Получение биокомпозитов с полимерной фазой пластифицированных ацетатов целлюлозы с различной степенью ацетилирования. С. 155–168

УДК

006.82

DOI:

10.37482/0536-1036-2023-4-155-168

Аннотация

С ростом цен на синтетические термопластичные полимеры, получаемые из нефтяного и газового сырья, ожидается увеличение объемов практического применения древесно-полимерных композитов природных возобновляемых полимеров и их производных (биокомпозитов). Необходимость замены в композиционных материалах таких синтетических полимеров, как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и других, связана и с их экологической опасностью в связи с низкой степенью разложения в природных средах (грунте, воде, воздухе). Дополнительной проблемой для производителей древесно-полимерных композитов являются требования законодательных актов организации самостоятельного обезвреживания всех отходов производства. Одними из перспективных материалов для практического применения в производстве древесно-полимерных композитов являются связующие на основе пластифицированных ацетатов целлюлозы. Отечественными и зарубежными учеными изучено влияние степени ацетилирования ацетатов целлюлозы на свойства полимерных материалов без лигноцеллюлозных наполнителей. Нет сведений об использовании для получения древесно-полимерных композитов отходов ацетатов целлюлозы. В данной статье представлены результаты исследования по получению горячим прессованием биокомпозитов с полимерной фазой пластифицированных ацетатов целлюлозы различной степени ацетилирования и наполнителями: древесной мукой и отходами ацетатной фотопленки. Разработаны адекватные для доверительной вероятности более 0,9 экспериментально-статистические зависимости влияния степени ацетилирования ацетатов целлюлозы и содержания наполнителей в биокомпозитах на их свойства: разложение в активированном грунте, водопоглощение, прочность при изгибе, твердость по Бринеллю и др. По некоторым показателям полученные биокомпозиты не уступают эталонному древесно-полимерному композиту с фазой полиэтилена высокой плотности с содержанием древесной муки 50 %. Выведенные зависимости позволяют прогнозировать изменения свойств биокомпозитов при разных степенях ацетилирования пластифицированного ацетата целлюлозы и содержании в них наполнителя, а также решать задачи по выбору оптимального химического состава древесно-полимерного композита для изготовления методом горячего прессования конкретного изделия.

Сведения об авторах

А.Е. Шкуро*, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: A-2772-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0469-2601
В.В. Глухих, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: A-2418-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6120-1867
К.А. Усова, инж.-исследователь; ResearcherID: GOJ-9248-2022, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6237-955X
Д.Д. Чирков, инж.-исследователь; ResearcherID: GOJ-9173-2022, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8027-1753
П.С. Захаров, аспирант; ResearcherID: GOJ-9111-2022, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4016-2269
А.В. Вураско, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: AAC-5594-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9471-085X
Уральский государственный лесотехнический университет, ул. Сибирский тракт, д. 37, г. Екатеринбург, Россия, 620100; shkuroae@m.usfeu.ru*, gluhihvv@m.usfeu.ru, usovaka@m.usfeu.ru, chirkovdd@m.usfeu.ru, zaharovps@m.usfeu.ru, vurasko2010@yandex.ru

Ключевые слова

композиты, биокомпозиты, ацетаты целлюлозы, древесная мука, отходы ацетатной пленки, свойства биокомпозитов, экспериментально-статистические модели свойств

Для цитирования

Шкуро А.Е., Глухих В.В., Усова К.А., Чирков Д.Д., Захаров П.С., Вураско А.В. Получение биокомпозитов с полимерной фазой пластифицированных ацетатов целлюлозы с различной степенью ацетилирования // Изв. вузов. Лесн. журн. 2023. № 4. С. 155–168. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-4-155-168

Литература

1. Биоразлагаемые полимерные смеси и композиты из возобновляемых источников / под ред. Ю. Лонг. Пер. с англ. СПб.: Научные основы и технологии, 2013. 464 с. 

2. Готлиб Е.М., Голованова К.В., Селехова А.А. Пути создания биоразлагаемых полимерных материалов и их получение на основе пластифицированных диацетатов целлюлозы. Казань: КНИТУ, 2011. 132 с. 

3. Ольхов А.А., Хватов А.В., Попов А.А., Заиков Г.Е., Абзальдинов Х.С. Технологические свойства биодеструктируемых материалов на основе диацетата целлюлозы и соевой муки // Вестн. технол. ун-та. 2016. Т. 19, № 1. С. 75–79. 

4. Casarano R., Fidale L.C., Lucheti C.M., Heinze T., Seoud O.A. Expedient, Accurate Methods for the Determination of the Degree of Substitution of Cellulose Carboxylic Esters: Application of UV–Vis Spectroscopy (Dye Solvatochromism) and FTIR. Carbohydrate Polymers, 2011, vol. 83, no. 3, pp. 1285–1292. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2010.09.035

5. De Freitas R.R., Senna A.M., Botaro V.R. Influence of Degree of Substitution on Thermal Dynamic Mechanical and Physicochemical Properties of Cellulose Acetate. Industrial Crops and Products, 2017, vol. 109, pp. 452–458. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.08.062

6. Del Gaudio I., Hunter-Sellars E., Parkin I.P. Williams D., Da Ros S., Curran K. Water Sorption and Diffusion in Cellulose Acetate: The Effect of Plasticisers. Carbohydrate Polymers, 2021, vol. 267, art. no. 118185. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118185

7. Feng J., Li S., Peng R., Sun T., Xie X., Shi Q. Effects of Fungal Decay on Properties of Mechanical, Chemical, and Water Absorption of Wood Plastic Composites. Journal of Applied Polymer Science, 2021, vol. 138, no. 11, art. no. 50022. https://doi.org/10.1002/app.50022

8. Ghareeb H.O., Radke W. Characterization of Cellulose Acetates According to DS and Molar Mass Using Two-Dimensional Chromatography. Carbohydrate Polymers, 2013, vol. 98, no. 2, pp. 1430–1437. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2013.07.061

9. Kono H., Hashimoto H., Shimizu Y. NMR Characterization of Cellulose Acetate: Chemical Shift Assignments, Substituent Effects, and Chemical Shift Additivity. Carbohydrate Polymers, 2015, vol. 118, pp. 91–100. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.11.004

10. Krishnamachari P., Hashaikeh R., Tiner M. Modified Cellulose Morphologies and Its Composites; SEM and TEM Analysis. Micron, 2011, vol. 42, no. 8, pp. 751–761. https://doi.org/10.1016/j.micron.2011.05.001

11. Polman E.M.N., Gruter G.M., Parsons J.R., Tietema A. Comparison of the Aerobic Biodegradation of Biopolymers and the Corresponding Bioplastics: A Review. The Science of the Total Environment, 2021, vol. 753, art. no. 141953. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141953

12. Rodriguez L.J., Peças P., Carvalho H., Orrego C.E. A Literature Review on Life Cycle Tools Fostering Holistic Sustainability Assessment: An Application in Biocomposite Materials. Journal of Environmental Management, 2020, vol. 262, art. no. 110308. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110308

13. Samios E., Dart R.K., Dawkins J.V. Preparation, Characterization and Biodegradation Studies on Cellulose Acetates with Varying Degrees of Substitution. Polymer, 1997, vol. 38, no. 12, pp. 3045–3054. https://doi.org/10.1016/S0032-3861(96)00868-3

14. Senna A.M., Botaro V.R. Biodegradable Hydrogel Derived from Cellulose Acetate and EDTA as a Reduction Substrate of Leaching NPK Compound Fertilizer and Water Retention in Soil. Journal of Controlled Release: Official Journal of the Controlled Release Society, 2017, vol. 260, pp. 194–201. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2017.06.009

15. Senna A.M., Menezes A.J., Botaro V.R. Estudo Da Densidade de Ligações Cruzadas Em Géis Superabsorventes Obtidos Do Acetato de Celulose. Polímeros, 2012, vol. 23, no. 1, pp. 59–64. https://doi.org/10.1590/S0104-14282012005000078

16. Suvorova A.I., Demchik L.Y., Peshekhonova A.L., Sdobnikova O.A. Chemical Structure of Plasticizers, Compatibility of Components and Phase Equilibrium in Plasticized Cellulose Diacetate. Die Makromolekulare Chemie, 1993, vol. 194, no. 5, pp. 1315–1321. https://doi.org/10.1002/macp.1993.021940506

17. Takatani M., Ikeda K., Sakamoto K., Okamoto T. Cellulose Esters as Compatibilizers in Wood / Poly (Lactic Acid) Composite. Journal of Wood Science, 2008, vol. 54, no. 1, pp. 54–61. https://doi.org/10.1007/s10086-007-0911-y

18. Vandermeulen G.W., Boarino A., Klok H.A. Biodegradation of Water‐Soluble and Water‐Dispersible Polymers for Agricultural, Consumer, and Industrial Applications–Challenges and Opportunities for Sustainable Materials Solutions. Journal of Polymer Science, 2022, vol. 60, no. 12, pp. 1797–1813. https://doi.org/10.1002/pol.20210922

19. Watanabe S., Takai M., Hayashi J. An X-Ray Study of Cellulose Triacetate. Journal of Polymer Science Part C Polymer Symposia, 2007, vol. 23, no. 2, pp. 825–835. https://doi.org/10.1002/polc.5070230238

20. Vinod A., Sanjay M.R., Suchart S., Jyotishkumar P. Renewable and Sustainable Biobased Materials: An Assessment on Biofibers, Biofilms, Biopolymers and Biocomposites. Journal of Cleaner Production, 2020, vol. 258, art. no. 120978. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120978

21. Yadav N., Hakkarainen M. Degradable or Not? Cellulose Acetate as a Model for Complicated Interplay Between Structure, Environment and Degradation. Chemosphere, 2021, vol. 265, art. no. 128731. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128731