Размещено на http://www.allbest.ru/

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРМИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ И ПОЛИМЕРБЕТОНОВ

Докт.экон.наук А.Т. Айменов,

С.К. Нурпеисов,

А.А. Сагындыков

Аннотация

Приведены результаты исследований структурообразования полимерминеральных композиций и полимербетонов. Установлены физико-химические основы взаимодействия компонентов наполнителей с полимерными связующими, и тем самым упрочнение всего материала.

Annotation

STRUCTURIZATION POLIMERMINERAL COMPOSITION AND POLIMERBETON

The Broughted results of the studies of the structurization polimermineral composition and polimerbeton. Physico-chemical bases of the interaction component fillers will Installed with polymeric connecting, and hereunder упрочнение whole material.

Основная часть

В результате многочисленных исследований разработаны основы структурообразования полимербетонов и принципы построения оптимальной структуры органо-минеральных конгломератов с заранее заданными свойствами.

Эти положения составляют основное содержание полиструктурной теории композиционных строительных материалов /1, 2/.

В соответствии с этой теорией полимербетоны, как и другие бетоны, представляются полиструктурными, т.е. составленными из многих структур (от атомных и молекулярных до грубых макроструктур), переходящих одна в другую по принципу «Структура в структуре».

С нашей точки зрения наиболее важно рассмотрение общей структуры на двух характерных уровнях: микроструктура и макроструктура.

Такое разделение полиструктуры достаточно для практической технологии и хорошо отражает объективные закономерности структурообразования и формирования свойств композитов-полимербетонов. При этом имеется в виду, что внутри микро - и макроструктуры заключены структуры, отличные от рассматриваемых уровней.

Микроструктура образуется при совмещении низковязких смол, отвердителей, пластификаторов, модификаторов и дисперсных наполнителей. Свойства микроструктуры определяются явлениями, протекающими в контакте жидкой и твердых фаз, т.е. зависят от количества наполнителя, его дисперсности, минералогического состава, физико-химической активности поверхности.

Интересно подчеркнуть, что прочность и плотность исходного материала порошков не имеют решающего значения. Микроструктура присуща мастикам, замазкам, композициям. Материалы, характеризуемые микроструктурой, используются так же, как связующие для получения полимербетонов. Таким образом, свойства полимерных связующих определяются закономерностями, характерными для микроструктуры.

Свойства макроструктуры определяются свойствами связующих, заполнителей, наполнителей и их количественным соотношением, т.е. в конечном итоге, плотностью упаковки.

Полиструктурная теория полимербетонов имеет глубоко принципиальное значение и отражает объективные физические закономерности их структурообразования.

Изложенные принципы структурообразования особенно плодотворны при разработке методов подбора составов полимербетонов и армополимербетонов.

В соответствии с полиструктурной теорией проектирование составов полимербетона складывается из двух этапов: подбор составов полимерных связующих (оптимизация микроструктуры) и подбор составов полимербетонов в целом (оптимизация макроструктура). Из полиструктурной теории следует также прямой вывод о целесообразности прерывистой гранулометрии заполнителей.

При совмещении связующих и заполнителей средних и крупных фракций образуются конгломераты характеризуемые макроструктурой- полимербетоны. При использовании легких, тяжелых и специальных заполнителей получают легкие, тяжелые и особо тяжелые полимербетоны с требуемым комплексом свойств. По аналогии с микроструктурой макроструктура также состоит их двух основных компонентов, но в качестве клеев выступают связующие.

Свойства микроструктуры определяются свойствами связующих, заполнителей, наполнителей и их количественным соотношением, т.е. в конечном итоге, плотностью упаковки.

Полиструктурная теория полимербетонов имеет глубоко принципиальные значения и отражает объективные физические закономерности их структурообразования.

Изложенные принципы структурообразования особенно плодотворны при разработке методов подбора составов полимербетонов и армополимербетонов.

В соответствии с полиструктурной теорией проектирование составов полимербетона складывается из двух этапов: подбор составов полимерных связующих (оптимизация микроструктуры) и подбор составов полимербетонов в целом (оптимизация макроструктуры). Из полиструктурной теории следует также прямой вывод о целесообразности прерывистой гранулометрии заполнителей.

Значительное влияние на процесс структурообразования связующих оказывает вязкость смол и других полимерных компонентов (отвердители, инициаторы, пластификаторы), которая, в свою очередь, регулируется в широких пределах введением разжижителей или изменением температуры. При постоянной температуре физико-технические свойства полимерных связующих (полиэфирное, эпоксидное), например прочность, определяется следующими факторами:

полимербетон композиционный химический полимерный

где: - отношение полимер-наполнитель выражает отношение качества жидкого и твердого компонентов (смолы и наполнителя) в связующем;

S - дисперсность наполнителя;

Y - активность поверхности наполнителя (зависит от химико-минералогического состава);

C - степень отверждения связующего;

P - пористость связующего.

Первостепенным структурообразующим фактором и является отношение количеств полимера и наполнителя - . Важнейшая особенность зависимости - экстремальный характер кривой (рис 1 и рис. 2) на которых приведены зависимости отношения при разных удельных поверхностях (2700 см²/г, 2900 см²/г, 3200 см²/г) для полиэфирных и эпоксидных связующих.

Начало кривых для этих связующих не совпадает с началом координат, потому что при очень малых содержаниях полимера даже при равномерном его распределении смачивается лишь часть поверхности частиц наполнителя и микроконгломерат не образуется. Лишь при смачивании определенной величины поверхности частиц (примерно при соотношении - 0,35-0,4) возникает возможность образования непрерывной полимерной пленки и микроструктура приобретает связанность и механическую прочность. Далее при увеличении количества смолы прочность нарастает и при = 0,48 - 0,56 (для полиэфирного и эпоксидного полимеров) достигает максимума. Правая ниспадающая ветвь кривой характеризует область увеличения доли «объемного» полимера в структуре. Конечное значение прочности соответствует прочности ненаполненного полимера. На этом участке кривой нередко наблюдается спад ниже уровня прочности полимера, вследствие неоднородности структуры при малых дозах наполнителя.

Рисунок 1 Зависимость прочности полиэфирного связующего от отношения при удельной поверхности наполнителя 2700 см²/г (1), 2900 см²/г (2) и 3200 см²/г (3)

Максимум функции (рис. 1 и 2) соответствует оптимальной микроструктуре, которая в строгом смысле является единственной.

В физическом аспекте максимум функции отражает состояние полимера в виде тонких ориентированных сплошных пленок, полностью обволакивающих частицы наполнителей при минимальном содержании полимера.

В численном выражении оптимальной структуре соответствует наименьшая дисперсия показателей прочности и других свойств. Оптимизация микроструктуры по параметрам деформативности, стойкости и других физико-технических свойств дает идентичные или близкие значения, эта важная закономерность структурообразования нашла подтверждение в «правиле створа».

Рисунок 2 Зависимость прочности эпоксидного связующего от отношения при удельной поверхности наполнителя 2700 см²/г (1), 2900 см²/г (2) и 3200 см²/г (3)

Зависимость прочности связующего от дисперсности наполнителя в практическом интервале дисперсности описывается экспоненциальной функцией. С увеличением дисперсности до 5000 см²/г рост прочности замедляется в результате самослипания частиц и невозможности равномерного перемешивания.

Важно подчеркнуть, что максимум зависимости является функцией модуля поверхности наполнителей и убывает с уменьшением дисперсности (рис. 1 и 2). при определенных размерах частиц наполнителя эффект упрочнения исчезает совсем, так при совмещении смолы с крупнозернистыми заполнителями проявляется даже отрицательный эффект уменьшения прочности.

Отсюда следует важный вывод, что для полиэфирных и эпоксидных смол (связующих) максимум прочностных показателей характерен, для полиэфирных связующих при и для эпоксидных связующих: характерное только для микроструктуры.

Перенос этих представлений на макроструктуру не обоснован, оптимальность макроструктуры определяется иными факторами, а описанный признак оптимальности микроструктуры необходим, но далеко не достаточен для макроструктуры.

Влиянию физико-химических процессов в контактной зоне смола - наполнитель на прочность, деформативность и долговечность полимерных связующих и полимербетонов посвящены многие исследования.

Однако оценка взаимодействия в контакте фаз, как правило, носит качественный характер без установления прямых зависимостей свойств связующего от физико-химических и энергетических характеристик поверхности наполнителя применительно к конкретным смолам и полимерам. Наличие таких зависимостей крайне необходимо для обоснования количественной теории структурообразования полимерообразования полимербетонов.

Структуру наполненных композиций на полиэфирном связующем ПН - 1 и

эпоксидном связующем ЭД-20 исследовали при помощи оптического микроскопов МИН-8, МИН-9.

Было обнаружено что структура данных наполненных композиций имеют ярко выраженное глобулярное надмолекулярное строение. Такие структурные элементы характеризуются повышенной жесткостью и плотностью упаковки, высоким адгезионным взаимодействием с частицами наполнителя (и тем самым малой пористостью). На границе полимера с наполнителем обнаруживаются отдельные упорядоченные фибриллярные структуры, адгезия которых к подложке значительно выше, чем структуры в объеме полимера. Адгезия таких структурных элементов превышает когезионную прочность полимерного покрытия. Таким образом, на морфологию надмолекулярных структур существенно влияет природа наполнителей - молотых кварцитов.

Было установлено, что тонкодисперсные молотые кварцитные наполнители являются активными по отношению к полиэфирным и эпоксидным смолам и способны вступать с ними в специфическое взаимодействие с образованием прочных ковалентных или водородных связей по следующей схеме:

- для полиэфирных композиций

С О О

РР РР РР

R - C - OH + MO R - C - M - OH R - C - O - M - OH +

О О О

РР РР РР

+ HO - C R R - C - O - M - O - O - C - R -

- для эпоксидных композиций

R - C - СH₂ + MO R - C - M - OH R - C - O - M -

СH₂ + H₂С - OH - M - C - R

где: М - минеральные фазы (кремнезем).

Вышеприведенные исследования свидетельствуют о химическом взаимодействии наполнитель - связующее в эпоксидно-полиэфирных композициях и тем самым усилении физико-технических характеристик.

Литература

1. R. Kreis. The industrial production of units made of Polymer Concrete. Fourth International Congress. 1984. p. 283-288.

Соломатов В.И. Структурообразование и технология полимербетонов - В кн.: Механика и технология композиционных материалов. София. 1979, с. 343-346.

Размещено на Allbest.ru