RU2813516C1 - Composite material for making street furniture and method for production thereof - Google Patents
Composite material for making street furniture and method for production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813516C1 RU2813516C1 RU2023116199A RU2023116199A RU2813516C1 RU 2813516 C1 RU2813516 C1 RU 2813516C1 RU 2023116199 A RU2023116199 A RU 2023116199A RU 2023116199 A RU2023116199 A RU 2023116199A RU 2813516 C1 RU2813516 C1 RU 2813516C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polystyrene
- minutes
- filler
- shell powder
- hazelnut
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims abstract description 59
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims abstract description 59
- 241000723382 Corylus Species 0.000 claims abstract description 57
- 235000001543 Corylus americana Nutrition 0.000 claims abstract description 57
- 235000007466 Corylus avellana Nutrition 0.000 claims abstract description 57
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 30
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 20
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 18
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract description 3
- 239000004035 construction material Substances 0.000 abstract 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 5
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 5
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 229920002748 Basalt fiber Polymers 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 3
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N maleic anhydride Chemical compound O=C1OC(=O)C=C1 FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 2
- 241001120493 Arene Species 0.000 description 1
- 241000826915 Saccharum officinarum complex Species 0.000 description 1
- 102100022563 Tubulin polymerization-promoting protein Human genes 0.000 description 1
- 101710158555 Tubulin polymerization-promoting protein Proteins 0.000 description 1
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 1
- 229920006125 amorphous polymer Polymers 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 239000010420 shell particle Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003878 thermal aging Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к производству строительных материалов, в частности полимерных композитов для создания уличной мебели.The present invention relates to the production of building materials, in particular polymer composites for creating outdoor furniture.
Известна отверждаемая заливочная масса, изготовленное из нее формованное изделие и способ изготовления формованного изделия [Патент RU2785347 C1, опубл. 06.12.2022 г. Бюл. №34]. Настоящее изобретение относится к группе изобретений: отверждаемая заливочная масса, формованное изделие и способ изготовления формованного изделия.A curable casting mass, a molded product made from it, and a method for manufacturing a molded product are known [Patent RU2785347 C1, publ. 12/06/2022 Bulletin. No. 34]. The present invention relates to the group of inventions: a curable casting compound, a molded product and a method for manufacturing a molded product.
Недостатком данного изобретения являются недостаточно высокие показатели физико-механических характеристик, узконаправленное применение, низкий эстетический уровень для восприятия.The disadvantages of this invention are the insufficiently high physical and mechanical characteristics, narrowly targeted application, and low aesthetic level for perception.
Наиболее близким к предлагаемому решению, принятым за прототип, является гибридный композит на основе полипропилена с наполнителями из базальта/скорлупы лесного ореха [Kufel, A.; Kuciel, S. Hybrid Composites Based on Polypropylene with Basalt/Hazelnut Shell Fillers: The Influence of Temperature, Thermal Aging, and Water Absorption on Mechanical Properties. Polymers 2020, 12, 18. https://www.mdpi.com/2073-4360/12/1/18]. В матрицу из полипропилена добавляли 5 масс.%, 7,5 масс.% и 10 масс.% по массе базальтовых волокон и измельченной скорлупы лесного ореха. В качестве связующего вещества был использован полипропилен Moplen HP500N производства Basell Orlen Polyolefins (матрица). А в качестве наполнителей измельченное базальтовое волокно с длиной резки 6,4 мм и номинальным диаметром 17 мкм поставлено Basaltex (Wevelgem, Бельгия), измельченную скорлупу фундука с размером частиц от 90 до 200 мкм. В течение 60 мин сырье обрабатывали 5% NaOH, после промывали дистиллированной водой и в течение 2 ч сушили в молекулярной сушилке при температуре 90°С. Так же к итоговому составу был добавлен малеиновый ангидрид PP (MAPP), PP SCONA TPPP 9112 GA. Он был поставлен компанией Byk (Altana AG, Везель, Германия) в количестве 3 масс.%. Композиты были изготовлены с использованием метода литья под давлением, со следующими параметрами: температура от 180 до 220°C, скорость впрыска от 60 до 90 мм/с, скорость вращения шнека 63 об/мин, время цикла 60 с.и температура формы 40°C.The closest to the proposed solution, adopted as a prototype, is a hybrid composite based on polypropylene with basalt/hazelnut shell fillers [Kufel, A.; Kuciel, S. Hybrid Composites Based on Polypropylene with Basalt/Hazelnut Shell Fillers: The Influence of Temperature, Thermal Aging, and Water Absorption on Mechanical Properties. Polymers 2020, 12, 18. https://www.mdpi.com/2073-4360/12/1/18]. 5 wt%, 7.5 wt% and 10 wt% by weight of basalt fibers and crushed hazelnut shells were added to the polypropylene matrix. Moplen HP500N polypropylene from Basell Orlen Polyolefins (matrix) was used as a binder. And as fillers, crushed basalt fiber with a cutting length of 6.4 mm and a nominal diameter of 17 microns was supplied by Basaltex (Wevelgem, Belgium), crushed hazelnut shells with a particle size of 90 to 200 microns. The raw material was treated with 5% NaOH for 60 minutes, then washed with distilled water and dried for 2 hours in a molecular dryer at a temperature of 90°C. Maleic anhydride PP (MAPP), PP SCONA TPPP 9112 GA, was also added to the final composition. It was supplied by Byk (Altana AG, Wesel, Germany) in an amount of 3 wt%. The composites were manufactured using the injection molding method, with the following parameters: temperature from 180 to 220°C, injection speed from 60 to 90 mm/s, screw speed 63 rpm, cycle time 60 s and mold temperature 40° C.
С существенными признаками изобретения в части вещества совпадает следующая совокупность признаков прототипа: полимер и наполнитель на основе измельченной скорлупы фундука. В части способа: измельчение наполнителя, промывание его дистиллированной водой, выдерживание в сушильной печи и загрузка компонентов для дальнейшей обработки на промышленном оборудовании.The following set of features of the prototype coincides with the essential features of the invention in terms of substance: polymer and filler based on crushed hazelnut shells. Part of the method: grinding the filler, washing it with distilled water, keeping it in a drying oven and loading components for further processing on industrial equipment.
Недостатком данного изобретения являются низкие физико-механические характеристики, высокий показатель водопоглощения, а также низкий эстетический уровень для восприятия.The disadvantage of this invention is low physical and mechanical characteristics, high water absorption, and low aesthetic level for perception.
Предлагаемое изобретение направлено на разработку композиционного материала для создания уличной мебели с улучшенными физико-механическими характеристиками, низким показателем водопоглощения за счет регулирования гидрофильно-гидрофобного баланса функциональных групп на внешней поверхности наполнителя (скорлупы фундука) и способа его получения. Кроме того, предлагаемое изобретение направлено на повышение эстетического уровня конечного материала для восприятия, за счет цвета скорлупы фундука.The present invention is aimed at developing a composite material for creating street furniture with improved physical and mechanical characteristics, low water absorption by regulating the hydrophilic-hydrophobic balance of functional groups on the outer surface of the filler (hazelnut shell) and the method of its preparation. In addition, the proposed invention is aimed at increasing the aesthetic level of the final material for perception, due to the color of the hazelnut shell.
Это достигается тем, что композиционный материал включает в себя полимерную матрицу, при этом, в качестве матрицы используется полистирол, а в качестве наполнителя используется порошок скорлупы фундука с полистирольной оболочкой. Полимерная матрица с наполнителем спрессованы под давлением 110 МПа, в качестве полимерной матрицы содержит полистирол, в качестве наполнителя - модифицированный порошок скорлупы фундука - порошок скорлупы фундука с полистирольной оболочкой, полученной выдерживанием порошка скорлупы фундука в растворе полистирола в толуоле при следующем соотношении, мас.%: порошок скорлупы фундука 18-38; толуол 60-80; полистирол 2, при следующем соотношении компонентов композиционного материала, мас.%:This is achieved by the fact that the composite material includes a polymer matrix, while polystyrene is used as a matrix, and hazelnut shell powder with a polystyrene shell is used as a filler. The polymer matrix with filler is pressed under a pressure of 110 MPa, contains polystyrene as a polymer matrix, modified hazelnut shell powder as a filler - hazelnut shell powder with a polystyrene shell obtained by keeping hazelnut shell powder in a solution of polystyrene in toluene at the following ratio, wt.% : hazelnut shell powder 18-38; toluene 60-80; polystyrene 2, with the following ratio of components of the composite material, wt.%:
Способ получения композиционного материала для создания уличной мебели включает измельчение компонента скорлупы фундука в течение 3 мин, промывание дистиллированной водой не менее 5 раз и выдерживание в сушильной печи в течение 60 мин при температуре 150°С, просеивание наполнителя через сито 64 мкм, модифицирование наполнителя, которое включает: выдерживание в растворе полистирола в толуоле в течение 3 суток и обработку ультразвуком каждые 24 ч в течение 60 мин при частоте 40 кГц, сушку в течение 120 мин при температуре 95°С с дальнейшим измельчением в мельнице не менее 10 мин и просеиванием через сито 64 мкм; измельчение полистирола в течение 3 мин, с последующим смешением модифицированного наполнителя и измельченного полистирола, загрузку в пресс-форму с дальнейшим нагревом до 165°С в течение 60 мин, прессование под давлением 110 МПа с выдержкой нагрузки в течение 5 мин.The method for producing a composite material for creating outdoor furniture includes grinding the hazelnut shell component for 3 minutes, washing with distilled water at least 5 times and keeping in a drying oven for 60 minutes at a temperature of 150°C, sifting the filler through a 64 micron sieve, modifying the filler, which includes: keeping in a solution of polystyrene in toluene for 3 days and ultrasonic treatment every 24 hours for 60 minutes at a frequency of 40 kHz, drying for 120 minutes at a temperature of 95°C with further grinding in a mill for at least 10 minutes and sifting through sieve 64 microns; grinding polystyrene for 3 minutes, followed by mixing the modified filler and crushed polystyrene, loading into a mold with further heating to 165°C for 60 minutes, pressing under a pressure of 110 MPa with holding the load for 5 minutes.
Сопоставительный анализ с прототипом в части состава показывает, что заявляемый композиционный материал для создания уличной мебели отличается тем, что в качестве матрицы используется полистирол, а наполнитель дополнительно модифицируется при следующем соотношении, мас.%: A comparative analysis with the prototype in terms of composition shows that the claimed composite material for creating street furniture differs in that polystyrene is used as a matrix, and the filler is additionally modified at the following ratio, wt.%:
В части способа отличается тем, что получение композиционного материала для создания уличной мебели включает в себя измельчение компонентов в вибрационной мельнице: измельчение порошка скорлупы фундука (наполнителя) в течение 2-3 мин, просеивание наполнителя через сито 64 мкм, промывание дистиллированной водой не менее 5 раз, модифицирование наполнителя, включающее: выдерживание в растворе полистирола в толуоле в течение 3 суток и обработкой ультразвуком каждые 24 ч в течение 60 мин при частоте 40 КГц, сушку в течение 100-120 мин при температуре 80-95°С; с дальнейшим измельчением в мельнице не менее 10 мин и просеиванием через сито 64 мкм.; измельчение полистирола в течение 3-5 мин, с последующим смешением модифицированного наполнителя и измельченного полистирола, загрузку в пресс-форму с дальнейшим нагревом до 160-170°С в течение 60-70 мин, прессование под давлением 110-120 МПа с выдержкой нагрузки в течение 5-7 мин.Part of the method differs in that the production of a composite material for creating street furniture includes grinding the components in a vibration mill: grinding hazelnut shell powder (filler) for 2-3 minutes, sifting the filler through a 64 micron sieve, washing with distilled water for at least 5 times, modification of the filler, including: keeping in a solution of polystyrene in toluene for 3 days and ultrasonic treatment every 24 hours for 60 minutes at a frequency of 40 KHz, drying for 100-120 minutes at a temperature of 80-95°C; with further grinding in a mill for at least 10 minutes and sifting through a 64 micron sieve; grinding polystyrene for 3-5 minutes, followed by mixing the modified filler and crushed polystyrene, loading into a mold with further heating to 160-170°C for 60-70 minutes, pressing under pressure 110-120 MPa with holding the load for for 5-7 minutes.
Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed technical solutions meet the invention criterion of “novelty”.
Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области технике не подтвердило наличие в последних признаках, совпадающих с их отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».Comparison of the claimed solutions not only with the prototype, but also with other known technical solutions in this field of technology did not confirm the presence in the latter of features that coincide with their distinctive features, or features that affect the achievement of the specified technical result. This allowed us to conclude that the invention met the “inventive step” criterion.
Характеристики используемых компонентов:Characteristics of the components used:
1. Полистирол (C8H8)n - жесткий хрупкий аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью (например, полистирол марки 525, производитель ПАО «Нижнекамскнефтехим», г. Нижнекамск, Россия). Полистирол имеет низкую плотность в пределах от 1060 кг/м³-1125 кг/м³. Температура плавления от 160-170°С. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью до -40°C. Имеет невысокую химическую стойкость. Подробная информация указана по ссылке [https://proplast.ru/articles/polistirol-ps-eto/].1. Polystyrene (C 8 H 8 )n - a hard, brittle amorphous polymer with a high degree of optical light transmission and low mechanical strength (for example, polystyrene grade 525, manufactured by Nizhnekamskneftekhim PJSC, Nizhnekamsk, Russia). Polystyrene has a low density ranging from 1060 kg/m³-1125 kg/m³. Melting point is from 160-170°C. Polystyrene has excellent dielectric properties and good frost resistance down to -40°C. Has low chemical resistance. Detailed information is provided at the link [https://proplast.ru/articles/polistirol-ps-eto/].
2. Скорлупа фундука - измельченная оболочка лесного ореха с ярким цветом. Характеризуется долгим сроком службы при использовании в качестве мульчирующего вещества. Скорлупа лесного ореха имеет более низкую плотность, в сравнении с полистиролом, в пределах от 210 кг/м³-230 кг/м³. Температура горения скорлупы составляет 275°С. Материал был собран на территории Белгородской области, урожай 2022 года.2. Hazelnut shell - crushed hazelnut shell with a bright color. Characterized by a long service life when used as a mulching agent. Hazelnut shell has a lower density compared to polystyrene, ranging from 210 kg/m³-230 kg/m³. The burning temperature of the shell is 275°C. The material was collected in the Belgorod region, harvest 2022.
3. Толуол (C7H8) (метилбензол) - представляет собой жидкость без цвета и с наличием характерного для аренов запаха (например, ООО "ЦентрХимСервис", г. Казань, Россия). Обладает высоким уровнем подвижности и летучести. Плотность составляет 866,94 кг/м3. Температура плавления от -95°С, кипения 110,6°С, вспышки 6°С [ГОСТ 5789-78 Реактивы. Толуол. Технические условия. - Введ. 01.01.1971. - М.: Госстандарт России, 1971. - 6 с.].3. Toluene (C 7 H 8 ) (methylbenzene) - is a colorless liquid with an odor characteristic of arenes (for example, TsentrKhimServis LLC, Kazan, Russia). Has a high level of mobility and volatility. The density is 866.94 kg/ m3 . Melting point from -95°C, boiling point 110.6°C, flash point 6°C [GOST 5789-78 Reagents. Toluene. Technical conditions. - Enter. 01/01/1971. - M.: Gosstandart of Russia, 1971. - 6 p.].
Модифицирование наполнителя, включает: выдерживание в растворе полистирола в толуоле в течение 3 суток и обработку ультразвуком каждые 24 ч в течение 60 мин при частоте 40 кГц, сушку в течение 100-120 мин при температуре 80-95°С; измельчение полистирола в течение 3-5 мин, с последующим смешением модифицированного наполнителя и измельченного полистирола. Количественное содержание компонентов модифицирования наполнителя приведено в табл.1.Modification of the filler includes: keeping in a solution of polystyrene in toluene for 3 days and ultrasonic treatment every 24 hours for 60 minutes at a frequency of 40 kHz, drying for 100-120 minutes at a temperature of 80-95°C; grinding polystyrene for 3-5 minutes, followed by mixing the modified filler and crushed polystyrene. The quantitative content of filler modification components is given in Table 1.
Оптимальное соотношение компонентов, выраженное в их процентном содержании, определяли экспериментальным путем. В процессе исследования приготовили 5 составов композиционного материала для изучения его свойств. Количественное содержание компонентов предлагаемого композиционного материала и прототипа приведено в табл.2.The optimal ratio of components, expressed in their percentage, was determined experimentally. During the research, 5 compositions of the composite material were prepared to study its properties. The quantitative content of the components of the proposed composite material and the prototype is given in Table 2.
77-87polypropylene
77-87
и базальтовое волокно
5-10 и малеиновый ангидрид 3hazelnut shell
and basalt fiber
5-10 and maleic anhydride 3
В качестве наполнителя использовали модифицированный порошок скорлупы фундука, а в качестве полимера полистирол, такой состав обусловлен тем, что наполненный полистирол сохраняет ценные свойства полимерной матрицы, а именно, высокие физико-механические характеристики, а порошок скорлупы фундука является дешевым отходом с красивым ярким цветом, его использование так же решит экологическую проблему утилизации аграрных отходов.Modified hazelnut shell powder was used as a filler, and polystyrene was used as a polymer; this composition is due to the fact that filled polystyrene retains the valuable properties of the polymer matrix, namely, high physical and mechanical characteristics, and hazelnut shell powder is a cheap waste with a beautiful bright color, its use will also solve the environmental problem of recycling agricultural waste.
Способ получения композиционного материала состоит из нескольких стадий. Чтобы получить наименьший размер фракции наполнителя, очищенную скорлупу фундука помещали в мельницу в течение 2-3 мин. Затем просеивали через сито с ячейками размером 64 мкм. Такой размер частиц позволит улучшить процесс протекания диффузии с другими различными веществами. Скорлупу фундука промывали дистиллированной водой не менее 5 раз и выдерживали в сушильной печи в течении 60-70 мин, этого времени достаточно, чтобы вода испарилась, при температуре не менее 150°С.The method for producing a composite material consists of several stages. To obtain the smallest filler fraction size, cleaned hazelnut shells were placed in a mill for 2-3 minutes. Then sifted through a 64 µm sieve. This particle size will improve the process of diffusion with other various substances. The hazelnut shells were washed with distilled water at least 5 times and kept in a drying oven for 60-70 minutes, this time is enough for the water to evaporate, at a temperature of at least 150°C.
С целью придания гидрофобной поверхности наполнителю, его модифицировали способом создания полистирольной оболочки на его поверхности. Затем смешивали полистирол, скорлупу фундука и толуол в соотношении 2 масс.%: 8-48 масс.%: 50-90 масс.%. Состав выдерживали в течение 3 суток. Это время необходимо для закрепления полистирольной оболочки на поверхности скорлупы фундука. Каждые 24 часа в течении часа состав обрабатывали ультразвуком при помощи ультразвуковой ванны с частотой 40 кГц. Ультразвук применяют для ускорения растворения веществ. При этом наблюдается снижение доли осадка, идет процесс растворения труднорастворимых веществ. В ультразвуковом поле, возбуждаемом в жидкой среде, возникает переменное давление частиц, переменный поток в направлении распространения колебательного процесса, кавитация и др. Важнейшим нелинейным эффектом в ультразвуковом поле является кавитация. Кавитация ускоряет протекание ряда физико-химических процессов, в том числе и растворения. Химические превращения, протекающие при нагревании полимеров, включают и деструкцию под действием кислорода воздуха, с которым соприкасается нагретый полимер, и реакции сшивания по образовавшимся двойным связям, и новую полимеризацию выделившихся мономеров, и многие другие. Таким образом, обработка ультразвуком приводит к образованию полистирольной оболочки на частичках скорлупы фундука в процессе модифицирования.In order to impart a hydrophobic surface to the filler, it was modified by creating a polystyrene shell on its surface. Then polystyrene, hazelnut shells and toluene were mixed in a ratio of 2 wt.%: 8-48 wt.%: 50-90 wt.%. The composition was kept for 3 days. This time is necessary to fix the polystyrene shell on the surface of the hazelnut shell. Every 24 hours for an hour, the composition was treated with ultrasound using an ultrasonic bath with a frequency of 40 kHz. Ultrasound is used to accelerate the dissolution of substances. In this case, a decrease in the proportion of sediment is observed, and the process of dissolution of sparingly soluble substances occurs. In an ultrasonic field excited in a liquid medium, variable particle pressure, variable flow in the direction of propagation of the oscillatory process, cavitation, etc. arise. The most important nonlinear effect in an ultrasonic field is cavitation. Cavitation accelerates the occurrence of a number of physicochemical processes, including dissolution. Chemical transformations that occur when polymers are heated include destruction under the influence of atmospheric oxygen with which the heated polymer comes into contact, cross-linking reactions along the formed double bonds, new polymerization of released monomers, and many others. Thus, ultrasound treatment leads to the formation of a polystyrene shell on hazelnut shell particles during the modification process.
Полученный раствор выдерживали в сушильной печи в течение 100-120 мин при температуре 80-95°С. Таким образом, был удален растворитель путем испарения. При уменьшении времени выдержки растворитель не удаляется в полном объеме, а при увеличении полученный материал спекался и терял необходимые физико-механические характеристики. После полученный материал измельчали в планетарной мельнице не менее 10 мин, при увеличении времени помола материал начинает слипаться в крупногабаритные частицы, затем просеивали через сито 64 мкм.The resulting solution was kept in a drying oven for 100-120 minutes at a temperature of 80-95°C. Thus, the solvent was removed by evaporation. When the exposure time decreases, the solvent is not completely removed, and when the exposure time increases, the resulting material becomes sintered and loses the necessary physical and mechanical characteristics. Afterwards, the resulting material was ground in a planetary mill for at least 10 minutes; as the grinding time increased, the material began to stick together into large particles, then sieved through a 64-μm sieve.
После завершения процесса модифицирования проводили анализ краевого угла смачивания порошка скорлупы фундука получили, что у модифицированного образца показатель краевого угла смачивания составляет 87°, у не модифицированного 60°, соответственно, до модифицирования наполнитель был более гидрофильным, а после модифицирования более гидрофобным.After completion of the modification process, we analyzed the contact angle of the hazelnut shell powder and found that the contact angle of the modified sample was 87°, and that of the unmodified sample was 60°; accordingly, before modification the filler was more hydrophilic, and after modification it was more hydrophobic.
Процесс подготовки матрицы заключался в измельчении полистирола в мельнице в течение 3-5 мин, просеивание через сито с размером ячейки 64 мкм, с дальнейшим смешением полистирола и модифицированного наполнителя. В результате помола происходило возрастание концентрации поверхностных дефектов наполнителя, что обусловлено нарушением контактов между частицами с разрывом ковалентных связей, что создает развитый рельеф для увеличения показателя совместимости наполнителя и полимера, так же это позволило вводить большее процентное количество наполнителя. Затем загружали гомогенизированную смесь в пресс-форму и нагревали до 160-170°С не менее 60 мин, после прессовали при давлении 110 МПа в течение 5-7 мин, при меньшем времени прессования образец не успевает охладиться, что способствует деформации получаемого образца, а при увеличении времени прессования в образце образуются микротрещины и деформации, что снижает физико-механические характеристики. Благодаря методу горячего прессования, нагреву пресс-формы и выдержке при температуре 160-170°С происходит размягчение полистирола и его переход в вязко-текучее состояние, а при температуре свыше 170°С начинается процесс деструкции, что приводит к ухудшению физико-механических характеристик. Данный метод прессования при давлении 110 МПа позволяет осуществить сдвиговые деформации, это приводит к равномерному распределению наполнителя в расплаве. Также, при использовании такого высокого удельного давления в полимерном композите будут происходить топохимические реакции между его компонентами, что, в свою очередь, создаст прочную связь между ними, обеспечивая высокую плотность и прочностные характеристики композита. По итогу получали прямоугольные образцы с гладкой поверхностью размером 2,5×5 см.The process of preparing the matrix consisted of grinding polystyrene in a mill for 3-5 minutes, sifting through a sieve with a mesh size of 64 microns, with further mixing of polystyrene and modified filler. As a result of grinding, there was an increase in the concentration of surface defects of the filler, which is due to the disruption of contacts between particles with the breaking of covalent bonds, which creates a developed relief to increase the compatibility of the filler and the polymer, and this also made it possible to introduce a larger percentage of filler. Then the homogenized mixture was loaded into the mold and heated to 160-170°C for at least 60 minutes, then pressed at a pressure of 110 MPa for 5-7 minutes; with a shorter pressing time, the sample does not have time to cool, which contributes to the deformation of the resulting sample, and with increasing pressing time, microcracks and deformations form in the sample, which reduces the physical and mechanical characteristics. Thanks to the hot pressing method, heating the mold and holding at a temperature of 160-170°C, polystyrene softens and passes into a viscous-fluid state, and at temperatures above 170°C, the destruction process begins, which leads to a deterioration in physical and mechanical characteristics. This pressing method at a pressure of 110 MPa allows for shear deformation, which leads to uniform distribution of the filler in the melt. Also, when using such a high specific pressure in a polymer composite, topochemical reactions will occur between its components, which, in turn, will create a strong bond between them, providing high density and strength characteristics of the composite. As a result, rectangular samples with a smooth surface measuring 2.5 × 5 cm were obtained.
В табл. 3 представлены результаты исследований по определению физико-механических характеристик, водопоглощению и плотности предлагаемых составов и прототипа. Плотность определяли методом гидростатического взвешивания, в основе этого метода лежит закон Архимеда: сначала определяли массу образца в воздухе, затем - в жидкости с известной плотностью (например, дистиллированная вода).In table 3 presents the results of studies to determine the physical and mechanical characteristics, water absorption and density of the proposed compositions and the prototype. Density was determined by hydrostatic weighing; this method is based on Archimedes' law: first, the mass of the sample was determined in air, then in a liquid with a known density (for example, distilled water).
После взвешивали образцов в воздухе и в жидкости находили их плотность по формуле (1):Afterwards, the samples were weighed in air and their density in the liquid was found using formula (1):
где m1 - масса тела в воздухе; m2 - масса тела в воде; =0,998 г/см3 - плотность воды при 20°С; (=0,0012 г/см3 плотность воздуха.where m 1 is the mass of the body in the air; m 2 - body weight in water; =0.998 g/cm 3 - density of water at 20°C; (=0.0012 g/ cm3 air density.
Измерения твердости поверхности по Виккерсу проводили на приборе твердомер NEXUS 4504. В качестве индентора использовали четырехгранную алмазную пирамиду Виккерса с квадратным основанием и углом при вершине между противоположными гранями 136°. Нагрузка во всех измерениях была одинаковая - 200 г и действовала в течение фиксированного времени (15 сек.).Vickers surface hardness measurements were carried out using a NEXUS 4504 hardness tester. A tetrahedral Vickers diamond pyramid with a square base and an apex angle between opposite faces of 136° was used as an indenter. The load in all measurements was the same - 200 g and acted for a fixed time (15 sec.).
Испытания на изгиб проводили на машине испытательной РЭМ-100, длина между опорами составляет 15 мм. Предел прочности при изгибе определяли по стандартным методикам согласно ГОСТ Р 57749-2017 (ИСО 17138:2014). Исследования проводились для испытаний на трехточечный изгиб. Прочность при трехточечном изгибе (МПа) вычисляли по формуле:Bending tests were carried out on a REM-100 testing machine, the length between the supports is 15 mm. The bending strength was determined using standard methods according to GOST R 57749-2017 (ISO 17138:2014). The research was carried out for three-point bending tests. Three-point bending strength (MPa) was calculated using the formula:
где Fm - максимальная нагрузка, Н; L - расстояние между нижними опорами, мм; b - ширина образца, мм; h - средняя толщина образца, мм.where F m - maximum load, N; L - distance between the lower supports, mm; b - sample width, mm; h is the average thickness of the sample, mm.
Водопоглощение измеряли после замачивания в дистиллированной воде в течение 1,7, 20 и 30 дней. Использовали электронные весы. Для расчета водопоглощения (% по весу) использовалоли следующее уравнение:Water absorption was measured after soaking in distilled water for 1.7, 20 and 30 days. Electronic scales were used. To calculate water absorption (% by weight), the following equation was used:
где m1, m2 - массы образца до и после замачивания в воде соответственно; c - процентное увеличение массы.where m 1 , m 2 are the masses of the sample before and after soaking in water, respectively; c is the percentage increase in mass.
В результате экспериментов было установлено, что для достижения поставленного технического результата, в составе предлагаемого полимерного композита должны присутствовать компоненты в следующем соотношении: полистирол 62-82 масс.%, порошок скорлупы фундука 18-38 масс. При введении полистирола более 90 масс.%, показатели предела прочности при изгибе и твердость по Виккерсу при нагрузке 200 г были достаточно низкие, соответственно прочность таких материалов неудовлетворительная, также эти образцы характеризуется небольшим процентным составом скорлупы фундука, следовательно, полученный материал будет бледного, ненасыщенного цвета. При содержании полистирола менее 50 масс.%, возрастает показатель водопоглощения, также существенно снижаются физико-механические параметры: прочность при изгибе, и твердость по Виккерсу при нагрузке 200 г. Следовательно, все представленные образцы обладают высокими физико-механическими характеристиками, низким показателем водопоглощения и отвечают высокому эстетическому уровню восприятия.As a result of the experiments, it was found that in order to achieve the stated technical result, the composition of the proposed polymer composite must contain components in the following ratio: polystyrene 62-82 wt.%, hazelnut shell powder 18-38 wt. With the introduction of polystyrene more than 90 wt.%, the flexural strength and Vickers hardness at a load of 200 g were quite low, respectively, the strength of such materials is unsatisfactory, and these samples are also characterized by a small percentage of hazelnut shells, therefore, the resulting material will be pale, unsaturated colors. When the polystyrene content is less than 50 wt.%, the water absorption rate increases, and the physical and mechanical parameters also significantly decrease: bending strength and Vickers hardness at a load of 200 g. Consequently, all presented samples have high physical and mechanical characteristics, low water absorption and correspond to a high aesthetic level of perception.
Рассмотрим способ получения полимерного композита на примере состава 3 (табл. 2).Let us consider the method of producing a polymer composite using the example of composition 3 (Table 2).
Сперва очищенную скорлупу фундука помещали в мельницу на 3 мин, после скорлупу фундука промывали дистиллированной водой 5 раз и выдерживали в сушильной печи в течение 60 мин при температуре 150°С, затем просеивали через сито с ячейками размером 64 мкм. Для модифицирования порошок скорлупы фундука брали полистирол 0,27 г, скорлупа фундука 3,9 г, толуол 10,13 г. Состав выдерживали в течение 3 суток. Каждые 24 часа в течение ч состав обрабатывали ультразвуком при помощи ультразвуковой ванны при частоте 40 кГц. После полученный раствор выдерживали в сушильной печи в течение 120 мин при температуре 90°С. После полученный материал измельчали в мельнице 10 мин, затем просеяли через сито 64 мкм. Полистирол массой 9,09 г измельчали в вибрационной мельнице 3 мин. Далее измельченный полистирол просеивали через сито с размером ячейки 64 мкм. Затем загружали гомогенизированную смесь (полистирол и модифицированный наполнитель) в пресс-форму и нагревали до 165°С в течение 60 мин, прессовали при давлении 110 МПа в течение 5 мин.First, the cleaned hazelnut shells were placed in a mill for 3 minutes, after which the hazelnut shells were washed with distilled water 5 times and kept in a drying oven for 60 minutes at a temperature of 150°C, then sifted through a sieve with mesh size of 64 microns. To modify hazelnut shell powder, polystyrene 0.27 g, hazelnut shell 3.9 g, toluene 10.13 g were taken. The composition was kept for 3 days. Every 24 hours, the composition was treated with ultrasound using an ultrasonic bath at a frequency of 40 kHz. Afterwards, the resulting solution was kept in a drying oven for 120 minutes at a temperature of 90°C. Afterwards, the resulting material was ground in a mill for 10 minutes, then sifted through a 64-μm sieve. Polystyrene weighing 9.09 g was ground in a vibration mill for 3 minutes. Next, the crushed polystyrene was sifted through a sieve with a mesh size of 64 μm. Then the homogenized mixture (polystyrene and modified filler) was loaded into the mold and heated to 165°C for 60 minutes, pressed at a pressure of 110 MPa for 5 minutes.
Полученные данные показывают, что заявляемый композиционный материал обладает высокими физико-механическими характеристиками, низким показателем водопоглощения, за счет регулирования гидрофильно-гидрофобного баланса функциональных групп на внешней поверхности наполнителя (скорлупы фундука), кроме того предлагаемое изобретение направлено на повышение эстетического уровня для восприятия, за счет цвета скорлупы фундука, так как обладает глубоким, ярким, насыщенным цветом имитации под темное дерево.The data obtained show that the claimed composite material has high physical and mechanical characteristics, low water absorption, due to the regulation of the hydrophilic-hydrophobic balance of functional groups on the outer surface of the filler (hazelnut shell), in addition, the proposed invention is aimed at increasing the aesthetic level for perception, for account of the color of the hazelnut shell, as it has a deep, bright, rich color imitation of dark wood.
Предложенное решение позволяет использовать данный композиционный материал для создания уличной мебели с высокими физико-механическими свойствами, низким водопоглощением и красивым, насыщенным цветом, а также помогает решить экологическую проблему утилизации скорлупы лесного ореха.The proposed solution makes it possible to use this composite material to create outdoor furniture with high physical and mechanical properties, low water absorption and a beautiful, rich color, and also helps to solve the environmental problem of recycling hazelnut shells.
Преимущества предлагаемого композиционного материала заключаются в следующем:The advantages of the proposed composite material are as follows:
- композиционный материал обладает высокими физико-механическими показателями;- the composite material has high physical and mechanical properties;
- композиционный материал обладает низким показателем водопоглощения, что позволяет использовать изделия из него на улице во время дождливой погоды и повышенной влажности;- the composite material has a low water absorption rate, which allows products made from it to be used outdoors during rainy weather and high humidity;
- полученный состав позволяет вводить большее количество наполнителя (порошок скорлупы фундука), что снижает себестоимость изделия;- the resulting composition allows the introduction of a larger amount of filler (hazelnut shell powder), which reduces the cost of the product;
- композиционный материал отвечает требованиям высокого уровня эстетики, так как обладает глубоким, ярким, насыщенным цветом.- the composite material meets the requirements of a high level of aesthetics, as it has a deep, bright, rich color.
Таким образом, использование предложенного состава и предлагаемый способ его получения позволяют получить композиционный материал с улучшенными физико-механическими характеристиками, низким показателем водопоглощения, с низкой себестоимостью и высоким эстетическим уровнем для восприятия за счет насыщенного цвета скорлупы фундука - имитации под темное дерево.Thus, the use of the proposed composition and the proposed method for its preparation make it possible to obtain a composite material with improved physical and mechanical characteristics, low water absorption, low cost and a high aesthetic level for perception due to the rich color of the hazelnut shell - an imitation of dark wood.
Claims (9)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2813516C1 true RU2813516C1 (en) | 2024-02-12 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2081135C1 (en) * | 1995-07-12 | 1997-06-10 | Акционерное общество закрытого типа - Международный научно-технологический центр супернаполненных материалов "Поликомэтт" | Environmentally appropriate wood-filled plastic and method of preparation thereof |
| WO2012007703A1 (en) * | 2010-07-16 | 2012-01-19 | Acell Group Ltd. | Composite materials and uses thereof |
| RU2678067C2 (en) * | 2014-12-02 | 2019-01-22 | Омиа Интернэшнл Аг | Compacted material with treated surface |
| RU2785347C1 (en) * | 2021-05-03 | 2022-12-06 | Шок Гмбх | Curable filling mass, moulded article made thereof and method for manufacturing the moulded article |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2081135C1 (en) * | 1995-07-12 | 1997-06-10 | Акционерное общество закрытого типа - Международный научно-технологический центр супернаполненных материалов "Поликомэтт" | Environmentally appropriate wood-filled plastic and method of preparation thereof |
| WO2012007703A1 (en) * | 2010-07-16 | 2012-01-19 | Acell Group Ltd. | Composite materials and uses thereof |
| RU2678067C2 (en) * | 2014-12-02 | 2019-01-22 | Омиа Интернэшнл Аг | Compacted material with treated surface |
| RU2785347C1 (en) * | 2021-05-03 | 2022-12-06 | Шок Гмбх | Curable filling mass, moulded article made thereof and method for manufacturing the moulded article |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KUFEL A. et al. Hybrid Composites Based on Polypropylene with Basalt/Hazelnut Shell Fillers: The Influence of Temperature, Thermal Aging, and Water Absorption on Mechanical Properties. Polymers, 2020, 12, 18, 13 p. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6468645B1 (en) | Molding finely powdered lignocellulosic fibers into high density materials | |
| Rozman et al. | The effect of compounding techniques on the mechanical properties of oil palm empty fruit bunch–polypropylene composites | |
| Chattopadhyay et al. | Mechanical, thermal, and morphological properties of maleic anhydride‐g‐polypropylene compatibilized and chemically modified banana‐fiber‐reinforced polypropylene composites | |
| Bajwa et al. | Impact of biofibers and coupling agents on the weathering characteristics of composites | |
| CN102702708B (en) | Modified hemp-fiber reinforced unsaturated polyester composite material | |
| WO2009139508A1 (en) | Composites of kenaf micro fiber with polypropylene or polylactic acid | |
| KR101985710B1 (en) | 3-dimension printing thermoplastic material comprising bamboo | |
| Bettini et al. | Effect of sawdust surface treatment and compatibilizer addition on mechanical behavior, morphology, and moisture uptake of polypropylene/sawdust composites | |
| Liu et al. | Effects of fiber extraction, morphology, and surface modification on the mechanical properties and water absorption of bamboo fibers‐unsaturated polyester composites | |
| RU2813516C1 (en) | Composite material for making street furniture and method for production thereof | |
| Reddy et al. | Mechanical, thermal and morphological properties of raw cordia dichotoma fiber reinforced epoxy composites | |
| Taurino et al. | Development of glass-stalks-unsaturated polyester hybrid composites | |
| Ray et al. | Mechanical, thermal and microstructural studies of Bauhinia Vahlii fiber reinforced polypropylene composite | |
| FR2609927A1 (en) | Process for the manufacture of an agglomerated material based on a wood cellulose matter and material obtained by making use of this process | |
| Madera-Santana et al. | Graft polymerization of methyl methacrylate onto short leather fibers | |
| Valles-Rosales et al. | Wood chile peppers stalks-plastic composite production | |
| Novák et al. | Investigation into mechanical, surface and adhesive properties of date palm wood-polyolefin micro composites | |
| RU2756774C1 (en) | Polymer composition | |
| Chafidz et al. | Mechanical and Rheological Properties of High Density Polyethylene Reinforced Polyvinyl Alcohol Fiber Composites | |
| HONGSRIPHAN et al. | Use of oil palm frond waste to reinforce poly (lactic acid) based composites with the improvement of interfacial adhesion by alkali treatment | |
| RU2785347C1 (en) | Curable filling mass, moulded article made thereof and method for manufacturing the moulded article | |
| Chauhan et al. | Effects of Fiber Treatment and Humidity on the Mechanical, Fracture Toughness, Dynamic and Thermal Properties of Grewia Optiva Natural Fiber Reinforced Epoxy Composites | |
| Durowaye et al. | Synthesis and Characterisation of Polyester Resin Matrix Composites Reinforced with Pineapple Leaf Micro Particles | |
| Tan et al. | Physico-mechanical and Biodegradability Study of Mimusops elengi Seed Shell Powder Filled PVOH Films Produced through Membrane Casting Method | |
| Ting et al. | Investigation of epoxidized natural rubber (ENR 50) as a compatibilizer on cogon grass filled low density polyethylene/soya spent flour |