Полимерно-песчаные композиции на основе вто ричных полимерных материалов, наполненные инструментальными отходами машиностроения

На правах рукописи

ВОЛЧЕНКО ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

Полимерно-песчаные композиции на основе

вторичных полимерных материалов, наполненные

инструментальными отходами машиностроения

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:	Акчурин Талгатъ Кадимович кандидат технических наук, профессор
Официальные оппоненты:	Корнеев Александр Дмитриевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО “Липецкий государственный технический университет”, заведующий кафедрой “Строительные материалы” Чередниченко Татьяна Федотовна кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО “Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет” кафедры “Технология строительного производства”
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева"

Защита состоится 19 декабря 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, ул. Академическая 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 16 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Т. К. Акчурин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших задач современной строительной отрасли является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий, предусматривающих широкое применение промышленных отходов и местных природных материалов, позволяющих рационально использовать сырьевые и топливно-энергетические ресурсы. Оптимальное решение проблемы состоит в разработке и внедрении в производство малоотходных технологий, что, несомненно, актуально.

Особенностью эксплуатации полимерно-песчаных композиций в условиях промышленных предприятий и комплексов общебытового назначения является широкий диапазон нагрузок, включающий в себя химическое, термическое, водное воздействие, интенсивное пешеходное движение и движение автотранспорта, ударные нагрузки, УФ-излучение и т.д. Такой перечень внешних воздействий предполагает большое разнообразие материалов применяемых при изготовлении полимерно-песчаных изделий.

В составах строительных композиций традиционно используются техногенные отходы в качестве заполнителей, наполнителей или компонентов связующего. Полимерно-песчаная композиция (ППК) полностью состоящая из вторичных материальных ресурсов представляет интерес с экономической и экологической точки зрения. Инструментальные отходы машиностроения (ИОМ) являются мелкодисперсной добавкой, а полимерное связующее – многокомпонентной системой на основе вторичного полимерного материала (ВПМ). Создание высококачественных строительных материалов невозможно без управления процессами межфазного взаимодействия, структурообразования и однородности на макро- и микроуровне. Прикладной интерес к гетерофазным многокомпонентным системам со стороны строительного материаловедения обусловлен возможностью придания рациональных структур строительным композитам за счет их модификации, сопровождающийся принципиальным изменением свойств известных материалов и созданием новых композиций.

Совершенствование и управление структурой разработанной ППК путем ее модификации, введение новых структурных дисперсных элементов принципиально улучшает свойства изделий, снижает его себестоимость. Многокомпонентность ППК как результат многокомпонентности комплексных добавок позволяет эффективно управлять процессами структурообразования на всех этапах технологии приготовления и получения полимерных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками. Сочетание свойств компонентов и их комбинация обеспечивают требуемые технологические и эксплуатационные свойства.

Одним из важных фактором, влияющим на стабильность показателей качества полимерных изделий является однородность состава. Высокая научная и практическая значимость критерия однородности распределения качества смешивания компонентов полимерных композиций, до сих пор не имеет единого подхода к его определению. Внедрение методики оценки однородности распределения компонентов в ППК в переменных областях и установление возможной корреляции этой характеристики с физико-механическими свойствами композиционного материала является своевременной и актуальной задачей. Использование техногенных отходов способствует расширению сырьевой базы строительной отрасли, снижению энергозатрат, улучшению экологии окружающей среды.

Диссертационная работа посвящена разработке состава ППК на основе модифицированного вторичного полимерного материала (термореактивная эпоксидная смола – матрица) армированного дисперсными техногенными отходами инструментального машиностроения. Разработка новых полимерных композиционных материалов на основе ВПМ и ИОМ, сочетающих химическую стойкость и высокие эксплуатационные характеристики, является не в полной мере решенной задачей. Для их создания необходимо провести исследования физико-химических процессов, происходящих в соответствующих системах ППК, влияния вида и количества модификатора и армирующего компонента на микро- и макроструктуру, а также механические характеристики. Применить методику оценки качества однородности смеси основанную на определении среднеквадратичного отклонения значений интенсивностей вторичного рентгеновского излучения элемента, входящего в состав композита, получаемых посредством исследования образцов методом микрорентгеноспектрального анализа на микроанализаторе.

Степень разработанности проблемы.

Исследования, проводимые многими учеными в различных странах, убедительно показывают, что разработка строительных композитов на основе комплексного использования полимерных и минеральных отходов обусловлена эколого-экономическими факторами: во-первых, значительным ростом цен на полимерное связующее, на природные заполнители и энергоносители и, во-вторых, ухудшением экологической ситуации в результате образования и накопления промышленных отходов. На сегодняшний день в России достаточно широко рассмотрены вопросы использования техногенных отходов в технологии строительных материалов, изучены процессы формирования композиционных материалов, что отражено в работах Соломатова В. И., Ерофеева В. Т., Баженова Ю.М., Корнеева А. Д., Иващенко Ю. Г., Калашникова В.И., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова С.В., Рахимбаева А.И., Гаркави М.С., Пичугина А.П. и др.

Но в тоже время показатели свойств полимерно-песчаных композиций, связующим материалом которых являются в основном термопластичный полиэтилен или полипропилен, ограничены. Недостатками таких изделий являются пониженная стойкость к УФ-излучению и тепловым воздействиям, низкая теплопроводность, склонность к деформации при длительном воздействии статических нагрузок. Готовые изделия, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, обладают низкой трещиностойкостью и могут растрескиваться. Эти вопросы делают задачу разработки но­вых более эффективных видов ППК актуальной. Что представляется возмож­ным при использовании исходных материалов из дешевого местного сырья, обладающего требуемыми физико-химическими и физико-механическими характеристиками: связующего нетра­диционного вида, наполнителей и заполнителей, в том числе из отходов произ­водств.

Возможность применения в качестве связующего вторичных полимерных материалов, прошедших технологические переделы производства, но не выработавших своих связующих свойств, наполнителей и за­полнителей – минеральных отходов производств, позволяет не только снизить стоимость композитов, но и улучшить их физико-химические свойства, а также решить проблему утилизации техногенных отходов.

Отсутствие единого подхода к определению критериев качества- однородности распределения компонентов – смешивания компонентов полимерных смесей, целесообразно определение среднеквадратичного отклонения значений интенсивностей вторичного излучения элементов ИОМ, армирующих композит, получаемого посредством исследования образцов на установке микроанализатор, и установление возможной корреляции этой характеристики с физико-механическими свойствами ППК. Благодаря сопротивлению коррозии, ППК работают в течение долгого периода времени без необходимости часто проводить работы по ремонту или замене. Это приводит к сокращению прямых расходов на техническое обслуживание, возрастает срок службы, что оказывает огромное влияние на долгосрочную прибыльность. Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Цель работы заключается в получении коррозионностойкой полимерно-песчаной композиции с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе модифицированных вторичных полимерных материалов, армированных инструментальными отходами машиностроения. Методологические принципы оптимизации формирования строительных композитов основываются на оценке однородности полимерно-песчаной смеси.

Задачи исследований:

– оценить качество вторичных полимерных материалов при их модификации как матричного материала ППК, ИОМ в качестве тонкодисперсного армирующего компонента ППК;

– определить оптимальное содержание ВПМ и модификатора в полимерной смеси для прогнозирования коррозионной стойкости ППК;

– определить оптимальное содержание полимерного связующего и наполнителя ИОМ в полимерной композиции, получить адекватную математическую модель для прогнозирования эксплуатационных характеристик ППК;

– оценить влияние армирующего элемента ИОМ и параметров армирования на физико-механические и эксплуатационные свойства ППК;

– изучить особенности структурообразования модифицированного ППК армированного тонкодисперсными инструментальными отходами;

– провести оценку однородности полимерной композиции по среднеквадратичному отклонению значений интенсивностей вторичного рентгеновского излучения элементов ИОМ;

– опытно-промышленная апробация результатов исследований и ее технико-экономическая оценка.

Научная новизна:

– обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения модифицированных дисперсно-наполненных полимерных композиций, армированных ИОМ, путем целенаправленного регулирования процессами структурообразования на границе раздела «матрица-армирующий элемент», с максимальным проявлением сил взаимодействия связки с поверхностью армирующих элементов;

– выявлены особенности процесса структурообразования дисперсно-наполненных полимерно-песчаных композиций, армированных ИОМ, основанные на механической теории адгезии, сцепление модифицированной эпоксидной матрицы с дисперсными частицами ИОМ является результатом проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата, что приводит к повышению прочностных характеристик, созда­нию барьеров на пути движения трещин и дислокаций внутренней структуры ППК;

– установлено, что сочетание коррозионностойкой модифицированной полимерной матрицы с высокой плотностью и прочностью дисперсно-наполненной композиции обеспечивает получение ППК с повышенными эксплуатационными свойствами;

– по результатам экспериментальных исследований и построения регрессионных моделей установлена зависимость эксплуатационных характеристик ППК от количества вводимых ОИМ, выявлена зависимость в системе «состав – структура – свойства»;

– предложены методологические принципы оценки однородности ППК, являющиеся определяющим фактором при оптимизации структуры полимерных композиций, основанные на закономерностях межфазного взаимодействия компонентов в гетерофазных многокомпонентных системах.

Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы дисперсно-наполненной многокомпонентной полимерно-песчаной композиции, удовлетворяющего нормативным требованиям полимерных изделий строительного назначения. Обоснована возможность эффективного использования тонкодисперсного наполнителя ОИМ и модифицированного ВПМ, являющихся промышленными отходами, для получения дисперсно-наполненных ППК с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Абразивная составляющая ОИМ является дисперсным наполнителем полимерной композиции, позволяющей применять методологические принципы оценки однородности полимерной смеси на основе зависимости среднеквадратичного отклонения значений рентгеновского излучения элементов абразивных компонентов композита от их содержания. Что позволяет оптимизировать структуру полимерного композита на стадии смешивания и формообразования. Создание ППК на основе полимерных и минеральных отходов позволяет расширить сырьевую базу строительных материалов, снизить себестоимость изделий, решить экологическую проблему утилизации отходов.

Объект исследований. Полимерные композиционные материалы строительного назначения, на основе вторичных полимерных материалов, наполненные дисперсными частицами инструментальных отходов машиностроения.

Предмет исследований. Процессы структурообразования полимерно-песчаной композиции, наполненной дисперсными частицами инструментальных отходов машиностроения, и оценка влияние наполнителя ИОМ на физико-механические характеристики полимерного композита.

Положения, выносимые на защиту:

– результаты определения показателей качества ИОМ как тонкодисперсного наполнителя полимерно-песчаной композиции и ВПМ в качестве связующего, обоснование выбора модификатора связки;

– принципы повышения эффективности ППК путем использования модифицированных ВПМ, наполненных дисперсными ИОМ, результаты исследования структуры ППК;

– новые оптимальные составы и эксплуатационные характеристики полимерно-песчаной композиции, наполненной ИОМ.

Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методической обоснованностью комплекса исследований с применением стандартных средств измерений и методов исследований; применением современных математических методов обработки экспериментальных данных в среде MathCAD; опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, совпадающими с результатами расчетов и не противоречащими выводам известных положений.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на III-й Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2009г.); II-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Композиционные и строительные материалы. Теория и практика»» (г. Пенза, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2011 г.); III-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012г.);

Личный вклад автора. Вклад автора состоит в выборе направления исследования, его обосновании; разработке составов ППК, наполненных ИОМ, полимерное связующее является отходами производства; в анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов работы в производство в виде выпуска опытно-промышленной партии изделий.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, в т. ч. 1 работа в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, основные выводы и изложена на 163 страницах машинописного текста, включает 29 таблиц и 52 рисунка, список использованных источников из 158 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы. Сформулированы цель и задачи исследований. Показана целесообразность использования в составах полимерно-песчаных композиций техногенных отходов в виде связующего материала и тонкодисперсного наполнителя, что создает многокомпонентную полимерную смесь, характеризующуюся гетерофазной структурой и высокой технологичностью. Это позволяет получать материалы с определенным комплексом свойств, расширить сырьевую базу стройиндустрии, улучшить экологию окружающей среды.

В первой главе представлен анализ литературных источников в свете конструирования и использования полимерных композиционных материалов строительного назначения на основе техногенных отходов, что является актуальным направлением во всех областях строительства.

Вопросам комплексной переработки отходов и их использования в технологии строительных материалов посвящены работы Соломатова В. И., Ерофеева В. Т., Баженова Ю.М., Корнеева А. Д., Иващенко Ю. Г., Калашникова В.И., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Чернышева А.Д., Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова С.В., Рахимбаева А.И., Гаркави М.С., Пичугина А.П.и др.

Использование полимерных и минеральных отходов при производстве изделий для облицовочных работ, в качестве кислотоупорных замазок; как штукатурные растворы в помещениях с агрессивной средой и радиационным излучением; для изготовления бесшовных полов в производственных помещениях; для изготовления сборных элементов и устройства износостойких покрытий и конструкций сооружений и пр., позволяет снизить потребности строительной индустрии в природном сырье.

Отражены современные возможности технологии полимерных строительных материалов, которые наиболее полно проявились в создании и производстве полимерно-песчаных композиций с высокими эксплуатационными свойствами, прочностью, долговечностью, низким коэффициентом диффузии и истираемостью, высокой химической стойкостью.

Наряду с использованием термопластичных полимеров в качестве связующего компонента, широко применяются эпоксидные смолы, что обусловлено их структурными особенностями и высокими эксплуатационными свойствами, способностью отверждаться в широком температурном интервале, незначительной усад­кой, нетоксичностью в отвержденном состоянии, высокими значениями ад­гезионной и когезионной прочности, химической стойкостью.

Как известно, среди многочисленных эпоксидных олигомеров наибольшее распространение в рецептурах полимерных композиций получила смола ЭД-20 отечественного производства. Проблемы с прекращением деятельности ряда российских производителей поставили в трудное положение многочисленных потребителей смолы ЭД-20.

В связи с этим предлагаемые в диссертационной работе вторичные полимерные материалы (ВПМ), состоящие на 99 % из эпоксидной смолы, могут быть использованы в качестве связующего компонента полимерно-песчаной композиции. Являясь отходами производства, себестоимость ВПМ вдвое снижает цену готового изделия. По эксплуатационным свойствам изделия из разработанной ППК не уступают аналогам на термопластичном связующем, а по некоторым показателям и превосходят их.

На основании проведенного литературного обзора диссертационной работы выдви­гается рабочая гипотеза – введение в состав полимерно-песчаной композиции модифицирующей добавки полимерного связующего на основе термореактивной эпоксидной смолы, при наполнении композиции инструментальными отходами машиностроения, позволяет получать изделия с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Модификация связующего целенаправленно оказывает влияние на процессы структурообразования полимерно-песчаной композиции с максимальным проявлением адгезионных и когезионных сил как в полимерном связующем, так и в композиции в целом.

Во второй главе обоснован выбор материалов и методик исследований. В диссертационной работе были использованы следующие материалы:

– отсевы природного кварцевого песка (ОКП) Орловского месторождения (г. Волгоград) фр. 0,6 – 0,3 мм;

– инструментальные отходы машиностроения, представляющие собой порошкообразный материал, фр. менее 0,04 мм. Материал получается в результате механической доводки абразивного инструмента до требуемых геометрических размеров. По минеральному составу дисперсная смесь состоит из частиц карбида кремния (SiC – 10 %), электрокорундового материала (Al2O3 – 80 %) с элементами керамической связки (10 %). По элементарному составу – SiC, SiO2, MgO, CaO, Fe2O3, Al2O3. В своей массе наполнитель является инертным материалом, пригодным для наполнения полимерных композиций;

– вторичный полимерный материал представляет собой полимерный порошок на 99 % состоящий из эпоксидной смолы. Эпоксидные порошкообразные материалы марок Basepox PE 50-7191, Porselac 2000 25-10-12 Gray, SCOTCHKOTE 226 N8G, производства фирм BASF (Германия), Kawakami Point (Япония), “3М” (США), JOTUN (Норвегия), BS COATINGS (Франция), AKZO NOBEL (Германия) используются в качестве праймера или самостоятельного антикоррозионного покрытия наносимым методом сплавления на металлические поверхности. В процессе нанесения порошок полимера удаляется из камеры напыления через систему аспирации. Образовавшиеся на фильтрах вторичные полимерные материалы являются неизбежными технологическими потерями данного технологического процесса, не потерявшими своих термореактивных свойств. Количество образовавшегося порошка достаточно для повторного использования.

– модификатор полимерного связующего, феноло-формальдегидная смола новолачного типа (ФФСНТ), в своем составе содержащая отвердитель уротропин —(CН2)6N4. Исследования состава и свойств модификатора не требовалось в виду ее промышленного выпуска (СФП – ТУ 6-05751768-35-94).

При проведении исследований и испытаний использовались современные физические и физико-химические методы анализа, математические методы планирования эксперимента и их компьютерная обработка. Рентгеноспектральный анализ, примененный при оценке однородности полимерной смеси, выполнен на микроанализаторе МАР-2, допускается использование рентгеновских анализаторов других типов с аналогичными техническими характеристиками. Испытания образцов на коррозионную стойкость, определение физико-механических характеристик ППК проводились в лабораториях кафедры СМ и СТ ВолгГАСУ по стандартным методикам испытаний строительных материалов.

В третьей главе представлено обоснование разработки полимерного связующего на основе ВПМ, модифицированного ФФСНТ, результаты анализа коррозионной стойкости полимерного связующего (ПС), расчет ее количества для ППК.

Феноло-формальдегидные смолы в практическом плане интересны, прежде всего, в качестве не только связующих, но и модификаторов эпоксидных смол. Для образования пространственной сетки необходимы отвердители, в нашем случае уротропин, выбран только на том основании, что входит в состав промышленного продукта. Реакция эпоксидной смолы с ФФСНТ приводит к образованию гомогенной самоотверждающейся системы, содержащей продукт сополимеризации (эпоксидно-новолачный блоксополимер) и исходные компоненты, взаимодействующие при температуре 180 – 200 °С с образованием топологически сложной пространственной сетки. Изменяя длительность сополимеризации, получают составы, отверждение которых приводит к формированию реактопластов с широким спектром физических особенностей. Соотношение ВПМ и ФФСНТ принято из ус­ловий полного прохождения полимеризации. Продукты отверждения эпоксидных смол указанными отвердителями отличаются высокой адгезией к различным материалам, эластичностью в сочетании с твердостью и химстойкостью.

Графическая зависимость коррозионных характеристик полимерного связующего (ПС) от времени экспонирования представлена на рис. 1 – 4. Воздействие агрессивных сред на материалы, и в частности на полимерный композит проявляется в изменении его структуры и свойств без нарушения целостности или с разрушением материалов.

Рис. 1 – Изменение массопоглощения ПС в растворах кислот	Рис. 2 – Изменение массопоглощения ПС в растворах щелочей
Рис. 3 – Изменение коэффициента химической стойкости ПС в растворах кислот	Рис. 4 – Изменение коэффициента химической стойкости ПС в растворах щелочей

Изменение показателя массопоглощения ПС в растворах кислот и щелочей не превышает 0,6 – 0,4 %. Коэффициент химической стойкости ПС составляет 0,8 – 0,9.

Зная закономерность изменения прочности ППК в зависи­мости от степени наполнения, вязкость полимерного связующего и удельную поверхность наполнителя, можно использовать расчетную формулу для определения минимально необходимого количества связующего при составлении рецептуры ППК.

Gп.б. = [K·(S1·m1+S2·m2)· св·· усл]·10-3 (1)

где Gмаст – оптимальный расход связующего для мастики, кг;

Si – удельная поверхность ОКП и ИОМ соответственно, см2/кг;

mi – масса ОКП и ИОМ соответственно, кг;

св – плотность полимерного связующего, кг/дм3;

– толщина пленки связующего ( 0,00015 см).

Рассчитанное количество модифицированного полимерного связующего (30 – 50 %) было взято за основу при определения оптимального соот­ношения компонентов ППК.

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальной проверки теоретических предположений, выдвинутых в работе, которые позволили разработать оптимальные составы ППК с использованием метода математического планирования эксперимента. На основе полного трехфакторного эксперимента произведены исследования зависимости физико-механических свойств ППК от исходных структурообразующих факторов.

В качестве факторов были приняты такие структурообразующие па­раметры ППК, как соотношение по массе полимерного связующего (ПС) и армирующих элементов композиции (АЭК); соотношение компонентов армирования, отсевов кварцевого песка (ОКП) инструментальных отходов (ИОМ); содержание отвердителя (уротропина) в полимерном композите (%). Перечень и уровни варьирования принятых факторов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

Факторы	Обозна­чение	Уровни варьирования
		нижний	средний	верхний
соотношение ПС : АЭК	Х1	2,0	2,3	2,6
соотношение ОКП : ИОМ	Х2	0,1	0,15	0,2
содержание отвердителя, %	Х3	0,3	0,9	1,5

Уровни варьирования и соотношения компонентов ППК приняты на основе предложений многих авторов и исходя из полноты протекания процесса структурообразования модифицированной полимерно-песчаной композиции, наполненной ИОМ.

Математической моделью процесса является функция, связывающая па­раметры оптимизации: плотность (), предел прочности при сжатии (Rсж), предел прочности при изгибе (Rизг.), водопоглощение (W) с переменными факторами – соотношением компонентов полимерной смеси: ПС – полимерное связующее, состоящее из модифицированной эпоксидной смолы ВПМ, ОКП – отсевы кварцевого песка, АЭК – армирующий элемент композиции, включающий отсевы кв. песка + ИОМ.

Выбор факторов оптимизации состава ППК производился исходя из технологической и экономической целесообразности и получения материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

После статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, количественно характеризующие зависимость прочности, плотности, водопоглощения ППК от исследуемых факторов.

у1() = 2072 – 7,19Х1 – 19,59Х2 + 64Х3 + 3,26Х1Х3 – 6,78Х2Х3, (2)

у2(Rсж) = 30,7 + 4,07Х1 – 12,98Х2 + 4,78Х3 = 0,59Х1Х3 – 1,82Х2Х3, (3)

y3(Rизг) = 40,56 + 3,29Х1 – 10,44Х2 + 3,91Х3 – 1,38Х2Х3, (4)

y4(W) = l,89 + 0,106Х1 – 0,684Х2 + 0,609Х3 + 0,037Х1Х3 – 0,229Х2Х3, (5)

Статистический анализ полученных уравнений регрессии оценивали по трем критериям: однородности дисперсий, значимости коэффициентов и адекватности, которая проверялась с помощью критерия Фишера. Полученное значение расчетного критерия Фишера (Fp) сравнивали с табличным (Ft) в зависимости от числа степеней свободы для принятого уровня значимости, модель считается адекватной, так как соблюдено условие: Fp Ft. Графическая интерпретация математических зависимостей и коэффициент множественной корреляции представлены на рисунках 5 – 8.

Максимальных величин прочностные характеристики ППК достигают при количестве связующего 20 – 30 % от массы композиции (соотношение 2,3 – 2,6), что типично для технологии полимерно-песчаных изделий. Оптимальное содержание ИОМ – 10 % от массы кварцевого песка. Сравнивая показатели качества полимерных изделий (напольная плитка, плитка тротуарная, фасадная черепица, кровельная и коньковая черепица и т.д.), показатели качества разработанного наполненного состава выше в 1,5 – 2 раза чем у полимерно-песчаных изделий на термопластичном связующем (отходы полиэтилена).

Рис. 5 – Функция отклика предела прочности при сжатии ППК	Рис. 6 – Функция отклика предела прочности на изгиб ППК
Рис. 7 – Функция отклика плотности ППК	Рис. 8 – Функция отклика водопоглощения ППК

Что объяснимо с точки зрения процессов структурообразования ППК с максимальным проявлением адгезионных и когезионных сил. Результаты минералогических исследований методами оптической микроскопии представлены в виде структур наполненной полимерно-песчаной композиции на рис. 9 – 10.

Структура композиции дисперсно-упрочненная. Процесс формирования соединения (контакта) в граничной зоне в значительной степени опреде­ляется площадью контактов – фактического и максимального (моле­кулярного). Формирование контакта ускоряется повышением давле­ния и времени контакта, а также снижением вязкости адгезива. Достижению максимального контакта препятствует развитость микрорельефа поверхности субстрата (отсевы кварцевого песка, частицы карбида кремния, электрокорунда). Механизм адгезии протекает по механическому типу, который осуществляется путём затекания в поры и трещины поверхности частиц наполнителя модифицированного полимерного связующего, которое затем затвердевает, обеспечивая механическое зацепление с твердыми частицами песка и инструментальных отходов (рис. 9 – 10). Процесс смачивания поверхности армирующих компонентов модифицированным полимерным связующим осуществляется с преобладанием молекулярных сил, в виду равновесного состояния системы. Максимальный контакт в граничной области (рис. 10) достигается эффектом технологической операции горячего прессования.

Рис. 9 – Структура образца ППК наполненной ИОМ, поверхность не шлифованная	Рис. 10 – Структура образца ППК, наполненной ИОМ, поверхность шлифованная

Рис. 11 – Технологическая схема изготовления полимерно-

песчаной напольной плитки методом горячего прессования

Технологическая схема изготовления полимерно-песчаных изделий из разработанного состава композиции представлена на рис. 11.

Основной операцией приготовления смеси является смешивание сухих сыпучих тонкодисперсных компонентов. Фактор однородности полученной композиции является основополагающим при формировании «бездефектной» оптимальной структуры готового изделия. Актуальным подходом является исследование строительного композита «изнутри»: на уровне взаимодействия составляющих его компонентов. Суть большинства применяемых в настоящее время методов исследования строительных композитов состоит в анализе результатов, получаемых в испытательных лабораториях. Однако композит – это сложная физико-химическая система. И выявить закономерности её работы, изучая реакцию материала на различные воздействия исключительно по внешним признакам, практически невозможно. Метод микрорентгеноспектрального анализа дает возможность определять не только химический состав компонентов смеси, но и получать картину распределения всех химически активных элементов, входящих в состав композита относительно друг друга, поскольку величина интенсивности излучения анализируемого компонента прямо пропорциональна его количественному содержанию в исследуемой области. Проанализировав данные об интенсивностях излучения отдельных элементов смеси можно сделать выводы о степени гомогенности композиции в целом. В диссертационной работе предлагается моделирование комплекса «состав-структура-свойства» ППК путем оценки качества смешивания компонентов. Выявление связи между количественным выражением однородности распределения компонентов ППК и параметрами смешивания способствует формированию оптимальной структуры композита, прогнозированию эксплуатационных характеристик изделий.

Рис. 12 – Поверхность отклика корреляционной зависимости

среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации

однородности ППК от времени смешивания

Таким критерием однородности служит значение среднеквадратичного отклонения интенсивностей вторичного излучения компонентов ППК (частицы наполнителя – электрокорунда, карбида кремния), которое будет отражать степень отклонения от эталонного однородного распределения компонента в исследуемом объёме образца. И целью повышения качества смешивания будет являться уменьшение этого показателя.

При времени смешивания в интервале 2 – 3 часов значения среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации минимальны и на поверхности отклика корреляционной зависимости наблюдается площадка однородности композита, что соответствует максимальным прочностным характеристикам ППК (рис. 12). Топографии однородности распределения частиц ИОМ (частиц карбида кремния и электрокорунда) в структуре ППК, приведенные в диссертационной работе, подтверждают это. Объем автореферата не позволяет включить весь графический материал.

Полученные результаты положены в основу опытно-промышленной апробации полимерно-песчаных изделий при выполнении строительных (ремонтных) работ на объектах ООО «МИО» (г. Волжский), ремонт напольного покрытия в помещениях ООО «МИО» (мастерские).

В пятой главе приведены результаты опытно-промышленной апробации разработанного состава ППК. Характеристики изделий из полимерно-песчаной композиции (плитка напольная 50050040) на основе модифицированной эпоксидной смолы, являющейся вторичным полимерным материалом, наполненной инструментальными отходами машиностроения представлены в табл. 2. Эксплуатационные характеристики изделия позволяют производить строительные и ремонтные работы на объектах промышленных предприятий, объектах общебытового назначения.

Таблица 2

Эксплуатационные характеристики изделий ППК

Наименование характеристики	Величина
Прочность на изгиб, МПа	13,1
Прочность при сжатии, МПа	29,5
Плотность, кг/м3	2200
Истираемость, г/см2	0,03
Коэффициент химической стойкости	Выше 0,8
Морозостойкость, циклов	Не менее 100
Водопоглощение, %	0,3
Долговечность, лет	Не менее 50

Экономический эффект от внедрения разработанного состава полимерно-песчаной композиции достигается за счёт использования техногенных отходов производства в качестве полимерного связующего и наполнителя композиции, улучшения эксплуатационных характеристик полимерных изделий. Себестоимость плитки (в пересчете на одно изделие) снижена на 15 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность получения коррозионностойких дисперсно-наполненных полимерных композиций на основе модифицированных вторичных полимерных материалов, армированных инструментальными отходами машиностроения.

2. Выявлены особенности процесса структурообразования дисперсно-наполненных ИОМ полимерно-песчаных композиций заключающиеся в адгезионном взаимодействии модифицированных эпоксидных отходов с дисперсным наполнителем за счет проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата, что приводит к повышению прочности и созда­нию барьеров на пути движения трещин и дислокаций внутренней структуры ППК.

3. Установлен характер влияния на эксплуатационные свойства ППС коррозионностойкой модифицированной эпоксидной матрицы и дисперсного наполнителя ИОМ при их совместном присутствии в составе композиции, определено их оптимальное соотношение, получена адекватная математическая модель для прогнозирования эксплуатационных характеристик ППК.

4. С помощью математического метода планирования эксперимента получены зависимости, связывающие па­раметры оптимизации: плотность (), предел прочности при сжатии (Rсж), предел прочности при изгибе (Rизг), водопоглощение (W) с переменными факторами – соотношением компонентов полимерной смеси: ПС – полимерное связующее, состоящее из модифицированной эпоксидной смолы ВПМ, ОКП – отсевы кварцевого песка, АЭК – армирующий элемент композиции, включающий отсевы кв. песка + ИОМ, что позволило получить материал с улучшенными характеристиками в сравнении с существующими аналогами полимерно-песчаных композитов: плотностью 2200 кг/м3, прочностью при сжатии 29,5 МПа, прочностью на изгиб 13,1 МПа, водопоглощением 0,3 %, морозостойкостью не менее 100 циклов. Показатели качества ППК в 1,5 – 2 раза превышают существующие аналоги.

5. Проведена оценка однородности полимерной композиции методом микрорентгеноспектрального анализа, что дало возможность определить не только химический состав компонентов смеси, но и получить картину распределения наполнителей, входящих в состав композита относительно друг друга, поскольку величина интенсивности вторичного рентгеновского излучения анализируемых компонентов (электрокорунд, карбид кремния) прямо пропорциональна их количественному содержанию в исследуемой области. Предложена модель комплекса «состав-структура-свойства» ППК путем оценки качества смешивания компонентов.

6. Экономический эффект от внедрения разработанного состава ППК достигается за счёт использования техногенных отходов производства в качестве полимерного связующего и наполнителя композиции, улучшения эксплуатационных характеристик полимерных изделий. В результате получено снижение себестоимости полимерно-песчаной плитки на 15 % (в пересчете на одно изделие).

Основные результаты диссертационной работы изложены в 14 публикациях, в том числе:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Волченко Е. Ю., Акчурин Т. К. Оптимизация формирования композитов строительного назначения на основе техногенных отходов металлургии и инструментального производства // Вестн. ВолгГАСУ: Стр-во и архитектура. 2012. № 27 (46). С. 63-67.

Публикации в других изданиях:

2. Волченко Е. Ю., Илларионова Е. Д., Надеева И.В. Некоторые аспекты моделирования композитов // Материалы внутривузовской науч.-технич. конф. проф.-препод. состава, г. Волгоград – г. Волжский, 2008 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. С. 42-43.

3. Волченко Е. Ю., Илларионова Е. Д. Использование расчетных схем при решении частных задач математического моделирования технологических процессов // Инженерные проблемы современного материаловедения : материалы внутривузовской науч.-технич. конф., г. Волгоград – г. Волжский, 2008 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. С. 128-129.

4. Волченко Е. Ю., Илларионова Е. Д., Надеева И.В. К вопросу моделирования технологических процессов и изделий // Инженерные проблемы современного материаловедения : материалы внутривузовской науч.-технич. конф., г. Волгоград – г. Волжский, 2008 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. С. 130-132.

5. Формирование керамического композита при использовании компонентов – продуктов вторичного сырья / Волченко Е. Ю. [и др.] // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы II науч.-техн. конф., г. Волгоград, 24–25 окт. 2009 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 113-117.

6. Волченко Е. Ю., Надеева И.В., Акчурин Т. К. Разработка методики оценки качества смешивания компонентов композиционных материалов строительного назначения // Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование : материалы III Всерос. науч.-техн. конф., г. Волгоград – г. Михайловка, 22–23 окт. 2009 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2009. С. 94-99.

7. Волченко Е. Ю., Ведищев В.Н., Надеева И.В. К вопросу моделирования комплекса “Структура-состав-свойства” композита: оценка качества смешивания компонентов // Информационные системы и модели в научных исследованиях промышленности и экологии : материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. науч.-техн. интернет-конф. ВИСТех ВолгГАСУ, январь 2010 г., г. Волжский. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. С. 17-21.

8. Волченко Е. Ю., Акчурин Т. К. Аналитическая оценка полимерной композиции на химическую стойкость // Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство : материалы Междунар. конф., посвящ. 80-летию строит. образования и 40-летию архитeктур. образования Волгогр. обл., 6-10 сент., Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. С. 228 – 290.

9. Волченко Е. Ю., Акчурин Т. К., Надеева И.В. Оценка качества смешивания компонентов при прогнозировании свойств композиционных материалов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика : междунар. науч.-практ. конф. : сб. ст., май 2010 г. Пенза : Приволж. Дом знаний, 2010. С. 21-23.

10. Волченко Е.Ю., Надеева И. В. Аналитическая оценка химической стойкости полимерной композиции // Наука и образование: проблемы, решения и инновации : науч.-практ. конф. проф.-препод. состава ВИСТех, г. Волжский, 9 – 10 дек. 2010 г. : сб. ст. : в 2 ч., Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. Ч. 1. С. 115-120.

11. Факторы долговечности изделий из полимерных композиций / Волченко Е. Ю. [и др.] // Наука и образование: проблемы, решения и инновации : науч.-практ. конф. проф.-препод. состава ВИСТех, г. Волжский, 9 – 10 дек. 2010 г. : сб. ст. : в 2 ч., Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2010. Ч. 1. С. 121-122.

12. Волченко Е. Ю., Пушкарская А.А. Полимерные композиционные материалы и их оценка химической стойкости // Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 24 дек. 2010 г., Волгоград : [в 2 ч.]. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2011. Ч. 1. С. 199-203.

13. Волченко Е. Ю., Акчурин Т. К. Методология подбора и оптимизации свойств композита строительного назначения на основе техногенных отходов с учетом технологических факторов // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы III науч.-техн. конф., г. Волгоград, 10–12 апр. 2012 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. С. 139-142.

14. Волченко Е. Ю., Акчурин Т. К. Оценка стойкости строительных композиций на основе техногенных отходов металлургии и инструментального производства к агрессивным средам // Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства : материалы III науч.-техн. конф., г. Волгоград, 10–12 апр. 2012 г. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. С. 143-146.

Волченко Елена Юрьевна

Полимерно-песчаные композиции на основе

вторичных полимерных материалов, наполненные инструментальными отходами машиностроения

Автореферат

Подписано в печать 06.11.12 Формат 60х84/16.

Бумага Union Prints. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная

Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1,13. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волгоградский государственный архитектурно-строительный

университет, 400074 г. Волгоград, ул. Академическая 1

Волжский институт строительства и технологий (филиал) ВолгГАСУ, 404111, г. Волжский, пр. Ленина 72

________________________________________________________________

Отпечатано в ОАО “Альянс” Югполиграфист”,

404126, г. Волжский, ул. Пушкина, 79