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-mail:  ski-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

Таблица  2. 

Характеристики  вспененного  ПП

Таблица  3. 

Характеристики  вспененного  ПЭ

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

Таблица  5. 

Характеристики  образцов  композита  на  основе  ПЭ

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

Таблица  7. 

Испытания  на  прочность  композита  из  ПЭ

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

Таблица  9. 

Испытания  на  предел  прочности  при  сжатии  композита  на  основе  ПЭ

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,  %;

М₀  —  масса  исходного  образца,  г;

М  —  масса  набухшего  образца,  г.

Таблица  10. 

Испытания  на  водопоглощение  композита  на  основе  ПП

Таблица  11. 

Испытания  на  водопоглощение  композита  на  основе  ПЭ

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.