Новые минералонаполненные шпатлевочные материалы на основе полиэфирной матрицы

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 691.585

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

НОВЫЕ МИНЕРАЛОНАПОЛНЕННЫЕ ШПАТЛЕВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИЭФИРНОЙ МАТРИЦЫ

Кучеренко Е.В., Арзамасцев С.В., Щербаков А.С.

Рассмотрены вопросы использования минеральных промышленных отходов - фосфогипса, кирпичной пыли, зольных микросфер в качестве наполнителей полиэфирной матрицы. Установлены зависимости физико-механических характеристик композита от вида и количества наполнителя, определен характер взаимодействия между наполнителем и полимерной матрицей.

Ключевые слова: фосфогипс, кирпичная пыль, зольные микросферы, наполнитель, полиэфирная смола, композиционный материал, полимерная матрица

отход промышленный минеральный композит

The article deals with the use of mineral industrial waste - phosphogypsum, brick dust, ash microspheres as fillers of a polyester matrix. The dependences of the physico-mechanical characteristics of the composite on the type and amount of filler are determined, the nature of the interaction between the filler and the polymer matrix is determined.

Keywords: phosphogypsum, brick dust, ash microspheres, filler, polyester resin, composite material, polymer matrix

Российский автомобильный рынок, несмотря на кризисные явления в экономике страны, эксперты оценивают как один из самых перспективных и быстроразвивающихся во всем мире [1]. Увеличивающееся количество автомобилей привело к резкому росту числа дорожно-транспортных происшествий, после которых значительная часть автомобилей требует проведения кузовного ремонта. Залогом проведения качественного кузовного ремонта является использование качественного шпаклевочного материала, технологичного при проведении работ, имеющего высокие физико-механические характеристики, обладающего хорошей адгезией к ремонтируемым кузовным элементам, устойчивого к перепаду температур и т.д. Специалистами сформулированы три главных требования, которым должен отвечать шпаклевочный материал:

· они должны обладать хорошей адгезией к поверхности, на которую наносятся;

· равномерно по ней распределяться;

· обеспечивать минимальную усадку после отверждения.

Основной объем применяемых сегодня шпатлевок, исходя из химической основы связующего вещества, составляют полиэфирные (ПЭ) шпатлевки различного назначения. Эти материалы обладают наименьшей усадкой (при относительно большой толщине наносимого слоя) и наибольшей скоростью полимеризации, по сравнению со шпатлевками на акриловой или нитроосновах.

В промышленно выпускаемых шпатлевках используются традиционные минеральные наполнители - тальк, мел, гипс, каолинит и пр. Однако по ряду характеристик они уступают зарубежным аналогам. Попытка использования фенольных микрошариков и кварцевых микросфер приводит к существенному удорожанию продукта и не нашла широкого применения. Для продвижения на рынке требуется использование в шпатлевках дешевых и эффективных наполнителей, обеспечивающих высокий комплекс свойств готовой продукции. Поэтому поиск эффективных наполнителей для создания высококачественных полиэфирных шпатлевочных материалов, не уступающих по характеристикам зарубежным аналогам, является актуальной задачей.

Перспективным является использование для производства автомобильной шпатлевки ненасыщенной полиэфирной смолы марки КАМФЭСТ 0102 производства ОАО “Пермские полиэфиры”, а в качестве наполнителя - измельченные природный базальт и (или) отработавший срок теплоизоляционный материал - базальтовую вату. Выбор данных наполнителей обусловлен тем, что на территории России известно более 200 месторождений базальтовых пород, из них более 50 месторождений эксплуатируются. Например, запасы только двух разведанных и изученных месторождений базальтов на территории Плесецкого и Онежского районов Архангельской области составляют более 600 млн. м³ (около 2 млрд т).

Базальтовый наполнитель оказывает значительное влияние на скорость отверждения полиэфирной смолы. Измельченная отработавшая срок базальтовая вата (ОБВ) уменьшает время начала отверждения с 22 до 5 мин, а продолжительность отверждения - с 8-9 до 1-2 мин (рис. 1).

Рис. 1. Кривые отверждения композиций состава:

1 - смола КАМФЭСТ-0102 + 10% измельченной ОБВ;

2 - ненаполненная полиэфирная смола КАМФЭСТ-0102

Установлено, что введение в состав полиэфирной смолы КАМФЭСТ-0102 измельченной ОБВ с размером частиц до 125 мкм в количестве до 66% масс. приводит к повышению разрушающего напряжения при изгибе на 70-80%, в то же время разрушающее напряжение при растяжении остается на исходном уровне (рис. 2).

Рис. 2. Влияние содержания измельченной ОБВ на разрушающее

напряжение при изгибе (1) и растяжении (2)

Установлена также зависимость разрушающего напряжения при изгибе и растяжении от размера частиц базальтового наполнителя. Уменьшение размера частиц измельченной ОБВ с 125 до 40 мкм не оказывает влияния на разрушающее напряжение при изгибе, приводя к двукратному увеличению разрушающего напряжения при растяжении (рис. 3).

Рис. 3. Влияние размера частиц измельченной ОБВ на разрушающее напряжение при изгибе (1) и растяжении (2)

При применении шпаклевок важной характеристикой являются как физико-механические показатели, так и возможность регулирования времени отверждения. Установлено (рис. 4), что на скорость отверждения высоконаполненной композиции сильное влияние оказывает концентрация инициатора - пероксида циклогексанона в трихлорэтилфосфате (ПЦГ), увеличение которой с 2 до 3% масс. от содержания смолы, сдвигает начало стадии отверждения с 12-15 до 2-4 мин. Количество предварительно введенного в состав смолы ускорителя - нафтената кобальта (УНК), представляющего собой стирольный раствор кобальтовых солей 2-этилгексановой кислоты или синтетических жирных кислот С₇-С₉ существенно влияет на характер кривых отверждения. Если при введенном ускорителе в количестве 3,5% масс. отверждение протекает интенсивно (кривые 1 и 3), то при содержании 2% полимеризация протекает сначала энергично, а затем замедляется, переходя в более плавный процесс (кривые 2 и 4).

Рис.4. Кривые отверждения высоконаполненной композиции (35% КАМФЭСТ 0102, 65% измельченная ОБВ) при различном содержании ускорителя и инициатора: 1 - 3,5% УНК, 3% ПЦГ; 2 - 2,5% УНК, 3% ПЦГ; 3 - 3,5% УНК, 2% ПЦГ; 4 - 2,5% УНК, 2% ПЦГ.

Определение оптимального состава проводили методом полного факторного эксперимента создано математическое описание в виде системы уравнений регрессии, устанавливающее зависимости прочностных характеристик базальтопластика от количества вводимого ускорителя и инициатора. Установлено, что на различные прочностные характеристики содержание инициатора и ускорителя оказывает разное влияние. Так, для таких свойств как разрушающее напряжение при растяжении и изгибе, ударная вязкость и относительное удлинение при разрыве увеличение содержания ускорителя действует отрицательно. Причем, влияние инициатора на разрушающее напряжение при растяжении и изгибе превышает влияние ускорителя. Кроме того, влияние содержания ускорителя и инициатора на разрушающее напряжение при изгибе носит нелинейный характер, о чем свидетельствует большое значение коэффициента уравнения регрессии при Х₁Х₂ в соответствующем уравнении.

Размещено на http://www.allbest.ru/

где Y₁- разрушающее напряжение при растяжении, МПа.;

Y₂ - разрушающее напряжение при изгибе, МПа.;

Y₃ - удлинение при растяжении, %; Y₄ - ударная вязкость, кДж/м².

Х₁ - содержание УНК, % Х₂ - содержание ПЦГ, %

Полученные данные хорошо согласуются с теорией, поскольку при увеличении содержания ускорителя и инициатора процесс отверждения протекает быстрее, в результате чего образуется композит с напряженной структурой, что отрицательно сказывается на его прочностных характеристиках [2].

Оценка конкурентоспособности разработанных шпатлевочных композиций проводилась путем сравнения их характеристик с аналогом, используемым для ремонта кузовов автомобилей. Разработанные составы базальтонаполненного материала по разрушающему напряжению при изгибе превышают выпускаемую промышленностью шпатлевку в 3,4 раза, по ударной вязкости - в 1,4 раза, модулю упругости - в 5,8 раза.

Проведенные расчеты экономической эффективности выпуска разработанных составов показывают, что полная себестоимость композиций составляет 65-70 руб/кг, в то время как розничные цены на аналогичную продукцию находятся на уровне 160-200 руб./кг. При сравнительно небольших затратах на создание производства при годовом объеме производства на уровне 100 тонн шпатлевки, отпускных ценах 125-130 руб/кг и рентабельности 70% прибыль составит 5 млн. рублей.

Список литературы

1. Автомобильный рынок России 2016 // Аналитическое агентство “Автостат” [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.autostat.ru/catalog/product/236/

2. Научно-технологические принципы создания полимерматричных композитов на основе приоритетных наполнителей с заданным комплексом свойств : монография / Устинова Т.П., Панова Л.Г., Кардаш М.М., Кадыкова Ю.А., Левкина Н.Л., Плакунова Е.В., Бурмистров И.Н. - Энгельс : Изд-во ЭТИ (филиал) СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2014. 111 с.

Размещено на Allbest.ru