ЛАБОРАТОРИЯ ИНЖЕНЕРНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

 

Факультета фундаментальной физико-химической инженерии

Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Ход выполнения работ по проекту

 

«Разработка технологии получения биодеградируемого материала, путем введения нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения, на базе вторичного полимерного сырья»

 

 

Этап №1 "Выбор направления исследований. Разработка технологии получения нанонаполнителя"

(05.06.2014-31.12.2014)

 

В результате изучения влияния активатора разложения на основе органических комплексов марганца и нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения на биоразложение полиолефинов были сделаны следующие выводы:

1. Введение органического комплекса марганца в композиции на основе полиолефинов приводят к существенным изменения как их деформационно-прочностных характеристик, так и к изменению устойчивости пленок к внешним воздействиям – УФ облучению и биоразложению в почвогрунте.

2. Наблюдается значительная разница в изменениях, вызываемых введением активатора разложения в ПЭНП и ПП. В этих композициях введение добавки приводит к разнонаправленному изменению прочностных характеристик.

3. Введение активатора разложения приводит к существенному ускорению процессов биоразложения композиций при их контакте с почвогрунтами, причем увеличение концентрации добавки до 1,5 % сопровождается ускорением разложения.

4. Введение добавок в ПЭНП приводит к незначительным изменениям свойств композиций при УФ облучении. При этом ПП композиции, содержащие даже незначительное (0,5 %) добавки, практически полностью разрушились уже после 10 часов воздействия УФ.

5. Введение нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения значительно ускоряет процесс биоразложения, при этом наибольшее ускорение вызывает нанонаполнитель полученный из суспензии, где в качестве растворной среды выступала вода.

6. В результате проведенных методом Штурма испытаний было получено экспериментальное подтверждение способности нанонаполнителя с нанесенным на его поверхность активатором разложения придавать биоразлагаемость полимерным материалам.

 

 

Этап №2 "Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач. Разработка технологии получения биоразлагаемого материала" (01.01.2015-30.06.2015)

 

1. Были проведены теоретические исследования физико-химических процессов, на основе которых строится технология получения биодеградируемого материала, содержащего нанонаполнитель с нанесенным на его поверхность активатором разложения, на базе вторичного полимерного сырья, а именно проведен детальный аналитический анализ совокупности процессов диффузионного транспорта частиц нанонаполнителя в толще полимерной матрицы с последующим распределением частиц (также, протекающим диффузионным способом) в объеме полимера.

2. Были получены аналитические выражения для транспортных коэффициентов – эффективного коэффициента диффузии и эффективной подвижности (при наличии внешнего градиента сил), характеризующих скорость указанных диффузионных процессов в приближении сферических броуновских частиц (эффективном для частиц монтмориллонита, окруженных  металлорганическими комплексами, используемыми как активаторы разложения, а также обеспечивающие улучшение степени сродства с полимерной основой), в окружении с пространственными ограничениями.

3. В качестве модели среды, используемой при анализе и эффективно описывающей структуру полимерной матрицы в присутствии органического наполнителя, была разработана модель, представляющая совокупность каналов с периодически меняющимся сечением, где последнее меняется как плавно, так и резко, в том числе и одновременно в пределах одного периода структуры. Различные наборы задаваемых геометрических параметров модели позволяют рассчитывать основные транспортные коэффициенты для любой геометрии таких каналов.

4. Был проведен учет влияния наличия в системе градиента внешней силы. Такой градиент позволяет эффективно моделировать взаимодействие частиц с окружением, например, используется в модели для учета силы трения частиц о стенки канала.

5. В результате проведенного анализа получена эффективная модель для расчета процесса диффузионного транспорта мицеллярных образований, состоящих из минерального ядра (нанопластин монтмориллонита), окруженных органометаллическими комплексами внутри полиолефиновой матрицы в присутствии органического наполнителя. Транспорт таких мицелл можно рассматривать как свободную диффузию сферических броуновских частиц в условиях пространственных ограничений, обусловленных геометрией окружающей среды – полимерной матрицы – в присутствии градиента внешней силы, моделирующей взаимодействие частиц с окружением.

6. По результатам проведенных исследований, была проведена оптимизация способа создания концентратов нанонаполнителя для создания на его основе нового биодеградируемого материала.

7. Анализ полученных данных свидетельствует об увеличении в НК по сравнению с матричным полимером:

   - модуля Юнга – более, чем вдвое,

   - предела текучести – на 55%,

   - прочности при разрыве – на 33%,

   - относительного удлинения (эластичности) – 0%.

8. Показано, что температура плавления несколько возрастает в «истинном» НК и существенно – в мастербатче. В отличие от «чистого» полимера, НК теряет способность гореть (самозатухает в открытом пламени). Способность к щелевой экструзии НК – почти аналогична «чистому» полимеру. В мастербатче перерабатываемось остается достаточно хорошей, с точки зрения, промышленной переработки, однако из-за существенного повышенной вязкости, механические свойства становятся заметно хуже по сравнению с «чистым» полимером. Зато мастербатч – является абсолютно негорючим наноматериалом.

9. По результатам проведенных исследований, была выполнена оптимизация лабораторного процесса получения нового биодеградируемого материала, в т.ч. технологических параметров различных стадий и способа введения нанонаполнителя. В качестве объекта лабораторных испытаний выбран приготовленный при оптимизированных условиях нанокомпозиционный материал (НК) на основе вторичного ПЭВД, содержащий специальным образом органомодифицированный Na+-монтмориллонит (ММТ), имеющий регистрационную марку МГ-1 (наноглина, модифицированная ДОДАБ по нашей собственной оригинальной технологии).

10. По результатам проведенных лабораторных испытаний установлено, что изготовленные экспериментальные образцы НК обладали характеристиками, полностью соответствующими требованиям п. 4.1.2 ТЗ Соглашения.

11. Разработан лабораторный технологический регламент получения нового биодеградируемого материала.

 

Этап №3 "Экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач" (01.07.2015- 31.12.2015)

 

На третьем этапе (2-е полугодие 2015 г.) «Экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач», за счет средств субсидии решались следующие конкретные задачи:

1. Проведены эксперименты с процессами (физическими, химическими, производственными и т.п.), на основе которых строится технология получения: а) нанонаполнителя и б) нового биодеградируемого материала для оптимизации разработанных технологий.

2. Наработаны экспериментальные образцы нанонаполнителя в количестве 5 кг.

3. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов нанонаполнителя в части содержания активатора разложения и частиц размером меньше 100 нм.

4. Наработаны экспериментальные образцы нового биодеградируемого материала в количестве 25 кг.

5. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов нового биодеградируемого материала в части физико-механических характеристик и способности к биоразложению.

6. Проведена корректировка и дополнение лабораторных технологических регламентов на основании проведённых испытаний.

Полученные на этапе 3 результаты полностью удовлетворяют требованиям Технического задания и Календарного плана-графика исполнения обязательств.

 

Этап №4 "Проведение дополнительных исследований" (01.01.2016- 30.06.2016)

 

На этапе 4 наработаны экспериментальные образцы нанонаполнителя и нового биодеградируемого материала в

количестве 25 кг и 106 кг соответственно. Синтезированы и охарактеризованы глины, содержащие в качестве обменных катионов различные ионы переходных металлов и биодеградируемые материалы на их основе; Согласно требованиям Программы и методик испытаний, проведены испытания полученных образцов. Установлены характеристики экспериментальных образцов нанокомпозитов и биоразлагаемого материала. Основным результатом, свидетельствующим об успешном выполнении работ, является то, что наблюдается ускорение фоторазложения при введении активатора по сравнению с образцами сенсибилизированного полиэтилена высокого давления (ПВД).

Был разработан отчет о дополнительных патентных исследованиях. Было установлено, что создаваемая технология обладает патентной чистотой, в связи с чем начата работа по регистрации патента.

 

Этап №5 "Апробация результатов ПНИ в производственных условиях" (01.07.2016- 31.12.2016)

© Факультет фундаментальной физико-химической инженерии 2006 - 2017