XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка и создание декоративного элемента на основе растительного материала
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время во всем мире большое внимание уделяется грамотной утилизации отходов и их многоразовому применению. Причинами являются как экономическая выгода, так и решение экологических задач окружающей среды.
Рис является одним из самых распространенных пищевых продуктов в мире, занимая 2 место по площади посева после пшеницы. Ежегодно продукты рисового производства, такие как солома и шелуха, занимают 20% от общей массы урожая.
Проблема утилизации отходов риса особенно актуальна для тех стран, где рис является основной пищей. К таким странам можно отнести Китай, Индию, Японию и др. Рисовую шелуху, возможно сжигать, но это нецелесообразно и не экологично. Возможно, складировать продукт, но это тоже очень не экологично и занимает большие площади. Самым экологичным способом является переработка рисовой шелухи и использование полученного материала в качестве добавок при изготовлении автомобильных шин, лаков, красок, полимеров. Рисовая шелуха имеет высокое содержание кремния. Это определяет ее широкое применение для получения материалов с хорошими физическими свойствами. Наряду с этим рисовую шелуху можно использовать и в декоративном творчестве, например, для изготовления декоративной плитки.
Цель проектного исследования: «Разработка технологии создания декоративного элемента - плитки для внутреннего декорирования помещений на основе зол рисовой шелухи и эпоксидного клея».
Задачи исследования
Собрать информацию и изучить понятия «рисовая шелуха и продукты её переработки», «эпоксидная смола», «эпоксидный клей». Изучить информацию по работе с эпоксидной смолой.
Провести пробные смешивания для выявления возможности создавать узоры с чёткими линиями и разработать рекомендации по работе с эпоксидным клеем.
Определить четкий алгоритм работы по технологии изготовления готового изделия.
Основная часть
Литературный обзор
Зерно риса защищено оболочкой, которую учёные называют цветковой чешуёй, а производители - лузгой или шелухой [1]. Осенью собранные зерновые злаки доставляются к месту, где зерно очищается от оболочки, а солома остаётся в поле. После очищения зерна от жёлтой шелухи для получения белого риса его необходимо шлифовать, удалив верхний слой зерна. Таким образом, в процессе получения зёрен белого риса образуется несколько видов отходов: солома, цветочная чешуя (лузга, шелуха) и отруби (мука). Количество отходов на предприятии при получении рисовых зерен достигает 30 % (шелуха и отруби) от массы сухого зерна. Отходы содержат большое количество полезных для человека веществ, которые можно использовать в различных отраслях экономики, таких как сельское хозяйство и др. [2].
Шелуха риса имеет наружную и внутреннюю поверхности. Наружная поверхность представлена зубчатыми прямоугольными элементами с высоким содержанием диоксида кремния, которые покрыты толстой кабиной и волосками. Внутренняя поверхность состоит из удлинённых подкожных волокон целлюлозы. Средняя область является переходной и низким содержанием кремнезёма [3].
Рисовая шелуха включает две составляющие: органические вещества (75-80%) и неорганические вещества (20-25%) [4]. Главными компонентами неорганической являются диоксид кремния и щелочные микроэлементы, входящие в состав органических веществ. Органические вещества представлены целлюлозой, лигнином, пентозанами и небольшим количеством других веществ [5].
В процессе роста в рисовой шелухе (далее в тексте РШ) формируются уникальные нанопористые слои кремнезёма, обеспечивающие доступ к зерну воздуха и влаги [6]. Основные характеристики исходного сырья зависят от химического состава, углеродсодержащих и минеральных компонентов, погодных условий и хранения, района выращивания и может варьироваться [7].
Кремнезем присутствует в РШ на молекулярном уровне в рассеянном виде преимущественно в ее органическом материале. Этот кремнезем существует в гидратированной аморфной форме диоксида кремния или в виде геля кремниевой кислоты [8,5]. Органическое вещество РШ уничтожается во время ее сгорания, и при этом минеральный остаток, полученный в виде золы, богат диоксидом кремния [4,10]. Спектральным анализом фиксировано наличие в РШ оксидов Ca, Cu, Mg, Al, Fe, K, Na, Mn, Ti, S и других элементов, среди них преобладают оксиды Ca, Mg, Al и Fe.
РШ может быть использована для получения более эффективного топлива [11, 12] – биомассы, которая подразумевает не прямое сжигание названных отходов, а их газификацию и пиролиз, то есть химико-биологическую переработку для получения спиртов и биогаза. Средний диапазон температур горения РШ при выработке электроэнергии составляет около 400 – 650 °С для быстрого пиролиза, 600 – 850 °С для газификации [13].
Направления и методы использования РШ в аграрном секторе весьма разнообразны, её можно использовать в качестве эффективного минерального удобрения [14]. Зола рисовой шелухи, как и зола любого растения, содержит почти все питательные макро- и микроэлементы, характерные для этого вида растений, за исключением тех, которые в виде химических соединений в сгоревших растениях разрушаются при горении (кислород, углерод, водород и азот). РШ, как минеральное удобрение, обладает лишь кратковременным эффектом, поэтому ее гораздо эффективнее использовать в качестве органического вещества в компосте или мульче.
Известны способы получения из РШ чистого кремния [15]. Сущность процесса состоит в следующем: предварительно обработанную РШ высушивают и сжигают до черной золы при относительно низкой температуре, а затем сжигают до белой золы при более высокой температуре (около 600 °C) [16]. Полученную белую золу обрабатывают концентрированной кислотой для уменьшения содержания примесей (соединений Ca, K, Mg и др.) до уровня 20 ppm, промывают водой, сушат и измельчают до дисперсного порошка [17]. Порошок обрабатывают в смеси с металлическим магнием при температуре около 600 °С и смесью кислот HF и H2SO4, после чего промывают. Таким образом, в результате получают кремний высокой чистоты (99,95 %) [10].
Ещё одним перспективным направлением использования золы рисовой шелухи может стать создание декоративных элементов на основе эпоксидного клея.
Эпоксидный клей – это вещество с многокомпонентным составом, в который входит эпоксидная смола, отвердитель и различные пластификаторы, например, фталиевая или фосфорная кислота. От соотношения компонентов зависит густота клеящего состава: либо он будет эластичным, как резина, либо твердым, как стекло [9].
Эпоксидные смолы представляют собой продукты конденсации многоатомных фенолов (дифенилопропан, резорцин) с соединениями, содержащими эпоксидную группу, например, эпихлоргидрин глицерина, диглицидный эфир глицерина, дихлоргидрин глицерина.
Эпоксидные смолы представляют собой жидкие, вязкие или твердые прозрачные термопластичные продукты от светлого до темно-коричневого цветов. Они легко растворяются в ароматических растворителях, сложных эфирах, ацетоне, но не образуют пленок, так как не твердеют в тонком слое (пленка остается термопластичной).
Эпоксидные смолы по своему строению являются простыми полиэфирами, имеющими по концам эпоксигруппы, которые являются весьма реакционноспособными .
При действии на эпоксидные смолы соединений, содержащих подвижный атом водорода, они способны отверждаться с образованием трехмерных неплавких и нерастворимых продуктов, обладающих высокими физико-техническими свойствами. Таким образом, термореактивными являются не сами эпоксидные смолы, а их смеси с отвердителями и катализаторами [18].
Эпоксидный клей производится в двух видах - однокомпонентный и двухкомпонентный. Однокомпонентный клей - это готовая к использованию смесь, выпускаемая в расфасовке небольшого объема. Благодаря тому, что в массу уже введен отвердитель, клей начинает застывать сразу после того, как вскрывают упаковку. По этой причине материал не применяется для работы с большими объемами, но хорошо подходит для мелкого ремонта, герметизации швов и т.п.
В упаковке двухкомпонентного клея находятся две емкости. Одна с композитным составом, другая с отвердителем. Перед работой их нужно соединить, строго соблюдая пропорции, которые производитель указывает в инструкции. Преимущество двухкомпонентного материала в том, что его можно смешивать по мере необходимости, получая состав для больших объемов работ [19].
В качестве отвердителей для эпоксидных смол применяются различные вещества: диамины (гексаметилендиамин, метафинилендиамин, полиэти-ленполиамин), карбоновые кислоты или их ангидриды (малеиновый, фталевый) [18].
Из литературы было установлено, что возможно использовать рисовую шелуху и эпоксидный клей для создания декоративных элементов.
Экспериментальная часть
Прежде чем приступить к работе с веществами были изучены инструкции по их применению.
Инструкция по работе с эпоксидным клеем:
Смешать клей с отвердителем в ёмкости. Лучше всего отмерять компоненты шприцом без иглы: так можно быть уверенным, что смешали в равных пропорциях.
Во избежание появления пузырьков нужно помешивать смесь по кругу в одном направлении деревянным шпателем и периодически проверять смесь на наличие пузырьков, просматривая её на просвет. Во время смешивания идёт реакция полимеризации с выделением тепла, поэтому сразу почувствуется, что ёмкость нагрелась.
Сначала должен быть залит небольшой слой клея и тщательно проверен на наличие пузырьков. Если нашлись пузырьки, то их нужно проткнуть иглой или зубочисткой.
Засыпать небольшое количество шелухи и выровнять, чтобы слой был распределён равномерно.
Залить второй слой, выровнять, чтобы плитка получилась одной толщины. Оставить форму до высыхания на ровной горизонтальной поверхности и следить за тем, чтобы температура и влажность воздуха не сильно изменялись, также нужно форму накрыть защитной крышкой, чтобы в клей не попала пыль [20,21].
Формы, которые используют для заливки смеси, называются молдами.
Молды имеют идеально ровную и глянцевую поверхность. Силиконовые молды многоразовые: после использования его необходимо промыть теплой водой. Для заливки молдов рекомендуется использовать смолу средней вязкости или густую смолу.
Молд имеет форму многоугольника (напоминает пчелиные соты). Такая форма имеет красивый вид для создания законченной композиции из нескольких форм. Форма изготовлена из силикона [22,23].
Для использования в данной работе была взята зола рисовой шелухи Краснодарского края, полученная путём обжига при 600 0 С в лаборатории кафедры высокотемпературных веществ РХТУ им Менделеева.
Перед началом работы был рассчитан объём формы и подготовлен эскиз.
Объём формы находится по формуле: V=S*H.
Площадь находится в зависимости от фигуры формы. В данном случае форма правильного шестиугольника, которой соответствуют несколько формул нахождения площади.
Была использована формула S=3/2. Сторона правильного шестиугольника равна 8 см, исходя из этого S=166 см^2. Подставив полученное значение и h=1,3 см, V формы =216 см^3.
Одна упаковка имеет массу 100 грамм, соответственно на одну форму необходимы две упаковки клея вместе с отвердителем.
Просчитав все необходимые затраты материала (эпоксидного клея), и изучив инструкцию по работе с эпоксидным клеем, можно приступать к работе. Связующим материалом является эпоксидный клей и отвердитель к нему. Для смешивания клея и отвердителя используется специальная емкость одноразового использования и деревянная палочка (или пластиковая бытовая одноразовая ложка).
Ход практической части работы
Были смешаны эпоксидная часть клея с отвердителем и тщательно размешаны (Приложение 1)
Далее был залит готовый эпоксидный клей в форму. Форму, которая используется для заливки, была приобретена в магазине творческой продукции (Приложение 2)
Небольшая порция золы рисовой шелухи была аккуратно засыпана сверху (Приложение 3)
Зубочисткой или обратной стороной ложки проведено несколько линий для создания узора (Приложение 4)
Смесь была оставлена застывать на 24 часа (Приложение 5)
После застывания острые края были обработаны надфилем (Приложение 6)
Оцениваем конечный продукт по времени застывания, степени твердости и завершенности и целостности конечного полученного результата.
В проектной работе были проведены пробные смешивания для того, чтобы понять, возможно, ли при «заливке» сделать чёткие узоры или орнамент. В ходе этой работы было выяснено, что сырьё не может оставаться в одном положении и со временем расплывается. Соответственно, получится сделать только абстрактные узоры, не имеющие чётких линий.
На основе практической части исследовательской работы созданы рекомендации по работе с эпоксидным клеем:
1.Следить за тем, чтобы в процессе заливки и смешивания образовывалось мало пузырьков воздуха, в случае их появления прокалывать их зубочисткой.
2.Не затягивать процесс заливки, потому что клей быстро застывает.
3.У разных марок эпоксидного клея реакция полимеризации проходит по-разному, нельзя оставлять клей в емкости без присмотра.
По итогам практической части исследовательской работы была составлена технология изготовления изделия.
Технология изготовления изделия
Перед началом работы нужно соблюсти технику безопасности:
- перед началом работы надеть халат, длинные волосы собрать сзади.
- работать в проветренном помещении, баночки с жидкостями не подносить близко к лицу, не вдыхать резко.
- аккуратно работать со смесью или надеть перчатки, при попадании на кожу тщательно промыть водой.
Рассчитать объём фигуры, в виде которой сделана форма.
Смешать эпоксидную часть с отвердителем в нужных пропорциях в одноразовой ёмкости. Тщательно размешать.
Залить полученную смесь в форму.
Набрать на ложку небольшое количество золы рисовой шелухи и засыпать сверху.
Провести несколько хаотичных линий.
Оставить застывать на 24 часа.
Достать из формы полученное изделие и обработать острые края надфилем.
Заключение
В проектной работе был собран соответствующий теоретический материал, изучена информация относительно терминов «зола», «эпоксидный клей», «эпоксидная смола», изучена информация о подобных изделиях, изучены варианты создания подобных изделий на основе эпоксидной смолы в интернет - источниках и литературе.
Определено, как должно выглядеть изделие, определен его дизайн - абстрактные узоры, определен четкий алгоритм работы по технологии изготовления конечного изделия. Разработаны рекомендации по работе с эпоксидным клеем.
Определен четкий алгоритм создания изделия на основе эпоксидного клея.
Приложения
Приложение 1 Смешивание эпоксидной части с отвердителем
Приложение 2 Заливание полученной смеси в форму
Приложение 3 Засыпание золы рисовой шелухи сверху
Приложение 4 Создание узора обратным концом ложки
Приложение 5 Застывание в течение 24 часов
Приложение 6 Обработка острых краёв надфилем
Списокиспользуемойлитературы
1. Lim, JS., A review on utilization of biomass from rice industry as a source of renewable energy / Mana, ZA, Alwi, SRW & Hashim, H, // Renewable and Sustainable Energy Reviews - 2012, vol. 16, p. 3084-3094.
2. Kirana Soerono. How does rice get to your plate? // Economy / Asia Wide, kontinentalist - May 1, 2018.
3. Sun, L. Y., Silicon-based materials from rice husks and their applications / Gong, K. C. // Industrial & Engineering Chemistry Research-2001, 40 (25), 5861-5877.
4.Воронков М.Г., Кремний и жизнь. Биохимия, фармакология и токсикология соединений кремния / Зельчан Г.И., Лукевиц Э.Я. // Рига: Зинатне, 1978. − 558 с.
5. Каравай Л.В., Гидролизованная Рисовая Шелуха для Производства Мучных Изделий / Левочкина Л.В. // Пищевая Промышленность, 11/2008, 53 c.
6. Rama Rao G.A., Nature and reactivity of silica available in rice husk and its ashes / Sastry R.K and Rohatgi Bull P.K., // Mater. Sci - 1989, vol.12(5), p. 469-479.
7. Земнухова Л.А., Исследование условий получения, состава примесей и свойств аморфного диоксида кремния из отходов производства риса / Федорищева Г.А., Егоров А.Г., Сергиенко В.И. // Журнал прикладной химии-2005. Т. 78- 2, С. 324—328.
8. Ma J.F., A rice mutant defective in active Si uptake / Tamai K, Ichii M, Wu K, // American Society of Plant Biologists (ASPB), Plant Physiology, 2002,130 (4), Pg.2111-2117.
9. Все инструменты.ру.[Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.
vseinstrumenti.ru/publication/epoksidnyj-klej-varianty-prime
neniya-i-poleznye-sovety-1824/ (датаобращения 25.02.2023)
10. Banerjee, H. D., Investigation on the production of silicon from rice husks by the magnesium method / Sen S., Acharya H. N. // Mater. Sci. Eng. 1982, 52, Pg.170 - 173.
11. Kumar S., Utilization of Rice Husk and Their Ash: A Review / Sangwan P, Dhankhar R. Mor V, Bidra S, // Res. J. Chem. Env. Sci. 2013, Volume 1, Issue 5, 126-129 p.
12. Применение возобновляемых источников энергии в ресурсосбережении российской энергетики. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-vozobnovlyaemyh-istochnikov-energii-v-resursosberezhenii-rossiyskoy-energetiki (дата обращения: 01.03.2023).
13. Kathy Lu. Materials in Energy Conversion, Harvesting, and Storage / 2014, ISBN-13: 978-1118889107, Pg. 158 - 167.
14. R. A. Ebaid., Utilization of rice husk as an organic fertilizer to improve productivity and water use efficiency in rice fields / I. S. El-Refaee // African Crop Science Conference Proceeding -2007, vol. 8, p.1923–1928.
15. Rohani A. B., Production of High Purity Amorphous Silica from Rice Husk / RosiyahYahya, Seng NeonGan, // Procedia Chemistry, Vol-19 (2016), Pg. 189 – 195.
16. N. Soltani. Review on the physicochemical treatments of rice husk for production of advanced materials / A.Bahrami., M.I.Pech-CanulL., A.González. // Chemical Engineering Journal -2015, Vol. 264, Pg. 899-935.
17. Пат. РФ2161124C1, Cпособ подготовки рисовой шелухи для получения высокочистого диоксида кремния / Виноградов В.В., Былков А.А. (C01B 33/12), Опубликовано:2000.12.27.
18. Компоненты и технологии. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://kit-e.ru/circuitbrd/epoksidnye-smoly/?ysclid=ledxd5ehk4534404240 (дата обращения 21.02.2023)
19. Идеи вашего дома. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.ivd.ru/stroitelstvo-i-remont/stroitelnye-materialy/epoksidnyj-klej-svojstva-raznovidnosti-osobennosti-ispolzovania-28351 (дата обращения 25.02.2023)
20. «Newchemistry.ru Новые химические технологии» [Электронный ресурс]. URL: https: //www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=6216 (дата обращения 28.12.2022)
21. Мартынова, Е. Г. Использование эпоксидной смолы в изделиях декоративно-прикладного творчества / Е. Г. Мартынова // Городские молодежные культуры: навигаторы, коллаборации, креативность : материалы XLVII научно-творческой конференции студентов СГИК, 18 апреля 2019 года. - Самара : Самарский гос. ин-т культуры, 2019. - с. 187-193.
22. Журнал «Лукошко идей» 2019, № 8 (102). - 2019. – 48, [1] с. : цв. ил
23. Журнал "Девчонки - мальчишки. Школа ремёсел 2018, № 9 (141). - 2018. - 30, [3] с. : цв. ил.