Использование промышленных минеральных отходов в качестве наполнителей полиэфирной матрицы
УДК 691.585
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
В КАЧЕСТВЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ПОЛИЭФИРНОЙ МАТРИЦЫ
, ,
Саратовский государственный технический университет имени
Рассмотрены вопросы использования минеральных промышленных отходов – фосфогипса, кирпичной пыли, зольных микросфер в качестве наполнителей полиэфирной матрицы. Установлены зависимости физико-механических характеристик композита от вида и количества наполнителя, определен характер взаимодействия между наполнителем и полимерной матрицей.
Ключевые слова: фосфогипс, кирпичная пыль, зольные микросферы, наполнитель, полиэфирная смола, композиционный материал, полимерная матрица.
USE OF INDUSTRIAL MINERAL WASTES AS A FILLER OF A POLYESTER MATERIAL
Kucherenko E. V., Arzamastsev S. V., Shcherbakov A. S.
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
The article deals with the use of mineral industrial waste - phosphogypsum, brick dust, ash microspheres as fillers of a polyester matrix. 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, brick dust, ash microspheres, filler, polyester resin, composite material, polymer matrix
Современные экономические кризисные условия требуют создания новых материалов не только с высокими характеристиками, но и низкой стоимостью. Большие возможности повышения характеристик и снижения стоимости КМ имеются в применении недорогих и эффективных наполнителей, в том числе минеральных, являющихся различного рода отходами производств.
Объектами исследования служили отечественная полиэфирная смола марки КАМФЭСТ 0102 (производитель полиэфиры»), часто использующийся в качестве наполнителя промышленный микротальк, отход производства красного керамического кирпича – кирпичная пыль, отход производства фосфорных удобрений – фосфогипс-дигидрат, бытовой отход – измельченный в шаровой мельнице бой стекла, образующиеся при сгорании мелких частиц каменного угля на ГРЭС зольные микросферы.
Установлено, что выбранные наполнители оказывают различное влияние на скорость отверждения композиции (рис. 1). Например, фосфогипс-дигидрат и кирпичная пыль уменьшают время отверждения, а остальные наполнители в меньшей (измельченное стекло) или большей степени (зольные микросферы) увеличивают его.
В полученных КМ отмечается изменение начала температуры деструкции и смещение температуры максимума пика тепловыделения (табл. 1).
Все это в совокупности показывает, что между компонентами системы «наполнитель – полимерная матрица» возможно взаимодействие. Изучение природы этого взаимодействия проводили методом ИК-спектроскопии (рис. 2).
Рис. 1 Кривые отверждения исходной смолы и композиций (1:1) различного состава:
1 – смола КАМФЭСТ-0102 без наполнителя; 2 – КАМФЭСТ-0102 + фосфогипс-дигидрат;
3 – КАМФЭСТ-0102 + кирпичная пыль; 4 – КАМФЭСТ-0102 + измельченный бой стекла;
5 – КАМФЭСТ-0102 + зольные микросферы
Таблица 1
Изменения температур начала деструкции и экзотермического пика полученных КМ
Исходный | + 80% микротальк | + 80% измельченное стекло | + 80% кирпичная пыль | |
Температура начала деструкции, 0С | 315 | 320 | 325 | 290 |
Температура экзопика, 0С | 380 | 365 | 360 | 380 |
Рис. 2. Результаты ИКС: 1 – полиэфирная смола; 2 – ФГД;
3 – композиционный материал на их основе
Анализ ИК-спектров фосфогипса, полиэфирной смолы и КМ на их основе показывает, что характерные для сульфатов кальция интенсивная полоса поглощения при 1154,8 см-1 и значительно более слабые дуплеты при 673,5 и 600,5 см-1 видны и в спектре композиционного материала. Один из пиков дуплета смещен с 673,5 до 661,0 см-1. Кроме того, в спектре КМ полоса поглощения при 3536,6 см-1, имеющаяся в спектре фосфогипса и характерная для гидроксогрупп, сместилась в область 3551,1 см-1. Это показывает участие сульфогрупп фосфогипса и протонизированных атомов водорода в полиэфире, а также и протонизированного водорода гидроксогрупп фосфогипса и электроотрицательного кислорода в полиэфирной смоле в образовании водородных связей, что доказывается смещением пика валентных колебаний связи С-O с 1256,2 см-1 в исходной смоле до 1286,4 см-1 в КМ (рис. 2).
В ИК-спектре КМ появилась новая узкая, средней интенсивности, полоса поглощения при 964,4 см-1, обусловленная валентными колебаниями углеводородного скелета в длинных полимерных цепях сшитого полиэфирного композита.
С экономической и экологической точек зрения интерес представляет создание высоконаполненных фосфогипсопластиков. Для получения не склонного к агломерации мелкодисперсного наполнителя, фосфогипс обрабатывали стеаратом кальция, что позволяет добиться максимальной степени наполнения и существенно снизить стоимость композита.
Для получения КМ с повышенными прочностными характеристиками возможно использование методов математического моделирования и оптимизации состава. В данной работе использовался градиентный метод оптимизации состава. Был проведен полный факторный эксперимент, в котором в качестве параметров оптимизации были выбраны ударная вязкость (Y1), разрушающее напряжение при растяжении и изгибе (соответственно Y2 и Y3) и модуль упругости (Y4), а в качестве факторов - содержание фосфогипса в композиции (Х1), содержание стеарата кальция (Х2) и размер частиц наполнителя (Х3)
В результате проведенных расчетов были получены следующие уравнения регрессии:
Анализ полученных уравнений регрессии показывает значительное влияние размера частиц фосфогипса и содержания стеарата кальция на физико-механические характеристики фосфогипсопластика. В связи со сложностью пошагового регулирования размеров частиц фосфогипсового наполнителя при оптимизации, в качестве базового фактора было выбрано содержание стеарата кальция в составе композиции (X2), а в качестве критерия оптимальности выбрали ударную вязкость (Y1).
Таблица 2
Результаты градиентного метода оптимизации состава
№ опыта | X1, % | X2, % | Y1, кДж/м2 | Y2, МПа | Y3, МПа | Y4, МПа |
1 | 58 | 3,0 | 1,0 | 7,6 | 20,0 | 3265 |
2 | 60 | 3,5 | 1,2 | 8,3 | 22,9 | 3425 |
3 | 62 | 4,0 | 1,4 | 9,1 | 23,0 | 3580 |
4 | 64 | 4,5 | 1,4 | 9,3 | 23,9 | 3620 |
5 | 66 | 5,0 | 1,5 | 9,5 | 24,2 | 3780 |
6 | 68 | 5,5 | 1,5 | 9,6 | 24,7 | 4065 |
7 | 70 | 6,0 | 1,6 | 10,1 | 25,3 | 4060 |
8 | 72 | 6,5 | 1,4 | 9,2 | 23,1 | 3750 |
Оптимальной является композиция №7, которая имеет самые высокие показатели ударной вязкости (Y1), разрушающего напряжения при растяжении (Y2) и изгибе (Y3). Дальнейшее увеличение содержания фосфогипса и стеарата кальция нецелесообразно, поскольку происходит снижение прочностных характеристик материала.
Таким образом, использование фосфогипса в качестве эффективного наполнителя при получении ПКМ на основе ненасыщенной полиэфирной матрицы представляется достаточно перспективным и экономически обоснованным.
Список литературы
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.