Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общие представления о полимерных композитах как современных конструкционных материалах
1.1. Виды полимерных композитов строительного назначения и их свойства
1.2. Влияние компонентов полимерного композита на его физико-технические свойства
1.3 Возможность использования промышленных отходов как вторичного сырья для формирования полимерных композиций
1.4. Влияние природы наполнителя на свойстваполимерных композиций
1.5. Модификация эпоксидного связующего для получения полимерных композиций
1.6. Выводы
Глава 2. Материалы и методы исследования
2.1. Свойства применяемых материалов
2.2. Методы исследований и аппаратура
2.3. Математический метод планирования эксперимента
2.4. Статистическая обработка результатов испытаний
Глава 3. Исследования процессов структурообра-зования полимерных композиций и физико-химические основы проектирования составов
3.1. Структурообразование полимерных композитов
3.2. Многофункциональная полимерная композиция на основе отходов порошкообразной эпоксидной смолы
3.3. Результаты исследования трехфазного эксперимента по расчету составов строительного полимерного композита на основе эпоксидной составляющей 96
3.4. Выводы 101
Глава 4. Исследование свойств разработанных составов полимерных композиций 103
4.1. Физико-химические и физико-механические исследования полимерной композиции на основе эпоксидного связующего 103
4.2. Выводы 114
Глава 5. Практическая реализация результатов работы 116
5.1. Основные выводы 121
Основные выводы 122
Список литературы
- Возможность использования промышленных отходов как вторичного сырья для формирования полимерных композиций
- Математический метод планирования эксперимента
- Многофункциональная полимерная композиция на основе отходов порошкообразной эпоксидной смолы
- Физико-химические и физико-механические исследования полимерной композиции на основе эпоксидного связующего
Введение к работе
Актуальность работы. Создание высококачественных строительных материалов невозможно без управления процессами структурообразования на макро- и микроуровне. Прикладной интерес к дисперсным системам со стороны строительного материаловедения обусловлен возможностью создания оптимальных (рациональных) структур строительных композитов за счет значительной их модификации при переходе на микроуровень, сопровождающийся как принципиальным изменением свойств известных материалов, так и созданием новых композитов.
Разнообразие вторичных сырьевых ресурсов (ВСР), по химическому и минералогическому составу подчас не уступающих добываемому сырью, позволяет сделать вывод о целесообразности использования ВСР для производства новых материалов и изделий - строительных композитов.
Строительство является одной из самых обширных областей по ассортименту и объемам использования полимерных композиционных материалов.
Исходя из концепции энерго- и ресурсосбережения правительства России, исследования по разработке новых строительных материалов на основе промышленных отходов полимерных и минеральных, несомненно, актуальны.
Профессиональный подход к решению данной проблемы позволяет предприятиям-производителям устранить расходы на транспортировку отходов к свалкам или площадкам для их захоронения, улучшить экологическую обстановку окружающей среды, производить продукцию, востребованную на рынке, создать дополнительные рабочие места, получить прибыли от деятельности новых предприятий.
Диссертационная работа посвящена исследованию влияния порошковых полимерных отходов (ППО) на процессы структурообразования и формирования полимерного композита, определяющих физико-механические и эксплуатационные характеристики строительного материала, что является актуальной задачей современного материаловедения, способствующей расширению сырьевой базы строительной отрасли, снижению энергозатрат, улучшению экологии окружающей среды.
Степень разработанности проблемы.
На сегодняшний день в России достаточно широко осуществляется изучение полимерных композиционных материалов, обладающих высокой химической стойкостью, прочностью, что и нашло отражение в работах Соломатова В. И., Патуроева В. В., Ерофеева В. Т., Баженова М. Ю., Корнеева А. Д., Иващенко Ю. Г. , Худякова В. А., Бобрышева А. Н., Строганова В. Ф.
Разработке полимерных композиций посвящены работы зарубежных ученых Гильдебранда X., Мэнсона Дж., Эриксона П., Берри Дж. и др.
Но в тоже время ограниченная химическая стойкость таких материалов, их дороговизна ставят задачу разработки новых более эффективных их видов. Это представляется возможным при использовании компонентов композиций из дешевого местного сырья, обладающего требуемыми физико-химическими и физико-механическими характеристиками: связующего нетрадиционного вида, наполнителей и заполнителей, в том числе из отходов производств. В работах М. Ю. Баженова, Ю. Г. Иващенко, Е. М. Чернышева, А. Д. Корнеева, В. Т. Ерофеева рассмотрены вопросы использования техногенных отходов в технологии строительных материалов.
Возможность применения в качестве связующего порошковых полимерных отходов, в качестве наполнителей и заполнителей отходов химических и металлургических производств, позволяет не только снизить стоимость композитов, но и улучшить их физико-химические свойства, а также решить проблему утилизации техногенных отходов, что и подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель работы – разработка оптимальных составов и способов получения строительных полимерных композитов на основе порошковых полимерных отходов, исследование влияния отходов на процессы структурообразования и оценка сопротивления разработанной полимерной композиции действию различных агрессивных сред.
Задачи исследований:
– исследовать структуру и физико-химические свойства полимерных отходов, провести анализ возможности их использования в качестве сырья для производства нового строительного композита;
– разработать новые составы полимерной строительной композиции, обладающие повышенной химической стойкостью в различных агрессивных средах; произвести оптимизацию этих составов при помощи метода математического планирования эксперимента;
– на основе анализа процесса структурообразования полимерной композиции на основе порошковых полимерных отходов определить ее характеристики в различных агрессивных средах;
– разработать технологию производства полимерной композиции на основе порошковых полимерных отходов, а также технологические параметры производства изделий строительного назначения из нее и определить область их применения;
– опытно-промышленная апробация результатов исследований и их технико-экономическая оценка.
Научная новизна работы:
– развиты основы теории структурообразования при получении строительных композитов путем направленного формирования структуры материалов с использованием в качестве вяжущего высокодисперсного порошкообразного полимерного компонента;
– исследованы процессы структурообразования в полимерной матрице и полимерной строительной композиции на основе ППО с целью выбора оптимальных составов и химической стойкости в различных агрессивных средах;
– предложены показатели формирования строительных композитов, основанные на физико-химических признаках составляющих компонентов и закономерностях процесса структурообразования в дисперсных модифицированных системах.
Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы полимерных строительных композиций с использованием модифицированных ППО, что позволяет комплексно решать проблемы качества строительных материалов, энерго- и ресурсосбережения производства, утилизации отходов.
Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методически обоснованным комплексом 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.
Объект исследований.
Полимерные строительные композиции на основе порошковых полимерных отходов.
Предмет исследований.
Оптимальные составы, процессы структурообразования полимерных строительных композиций на основе порошковых полимерных отходов и химическая стойкость в различных агрессивных средах.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты исследования структуры и физико-химических свойств порошковых полимерных отходов, анализ возможности их использования в качестве сырья для производства нового строительного композита;
– анализ процесса структурообразования полимерной композиции на основе ППО при ее модификации с определением ее характеристик в различных агрессивных средах;
– новые составы полимерной строительной композиции, обладающие повышенной химической стойкостью в различных агрессивных средах; оптимизация этих составов при помощи метода математического планирования эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); III-й Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2009 г.); II-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); Международной конференции, посвященной 80-летию строительного образования и 40-летию архитектурного образования Волгоградской области «Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство» (Волгоград, 2010 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.).
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в выборе направления исследования, его обосновании; в разработке оптимальных составов полимерных строительных композиций на основе порошковых полимерных отходов; 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 9 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 139 страницах машинописного текста, включает 27 таблиц и 36 рисунков, список использованных источников из 158 наименований.
Возможность использования промышленных отходов как вторичного сырья для формирования полимерных композиций
Строительство является одной из самых обширных областей по ассортименту и объемам использования полимерных композиционных материалов.
На сегодняшний день в России достаточно широко осуществляется изучение и применение полимерных композиционных материалов, обладающих высокой химической стойкостью, прочностью и другими благоприятными эксплуатационными свойствами.
Развитие строительства сопровождается постоянным поиском» более совершенных материалов. Примером могут служить работы по модификации бетона и железобетона с помощью полимерных материалов, особенно при производстве полимербетонов.
В Самаркандском государственном университете проводились исследования возможности уменьшения водопоглощения и увеличение прочностных характеристик композиции путем введения в ее состав модифицированного фосфогипса, основанные на ранее опубликованном материале [6-7], в котором была предложена полимербетонная композиция, включающая моче-виноформальдегидную смолу (МФС), фосфогипс и кислый отвердитель — отход травильных цехов — со следующими физико-механическими характери з стиками: плотность 1390 - 1420 кг/м : волопоглощение 7 — 7,5 %, прочность при сжатии 30-31 МПа и прочность при растяжении 10—11 МПа. Указанная композиция применяется для изготовления элементов обустройства автомобильных дорог, оформления автопавильонов, эксплуатируемых в условиях постоянного воздействия внешних факторов. Однако показатели водопоглощения, химической стойкости крайне низки, что ограничивает срок эксплуатации изделий на основе указанной композиции. Кроме того, входящий в состав обожженный фосфогипс, используемый в качестве вяжущего, требует дополнительных затрат на его получение, что увеличивает себестоимость изделий.
Поэтому предметом исследований [6 — 7] является изучение возможности уменьшения водопоглощения и увеличение прочностных характеристик композиции путем введения в ее состав модифицированного фосфогипса.
Цель достигается тем, что в полимербетонной композиции, включающей мочевиноформальдегидную смолу, фосфогипс и водный раствор кислого отвердителя, в качестве наполнителя использован фосфогипс, модифицированный отходами производства растительного масла (МЖК), а в качестве отвердителя - кислый гудрон из отходов производств нефтехимического завода.
Состав композиции, мае. %: мочевиноформальдегидная смола 58 — 60; отвердитель 2,5 - 3; фосфогипс 16-18; МЖК 16-18.
В композиции используется фосфогипс следующего состава, мае. %: Р205 - 5,8, в том числе Р205 растворимый - 3,35; S03 - 50,6; СаО- 36,5; MgO — 0,5; Н20 (кристаллизационная) - 15,1.
Отходы производства растительного масла представляют собой композицию, содержащую отбеленную глину и 27 — 28 мае. % жира.
Как используемый в композиции фосфогипс, так.и МЖК являются,химически инертными компонентами, и, следовательно, в данной композиции модифицированный фосфогипс является наполнителем.
В качестве отвердителей мочевиноформальдегидной смолы используют различные кислоты и соли - хлориды цинка, аммония, железа и т. д. [8 — 9].
Для отверждения-мочевиноформальдегидной смолы в разрабатываемой композиции авторами [8 - 9] предложено использовать кислый гудрон следующего состава, мае. %: серная кислота 92 — 96; органическая составляющая 2 — 6; вода остальное. Введение в состав композиции кислого гудрона за счет входящих в него компонентов снижает водопоглощение полимербетона.
В табл. 1.2 приведены данные физико-технических свойств композиций в зависимости от типа отвердителя. Данные наглядно показывают, что состав отвердителя оказывает влияние как на прочностные характеристики, так и на водопоглощение материала. Наилучшими являются результаты при применении кислого гудрона. Для определения оптимального состава полимерной композиции изучали влияние содержания наполнителя на прочность при сжатии и на водопоглощение. Результаты приведены в табл. 1.3.
Математический метод планирования эксперимента
Эпоксидные полимеры являются полиэфирами и представляют собой большой класс веществ, содержащих в своей цепи реакционноспособную эпоксидную группу (о!-окисный цикл).
Обладая высокой реакционной способностью, эпоксидная группа легко вступает во взаимодействие с такими веществами, как фенолы, спирты, кислоты, амины и др. Наибольшее распространение получили эпоксидные полимеры на основе эпихлоргидрина и дифенилолпропана (диана).
В зависимости от соотношения исходных компонентов получаются эпоксидные полимеры (смолы) с различной (от 400 до 3000) молекулярной массой, жидкие или твердые. Цвет полимеров — от светло-желтого до коричневого. Жидкие полимеры обладают большой вязкостью. Эпоксидные смолы термопластичны. При введении отвердителей они отверждаются, образуя соединения трехмерной (сетчатой) структуры. Отвердителями служат амины, ангидриды кислот, многоатомные спирты. В зависимости от отвердителя эпоксидные смолы отверждаются при комнатных или повышенных температурах. Отвержденные полимеры обладают высокими прочностными показателями, водостойкостью, очень хорошей адгезией к металлу, дереву, керамике, некоторым пластмассам, стойкостью к действию воды, щелочей, w ряда растворителей. Поэтому эпоксидные смолы широко применяются в качестве синтетических универсальных клеев, лаковых покрытий, связующих для стеклопластиков, для заливки электротехнических изделий с целью их электрической изоляции и защиты от действия воды, для изготовления штампов, используемых при штамповке металлов и т. д.
Эпоксидные смолы хорошо совмещаются с различными полимерами. Так, значительное применение находят сополимеры эпоксидных олигомеров с резольными феноло-формальдегидными продуктами.
В отличие от других полимеров эпоксидные смолы при отверждении имеют малую усадку, свободны от внутренних напряжений, обладают высокой адгезией ко многим материалам, отличаются хорошими диэлектрическими свойствами и стойкостью к растворителям, щелочам и соленой воде. Не 43 отвержденные эпоксидные смолы растворимы в некоторых эфирах, кетонах, хлорированных углеводородах. Отвержденные смолы менее хрупки и более эластичны, чем фенолоформальдегидные полимеры.
Электрическая прочность, кВ/мм 15,7-20,0 15,7 Эпоксидные смолы-олигомеры линейного строения, молекулы которых несут концевые группы со специфичной кислородной связью (эпоксигруп-пы). Обычными представителями эпоксидных смол являются глицидные эфиры дифенолов, получаемые реакцией дифенилопропана с эпихлоргидри-ном. В зависимости от молекулярной массы смолы представляют собой вязкие жидкости или твердые тела [15].
Наиболее пригодны для полимерных связующих жидкие эпоксидные смолы: ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 (ГОСТ 10587-76) и компаунды с каучуками, фу-рановыми И другими смолами. Применение твердых смол при обычных температурах затруднено, так как точка плавления их лежит выше 50 — 60 С, а применение растворителей нежелательно в силу их отрицательного влияния на плотность материала. Способность эпоксидных смол к превращению в твердые-неплавкие продукты определяется наличием в структуре эпоксидных и гидроксильных групп (эпоксидное число и гидроксильный эквивалент. Эпоксидные смолы твердеют без выделения побочных продуктов.
Соединение линейных эпоксидных молекул в пространственные комплексы по месту эпоксидных групп осуществляется по ионному механизму или с помощью сшивающих реагентов. Гидроксильные группы реагируют с жирными кислотами, фенольными и карбамидными смолами и другими про-( дуктами.
Каталитическое отвердение эпоксидных смол вызывается третичными аминами, пиперидином, диметиламинометилфенолом, хлористой сурьмой, фтористыми и другими соединениями.
Для холодного отверждения эпоксидных смол в практической технологии полимербетонов преимущественно используют полиэтиленполиамин или гексаметилендиамин (кубовый остаток гексаметилендиамина).
Технический полиэтиленполиамин (ПЭПА) представляет растворимую в воде жидкость плотностью 0,98-1,03 г/см и температурой кипения 277 С (СТУ 49-2529-62). Температура кипения гексаметилендиамина 200 С, и применяется он в виде растворов в органических растворителях. Полимери 45 зация с гексаметилендиамином протекает с высокой скоростью по реакции второго порядка. Теоретическая потребность в процентах (Р) полиамина как отвердителя может быть вычислена по формуле: P = »L100, (2.1) т2пх где ті, гп2 — молекулярная масса полиамина и эпоксидной смолы; П] п2— число активных атомов водорода в молекуле полиамина и эпоксидных групп в молекуле смолы. Потребное содержание ПЭПА составляет 10 — 12 % к смоле по массе. Отверждение эпоксидных смол обеспечивается также жидкими полиамидами; получаемыми конденсацией дикарбоновых кислот с полиаминами.
Ограниченное отверждение эпоксидных смол вызывается низкомолекулярными эластомерами - полисульфидным и карбоксильным, каучуком. Для получения достаточно прочного и стойкого полимера в эпоксидно-тиоколовую композицию вводят полиамины или другие активные отвердите-ли. Повышенная полнота отверждения достигается также нагревом. Основное назначение введения эластомеров — внутренняя пластификация эпоксидных полимеров.
При повышенных температурах эпоксидные смолы отверждаются ангидридами кислот: фталевым, малеиновым, пиромилитовым с образованием сложноэфирных связей в структуре полимера. Твердение смолы ускоряется и свойства конечных продуктов улучшаются при введении в смесь наряду с ангидридами третичных аминов. Для отверждения при повышенных до 50 — 70 С температурах пригоден триэтаноламин.
Увеличение количества отвердителя ускоряет реакцию и при прочих равных условиях повышает полноту полимеризации. Однако применение внешнего нагрева позволяет получать полимеры с равной глубиной отверждения и при сниженных дозировках отвердителя.
Эпоксидные полимеры характеризуются высокой прочностью и стойкостью, однако излишняя хрупкость их нередко препятствует использованию и пластификация становится, обязательной. Пластификация интенсифицирует релаксационные процессы и тем самым уменьшает внутренние напряжения в высоконаполненных системах, какими являются полимербетоны.
Прочность на растяжение и деформативность твердых композиций при оптимальном количестве пластификаторов повышаются. Пластифицирующее действие эфиров проявляется также в снижении температуры стеклования и теплостойкости полимера, причем более высокой теплостойкостью обладают составы с трикрезилфосфатом. Введение дибутилфталата в 1,5 — 2 раза-увеличивает жизнеспособность смеси.
Лучшие результаты» получаются, при внутренней (структурной) пластификации, когда пластифицирующие вещества химически связываются с оли-гомерами. Такими пластификаторами являются каучуки, полиамиды, поли-эфиркрилаты и другие вещества, выполняющие в известной мере функции отвердителей.
Многофункциональная полимерная композиция на основе отходов порошкообразной эпоксидной смолы
Воздействие агрессивной среды на полимер может сопровождаться его набуханием, диффузией среды в полимер и химическим взаимодействием, приводящим к деструкции пластика.
На определение стойкости полимерного материала к агрессивным средам существуют государственные стандарты, характеризующие сопротивляемость в баллах. Чем значимее балл — тем выше сопротивляемость материала воздействию агрессивной среды.
По,ГОСТ 12020 стойкость к агрессивным средам оценивается по изменению их массы, причем по пятибалльной шкале: 5 — высокая стойкость; 4 — удовлетворительная; 3 - материал устойчив не во всех случаях; 2 - стойкость недостаточна, к применению не рекомендуется; 1 — материал не стоек и быстро разрушается.
Механизм деградации полимерных композитов в общем, случае включает адсорбцию молекул среды на поверхности композита, диффузию среды в его объем, физико-химическое взаимодействие среды с полимерной матрицей и наполнителем, отвод продуктов реакции от поверхности взаимодействия с образованием из продуктов реакции слоя, препятствующего диффузионному и конвективному транспорту среды в глубь композита [44].
Агрессивность среды во многом определяется способностью ее диффузионного проникновения в свободное межмолекулярное пространство полимерной матрицы. В результате диффузии происходит набухание матрицы, количественно оцениваемое по степени массопоглощения (Ki): где Мо-я Mi — масса композита соответственно до и после экспозиции в агрессивной среде в течение времени t. Количественной характеристикой химической стойкости материала является коэффициент химической стойкости кхс, вычисляемый по формуле: где 0\ - предел прочности при сжатии или при изгибе после выдержки образцов в агрессивных средах в течение времени t; о"о - прочность при сжатии или при изгибе до экспозиции в агрессивных средах.
Величина кхс зависит от формы и размеров-образцов, плотности структуры и характера распределения агрессивной среды по объему образца. Коэффициент химической стойкости также зависит от физико-химических характеристик исходного олигомера (эпоксидной смолы), наполнителя и отвер-дителей, а также от способа их совмещения и механизма.отверждения эпоксидных полимеров. Поэтому величина кхс достаточно условна и она применима только для сравнительной оценки химического сопротивления различных материалов.
Подбор состава полимерных бетонных композиций и, как один из его этапов, - расчет начального состава производится- на основе тех же принципов, что и цементного бетона - обеспечение установленных требований к его качеству при минимальном расходе связующего. Методология расчета базируется на оптимизации состава полимерной- бетонной композиции, обычно, на-микро- и макроструктурных уровнях.
В» соответствии с полиструктурной теорией образования полимерной бетонной композиции в нем различают несколько взаимосвязанных и переходящих один в другой по принципу «структура в структуре» уровней.
Микроструктура формируется при совмещении смолы, с отверждаю-щими добавками (полимерное связующее) и, высоко дисперсного- минерального наполнителя с образованием полимерной мастики. Свойства мастики зависят от степени наполнения; характеристик смолы, физико-химических явлений в контактной зоне жидкой и твердой фаз, обуславливаемых возникновением по границе их раздела специфических надмолекулярных образований: Микроструктура обуславливает, главным образом, реологические характеристики полимерной бетонной композиционной смеси (подвижность, жесткость) и полимерной бетонной композиции (усадку, ползучесть).
Мёзот- иі макроструктура формируются при объединении мастики соответственно с мелким и крупным заполнителями и определяют физико-механические свойства полимерной бетонной композиции в целом, которые зависят, в основном, от плотности упаковки зерен заполнителей и степени ее дефектности. Могут поэтому рассматриваться? совместно как общая макроструктура полимерной бетонной композиции.
Существующие методы расчета начального состава полимерной бетонной? композиции, основывающиеся на общих известных положениях расчет-но-экспериментального способа юпрёделенияг состава цементного бетона отличаются различными подходами и степенью оптимизации, на отдельных его этапах. Особенностями расчета; отражающими специфику полимерною бетонной композиции, являются: — установление экспериментально-аналитическим путем среднеприве- . денной толщины, пленки полимерного? связующего на зернах наполнителя соответствующейгоптимальному по прочности наполнению мастики; — аналитическое определение расхода связующего с: учетом толщины пленкиїи избытка мастики для? обеспечения-удобоукладываемости смеси на основе- сведений! о зерновом составе: и дисперсности заполнителей; подбираемых с целью обеспечения минимальной межзерновош пустотности их смеси по принципу «полупрерывистой гранулометрии» (крупный заполнитель, фракционируется; песоки минеральныйшорошок-— без рассева); — определение аналитическим; путем по известным характеристикам заполнителей их соотношения и количественного содержания в минеральною смеси [4].
Физико-химические и физико-механические исследования полимерной композиции на основе эпоксидного связующего
Инертность полимерных строительных композиций по отношению к агрессивным воздействиям является одним из определяющих качеств, среди общего перечня их положительных свойств. Особо важна инертность полимерных композитов по отношению к химическим средам различного характера. Химическая стойкость полимерной строительной композиции находит ся в непосредственной зависимости от химической стойкости связующего и наполнителей, их физико-механического взаимодействия в контактной зоне, 1 плотности структуры в целом, а также технологических условий получения и эксплуатации. Химическую стойкость материала в агрессивных средах можно опре делить по изменению веса и прочности при испытании на сжатие после вы держки образцов в течение определенного периода времени в жидких агрессивных средах.
Полимерные композиции нередко называют непроницаемыми для жидкостей, однако непроницаемость их далеко не абсолютна. Хотя скорость движения жидкостей в полимерных строительных композитах во много раз ниже, чем в обычных бетонах, она достаточно велика, чтобы определяющим образом влиять на физико-технические свойства полимерных композитов.
Порошковые полимерные отходы, используемые в составе связующего / полимерной строительной композиции, являются дисперсным порошковым материалом, прошедшим технологический передел нанесения на поверхность металла в качестве адгезива. При использовании порошковых полимерных 104 отходов (ГШО), модифицированных порошковой фенольной смолой (ПФС) (сухой порошкообразный материал промышленного производства), в технологической схеме получения полимерной строительной композиции основной стадией является сухое смешивание кварцевого песка и щебня с полимерной матрицей (ППО+ПФС). В качестве отвердителя используется уротропин, входящий в состав ФФС в количестве 6 — 11 % в зависимости от марки ПФС.
На первом этапе проводимого эксперимента получены зависимости кинетики массопоглощения полимерного связующего (ППО + ПФС) от времени экспонирования в воде, водных растворов кислот, щелочи и соли, трансформаторном масле. Зависимости представлены на рис. 4.1 - 4.8.
Агрессивность среды во многом определяется способностью ее диффузионного проникновения в свободное межмолекулярное пространство полимерной матрицы [105]. В результате диффузии происходит набухание матрицы, количественно оцениваемое по степени массопоглощения (Кі):
Разный характер изменения массопоглощения при действии агрессивных сред обуславливается различными скоростями химических превращений, возникающих при их взаимодействии с полимерным связующим. Анализируя представленные результаты устойчивости полимерной композиции в агрессивных средах, можно сделать вывод, что химические процессы в по 109 лимерном связующем протекают как продолжение процесса отверждения, о чем свидетельствует изменение массы образцов в сторону их увеличения и дальнейшей стабилизации, а внешние воздействия сред лишь ускоряют их.
В наших исследованиях оценка химической стойкости полимерной строительной композиции на термореактивных эпоксидных смолах производилась в основном по изменению массы и предела прочности при сжатии.
Путем рационального подбора состава полимерной композиции и хорошим виброуплотнением проницаемость композита можно снизить на 30 — 40 %.
В условиях эксплуатации полимерные композиции подвергаются воздействию различных агрессивных сред, наиболее типичными из которых являются вода, водные растворы кислот, солей и щелочей. Следует отметить, что указанные агрессивные жидкости являются полярными с малыми размерами молекул и ионов, что позволяет им проникать в дефектные зоны полимерных связующих [82,118,138].
Количественной характеристикой химической стойкости материала является коэффициент химической стойкости кхс, вычисляемый по формуле:
Величина кхс зависит от формы и размеров образцов, плотности структуры и характера распределения агрессивной среды по объему образца. Коэффициент химической стойкости также зависит от физико-химических характеристик исходного олигомера (эпоксидной смолы), наполнителя и отвер-дителей, а также от способа их совмещения и механизма отверждения эпоксидных полимеров. Поэтому величина кхс достаточно условна и она приме 110 нима только для сравнительной оценки химического сопротивления различных материалов.
Снижение прочности полимерной строительной композиции в начальный период взаимодействия с жидкими агрессивными средами свидетельствует о преобладающем физическом характере влияния адсорбции жидкости за счет поглощения жидкой фазы структурными неоднородностями и поверхностными микродефектами композита.
При химическом воздействии агрессивных сред в композитах происходят глубокие структурные изменения, ухудшающие их эксплуатационные свойства, а также деструкция полимерного связующего и нарушение адгезионных связей, что и приводит к понижению прочности полимерной строительной композиции.
Трещины и вздутия на поверхности образцов после выдержки их в растворах кислот обуславливаются образованием при взаимодействии кислоты со щебнем, в котором присутствуют СаО и MgO, растворимых соединений СаОН и Mg(OH)2, увеличивающихся в объеме. За счет этого происходит рост внутренних напряжений, которые и приводят к образованию отмеченных вздутий и трещин.
Очевидно, что замена реакционноспособного по отношению к растворам кислот заполнителя на менее реакционноспособный, приведет к повышению химической стойкости полимерной строительной композиции.
