Физико-механические свойства композиционных материалов на основе диацетата целлюлозы. C. 183-199

УДК

674.8

DOI:

10.37482/0536-1036-2025-2-183-199

Аннотация

В настоящее время состояние проблемы использования древесных отходов является критическим, поскольку традиционные способы их переработки не обеспечивают экономически обоснованного вовлечения в промышленное производство всего объема отходов. Для решения этой проблемы необходимо найти методы переработки древесных отходов, способные увеличить долю измельченной древесины, используемой в производстве востребованной продукции с высокой добавочной стоимостью. Целью настоящей работы является изучение влияния содержания активированных древесных частиц, измельченных гидродинамическим способом, на физико-механические свойства древесно-полимерных композитов на основе диацетата целлюлозы. Полимерную матрицу в виде диацетата целлюлозы и древесный наполнитель получали в лаборатории из гидродинамически активированных опилок березы. Образцы композитов для испытания механических свойств производили методом литья под давлением с использованием вертикальной литьевой машины. Анализ морфологии поверхностей композитов после испытаний осуществляли при помощи электронной микроскопии. Термическую деструкцию образцов диацетата целлюлозы и композитов оценивали методом термогравиметрического анализа. Ненаполненный диацетат целлюлозы показал минимальное водопоглощение (около 4 %). Водостойкость образцов композитов снижалась при повышении содержания наполнителя в диацетате целлюлозы. Увеличение количества древесного наполнителя в составе композиции до 20 % приводит к росту предела прочности при растяжении и модуля упругости до 23,0 МПа и 1,22 ГПа соответственно. Дальнейшее повышение содержания наполнителя с 30 до 70 % снижало эти два показателя. При увеличении содержания наполнителя с 10 до 70 % предел прочности при изгибе падал с 34,4 до 13,6 МПа. Рост доли древесного наполнителя в составе композита влечет снижение потери его массы при высокой температуре. Гидродинамически обработанные древесные частицы могут быть использованы в производстве композиционных материалов на основе диацетата целлюлозы при их добавлении в количестве от 20 до 30 %.

Сведения об авторах

С.Н. Казицин¹, канд. техн. наук; ResearcherID: W-8224-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4220-5488
Д.В. Василишин¹, ассистент; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9293-5900
А.В. Шишмарева¹, канд. экон. наук; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9193-3687
В.Д. Ворончихин¹, канд. техн. наук; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4176-861X
А.А. Тамби²*, д-р техн. наук; ResearcherID: J-9614-2017, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4099-3409

²Ассоциация производителей машин и оборудования лесопромышленного комплекса «ЛЕ- СТЕХ», ул. Новопроложенная, д. 11, г. Всеволожск, Россия, 188642; a_tambi@mail.ru*

Ключевые слова

древесно-полимерный композит, гидродинамическая активация, опилки березы, ацетат целлюлозы, физико-механические свойства

Для цитирования

Казицин С.Н., Василишин Д.В., Шишмарева А.В., Ворончихин В.Д., Тамби А.А. Физико-механические свойства композиционных материалов на основе диацетата целлюлозы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2025. № 2. С. 183–199. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2025-2-183-199

Литература

1. Азаров В.И. Химия древесины и синтетических полимеров. 3-е изд., стер. СПб.: Лань, 2021. 620 с.
2. Галяветдинов Н.Р., Сафин Р.Р., Илалова Г.Ф., Прокопьев А.А. Исследование физико-механических характеристик биокомпозитов с наполнителем из древесной муки // Системы. Методы. Технологии. 2023. Т. 59, No 3. С. 94–99. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2023-3-94-99
3. Ермолин В.Н., Баяндин М.А., Казицин С.Н., Намятов А.В. Формирование структуры плит малой плотности из гидродинамически активированных мягких отходов деревообработки // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. Т. 371, No 5. С. 148–157. https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.5.148
4. Захаров П.С., Шкуро А.Е., Кривоногов П.С. Исследование свойств наполненных ацетилцеллюлозных этролов // Вестн. технол. ун-та. 2020. Т. 23, No 2. С. 50–53. https://doi.org/10.24412/2071-8268-2023-1-32-36
5. Зонова Н.В. Защитное действие металлорганических соединений применительно к волокнам и пленкам из ацетатов целлюлозы: дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2005. 147 с.
6. Казицин С.Н., Василишин Д.В., Шишмарева А.В., Добрынкина Д.Д., Ворончихин В.Д. Исследование процесса получения ацетата целлюлозы из механоактивированных частиц березы // Хвойные бореал. зоны. 2024. Т. 42, No 2. С. 73–79. https://doi.org/10.53374/1993-0135-2024-2-73-79
7. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. М.: Химия, 1977. 304 с.
8. Лоскутов С.Р., Шапченкова О.А., Анискина А.А. Термический анализ древесины основных лесообразующих пород Средней Сибири // Сиб. лесн. журн. 2015. No 6. С. 17–30. https://doi.org/10.15372/SJFS20150602
9. Нормахаматов Н.С., Чуркина К.М., Тураев А.С. Влияние расположения сульфатных групп в сульфатах целлюлозы на стабильность их макромолекулы // Химия растит. сырья. 2014. No 2. С. 61–66. https://doi.org/10.14258/jcprm.1402061
10. Петрунина Е.А., Лоскутов С.Р., Миронов П.В. Гидродинамически активированная древесина сосны: термогравиметрия, дифференциальная сканирующая калориметрия // Строение, свойства и качество древесины – 2018: материалы 6-го Междунар. симп. им. Б.Н. Уголева, посвящ. 50-летию региональн. координацион. совета по соврем. проблемам древесиноведения. Новосибирск: СО РАН, 2018. С. 161–165.
11. Сабирова Г.А., Сафин Р.Р., Хайруллин Р.З., Галяветдинов Н.Р., Кайнов П.А. Влияние концентрации наполнителя на физико-механические свойства древесно-наполненных материалов // Вестн. Поволж. гос. технол. ун-та. Сер.: Материалы. Конструкции. Технологии. 2020. No 3 (15). С. 24–34. https://doi.org/10.25686/2542-114X.2020.3.24
12. Сутягин В.М., Ляпков А.А. Физико-химические методы исследования полимеров. Томск: Томск. политехн. ун-т, 2008. 130 с.
13. Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю. Влияние источника получения и степени упорядоченности на физико-химические свойства целлюлозы и ее нитратов // Вестн. Нижегородск. ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2011. Т. 1, No 6. С. 111–116.
14. Усова К.А., Захаров П.С., Шкуро А.Е., Глухих В.В. Влияние степени ацетилирования целлюлозы на свойства ненаполненного ацетата целлюлозы // Эффективный ответ на современные вызовы с учетом взаимодействия человека и природы, человека и технологий: социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса: материалы 6-й Междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2023. С. 548–552.
15. 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. No 4. С. 155–168. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2023-4-155-168
16. Accorsi R., Cascini A., Cholette S., Manzini R., Mora C. Economic and Environmental Assessment of Reusable Plastic Containers: A Food Catering Supply Chain Case Study. International Journal of Production Economics, 2014, vol. 152, pp. 88–101. https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2013.12.014
17. Baghaei B., Skrifvars M. All-Cellulose Composites: A Review of Recent Studies on Structure, Properties and Applications. Molecules, 2020, vol. 25, no. 12, art. no. 2836. https://doi.org/10.3390/molecules25122836
18. Delviawan A., Kojima Y., Kobori H. The Influence of Wet Milling Time of Wood Flour on the Water Resistance of Wood Plastic Composite. Proceedings of UGSAS-GU & BWEL Joint Poster Session on Agricultural and Basin Water Environmental Sciences, 2020, vol. 9.
19. Delviawan A., Kojima Y., Kobori H., Suzuki S., Aoki K., Ogoe S. The Effect of Wood Particle Size Distribution on the Mechanical Properties of Wood–Plastic Composite. Journal of Wood Science, 2019, vol. 65, art. no. 67. https://doi.org/10.1186/s10086-019-1846-9
20. Edgar K.J., Buchanan C.M., Debenham J.S., Rundquist P.A., Seiler B.D., Shelton M.C., Tindall D. Advances in Cellulose Ester Performance and Application. Progress in Polymer Science, 2001, vol. 26, no. 9, pp. 1605–1688. https://doi.org/10.1016/S0079-6700 (01)00027-2
21. Farrokhpayam S.R., Shahabi M.A., Sheshkal B.N., Gargari R.M. The Morphology, Physical, and Mechanical Properties of Poly (Lactic Acid)-Based Wood Flour and Pulp Fiber Biocomposites. Journal of the Indian Academy of Wood Science, 2021, vol. 18, pp. 20–25. https://doi.org/10.1007/s13196-021-00274-4
22. Ganster J., Fink H.-P. Cellulose and Cellulose Acetate. Bio-Based Plastics: Materials and Applications. John Wiley & Sons, Ltd., 2013, chapt. 3, pp. 35–62. https://doi.org/10.1002/9781118676646.ch3
23. Gogoi R., Manik G. Mechanical Properties of Wood Polymer Composites. Wood Polymer Composites. Composites Science and Technology. Singapore, Springer, 2021, pp. 113–136. https://doi.org/10.1007/978-981-16-1606-8_6
24. Gravelsins R.J. Studies of Grinding of Wood and Bark-Wood Mixtures with the Szego Mill: Doc. of Philosophy Thesis. University of Toronto, 1998. 352 p.
25. Heinze T., El Seoud O.A., Koschella A. Cellulose Derivatives: Synthesis, Structure, and Properties. Springer, 2018. 531 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-73168-1
26. Isa A., Minamino J., Kojima Y., Suzuki S., Ito H., Makise R., Okamoto M., Endo T. The Influence of Dry-Milled Wood Flour on the Physical Properties of Wood Flour/Polypropylene Composites. Journal of Wood Chemistry and Technology, 2016, vol. 36, iss. 2, pp. 105–113. https://doi.org/10.1080/02773813.2015.1083583
27. Khan M.Z.R., Srivastava S.K., Gupta M.K. A State-of-the-Art Review on Particulate Wood Polymer Composites: Processing, Properties and Applications. Polymer Testing, 2020, vol. 89, art. no. 106721. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106721
28. Korhonen J., Honkasalo A., Seppälä J. Circular Economy: the Concept and its Limitations. Ecological Economics, 2018, vol. 143, pp. 37–46. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2017.06.041
29. Lima D.C., de Melo R.R., Pimenta A.S., Pedrosa T.D., de Souza M.J.C., de Souza E.C. Physical–Mechanical Properties of Wood Panel Composites Produced with Qualea sp. Sawdust and Recycled Polypropylene. Environmental Science and Pollution Research, 2020, vol. 27, pp. 4858–4865. https://doi.org/10.1007/s11356-019-06953-7
30. Liu D., Song J., Anderson D.P., Chang P.R., Hua Y. Bamboo Fiber and its Reinforced Composites: Structure and Properties. Cellulose, 2012, vol. 19, pp. 1449–1480. https://doi.org/10.1007/s10570-012-9741-1
31. Liu Y., Feldner A., Kupfer R., Zahel M., Gude M., Arndt T. Cellulose-Based Composites Prepared by Two-Step Extrusion from Miscanthus Grass and Cellulose Esters. Fibers and Polymers, 2022, vol. 23, pp. 3282–3296. https://doi.org/10.1007/s12221-022-0399-5
32. Mohammed M.M., Rasidi M., Mohammed A.M., Rahman R.B., Osman A.F., Adam T., Betar B.O., Dahham O.S. Interfacial Bonding Mechanisms of Natural Fibre-Matrix Composites: An Overview. BioResources, 2022, vol. 17, iss. 4, pp. 7031–7090. https://doi.org/10.15376/biores.17.4.Mohammed
33. Murayama K., Yamamoto M., Kobori H., Kojima Y., Suzuki S., Aoki K., Ito H., Ogoe S., Okamoto M. Mechanical and Physical Properties of Wood–Plastic Composites Containing Cellulose Nanofibers Added to Wood Flour. Forest Products Journal, 2018, vol. 68, iss. 4, pp. 398–404. https://doi.org/10.13073/FPJ-D-18-00006
34. Nagarajan K.J., Balaji A.N., Basha K.S., Ramanujam N.R., Kumar R.A. Effect of Agro Waste α-Cellulosic Micro Filler on Mechanical and Thermal Behavior of Epoxy Composites. International Journal of Biological Macromolecules, 2020, vol. 152, pp. 327–339. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.02.255
35. Naghdi R. Advanced Natural Fibre-Based Fully Biodegradable and Renewable Composites and Nanocomposites: A Comprehensive Review. International Wood Products Journal, 2021, vol. 12, iss. 3, pp. 178–193. https://doi.org/10.1080/20426445.2021.1945180
36. Özdemir F., Ayrilmis N., Yurttaş E. Mechanical and Thermal Properties of Biocomposite Films Produced from Hazelnut Husk and Polylactic Acid. Wood Material Science & Engineering, 2022, vol. 27, iss. 6, pp. 783–789. https://doi.org/10.1080/17480272.2021.1955972
37. Panaitescu D.M., Nicolae C.A., Gabor A.R., Trusca R. Thermal and Mechanical Properties of Poly (3-Hydroxybutyrate) Reinforced with Cellulose Fibers from Wood Waste. Industrial Crops and Products, 2020, vol. 145, art. no. 112071. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.112071
38. Pelaez-Samaniego M.R., Yadama V., Lowell E., Espinoza-Herrera R. A Review of Wood Thermal Pretreatments to Improve Wood Composite Properties. Wood Science and Technology, 2013, vol. 47, pp. 1285–1319. https://doi.org/10.1007/s00226-013-0574-3
39. Pokryshkin S., Sypalova Y., Ivahnov A., Kozhevnikov A. Optimization of Approaches to Analysis of Lignin by Thermal Decomposition. Polymers, 2023, vol. 15, no. 13, art. no. 2861. https://doi.org/10.3390/polym15132861
40. Qiang T., Wang J., Wolcott M.P. Facile Preparation of Cellulose/Polylactide Composite Materials with Tunable Mechanical Properties. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2018, vol. 57, iss. 13, pp. 1288–1295. https://doi.org/10.1080/03602559.2017.1381243
41. Roman M., Winter W.T. Effect of Sulfate Groups from Sulfuric Acid Hydrolysis on the Thermal Degradation Behavior of Bacterial Cellulose. Biomacromolecules, 2004, vol. 5, iss. 5, pp. 1671–1677. https://doi.org/10.1021/bm034519
42. Salasinska K., Ryszkowska J. The Effect of Filler Chemical Constitution and Morphological Properties on the Mechanical Properties of Natural Fiber Composites. Composite Interfaces, 2015, vol. 22, iss. 1, pp. 39–50. https://doi.org/10.1080/15685543.2015.984521
43. Shah B.L., Selke S.E., Walters M.B., Heiden P.A. Effects of Wood Flour and Chitosan on Mechanical, Chemical, and Thermal Properties of Polylactide. Polymer Composites, 2008, vol. 29, iss. 6, pp. 655–663. https://doi.org/10.1002/pc.20415
44. Sharma A., Mandal T., Goswami S. Fabrication of Cellulose Acetate Nanocomposite Films with Lignocelluosic Nanofiber Filler for Superior Effect on Thermal, Mechanical and Optical Properties. Nano-Structures and Nano-Objects, 2021, vol. 25, art. no. 100642. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2020.100642
45. Shen D.K., Gu S. The Mechanism for Thermal Decomposition of Cellulose and its Main Products. Bioresource Technology, 2009, vol. 100, iss. 24, pp. 6496–6504. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.06.095
46. Španić N., Jambreković V., Šernek M., Medved S. Influence of Natural Fillers on Thermal and Mechanical Properties and Surface Morphology of Cellulose Acetate-Based Biocomposites. International Journal of Polymer Science, 2019, vol. 2019, iss. 1, art. no. 1065024. https://doi.org/10.1155/2019/1065024
47. Werner K., Pommer L., Broström M. Thermal Decomposition of Hemicelluloses. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2014, vol. 110, pp. 130–137. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2014.08.013

Ссылка на английскую версию:

Physical and Mechanical Properties of Composite Materials Based on Cellulose Diacetate. С. 183-199