Телефон: +7 (383)-202-16-86

Статья опубликована в рамках: XIV Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 05 декабря 2013 г.)

Наука: Химия

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Гукова В.А., Ивановский С.К. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ И МИНЕРАЛЬНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XIV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 14. URL: http://sibac.info/archive/nature/8(11).pdf (дата обращения: 30.03.2020)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику


ПОЛУЧЕНИЕ  КОМПОЗИЦИОННЫХ  МАТЕРИАЛОВ  НА  ОСНОВЕ  ВТОРИЧНЫХ  ПОЛИМЕРНЫХ  И  МИНЕРАЛЬНЫХ  ТЕХНОГЕННЫХ  ОТХОДОВ  И  ИССЛЕДОВАНИЕ  ИХ  ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ


Гукова  Валерия  Артуровна


студент  5  курса,  кафедра  Химии  МГТУ  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  г.  Магнитогорск


E-mail: 

,


Ивановский  Сергей  Константинович


студент  4  курса,  кафедра  Химии  МГТУ  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  г.  Магнитогорск


E-mailski-mgn@mail.ru


Ершова  Ольга  Викторовна


научный  руководитель,  канд.  пед.  наук,  доцент  кафедры  Химии  МГТУ  им.  Г.И.  Носова,  РФ,  г.  Магнитогорск


 


Пластические  массы  обладают  ценными  физическими  и  химическими  свойствами,  такие  как  малый  объемный  вес,  высокие  механическая  прочность  и  электроизоляционные  свойства,  оптические  свойства,  привлекательный  внешний  вид,  химическая  стойкость  и  др.  Поэтому  промышленность  пластмасс  развивается  сегодня  исключительно  высокими  темпами.  Одним  из  сопутствующих  эффектов  бурного  роста  промышленности  пластмасс  является  одновременное  увеличение  количества  пластмассовых  отходов,  которые  образуются  на  всех  стадиях  их  производства  и  использования.  Таким  образом,  отходы  пластмасс  превратились  в  серьезный  источник  загрязнения  окружающей  среды,  и  большинство  стран  резко  интенсифицировали  работы  по  созданию  эффективных  процессов  утилизации  или  обезвреживания  этих  отходов,  одним  из  которых  является  получение  композиционных  материалов  на  основе  вторичных  полимеров  и  минеральных  техногенных  отходов.


Композиты  на  основе  пластмасс  (с  полимерной  матрицей)  приобретают  дополнительные  свойства,  которые  делают  материал  еще  более  полезным  с  точки  зрения  эксплуатации  и,  соответственно,  привлекательным  для  потребителя.  Дополнительным  способом  придания  дополнительных  или  улучшения  имеющихся  свойств  является  вспенивание  композита.  Вспененные  материалы  обладают  меньшим  весом,  лучшими  тепло-звукоизоляционными  свойствами,  меняют  прочностные  характеристики  [4,  с.  215].


Цель  данной  научной  работы  заключается  в  получении  суспензионным  способом  композиционных  материалов  на  основе  вторичного  полиэтилена  и  вторичного  полипропилена  и  минеральных  техногенных  отходов  и  исследовании  их  физико-механических  свойств,  а  также  выбор  оптимального  состава  композита,  т.  е.  подбор  растворителя,  вспенивателя  и  наполнителя.  Объекты  исследования:  вторичный  полиэтилен  (ПЭ),  вторичный  полипропилен  (ПП),  ЧХЗ-21,  зола  уноса  Южно-Уральской  ГРЭС,  композиты,  состоящие  из  полимерной  матрицы  и  минерального  наполнителя.


На  базе  лаборатории  кафедры  Химии  были  проведены  следующие  исследования. 


Первый  этап  работы  заключался  в  растворении  ПЭ  и  ПП.  Предварительно  образцы  отходов  полимерного  производства  были  нарезаны,  а  затем  дробились  на  лабораторной  дробилке  до  однородной  фракции.  Взвешивание  материала  для  образцов,  а  также  полученных  образцов  продукта,  производилось  на  аналитических  электронных  весах  с  точностью  до  0,001  г.  Каждая  навеска  составляла  3,000  г.


В  качестве  растворителей  для  ПЭ  использовались:  циклогексан  и  четыреххлористый  углерод  при  нагревании  при  повышенных  температурах  (более  100  ºС),  ксилол  при  температуре  75  ºС,  трихлорэтан  при  температуре  70  ºС,  ледяная  уксусная  кислота  при  температуре  30  ºС  и  толуол  при  высокой  температуре  (более  100  ºС),  а  для  ПП  —  толуол  и  бензол  при  температуре  110  ºС.  Было  установлено,  что  растворение  ПП  и  ПЭ  массой  3,000  г  происходит  лучше  в  толуоле,  объем  которого  составляет  25  мл,  при  температуре  110  °C  в  течение  25—30  мин.


Второй  этап  —  это  вспенивание  ПП  и  ПЭ. 


В  качестве  вспенивателей  для  ПЭ  и  ПП  использовались  ЧХЗ-21  и  карбонат  натрия  (сода).  Вспенивание  с  помощью  специальных  химических  добавок,  вводимых  в  полимер  (порофоров),  является  важнейшим  способом  получения  пористых  материалов.  Порофоры  —  это  химические  соединения,  которые  при  нагревании  разлагаются,  выделяя  углекислый  газ,  вспенивающий  полимер.  Пористая  структура  дает  значительную  экономия  основного  материала.  Для  получения  вспененного  ПП  и  ПЭ  использовался  промышленный  вспениватель  азодикарбонамид  марки  ЧХЗ-21.  Азодикарбонамид  —  это  кристаллическое  вещество  желтого  цвета.  Азодикарбонамид  является  эффективным  вспенивающим  агентом,  лидером  среди  вспенивателей,  потребление  которого  составляет  85  %  от  всех  потребляемых  вспенивающих  добавок.  Дозировка  ЧХЗ-21  должна  составлять  2—10  %  от  массы  навески  полимерного  материала.  Также  был  рассмотрен  вариант  использования  в  качестве  вспенивателя  карбоната  натрия  с  дозировкой  5—25  г.


Для  определения  подходящего  вспенивателя  из  двух  (ЧХЗ-21  и  карбонат  натрия)  для  ПП  и  ПЭ  были  проведены  следующие  опыты:  пять  образцов  навески  ПП  и  ПЭ,  растворенных  в  толуоле,  смешивали  с  определенно  дозой  ЧХЗ-21  (2  %,  4  %,  6  %,  8  %,  10  %)  и  пять  таких  же  растворенных  в  толуоле  образцов  ПП  и  ПЭ  —  с  карбонатом  натрия  (таблица  1).


Результаты  опытов  показали,  что  вспенивающий  агент  ЧХЗ-21  больше  подходит  для  вспенивания  ПП  и  ПЭ,  чем  карбонат  натрия.  В  результате  каждого  испытания  после  охлаждения  получался  образец  твердого  материала  цилиндрической  формы  диаметром  27  мм,  который  равен  диаметру  формы,  различной  высоты  и  массы,  что  связано  со  степенью  вспенивания.  Для  дальнейших  исследований  были  взяты  только  образцы  №  1—6,  т.  к.  образцы  7—10  из-за  большого  количества  наполнителя  получались  хрупкими. 


Для  выбора  более  вспененного  образца  была  определена  объемная  масса  образцов,  которая  зависит  от  размера  и  количества  газонаполненных  и  воздушных  пор  и  позволяет  судить  о  степени  его  пористости.  На  основании  полученных  данных  (таблицы  2,3)  для  ПП  был  выбран  образец  №3  как  наиболее  оптимальный  вариант  вспенивания,  т.  к.  у  него  объемная  масса  наибольшая,  что  свидетельствует  о  большей  пористости  материала,  т.е.  лучшем  вспенивании  материала,  а  для  ПЭ  —  образец  №  2  (таблица  2,  3).


Таблица  1. 


Испытания  растворения  и  вспенивания  ПП  и  ПЭ


№  образца



Масса  навески  полимерного  материала,  г



Объем  растворителя,  мл



Дозировка  ЧХЗ-21,  %



Дозировка  карбоната  натрия,  %



1



3



25



2





2



3



25



4





3



3



25



6





4



3



25



8





5



3



25



10





6



3



25





5



7



3



25





10



8



3



25





15



9



3



25





20



10



3



25





25


 


Таблица  2. 


Характеристики  вспененного  ПП


№  образца



Масса  образца  вспененного  ПП,  г



Объем  образца  вспененного  ПП,  см3



Дозировка  ЧХЗ-21,  %  (карбоната  натрия,  %)



Объемная  масса  вспененного  ПП,  г/см3



1



2,220



8,53



2



0,26006



2



2,005



8,30



4



0,24134



3



3,095



10,12



6



0,30567



4



3,095



14,48



8



0,21366



5



3,175



13,23



10



0,23985



6



4,510



16,31



5



0,27650


 


Таблица  3. 


Характеристики  вспененного  ПЭ


№  образца



Масса  образца  вспененного  ПЭ,  г



Объем  образца  вспененного  ПП,  см3



Дозировка  ЧХЗ-21,  %  (масса  карбоната  натрия,  г)



Объемная  масса  вспененного  ПЭ,  г/см3



1



4,98



10,94



2



0,454



2



4,02



9,49



4



0,427



3



4,45



9,80



6



0,452



4



4,10



9,05



8



0,453



5



5,01



11,22



10



0,446



6



9,58



11



5



0,8709


 


Третий  этап  —  создание  композиционного  материала.  В  качестве  минеральных  техногенных  отходов  была  добавлена  зола  уноса  Южно-Уральской  ГРЭС  массой  0,15,  0,30  и  0,45  г.  Для  композитов  была  определена  объемная  масса.  Из  полученных  результатов  была  установлена  оптимальная  масса  золы  уноса  для  добавления  в  композиционный  материал  с  ПП,  равная  0,30  г,  т.к.  при  большей  концентрации  наполнителя  материал  становится  очень  хрупким,  а  с  ПЭ  —  0,45  г  (таблицы  4,5).


Таблица  4. 


Характеристики  образцов  композита  на  основе  ПП



№  образца



Масса  наполнителя,  г



Масса  композита,  г



Объем  композита,  см3



Объемная  масса  композита,  г/см3



1



0,15



3,245



11,20



0,2897



2



0,30



3,395



11,63



0,2917



3



0,45



3,545



12,66



0,2735


 


Таблица  5. 


Характеристики  образцов  композита  на  основе  ПЭ



№  образца



Масса  наполнителя,  г



Масса  композита,  г



Объем  композита,  см3



Объемная  масса  композита,  г/см3



1



0,15



3,500



10,50



0,3010



2



0,30



3,000



10,89



0,2750



3



0,45



4,000



11,43



0,3490


 


Четвертый  этап  —  исследование  физико-механических  свойств  композиционного  материала. 


Для  испытаний  на  прочность  соединений  композита  использовалась  разрывная  машина  РМИ-250.  Методика  была  выбрана  в  соответствии  с  ГОСТ  Р  52627-2006  «Болты,  винты  и  шпильки.  Механические  свойства  и  методы  испытаний»  (таблицы  6,7).  В  центр  плоской  поверхности  образца  вкручивается  саморез,  затем,  с  помощью  разрывной  машины  этот  саморез  вырывался  из  образца,  и  усилие,  необходимое  для  этого,  фиксировалось.  Испытанию  на  прочность  удержания  резьбы  (прочность  соединения)  подвергались  образцы  композита  с  различным  содержанием  наполнителя  [1,  с.  15].


Установлено,  что  с  увеличением  массы  наполнителя  прочностные  характеристики  материала  ухудшаются. 


Таблица  6 


Испытания  на  прочность  композита  на  основе  ПП



Наполнитель



Без  наполнителя



Зола  уноса



Масса  наполнителя,  г



0



0,15



0,30



Разрывное  усилие,  Н



71



43



30


 


Таблица  7. 


Испытания  на  прочность  композита  из  ПЭ



Наполнитель



Без  наполнителя



Зола  уноса



Масса  наполнителя,  г



0



0,15



0,45



Разрывное  усилие,  Н



11



10



9,5


 


Цель  эксперимента  на  прочность  при  сжатии  заключалась  в  определении  прочности  при  сжатии  образцов  полученного  композита.  Испытания  проводили  по  ГОСТ  4651-82  «Пластмассы.  Метод  испытания  на  сжатие»  на  разрывной  машине  РМИ-250»  (таблицы  8,9).  Образец  материала  устанавливался  между  площадками  так,  чтобы  вертикальная  ось  образца  совпадала  с  направлением  нагрузки.  Машина  регулировалась  до  осуществления  соприкосновения  образца  с  площадками.  По  достижении  установленного  значения  деформации  машина  отключалась  [3,  с.  4].


Таблица  8. 


Испытания  на  предел  прочности  при  сжатии  композита  на  основе  ПП



Масса  наполнителя,  г



0



0,15



0,30



Нагрузка,  кг



220



160



115


 


Таблица  9. 


Испытания  на  предел  прочности  при  сжатии  композита  на  основе  ПЭ



Масса  наполнителя,  г 



0



0,15



0,45



Нагрузка,  кг 



180



120



85


 


Цель  исследования  композита  на  водопоглощение  —  определение  весовым  методом  водопоглощения  образцов  композита  с  различной  концентрацией  золы  уноса  в  качестве  наполнителя.  Испытание  проводилось  по  ГОСТ  4650-80  «Пластмассы.  Методы  определения  водопоглощения»  весовым  методом  (таблицы  10,11).  Образцы  погружались  в  воду  и  по  истечении  5,  10,  30,  60  минут  и  1  суток  подвергались  взвешиванию.  Предварительно  образцы  обтирались  фильтровальной  бумагой.  Все  тесты  проводились  в  дистиллированной  воде  при  температуре  окружающей  среды  [2,  с.  3].


Весовой  метод  заключается  во  взвешивании  образца  и  в  вычислении  коэффициента  водопоглощения  по  формуле:


 



 


где:  α  —  водопоглощение,  %;


М—  масса  исходного  образца,  г;


М  —  масса  набухшего  образца,  г.


                                                                  


Таблица  10. 


Испытания  на  водопоглощение  композита  на  основе  ПП



Время  поглощения,  мин  (сут)



Масса  золы  уноса,  г



0



0,15



0,30



М0,  г



ΔМ,  г



a,  %



М0,  г



ΔМ,  г



a,  %



М0г



ΔМ



a,%



5



3,22



0,03



0,93



3,33



0,05



1,50



3,61



0,07



1,94



10



0,04



1,24



0,06



1,80



0,09



2,49



30



0,04



1,24



0,07



2,10



0,10



2,77



60



0,04



1,24



0,07



2,10



0,10



2,77



1440  (1)



0,04



1,24



0,07



2,10



0,10



2,77


 


Таблица  11. 


Испытания  на  водопоглощение  композита  на  основе  ПЭ



Время  поглощения,  мин  (сут)



Масса  золы  уноса,  г



0



0,15



0,30



М0,  г



ΔМ,  г



a,  %



М0,  г



ΔМ,  г



a,  %



М0г



ΔМ,  г



a,%



5



2,09



0,00



0,00



1,43



0,00



0,00



2,61



0,00



0,00



10



0,00



0,00



0,00



0,00



0,00



0,00



30



0,00



0,00



0,00



0,00



0,00



0,00



60



0,00



0,00



0,00



0,00



0,00



0,00



1440  (1)



0,03



1,43



0,04



2,79



0,03



1,14


 


Из  результатов  исследования  следует,  что  композиционные  материалы  на  основе  ПП  и  ПЭ  является  довольно  стойкими  к  воде.  Очевидна  небольшая  пропорциональность  поглощения  с  течением  времени,  что  говорит  о  влиянии  на  поглощение  воды  структуры  материала,  размера,  формы  и  закрытости  пузырьков. 


Таким  образом,  в  ходе  создания  композиционного  материала  был  получен  следующий  оптимальный  состав  композиционного  материала:


1.  для  ПП: 


·     масса  навески  ПП  —  3,000  г;


·     объем  растворителя  (толуол)  —  25  мл;


·     масса  вспенивателя  (ЧХЗ-21)  —  0,18  г;


·     масса  наполнителя  (зола  уноса)  —  0,30  г;


2.  для  ПЭ:


·     масса  навески  ПЭ  —  3,000  г;


·     объем  растворителя  (толуол)  —  25  мл;


·     масса  вспенивателя  (ЧХЗ-21)  —  0,12  г;


·     масса  наполнителя  (зола  уноса)  —  0,45  г.


Основными  преимуществами  суспензионного  метода  являются: 


1.  легкий  отвод  выделяющегося  при  полимеризации  тепла,  поэтому  процесс  возможно  вести  в  достаточно  узком  интервале  температур;


2.  возможность  варьирования  в  широких  пределах  размера,  а  в  некоторых  случаях  и  морфологии  полимерных  гранул.


Однако  от  производства  композита  суспензионным  методом  следует  отказаться  по  следующим  причинам:


1.  необходимость  промывки  и  сушки  гранул  и  возможность  загрязнения  полимера  остатками  стабилизатора,  наличие  загрязненных  вод  и  необходимость  их  очистки;


2.  экологическая  небезопасность  производства;


3.  экономическая  нецелесообразность  использования  дорогих  растворителей;


4.  ухудшение  свойств  материала  в  процессе  растворения  и  диспергирования;


5.  сложность  получения  качественных  поверхностей  в  процессе  сушки.


В  перспективе  планируется  улучшение  прочностных  характеристик  композита,  проведение  испытаний  по  определению  показателя  текучести  расплава,  и  в  зависимости  от  его  значения  будет  выбран  способ  переработки  полимера,  а  также  технология  производства  композиционных  материалов  на  основе  вторичного  ПП  и  ПЭ  и  минеральных  техногенных  отходов. 


Полученные  композиционные  материалы  можно  в  дальнейшем  применять  как  звукоизоляция  между  бетонным  основанием  и  полом,  теплоизоляция  под  паркет,  доску  ламинат,  гидроизоляция  перегородок,  стен,  как  шумопоглощающие  элементы  и  в  качестве  упаковки  изделий,  конструкций.


 


Список  литературы:


1.ГОСТ  Р  52627-2006.  Болты,  винты  и  шпильки.  Механические  свойства  и  методы  испытаний  [Текст]  Введ.  01.01.2008.  М.:  Стандартинформ,  2007.  —  28  с


2.ГОСТ  4650-80.  Пластмассы.  Методы  определения  водопоглощения  [Текст]  Введ.  01.12.1980.  М.:  Стандартинформ,  2006.  —  4  с.


3.ГОСТ  4651-82.  Пластмассы.  Метод  испытания  на  сжатие  [Текст]  Введ  01.07.83.  М.:  Изд-во  стандартов,  1983.  —  7  с.


4.Кербер  М.Л.,  Виноградов  В.М.,  Головкин  Г.С.  Полимерные  композиционные  материалы:  структура,  свойства,  технология:  учеб.  пособие.  СПб.:  Профессия,  2008.  —  560  с.

Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
Диплом лауреата
отправлен участнику

Оставить комментарий

Уважаемые коллеги, издательство СибАК с 30 марта по 5 апреля работает в обычном режиме