CC BY
34
УДК 691.175.2
Б01: 10Л7277/уе81тк.2019.01.рр.142-148
ДРЕВЕСНО-НАПОЛНЕННЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ
Н. О. Новикова, В. П. Ярцев
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия; kzis@nnn.tstu.ru
Ключевые слова: композит; пеллеты; ресурсосбережение; физико-механические характеристики; эпоксидная смола.
Аннотация: Рассмотрена возможность использования древесных гранул (пеллет) в качестве заполнителя в полимерных композитных материалах. Для различных составов, приготовленных в соответствии с симплекс-решетчатым планом эксперимента, исследованы прочность на изгиб и сжатие в зависимости от смесе-вых факторов твердой фазы. Построены математические модели и с их помощью установлены оптимальные соотношения компонентов смеси.
Создание, разработка и использование экологичных и надежных строительных материалов является на данный момент актуальным. Тема экологии стоит остро, поскольку в мире много неиспользуемых отходов. Например, в России нет разделения мусора, практически отсутствуют мусоросортировочные заводы и предприятия по его переработке (на переработку идут только 4 % из общего объема отходов [1]). Ежегодно в крупных городах образуется более 5 млн т отходов, которые просто свозят на полигоны или закапывают в землю [2].
Удельная доля древесных отходов в общей доле мусора составляет 15 - 22 %. Их утилизация могла бы помочь разгрузить мусорные полигоны, решить задачи охраны окружающей среды и принести прибыль. Древесина относится к биораз-лагаемым материалам, если не пропитана специальными составами, тем не менее ее отходы опасны для окружающей среды. В местах их скопления активно развиваются грибок, плесень, различные насекомые (например, жуки-короеды, клещи). Такая свалка опасна и с точки зрения противопожарной безопасности.
Одним из методов, позволяющих решить этот вопрос, является производство гранул (пеллет). Технология производства проста (сырье измельчают до состояния муки, сушат, в пресс-грануляторе сжимают в гранулы и охлаждают полученный материал), а в качестве сырья идут некачественная древесина, древесные отходы, кора, опилки и другие отходы лесозаготовки [3].
В данной работе предлагается использовать древесные гранулы в качестве заполнителя при изготовлении композитного материала, в качестве связующего -термореактивные смолы. Синергия древесины и полимера уже давно известна и хорошо себя зарекомендовала (ДСП, ДВП, МДФ, фанера, модифицированная полимерами древесина и т.п.).
Для приготовления образцов в качестве вяжущего использована эпоксидно-диановая смола марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84). Для ее отверждения применялся отвердитель марки ПЭПА (полиэтиленполиамин), соответствующий требованиям
ТУ 2413-214-00203312-2002. Соотношение смола : отвердитель, согласно рекомендациям завода-изготовителя, равно 1 : 10. Расход смолы в смеси изменялся согласно плану эксперимента в зависимости от содержания других компонентов в трехкомпонентной смеси «смола - песок - пеллеты».
В качестве заполнителя использовались древесные гранулы (пеллеты), изготовленные из опилок сосновых пород, а также измельченный в вибровращательной шаровой мельнице песок.
Для определения физико-механических характеристик (прочности на изгиб Яизг, МПа, и центральное сжатие Ясж, МПа) изготовлены образцы в форме бало-чек 20^20x120 мм по три образца-дублера в каждой партии. Готовая смесь после формования отправлялась в термокамеру. В течение двух часов при температуре 100 °С образцы выдерживали в камере, а затем их охлаждали до комнатной температуры.
Экспериментальное определение прочности образцов на изгиб и центральное сжатие выполнялось согласно методикам по ГОСТ 10180-2012. Эксперимент реализован в соответствии с симплекс-решетчатым планом типа «состав - свойство» для q = 3 переменных, включающего N = 7 опытов (табл. 1) [4]. Данный план предусматривает определенный порядок реализации измерений и разработку математической модели в виде неполного полинома второй степени.
Для экспериментальных исследований реализован трехфакторный план, где факторами являются смола х\, песок и пеллеты 23, а целевыми функциями -прочность на сжатие, изгиб, плотность.
В каждой точке такого плана должно выполняться условие [4]
+ 22 + 23 = 1
Используя полученную по результатам измерений модель, предполагалось выполнить поиск оптимальных значений рассматриваемых факторов (удельного веса каждого компонента твердой фазы), обеспечивающих наивысшую прочность исследуемых образцов. В выбранном плане каждый из факторов рекомендуется рассматривать на четырех уровнях: 0; 0,333; 0,5; 1.
Результаты эксперимента приведены в табл. 2, где при исследовании прочности образцов на изгиб дисперсия: = 1,503, £ ^ = 8,073, 5с2р = 1,153; на сжатие: = 1,945, £ ^ = 6,776, 5с2р = 0,968.
Таблица 1
План эксперимента и уровни изменения рассматриваемых факторов
Номер опыта Z1 Z2 Z3 X1 смола X2 песок X3 пеллеты
1 1 0 0 0,7 0 0,3
2 0 1 0 0,5 0,2 0,3
3 0 0 1 0,5 0 0,5
4 0,5 0,5 0 0,6 0,1 0,3
5 0,5 0 0,5 0,6 0 0,4
6 0 0,5 0,5 0,5 0,1 0,4
7 0,333 0,333 0,333 0,566 ~ 0,57 0,066 ~ 0,07 0,36
Таблица 2
Результаты исследования прочности образцов на изгиб Й1ВГ и сжатие /?сл;, МПа, в зависимости от выбранных факторов
ся ся 2
Ш
Н -1 н
н
о
н
о
и
н ся Н
с;
Номер опыта
21
22
23
Прочность при изгибе . МПа
экспериментальная
средняя
Дисперсия,
Прочность при сжатии Нсж. МПа
экспериментальная
средняя
Дисперсия,
24,832
70,894
71,500
23,885
23,895
0,869
69,960
69,300
22,968
71,000
70,490
70,524
0,627
20,832
81,760
81,200
22,782
21,989
1,051
81,570
82,000
22,355
78,960
79,000
80,748
1,945
6,926
65,670 66,180
8,569
7,988
0,850
64,770
65,430
65,870
66,100
65,670
0,271
ся ся 2
Ш
H -1 H
H о
H
I
о S
и
H ся H
с;
0,5
0,5
19,724
17,725
17,495
56,000
55,790
18,314
1,503
57,720
58,250
58,000
57,430
57,198
1,099
0,5
0,5
14,064
16,192
15,062
62,700
65,000
15,106
1,133
65,230
64,970
64,840
64,780
64,587
0,879
0,5
0,5
0,333
0,333
0,333
12,182
13,050
14,505
14,015
12,758
11,748
65,600
66,720
13,246
1,377
66,890
67,500
65,000
12,841
1,290
64,300 77,200 76,638 77,800 77,350 78,420 76,810
66,002
1,522
77,370
0,433
По данным табл. 2 (прочность на изгиб) построен график в виде изолиний рассматриваемой зависимости в координатах псевдофакторов zi (рис. 1, а), согласно которому наивысшая прочность на изгиб в данном эксперименте получена в точке 1 и равна 23,895 МПа. Данное значение получено при соотношении смола : песок : пеллеты = 1 : 0 : 0.
Наименьшая прочность на изгиб полимерных образцов находится в точке 3 (У\ = 7,988 МПа). Для данной точки характерно большое количество пеллет. Очевидно, что при уменьшении числа гранул в полимерной смеси получается более прочный материал.
Рассмотрим область наивысших прочностных показателей (между точками 1 и 2). Из рисунка 1, а, видно, что в точке 4 данного треугольника можно получить прочность на изгиб в диапазоне 18...20 МПа. В то же время, двигаясь от нее вправо или влево, можно получить материал прочнее.
а)
б)
Рис. 1. Прочности на изгиб Лизг, МПа, (а) и сжатие Лсж, МПа, (б) полимерных образцов в зависимости от содержания компонентов в координатах псевдофакторов:
смола ZJ, песок z2, пеллеты z3
Следовательно, для получения повышенной прочности на изгиб следует выбирать смеси с соотношением смола : песок : пеллеты = 1 : 0 : 0; 0,9 : 0,1 : 0; 0,8 : 0,2 : 0; 0,7 : 0,3 : 0; 0,2 : 0,8 : 0; 0,1 : 0,9 : 0; 0 : 1 : 0. Между точками 1 и 5 это будет соотношение смеси, равное 0,9 : 0 : 0,1, между точками 2 и 6 - 0 : 0,9 : 0,1.
По данным табл. 2 (прочность на сжатие) построен график в виде изолиний рассматриваемой зависимости в координатах псевдофакторов (рис. 1, б), из которого видно, что наивысшая прочность на сжатие ¥2 получена в точке 2 и равна 80,748 МПа. Область наивысших прочностей располагается около точки 7 и снижается к точке 2. Замечено, что при движении из точки 22 в когда количество песка в полимерной смеси уменьшается, а количество пеллет увеличивается, начиная с соотношения компонентов смеси смола : песок : пеллеты - 0 : 0,8 : 0,2, наблюдается снижение прочности на сжатие.
Высокое значение прочности на сжатие можно получить, используя рецептуру соотношения компонентов, полученную между точками 1 и 5, а именно соотношение компонентов равное, например, 0,75 : 0 : 0,25. Выбирать соотношения компонентов из этой области более рационально, поскольку в данном промежутке не наблюдается такой резкий скачок прочности на сжатие, который замечен в области между точками 2 и 6.
Наименьшая прочность полимерных образцов на сжатие наблюдается в области-треугольнике точек 3, 5, 6, для которой характерно большое содержание гранул (пеллет). Также идет снижение прочности материала на сжатие в точке 4, где имеет место равное содержание двух факторов (смола и песок).
Учитывая полученные результаты по физико-механическим характеристикам материала, данный композит на основе эпоксидной смолы можно использовать в качестве конструктивного материала для несущих и самонесущих конструкций. Например, изготавливать фундаментные блоки для малоэтажного жилого строительства или, учитывая стойкость эпоксидных композитов к агрессивным средам, применять при строительстве зданий и сооружений, в которых может быть такое воздействие на конструкции.
Список литературы
1. Мусорная статистика: в России перерабатываются только 4 % отходов [Электронный ресурс] // Информационно-аналитический интернет-портал «МИР 24». - Режим доступа : https://mir24.tv/news/16268644/musornaya-statistika-v-rossii-pererabatyvayutsya-tolko-4-othodov (дата обращения: 25.12.2018)
2. Пути отходов [Электронный ресурс] // Электрон. журнал «Вокруг света». -Июль, 2012. - Режим доступа : http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/7755 (дата обращения: 25.12.2018)
3. Что такое пеллеты [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://woodheat.ru/pellet.html (дата обращения: 25.12.2018)
4. Зедгинидзе, И. Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем / И. Г. Зедгинидзе. - М. : Наука, 1976. - 390 с.
Wood-Filled Epoxy Resin Composite
N. O. Novikova, V. P. Yartsev
Department of Buildings and Structures, TSTU, Tambov, Russia; kzis@nnn.tstu.ru
Keywords: composite; pellets; resource saving; physical and mechanical characteristics; epoxy resin.
Abstract: The possibility of using wood pellets as a filler in polymer composite materials is considered. For different compositions prepared in accordance with the simplex-lattice plan of the experiment, the flexural and compressive strengths were investigated depending on the mixed factors of the solid phase. Mathematical models were constructed and with their help the optimum ratios of the mixture components were established.
References
1. https://mir24.tv/news/16268644/musornaya-statistika-v-rossii-pererabatyvayutsya-tolko-4-othodov (accessed 25 December 2018)
2. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/7755 (accessed 25 December 2018)
3. http://woodheat.ru/pellet.html (accessed 25 December 2018)
4. Zedginidze I.G. Planirovanie eksperimenta dlya issledovaniya mnogokompo-nentnykh sistem [Planning an experiment to study multicomponent systems], Moscow: Nauka, 1976, 390 p. (In Russ.)
Holzgefüllter Verbundstoff auf Basis von Epoxidharz
Zusammenfassung: Es ist die Möglichkeit betrachtet, Holzpellets als Füllstoff in Polymerverbundwerkstoffen zu verwenden. Für verschiedene Zusammensetzungen, die gemäß dem Simplex-Gitter-Plan des Experiments hergestellt worden sind, sind die Biege- und Druckfestigkeiten in Abhängigkeit von den Mischfaktoren der Festphase untersucht. Es sind mathematische Modelle erstellt und mit deren Hilfe die optimalen Mischungsverhältnisse festgelegt.
Composite rempli de bois à la base de résine époxy
Résumé: Est envisagée la possibilité d'utiliser des granulés de bois comme remplisseur dans des matériaux composites polymères Pour de différentes compositions préparées selon le plan simplex-treillis de l'expériencesont étudiées la résistance à la flexion et celle à la compression en fonction des facteurs de mélange de la phase solide. Sont construits les modèles mathématiques et sont établis des rapports optimaux des composants dans le mélange.
Авторы: Новикова Наталья Олеговна - магистрант; Ярцев Виктор Петрович - доктор технических наук, профессор кафедры «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
Рецензент: Леденёв Виктор Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВО «ТГТУ», г. Тамбов, Россия.
