Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do - Eko-DOk

poli(propylen), drzewny odpad przemysłowy,
analiza sitowa, kompozyty
Marlena KWIATKOWSKA, Marek KOZŁOWSKI*
WYKORZYSTANIE DRZEWNYCH ODPADÓW
PRZEMYSŁOWYCH DO WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW
POLIMEROWYCH
Kompozyty poli(propylenu) napełnione drzewnym odpadem w postaci wiórów świerkowych stanowią interesującą grupę materiałów, których właściwości nie są pochodną indywidualnych cech składników, ale zależą od wielu czynników, takich jak: metoda przetwórstwa, stopień zawilgocenia, zawartość, wielkość, geometria cząstek drzewnych, stopień dyspersji napełniacza, czy sposób
przeprowadzenia badań. W pracy przedstawiono wyniki badań wytrzymałościowych kompozytów
polipropylenu napełnionego wiórami drzewnymi (30 i 50% wag.), przesianymi przez sita o wielkości
oczek: 0,5; 1,0; 1,6; 2,0 mm. W celu poprawy adhezji międzyfazowej stosowano kompatybilizator
w ilości 1,5 oraz 2,5% wag.
1. WPROWADZENIE
W ciągu ostatnich lat obserwuje się systematyczne zwiększanie udziału tworzyw
drewnopochodnych w rynku materiałów polimerowych. Przyczyny tego zjawiska można
upatrywać we względach ekonomicznych i ekologicznych. Napełnianie polimerów
drzewnym odpadem przemysłowym (surowcem odnawialnym i tanim) jest racjonalne ze
względu na zwiększający się problem zagospodarowania odpadów polimerowych, jak
również ryzyko wyczerpania i zastraszające tempo wzrostu cen paliw kopalnych. Projektowanie kompozytów z udziałem nowych komponentów, przy nieustannym postępie
technologicznym daje ogromne możliwości w dziedzinie opracowywania nowoczesnych
rozwiązań. Ponadto możliwość nadania wyrobom wyglądu drewna oraz uzyskania materiałów o obniżonym ciężarze właściwym stanowi alternatywę o coraz większej atrakcyjności [4–6,8,12].
__________
*Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska,
pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław, [email protected]
320
M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI
W ostatnich latach skupiono się głównie na próbach napełnienia tworzyw termoplastycznych napełniaczem drzewnym o różnej wielkości cząstek, co opisano w wielu publikacjach [2,7–8,10–12]. W większości przypadków wykazano, że wartości właściwości
mechanicznych kompozytów wzrastają wraz ze wzrostem wielkości cząstek. W kilku
przypadkach zaobserwowano jednak tendencję odwrotną. Wyjaśnienie rozbieżności dostępnych wyników nie jest jednoznaczne. Właściwości kompozytu stanowią kombinację
właściwości napełniacza i osnowy, zależą także od zdolności przenoszenia obciążeń na
granicy faz. Do funkcji osnowy zalicza się: nadanie wyrobom żądanego kształtu, przenoszenie obciążeń na napełniacz, kształtowanie właściwości cieplnych i palnych. Efektywność wzmocnienia zależy natomiast od: zawartości, wielkości, geometrii cząstek drzewnych, stopnia zawilgocenia i jakości dyspersji napełniacza w matrycy polimerowej.
Dokonując odpowiedniego zestawienia parametrów o których mowa właściwościami
kompozytów można więc sterować w szerokim zakresie [1–3,6–8,9–12].
Przedmiotem niniejszej pracy jest ocena właściwości kompozytów poli(propylenu)
z drzewnym odpadem przemysłowym w postaci wiórów świerkowych o różnej frakcji.
2. MATERIAŁY
Do badań użyto następujące materiały:
- polipropylen (PP) o nazwie handlowej Moplen EP548v produkcji Bassell Orlen
Polyolefins z Płocka – podstawowe zastosowanie tego tworzywa to produkcja
wyrobów wtryskiwanych o długich drogach płynięcia, takich jak szuflady, listwy, półki oraz artykuły użytkowe gospodarstwa domowego i cienkościenne
pojemniki do przechowywania żywności,
- napełniacz drzewny (WD) w postaci wiórów świerkowych, stanowiący odpad
pochodzący z przemysłu meblarskiego, dostarczony przez firmę Stelmet S.A.
z Zielonej Góry,
- czynnik kompatybilizujący Hercoprime G (prod. Himont Inc.), stanowiący produkt szczepienia PP bezwodnikiem maleiowym.
2.1. ANALIZA SITOWA
Skład granulometryczny odpadu drzewnego określono przy użyciu wytrząsarki laboratoryjnej Promax 1020 firmy Heidolph oraz zestawu sit o wymiarach oczek: 0,5;
1,0; 1,6; 2,0 mm. Próbki o masie 60 g przesiewano na zestawie sit przez 5 minut.
Każdą klasę wymiarową ważono na wadze laboratoryjnej z dokładnością do  10-2 g.
Wynik uzyskanego rozkładu granulometrycznego cząstek przedstawia rys. 1.
Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 321
Rys. 1. Analiza granulometryczna odpadu przemysłowego w postaci wiórów świerkowych
Najliczniejszą frakcję stanowią wióry drzewne klasy wymiarowej 0,5–1,0 mm. Dla tej
frakcji udział procentowy wynosi 38%. Najmniej w badanym odpadzie drzewnym jest
wiórów świerkowych wielkości > 2 mm (udział procentowy dla tej frakcji
wynosi 1%). Do wytworzenia kompozytów wykorzystano wióry drzewne w czterech
klasach wymiarowych: < 0,5; 0,5–1,0; 1,0–1,6; 1,6–2,0 mm (rys. 2).
Rys. 2. Zdjęcia poszczególnych klas wymiarowych odpadu drzewnego wykorzystanego do produkcji
kompozytów: a) < 0,5 mm, b) 0,5–1,0 mm, c) 1,0–1,6 mm, d) 1,6–2,0 mm
322
M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI
2.2. SKŁAD BADANYCH KOMPOZYTÓW
Skład badanych kompozytów przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Skład badanych kompozytów
Udział wagowy [%]
PP
Wióry drzewne
Hercoprime G
100
-
-
70
30
-
68,5
30
1,5
50
50
-
47,5
50
2,5
3. METODYKA
Plan przeprowadzonych badań przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Schemat przebiegu badań
Proces homogenizacji składników przeprowadzono w mieszalniku Rheomix 600,
Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 323
Haake mieszając składniki przez 10 min. w temperaturze 190˚C przy prędkości obrotowej rotorów 60 min-1 . Ze względu na higroskopijny charakter odpad drzewny suszono przed mieszaniem przez 3 godz. w temperaturze 100˚C.
Próbki do badań formowano przy użyciu prasy hydraulicznej Lab Tech LP20-B
oraz wtryskarki laboratoryjnej firmy PROMA. Temperatura procesów prasowania
i wtryskiwania wynosiła 190˚C; stosowane ciśnienie odpowiednio: 50 i 300 bar.
3.1. OCENA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH
3.1.1. BADANIE CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH PODCZAS ROZCIĄGANIA
Badania wytrzymałościowe wykonywano w próbie jednoosiowego rozciągania
przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Lloyd LR 10K. Stosowano próbki w kształcie wioseł o przekroju części roboczej:
- 1 x 10 mm (prasowanie),
- 2 x 4 mm (wtryskiwanie).
Prędkość rozciągania wynosiła 5 mm/min.
3.1.2. BADANIE CECH WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH PODCZAS ZGINANIA
Badania wytrzymałościowe wykonywano w próbie trójpunktowego zginania przy
użyciu maszyny wytrzymałościowej Lloyd LR 10K. Stosowano próbki w kształcie
belek o wymiarach: 100 x 10 x 4 mm. Prędkość zginania wynosiła 2 mm/min, rozstaw
podpór 64 mm.
4. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE
Wyniki badań właściwości mechanicznych przy rozciąganiu dla polipropylenu napełnionego wiórami drzewnymi w ilości 30 i 50% wag. przedstawiono na rys. 4 i 5
(kompozyty otrzymane metodą prasowania) oraz na rys. 6 i 7 (próbki wtryskiwane).
Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że próbki otrzymane metodą
wtryskiwania charakteryzuje większa wartość wytrzymałości na rozciąganie niż
w przypadku próbek otrzymanych metodą prasowania. Obserwowane zjawisko można
przypisać orientacji cząstek napełniacza w gnieździe formy podczas wtryskiwania.
Odnosząc wyniki badań do matrycy polipropylenowej odnotowano wzrost wartości
wytrzymałości na rozciąganie kompozytów w stosunku do PP, co wskazuje na działanie wzmacniające napełniacza.
Dodatek kompatybilizatora w każdym przypadku powoduje zwiększenie wytrzy-
324
M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI
małości na rozciąganie. Stopień napełnienia polipropylenu ma decydujący wpływ na
wartość wytrzymałości na rozciąganie w przypadku próbek prasowanych. Wielkość
cząstek drzewnych również odgrywa dużą rolę. Największą wartością wytrzymałości
na rozciąganie charakteryzują się kompozyty napełniane frakcją 0,5 mm.
Rys. 4. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą prasowania
Rys. 5. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą prasowania
Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 325
Rys. 6. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
Rys. 7. Wytrzymałość na rozciąganie kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
Kształtowanie się wartości modułu sprężystości przy rozciąganiu przedstawiono
na rys. 8 i 9 (kompozyty otrzymane metodą prasowania) oraz na rys. 10 i 11 (próbki
wtryskiwane). Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że kompozyty napełniane wiórami charakteryzuje wysoki moduł sprężystości w porównaniu do matrycy polipropylenowej. Kompozyty otrzymane na drodze wtryskiwania charakteryzuje
większy moduł sprężystości w porównaniu z próbkami prasowanymi. Zwiększanie
ilości napełniacza wpływa na poprawę sztywności kompozytów. Dodatek kompatybi-
326
M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI
lizatora poprawia sztywność materiału w przypadku tworzyw wtryskiwanych (w wyniku oddziaływania ugrupowań bezwodnika z grupami hydroksylowymi celulozy
powstają wiązania wodorowe i estrowe, co zwiększa adhezję pomiędzy odpadem
Rys. 8. Moduł Younga kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą prasowania
Rys. 9. Moduł Younga kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą prasowania
Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 327
Rys.10. Moduł Younga kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
Rys. 11. Moduł Younga kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
drzewnym w postaci wiórów a osnową polipropylenową). W przypadku tworzyw prasowanych kompatibilizator nie spełnia dostatecznie swej funkcji, co może wynikać ze
sposobu przygotowania próbki, w szczególności braku orientacji wiórów. Kompozyty
napełnione wiórami drzewnymi w ilości 50 % wag. (frakcja 1,6 – 2,0 mm) charakteryzuje największa sztywność.
Wyniki badań właściwości mechanicznych podczas trójpunktowego zginania
kompozytów polipropylenu napełnionych wiórami drzewnymi, otrzymanych na dro-
328
M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI
dze wtryskiwania (30 i 50% wag.) zamieszczono na rys. 12 i 13. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że dodatek wiórów wpływa na wzrost wytrzymałości
na zginanie kompozytów w odniesieniu do matrycy polipropylenowej. Dodatek kompatybilizatora znacznie poprawia wytrzymałość na zginanie, natomiast wielkość frakcji drzewnej praktycznie nie ma znaczenia.
Rys. 12. Wytrzymałość na zginanie kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
Rys. 13. Wytrzymałość na zginanie kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
Wyniki badań kompozytów otrzymanych na drodze wtryskiwania przedstawiono
na rys. 14 i 15. Stwierdzono, że sztywność kompozytów wzrasta wraz z dodatkiem napełniacza, zaś korzystny wpływ kompatybilizatora zaobserwowano szczególnie w przy-
Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 329
padku napełnienia w ilości 50 % wag. Największą sztywnością charakteryzują się kompozyty zawierające frakcję 0,5 napełnione wiórami w ilości 50% wag.
Rys. 14. Moduł Younga kompozytów PP/30% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
Rys. 15. Moduł Younga kompozytów PP/50% wag. WD otrzymanych metodą wtryskiwania
330
M. KWIATKOWSKA, M.KOZŁOWSKI
5. WNIOSKI
Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, co następuje:
- korzystne jest wytwarzanie kompozytów drogą wtryskiwania (wysoka wartość
wytrzymałości na rozciąganie i zginanie w stosunku do matrycy polipropylenowej, jak również względem materiałów otrzymanych przez prasowanie),
- dobre wyniki daje napełnianie polipropylenu wiórami drzewnymi w ilości
50% wag. w obecności promotora adhezji międzyfazowej,
- korzystne jest wytwarzanie kompozytów zawierających dodatek wiórów
drzewnych należących do klasy wymiarowej < 0,5 mm (wysoka wartość modułu sprężystości przy rozciąganiu i zginaniu).
LITERATURA
[1]
CUI Y., LEE S., Fabrication and interfacial modification of wood/recycled plastic composites
materials”. Composites part A.: Applied Science and Manufacturing, 2008, Vol. 39, I.4, 655–661.
[2] GOZDECKI C., ZAJCHOWSKI S., Effect of Wood particle size on mechanical properties of
industrial wood particle-polyethylene composites, Polimery, 2011, Vol 28, Nr 5, 375–380.
[3] IWAŃCZUK A., KOZŁOWSKI M., FRĄCKOWIAK S., Wpływ modyfikacji włókien naturalnych
na właściwości kompozytów biodegradowalnych na osnowie PLA, Czasopismo Techniczne.
Mechanika, 2009, R. 106, z. 1–M, 119–123.
[4] KOZŁOWSKI M., Lightweight plastic materials [w:] Thermoplastic elastomers. Ed. Adel Zaki ElSonbati, InTech, Rijeka 2012, 291–318.
[5] KUCIEL S., RYDAROWSKI H., Wprowadzenie, [w:] Biokompozyty z surowców odnawialnych,
pod red. S. Kuciela, H. Rydarowskiego, Kraków 2012, 9 – 11.
[6] KOZŁOWSKI M., MACYSZYN J., KARAŚ R., Termoplastyczne kompozyty komórkowe, [w:] Biokompozyty z surowców odnawialnych, pod red. S. Kuciela, H. Rydarowskiego, Kraków 2012,
184–199.
[7] OKSMAN NISKA K., SAIN M. (Ed.), Wood-polymer composites, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge 2008.
[8] POŁEĆ I., KOZŁOWSKA A., Kompozyty hybrydowe polipropylenu z mączką drzewną i talkiem”, Prace Naukowe Instytutu Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocławskiej. Konferencje, 2002, Vol. 63, Nr 10, 243 – 250.
[9] PORĘBSKA R., Wybrane zagadnienia oceny własności mechanicznych kompozytów termoplastycznych’, Rozprawa doktorska, Politechnika Krakowska. Wydział Mechaniczny, Kraków 2008.
[10] SALEMANE M.G, LUYT A.S., Thermal and mechanical properties of polypropylene–wood powder composites”, Journal of Applied Polymer Science, 2006, Vol. 100, I. 5, 4173–4180.
[11] ZAJCHOWSKI S., TOMASZEWSKA J.., Kompozyty polimerowo-drzewne, TEKA Komisji Budowy i Eksploatacji Maszyn, Elektrotechniki, Budownictwa, 2008, Vol. 2, 183 – 188.
[12] ZAJCHOWSKI S., TOMASZEWSKA J., Właściwości mieszanin polimerowych z mączką drzewną,[w:] Biokompozyty z surowców odnawialnych, pod red. S. Kuciela, H. Rydarowskiego,
Kraków 2012, 134 –163.
Wykorzystanie drzewnych odpadów przemysłowych do wytwarzania kompozytów polimerowych 331
MANUFACTURING OF INDUSTRIAL WOOD WASTE POLYMER COMPOSITES
Polypropylene/spruce chips composites constitute an interesting group of materials, which mechanical
properties depend on many factors. In this paper influence of the wood particle size (sieve analysis:
< 0.5, 0.5–1.0, 1.0–1.6, 1.6–2.0 mm) and content (30 and 50% by weight) on PP composites have been
presented. It has been shown, that industrial wood waste can be good materials to make composites by
injection moulding, especially that with a particle size < 0.5 mm. The coupling agent is required to prepare polypropylene composites with high filler content (50 wt.%) .