OPTIMISATION OF BINDER-FREE BIODEGRADABLE PLASTIC PRODUCTION MODES BASED ON DATE PALM LEAF PHYTOMASS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23649/JAE.2023.34.11
Issue: № 6 (34), 2023
Suggested:
02.05.2023
Accepted:
30.05.2023
Published:
19.06.2023
685
7
XML
PDF

Abstract

Earlier studies have established the possibility of obtaining materials based on lignin-cellulose-containing raw materials in the form of date palm leaf phytomass. The results of the research showed that these materials – binder-free plastics (BPs) – based on date palm leaf phytomass have the required physical and mechanical properties. The aim of this work was to determine the optimum conditions for production of BPs using MS Excel software, as well as to evaluate those obtained under optimum conditions for physical and mechanical properties and biodegradability evaluation. The performed research showed that the received experimental and statistical models are highly consistent with the obtained experimental data. The assessment of BPs biodegradability in relation to soil has shown that these materials are subject to degradation in natural conditions.

1. Введение

В настоящее время в различных сферах народного хозяйства широкое применение получили композиционные материалы, в первую очередь на основе синтетических полимеров или полимеров природного происхождения с применением синтетических матриц и смол. Большой объем применения данных композитов не позволяет проводить их полноценную переработку, потому что отсутствуют действующие технологические линии, либо условия для их переработки. Кроме того, сама переработка является потенциально опасной для окружающей среды

.

Существующая экологическая ситуация обязывает проводить поиск альтернативных путей в решении данного острого вопроса.

Альтернативой могут выступать пластики без использования связующих веществ (ПБС) на основе лигнинцеллюлозосодержащего сырья (в первую очередь древесного), то есть сырья, в составе которого имеется относительно высокое содержание целлюлозы и лигнина

.

В исследовательских работах зарубежных и отечественных ученых, посвященных разработке и изучению композиционных материалов на основе лигниноцеллюлозосодержащего сырья, большое внимание уделяется вопросам, связанным с использованием невостребованных отходов в виде различных растительных остатков

,
. Основные доводы о применении такого рода сырья – это природный ресурс возобновляемой сырьевой базы, экологическая чистота самого изделия, а также экологическая безопасность его производства и утилизации при утрате потребительских свойств (высокий потенциал к биоразложению в природных условиях).

В нашей стране наибольшее распространение получило растительное сырье в виде сельскохозяйственных и аграрных отходов (шелуха пшеницы, плодовые оболочки риса и проч.). Недостатками такого сырья можно определить как концентрацию в местах его произрастания и переработки (преимущественно в районах с благоприятными условиями сельского хозяйства), невысокую долю выхода в результате подготовки, а также высокую степень загрязнённости минеральными составляющими

.

Одной из альтернатив растительного сырья можно рассматривать отходы на основе фитомассы финиковой пальмы, которая на сегодняшний день широко культивируется на побережье Крыма и ряда мест побережья Черного моря Краснодарского края

.

В работах

,
,
, выполненных зарубежными исследователями установлено, что использование листьев и древесины финиковой пальмы, позволяет получать различные композиционные материалы с высокими физико-механическими и теплоизоляциоными свойствами.

Выполненные исследования

,
,
показали, что в листьях финиковой пальмы содержится 40-55% целлюлозы, 13-20% гемицеллюлоз и 15-37% лигнина, а в стебле 38-45% целлюлозы, 28-33% гемицеллюлоз и 12-27% лигнина.

На основании высоких показателей лигноцеллюлозосодержащих соединенений, в поисковой работе

была выполнена оценка возможности получения ПБС на основе фитомассы листьев финиковой пальмы путем компрессионного горячего прессования. В вышеуказанной работе
, с использованием метода математического планирования было изучено влияние технологических факторов прессования на физико-механические свойства получаемого материала и получены экспериментально-статические модели, которые являются исходными данными для выполнения оптимизации данного технологического процесса.

На основании полученных ранее данных, в данной работе была поставлена цель – проведение оптимизациии процесса получения ПБС на основе фитомассы листьев фиников пальмы с целью установления рациональных физико-механических свойств, а также предварительная оценка их потенциала к деструкции в естественных условиях по отношению к почво-грунту.

2. Методы и принципы исследования

В качестве исходного сырья использовалась фитомасса листьев финиковой пальмы (Phoenix). Исходное сырье было предварительно очищено (промыто) от минеральных веществ и примесей, фракционировано и пропущено через сито с диаметром отверстия 1,2 мм. Определение компонентного состава исходного пресс-сырья осуществлялось согласно ГОСТ 16932, ГОСТ 11960 и метода Кюршнера-Хоффера.

Из пресс-сырья влажностью 6-18% (Z1) была изготовлена

серия образцов методом горячего компрессионного прессования при давлении 40 МПа, температуре 155-185 °C (Z2), продолжительностью прессования и охлаждения в течение 10 минут. Кондиционирование осуществлялось в комнатных условиях в течение 24 ч.

У полученных образцов были исследованы физико-механические свойства

:

- у1 – плотность материала, кг/м3;

- у2 – модуль упругости при изгибе, МПа;

- у3 – прочность при изгибе, МПа;

- у4 – твёрдость по Бринеллю, МПа;

- у5 – число упругости, %;

- у6 – водопоглощение за 24 часа, %;

- у7 – разбухание по толщине за 24 часа, %;

- у8 – ударная вязкость, кДж/м2.

Экспериментально-статистические модели были получены

с использованием метода математического планирования. Адекватность полученных зависимостей варьируемых параметров оптимизации для применения уравнений для описания изучаемых процессов влияния переменных факторов на параметры оптимизации осуществлялась по коэффициенту детерминации, который был принят R2 ≥ 0,92:

у2= 19371,93 – 2373,63·Z1 + 69,23775·Z2 – 16,77507·Z12 – 0,892901·Z22 + 16,06875·Z1·Z2 (R2=0,96);

у3= 113,8045 +7,261705·Z1 – 1,85837·Z2 – 0,14522·Z12 + 0,006765·Z22 – 0,0225·Z1·Z2 (R2=0,96);

у6= -55,501 – 3,56023·Z1 + 1,804655·Z2 + 0,295861Z12 – 0,006·Z22 – 0,01875·Z1·Z2 (R2=0,93);

у7= 927,127 – 10,2988·Z1 – 9,36077·Z2 + 0,286456·Z12+ 0,025389·Z22 + 0,018125·Z1·Z2 (R2=0,92);

Оптимальный режим прессования получения ПБС на основе фитомассы листьев финиковой пальмы определялся исходя из условий максимальной прочности при изгибе (у3→max) и минимального водопоглощения (у6→min) с использованием средств ПП “Microsoft Excel”.

Исходные данные и ограничения принятые для выполнения оптимизации с учетом данных полученных в работе

:

- 6 ≤ Z1 ≥ 18 (%);

- 155 ≤ Z2 ≥ 185 (°C);

- 4713 ≤ у2 ≥ 8750 (МПа);

- 5,7 ≤ у3 ≥ 18,1 (МПа);

- 31 ≤ у6 ≥ 60 (% масс.);

- 22,2 ≤ у7 ≥ 51,6 (%).

Испытание на биоразложение осуществлялось по потери массы образца при экспозиции в почво-грунте. В качестве почво-грунта был принят грунт для рассады (ТУ 0392-001-59264059-03). Продолжительность выдержки образцов в почво-грунте при комнатной температуре (20 ± 2 °С) и влажности грунта 60 ± 2% составила 30 и 60 суток.

Оценка биоразлагаемости выполнялась путем микроскопирования лицевой поверхности образцов. Микроскопирование проводилось с помощью микроскопа «Микромед 3» (увеличение х400).

3. Основные результаты

Результаты анализа исходного сырья по компонентному составу:

- вода (ГОСТ 16932) – 6%;

- целлюлоза (Кюршнера-Хоффера) – 25,3%;

- лигнин (ГОСТ 11960) – 33,8%.

Компонентный состав фитомассы листьев финиковой пальмы обеспечивает необходимое содержание требуемых соединений для получения материалов на основе ПБС

. Наличие данных компонентов в различных соотношениях обуславливают либо прочностные свойства, либо свойства по водостойкости материала.

Результаты проведенной оптимизации получения ПБС на основе фитомассы листьев финиковой пальмы с учетом принятых ограничений и заданной целевой функции:

- у3→max: Z1=11 %; Z2=185 °С;

- у6→min: Z1=12 %; Z2=185 °С.

Оптимальными условиями для получения ПБС из фитомассы листьев финиковой пальмы установлены в интервале влажности исходного пресс-сырья 11-12% и температурой прессования 185 °C. Это может свидетельствовать о том, что при максимальной температуре и средней влажности, образование пластика находятся на завершающей стадии протекания физико-химических процессов с компонентами исходного пресс-сырья.

Результаты определения расчетных и экспериментальных значений физико-механических свойств образцов ПБС при оптимальных условиях представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные значения физико-механических свойств ПБС при оптимальной рецептуре при заданной целевой функции

Физико-механические свойства

Расчетные значения при заданной целевой функции

Экспериментальные значения (Z1=12 %; Z2=185 °С)

у3→max

у6→min

У2 – модуль упругости при изгибе, МПа

6140

6371

6397

У3 – прочность при изгибе, МПа

18,1

17,9

18,2

У6 – водопоглощение за 24 часа, %

32

31

29

У7 – разбухание по толщине за 24 часа, %

22,8

22,2

19,3

 Экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными (расхождение не превышают 15%), что говорит о высокой достоверности полученных экспериментально-статистических моделей. Наличие несколько целевых функций не позволяют достигать в изучаемых интервалах одновременно высоких прочностных и водостойких показателей образцов ПБС.

Результаты изменения массы образцов ПБС при их экспозиции в почво-грунте:

- за 30 сут изменения массы составило ∆+13 %;

- за 60 сут изменения массы составило ∆–28 %.

Для образцов ПБС наблюдается первичное увеличение массы на 13% в первые 30 сут выдержки в почво-грунте. Первоначальное увеличение массы можно объяснить впитыванием материалом избыточной влаги из влажной среды. За 60 сут пребывания пластика в грунте происходит деструкция материала, что подтверждается снижением массы на 28%.

Результаты микроскопирования лицевой поверхности образцов ПБС представлено на рис. 1.
Микрофотографии лицевой поверхности образцов ПБС: а) — до испытаний; б) — после испытаний на биоразлагаемость

Рисунок 1 - Микрофотографии лицевой поверхности образцов ПБС: а) — до испытаний; б) — после испытаний на биоразлагаемость

При экспозиции в течение 60 сут в почво-грунте наблюдаются внешние изменения образцов ПБС. По визуальному наблюдению большинство образцов были подвержены частичному или полному разрушению.

4. Заключение

Методом математического планирования эксперимента были установлены закономерности влияния технологических факторов на физико-механические свойства ПБС на основе фитомассы листьев финиковой пальмы. Оптимальные режимы технологических факторов в изучаемых интервалах составили: влажность пресс-сырья – 12%, температура прессования – 185 °С. Полученные ПБС при рациональных режимах были изучены на биоразлагаемость по отношению к почво-грунту в течение 60 сут. За продолжительность выдержки в течение 60 сут в почво-грунте происходит снижение массы материала практически на 30%.

Таким образом, по результатам выполненных исследований установлено, что ПБС на основе фитомассы листьев финиковой пальмы обладают относительно высоким потенциалом к биоразложению по сравнению с ПБС и композитами на основе иного лигноцеллюлозосодержащего сырья

,
, что позволяет расширить номенклатуру получаемых материалов с регулируемым сроком эксплуатации.

Article metrics

Views:685
Downloads:7
Views
Total:
Views:685