Улучшение механических и биоматериальных свойств композита

Краткое содержание
В исследовании лигнин (17% и 29% по массе) смешивали
бутиленадипат-ко-терефталатом (PBAT) на двухшнековом экструдере Omega 25 мм, используя стандартную технологию (STD) и технологию фракционной геометрии (FGT). Гранулы, полученные экструзией, использовали для литья образцов по стандарту ASTM D.

Основные выводы:

1. Добавление лигнина к PBAT повысило ударную прочность и модуль изгиба, но снизило предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве.
2. Технология фракционной геометрии (FGT) показала преимущества перед стандартной (STD): более низкая температура расплава, меньшее удельное энергопотребление, более высокая ударная прочность и модуль изгиба.
3. Анализ под сканирующим электронным микроскопом (SEM) подтвердил, что FGT обеспечивает лучшее распределение лигнина в матрице PBAT и отсутствие пустот, что объясняет улучшенные механические свойства.

Введение
PBAT — это биоразлагаемый полимер с высокой гибкостью и удлинением при разрыве. Для снижения стоимости его модифицируют бионаполнителями, такими как лигнин — побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности. Однако лигнин плохо совместим с PBAT, что ухудшает механические свойства композита. Решение — использование специальных технологий смешивания, таких как FGT.
Экструзионный процесс

• Оборудование: Двухшнековый экструдер Omega 25 (STEER).
• Параметры: Температура цилиндров 130–150°C, скорость вращения шнеков 100–800 об/мин.
• Подача: PBAT (гранулы) и лигнин (порошок) подавались раздельно через разные бункера.
• Смешивание: Для технологии FGT использовались специальные элементы (DSE, FME), обеспечивающие щадящее и равномерное распределение лигнина без его деградации.
• Гранулирование: Расплав выдавливался через фильеру, охлаждался в воде, сушился и нарезался на гранулы размером 2x3 мм.

Результаты и обсуждение

1. Параметры процесса: FGT позволила снизить температуру расплава до 145°C (против 151°C у STD) и удельное энергопотребление до 0.38 кВт·ч/кг.
2. Механические свойства: Образец с 29% лигнина, полученный по технологии FGT, показал наивысшие значения ударной прочности и модуля изгиба. Предел прочности при растяжении снижался с добавлением лигнина для обоих методов.
3. Морфология (SEM): Микрофотографии показали, что FGT обеспечивает однородное распределение лигнина и хорошее сцепление с матрицей PBAT без пустот. В образцах, полученных по стандартной технологии, наблюдались скопления частиц лигнина и слабая межфазная граница.

Заключение
Технология фракционной геометрии (FGT) при обработке композита PBAT/лигнин (29%) на экструдере Omega 25 демонстрирует значительные преимущества перед стандартной методикой:

• Снижение энергозатрат и температуры обработки.
• Улучшение ключевых механических свойств (ударная прочность, модуль изгиба).
• Формирование однородной микроструктуры композита с хорошим распределением наполнителя.

Это делает FGT перспективным методом для создания экономичных и экологичных биоразлагаемых материалов с улучшенными характеристиками.