УДК 678,6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
В КАЧЕСТВЕ НАПОЛНИТЕЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТРИЦ ДЛЯ КОМПОЗИТОВ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
, ,
Саратовский государственный технический университет имени
Рассмотрены вопросы использования крупнотоннажного промышленного отхода производства фосфорных удобрений – фосфогипса в качестве наполнителя при получении композиционных материалов. Установлены зависимости физико-механических характеристик композита от вида и количества наполнителя, определен характер взаимодействия между наполнителем и полимерной матрицей.
Ключевые слова: фосфогипс, полиэфирная смола, композиционный материал, полимерная матрица
USE OF MINERAL INDUSTRIAL WASTES AS FILLER POLYMER MATRIX
FOR CONSTRUCTION PURPOSE COMPOSITES
Koroleva O. M., Arzamastsev S. V., Shcherbakov A. S.
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
The article deals with the use of large-scale industrial waste of production of phosphorus fertilizers - phosphogypsum as a filler in the preparation of composite materials. The dependences of the physico-mechanical characteristics of the composite on the type and amount of filler are determined, the nature of the interaction between the filler and the polymer matrix is determined.
Keywords: phosphogypsum, polyester resin, composite material, polymeric matrix
В процессе производства минеральных удобрений из апатитового концентрата в зависимости от режима переработки природного сырья образуются крупнотоннажные промышленные отходы – фосфогипс-дигидрат (ФГД) и фосфополугидрат (ФПГ). Масса отходов превышает 180 % массы перерабатываемого сырья. Фосфогипс содержит до 95 % дигидрата сульфата кальция и является аналогом природного гипса. Фазовый состав ФПГ аналогичен составу гипсового вяжущего, применяемого в строительстве и производстве различных строительных материалов. За рубежом разработаны и реализованы разные технологии промышленной переработки ФГ и ФПГ, в частности производство вяжущих веществ и строительных материалов. В России ФГД и ФПГ не используются и направляются в отвалы. Получили распространение два способа транспортировки ФГ и ФПГ в отвалы – т. н. «мокрый», с подачей гидротранспортом по пульпопроводу после стадии нейтрализации кислот в жидкой фазе известью и последующей репульпации и т. н. «сухой» – с перемещением влажного отхода при помощи автотранспорта. При «сухом» способе нейтрализация кислотой не производится. [1].
Одной из проблем, связанных с применением фосфогипса, является присутствие в нем остатков фосфорной кислоты, удаление которой, несмотря на кажущуюся простоту, ведет к существенному удорожанию получаемого вяжущего и вторичному загрязнению окружающей среды сточными водами. С экономической точки зрения, наиболее выгодно использование фосфогипса, взятого непосредственно из отвала или с технологической линии производства фосфорных удобрений.
Проведенный анализ зависимости физико-механических характеристик композиционного материала, полученного введением разного количества ФГД или ФПГ в полиэфирную смолу марки КАМФЭСТ-0102 показал (рис. 1-4), что при использовании ФГД (как обычного, так и кондиционированного) время отверждения композиции возрастает.
Рис. 1. Зависимость разрушающего напряжения
при разрыве от вида и количества наполнителя
Кроме того, при использовании ФГД в качестве наполнителя сложно установить определенную закономерность влияния количества его на ряд характеристик, например, разрушающее напряжение при разрыве, поскольку колебания pH дигидрата оказывают влияние на физико-механические характеристики.
Рис. 2. Зависимость разрушающего напряжения при изгибе от вида и количества наполнителя
Рис. 3. Зависимость модуля упругости при изгибе от вида и количества наполнителя
Рис. 4. Зависимость относительного удлинения при растяжении
от вида и количества наполнителя
Изучение взаимодействия в системе полимерная матрица – наполнитель позволяет понять особенности структурообразование в КМ [2, стр. 12-90; 3, стр. 644-652]. Исследование методом ИК-спектроскопии проводили на модельных образцах «ФГД – полиэфирная смола». Анализ ИК-спектров исходных компонентов – фосфогипса, полиэфирной смолы и сравнение со спектром КМ на их основе свидетельствует, что характерные для сульфатов кальция сильно выраженная полоса поглощения при 1154,8 см-1 и значительно менее сильные дуплексы при 673,5 и 600,5 см-1 хорошо проявлены и в спектре КМ.
Частота одного из пиков дуплекса смещена с 673,5 до 661,0 см-1. Кроме того, в спектре полученного КМ полоса поглощения при 3536,6 см-1, присутствующая в спектре ФГД и характерная для гидроксильных групп, смещена в область 3551,1 см-1. Это может говорить об участии сульфатных групп ФГД и протонизированных атомов водорода полиэфирного связующего, а также и протонизированного водорода гидроксильных групп ФГД и электроотрицательного кислорода полиэфирной матрицы в образовании водородных связей, что доказывается и некоторым смещением частоты валентных колебаний связи С-O с 1256,2 см-1 в исходной смоле до 1286,4 см-1 в композиционном материале (рис. 5).
В ИК-спектре КМ появилась средней интенсивности узкая полоса поглощения при 964,4 см-1, обусловленная, скорее всего, валентными колебаниями углеводородного скелета в сшитом полиэфирном композите.
Рис. 5. Результаты ИК-спектроскопии: 1 – полиэфирная смола;
2 – ФГД; 3 – композиционный материал на их основе
Таким образом, использование промышленного отхода фосфогипса, как дигидрата, так и полугидрата в качестве наполнителя полиэфирной матрицы является весьма эффективным.
Список литературы
, Проблемы промышленной переработки фосфогипса в рф, состояние и перспективы // Фундаментальные исследования. 2015. № 6-2. С. 273-276;URL: https://fundamental-research. ru/ru/article/view? id=38554 (дата обращения: 25.04.2017). Научно-технологические принципы создания полимерматричных композитов на основе приоритетных наполнителей с заданным комплексом свойств: монография /, , - Энгельс: Изд-во ЭТИ (филиал) СГТУ имени , 2014. 111 с. (6,94 печ. л.). Устинова, регулирование структуры и свойств полимерматричных композиционных материалов /, // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2015. Т. 21. № 4. С. 644-652.
