ПОЛИМЕРБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ПЕРВИЧНОГО И ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
ПОЛИМЕРБЕТОНЫ НА ОСНОВЕ ПЕРВИЧНОГО И ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
Аннотация
Показана возможность формирования полимербетонов из суспензионного поливинилхлорида (ПВХ), отходов полистирола вспененного (ПСВ) и минерального наполнителя. Установлено, что параметры находятся в сложной взаимосвязи с составом и свойствами материалов. По результатам исследований получен композит со следующими характеристиками — плотность 2210±640 кг/м3, прочность при сжатии — 61,6±6,1 МПа, водопоглощение — 0,29±0,13%, ударная прочность — 6,5±0,7 кДж/м2. Полученное изделие будет возможно применять в изготовлении окон, полов, строительстве дорог, авиастроении, теплоизоляции, погонажных изделий, канализационных люков, настилов полов животноводческих ферм, сельском хозяйстве и агротехническом комплексе.
1. Введение
ПВХ И ПСВ в современном мире используются во всех отраслях промышленности и особенно в быту, строительстве, медицине, производстве упаковки, напольных покрытий, обуви и бытовых предметов , . Пенополистирол (ПСВ) нашел применение в теплоизоляции, строительстве стен, полов, кровель, фундаментов и трубопроводов, а также в качестве упаковочного материала для бытовой техники и хрупких грузов, судостроении, создании объёмных декораций. Основная масса отходов ПСВ состоит из незагрязненных обрезков и остатков при строительстве и упаковке. Особое внимание нужно уделять пластифицированным отходам, у которых повышенная горючесть .
На данный момент в России существуют разработки по получению из ПВХ и древесных отходов профильно-погонажных изделий , , , , дверных и оконных профилей, труб , изготовления строительных изделий из смеси полимерных отходов полиэтилена, полистирола, поливинилхлорида , модифицированных ПВХ-материалов с повышенной износостойкостью , , , композиций строительного назначения с полифункциональными наполнителями. Используют для получения изделий различного назначения в основном первичный полимер или его отходы, собираемые у населения и промышленных предприятий .
Как показывает практика, за границей отходы полимеров и композитов утилизируются в основном пиролизом, сжиганием, фото- или биоразложением, а также захоронением. Довольно широко известно, что композиты изготавливаются из первичных материалов , , а вот такие изделия, как предметы культурно-бытового назначения, промышленности, строительства, теплоизоляции и т.д. возможно и нужно перерабатывать повторно для получения новых продуктов потребления. Становится понятно и очевидно, что композиционные материалы на их основе довольно выгодно из-за растущего на них годами спроса, а вместе с тем и не теряющих своей актуальности вопросов охраны окружающей среды.
Соответствующая литература, множество патентов и разработок по этому направлению говорят о том, что данная тематика исследований является актуальной.
Таким образом, цель настоящего исследования состоит в создании полимербетона, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, физико-механическими и техническими параметрами.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
– Рассмотреть достижения в области получения полимербетонов на основе первичного и вторичного сырья в ведущих научных изданиях.
– Осуществить анализ технологических параметров получения.
– Провести изучение свойств разработанного материала и его зависимость от экспериментальных значений.
– Рекомендовать разработку кафедры на внедрение в промышленность.
1.1. Практическая значимость
Разработанные полимербетоны на основе отходов ПВХ С70 и отходов пенопласта благодаря полученным высоким эксплуатационным свойствам, физико-механическим и техническим параметрам в будущем станут достойными конкурентами или хорошей заменой изделиям из очень дорогих материалов.
1.2. Теоретическая значимость работы
– Изделия на основе ПВХ С70 и отходов ПСВ по своим показателям имеют преимущество перед аналогичным ему древесно-полимерным композитом (ДПК).
– С помощью математического моделирования установлена взаимосвязь свойств полученных образцов с составом композиции.
– Выявлено, что при увеличении количества отходов пенопласта и модификаторов, а также снижением количества ПВХ плотность практически не изменяется, а при увеличении количества песка она увеличивается. Также показано, что увеличение концентрации всех составляющих снижает водопоглощение, а добавление и увеличение количества песка снижает прочность на сжатие.
2. Методы и принципы исследования
В данном исследовании объектами исследования были выбраны следующие ингредиенты: ПВХ марки С70, отходы пенопласта, модификаторы органического происхождения и песок мелких фракций (0,16 мм). Образцы были получены методом горячего прессования.
Отходы пенопластов — это смесь дробленных отходов теплоизоляционных материалов полистирола химического предприятия, производящего теплоизоляцию (г. Владимир). Данные по фракционному составу отходов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Фракционный состав отходов
Содержание отходов по фракциям, масс. % | Фракция, мм | ||||
1-0,5 | 0,5-0,25 | 0,25-0,1 | |||
1,92 | 2,40 | 14,76 | 27,58 | 53,34 | |
Для наполнения полимербетона и получения нужных свойств и характеристик применён песок мелких фракций с Улыбышевского карьера (Владимирская область, ГОСТ 8736-93). Для получения образцов взята фракция песка 0,16 мм (табл. 2).
Таблица 2 - Фракционный состав песка
Размер сита, № | 0,315:0,63 | 0,16:0,315 | <0,16 |
Доля фракции, мас. % | 37,0 | 55,0 | 8,0 |
Основные компоненты и модификаторы сперва взвешивались в нужном количестве, потом шло перемешивание в шаровой мельнице, а затем образцы получали горячим прессованием. Готовые образцы испытывались на прочность при сжатии σсж, МПа (ГОСТ 10180-2012), плотность ρ, кг/м3 (ГОСТ 12730.1-2020), водопоглощение В, % (ГОСТ 12730.3-2020), прочность на удар (ГОСТ Р 57948-2017).
Для хорошей сходимости и сопоставимости результатов, а также малой рассеяности погрешности применён метод математического планирования эксперимента по плану Бокса-Бенкина размерности К=3 .
3. Основные результаты
С помощью данного метода по стандарту реализуются 17 опытов на трех уровнях варьирования, приведённые в таблице 3. Зафиксированными параметры — температура, время изготовления образцов и давление прессования.
Таблица 3 - Факторы и уровни их варьирования
Фактор | Обозначение | Единицы измерения | Уровни варьирования факторов | |||
верхний | нулевой | нижний | ||||
Кодированное обозначение | ||||||
+1 | 0 | -1 | ||||
ПВХ С70 | Х1 | Мас.ч | 100 | 80 | 60 | |
ПСВ | Х2 | Мас.ч | 40 | 30 | 20 | |
Песок | Х3 | Мас.ч | 600 | 500 | 400 | |
После проведения эксперимента получили экспериментальные данные по характеристикам, которые приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Экспериментальные данные разработанных образцов
№ образца | Плотность, кг/м3 | Водопоглощение, % | Ударная прочность, кДж/м2 | Прочность на сжатие, МПа |
1 | 2000 | 0,15 | 3,6 | 13,3 |
2 | 1570 | 0,05 | 4,3 | 39,2 |
3 | 1920 | 0,04 | 6,5 | 16,7 |
4 | 2030 | 0,42 | 2,6 | 9,4 |
5 | 2040 | 0,38 | 5,2 | 37,5 |
6 | 1800 | 0,04 | 5,5 | 61,6 |
7 | 2110 | 0,06 | 4,4 | 10,6 |
8 | 2080 | 0,19 | 6,2 | 16,1 |
9 | 2150 | 0,05 | 7,2 | 25,3 |
10 | 2010 | 0,5 | 5,4 | 67,7 |
11 | 2210 | 0,1 | 3,5 | 35 |
12 | 1850 | 0,18 | 4,2 | 27,5 |
13 | 2110 | 0,12 | 5,2 | 40,3 |
14 | 2030 | 0,1 | 5,3 | 21,9 |
15 | 2090 | 0,2 | 4,1 | 33,3 |
16 | 2210 | 0,09 | 6,2 | 15,6 |
17 | 2120 | 0,2 | 5,6 | 30,3 |
В ходе проведения математического моделирования были рассчитаны следующие уравнения регрессии взаимосвязи свойств изделий с их составом:
Y1 (ρ, кг/м3) = 2092 – 91,25х1 + 52,5х2 + 96,25х3 – 129,75x12 – 82,25x22 + 45,25x32 + 135x12 + 52,5x13 + 55x23
Y2 (А, кДж/м2) = 5,28 + 1,0125х2 – 1,15x12
Y3 (σсж, МПа) = 28,28 + 12,55х1 – 8,0625x3 + 11,1975x32 – 12,475x23
Y4 (W, %) = 0,142 – 0,0575х2 + 0,12x12+ 0,1175x13
По расчетам все модели адекватны.
Далее в программе Microsoft Excel построили поверхности отклика зависимости свойств материалов от состава композиции.
На рис. 1–4 приведены зависимости свойств материала от состава полимербетона при различных значениях концентраций компонентов.
Зависимость прочности при 20 %-ном сжатии полимербетона от концентрации компонентов при различном содержании песка:
а - 400; б - 500; в - 600
Зависимость плотности полимербетона от концентрации компонентов при различном содержании песка:
а - 400; б - 500; в - 600
Зависимость водопоглощения полимербетона от концентрации компонентов при различном содержании песка:
а - 400; б - 500; в - 600
Зависимость ударной прочности полимербетона от концентрации компонентов при различном содержании песка:
а - 400; б - 500; в - 600
В таблице 5 приведен сравнительный анализ разработанного материала и выбранного аналога.
Таблица 5 - Сравнительная характеристика разработанного полимербетона и аналога
Характеристики | Аналог (древесно-полимерный композит) | Разработанный композит на основе ПВХ С70 и отходов ПСВ |
Прочность при сжатии, МПа | 20-50 | 61,6±6,1 |
Плотность, кг/м3 | 1100-1400 | 2024±186 |
Водопоглощение, % | 1-5 | 0,29±0,13 |
Температура получения, ⁰С | 130-200 | 160 |
Ударная прочность, кДж/м2 | 4-10 | 6,5±0,7 |
Тип поверхности | скользкая | нескользящая |
4. Обсуждение
Ранее проведенные исследования создания композитов из довольно редких в использовании термопластичных полимеров показали себя достаточно успешными. Известны работы, в которых полиэтилен использовался как связующий для получения высоконаполненных композитов (наполнитель – песок). Вместе с тем у них отмечены очень важные слабые стороны и недостатки — низкая теплостойкость (до 50 ⁰С), скользкая поверхность и фотодеструкция. Композиты на основе ПВХ и их смесей такими недостатками не обладают.
5. Заключение
В ходе исследований получены высоконаполненные композиты на основе ПВХ марки С70 и отходов ПСВ с использованием наполнителя песка.
Выявлены зависимости влияния концентрации компонентов композиции на свойства готовых изделий. По полученным уравнениям регрессии и построенным поверхностям отклика следует, что при увеличении концентрации компонентов плотность находится приблизительно на одном уровне, а при росте концентрации песка происходит увеличение плотности, снижение прочности на сжатие и водопоглощения композита.
Предложен для практического применения состав композита и его технологические параметры. Сравнительный анализ в таблице 5 показывает, что разработанный материал превосходит по своим показателям известный аналог, выпускаемый на рынке строительных материалов.
Вместе с тем проведённое исследование решает и важную экологическую проблему — загрязнение окружающей среды отходами полимерных материалов, которых становится всё больше из-за нарастающего потребления.