Dobrze wykontrastowane są obszary krystaliczne, których kształt uzależniony jest od orientacji krystalograficznych zmienia się z typowej budowy lameli w kształcie łusek (rybich) do wzdłużnych włókien (fibryli). Stosowane dodatki napełniacza nie zakłócają tej budowy. Obserwuje się dobre wkomponowanie mączki drzewnej w osnowę polietylenową. 280

7 Cennym źródłem informacji o złożonej budowie kompozytów o osnowie termoplastycznej dostarczają badania fraktograficzne przeprowadzone w temperaturze ciekłego azotu (rys. 5). Potwierdzają one lamelarną budowę krystalicznych obszarów bazowego polimeru (rys. 5a). Analiza badanych kompozytów wskazuje, że wypełniacz ulokowywuje się na granicach bloków krystalicznych i wykazuje bardo dobrą kohezję z osnową (rys. 5 b-d). a) b) c) d) Rys. 5. Topografia przełomów badanych w temp. N 2 : a polimer bazowy; b z dodatkiem 10%; c- z dodatkiem 20% ;d- z dodatkiem 30% % mączki drzewnej. Fig. 5. Fractures topography obtained at temp. N 2 : a base polymer; b-10%,c-20%; d 30% of the wood filler. 4.WNIOSKI Nadmolekularna budowa bazowego polietylenu charakteryzuje się lamelarnym ułożeniem fazy krystalicznej. W przypadku jego kompozycji istotną rolę odgrywa wkomponowanie się (morfologia) napełniacza w mikrostrukturę bazowego polimeru. We wszystkich badanych kompozytach użyty napełniacz, dzięki swoim właściwościom 281

8 (głównie stopnia rozwinięcia powierzchni oraz budowa wewnętrzna), spełnia rolę dodatkowego złącza obszarów krystalicznych. Ilościowe badania stereologiczne mączki drzewnej potwierdzają losowy jej rozkład w osnowie. Natomiast badania fraktograficzne analizowanych kompozytów wskazują na bardzo dobrą kohezję mączki drzewnej z bazowym polimerem. LITERATURA [1] M. Jamróz, S. Mazurkiewicz: Logistyka w gospodarce odpadami komunalnymi w Krakowie, X Seminarium, Tworzywa Sztuczne w Budowie maszyn, Kraków,29 IX 1X,203, str [2] J. Zieliński, J. Polaczek, D.Dobrzyńska: Termoanaliza odpadów tworzyw sztucznych we wtórnych bituminach pochodzenia naftowego Modyfikacja Polimerów XVI Konf. Naukowa, Polanica Zdrój, IX 2003, str [3]. D. Żuchowska Konstrukcyjne polimery, WNT, Warszawa [4] E.McHenry,Z.H. Stachurski Composote materiale based on wood and nylon fibre, Composites, Part A: Applied Sc. And Manofacturing, Vol. 34. ISSUE:2, February, 2003, str [5] W. Dziadur, S. Kuciel, M. Proszek: Badania mikrostrukturalne recyklatu PELD modyfikowanego mączką drzewną. Modyfikacja PolimerówXVI Konf. Naukowa. Polanica Zdrój, IX, [6] S. Kuciel, M. Proszek, W. Dziadur: Modified by wood fillersd recycled polyethylene for europallets application. 14 th The international Conference on Composite Materials, San Diego, [7] A. Repecki, W. Dziadur, A. Tabor: Ilościowa ocena mączki drzewnej jako wypełniacza polietylenu i polipropylenu. Czasopismo Naukowe Zwiastun Chmielnickiego Uniwersytetu Narodowego, 3, Chmielnicki (Ukraina), SUMMARY THE ROLE OF THE CONTENTS OF ADDITIONS ON THE MICROSTRUCTURE OF THE RECLAIMED LPDE In the article were carry out investigations of the microstructure on LPDE and its compositions with wood filler (10 30%). The influence of contents of wood filler on the microstructures changes polyethylene and its compositions was examined. Recenzował: prof. Jerzy Mutwil. 282