CC BY
8
УДК 666.189.2
Пустынников И.В., Нистратов А.В., Клименко Н.Н., Сивков С. П.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО СТЕКЛОВОЛОКНА ДЛЯ ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Пустынников Игорь Викторович, магистрант 2-го года обучения факультета биотехнологии и промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева
Нистратов Алексей Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева Клименко Наталия Николаевна, к.т.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева, [email protected]
Сивков Сергей Павлович, к.т.н., доцент кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева
ФГБОУ ВО «РХТУ им. Д.И. Менделеева», 125047 Россия, Москва, Миусская пл. д.9
В работе произведена оценка перспективности использования вторичного стеклянного волокна для армирования изделий на основе строительного гипса и перлита. Изучено влияние дисперсного армирования на показатели прочности материала при сжатии и изгибе.
Ключевые слова: вторичное стеклянное волокно, строительный гипс, дисперсное армирование, пределы прочности.
THE USE OF SECONDARY FIBERGLASS FOR DISPERSED REINFORCEMENT OF CONSTRUCTION ELEMENTS
Pustynnikov I. V., Nistratov A.V., Klimenko N.N., Sivkov S. P., D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The paper evaluates the prospects of using secondary glass fiber for reinforcing of products from construction gypsum, perlite and plasticizer. The influence of dispersed reinforcement on the compression and bending strength of the material has been studied.
Keywords: secondary glass fiber, building gypsum, dispersive reinforcement, strength limits.
Введение
На экологическую ситуацию негативно влияет рост количества отходов полимерных композиционных материалов (ПКМ): угле- и органопластиков с общим объемом выпуска в России около 118 тыс. тонн (2020 г.) [1]. Существуют различные методы решения проблемы накопления указанных отходов, такие как размещение на технически оборудованных полигонах, сжигание и переработка во вторичное сырье, осуществляемая механическим, термическим и химическим путем [2]. Обобщённое сопоставление преимуществ и недостатков, а также применимости рассмотренных методов утилизации представлено в табл. 1.
Направление переработки отходов становится востребованным благодаря возможности извлечения и повторного использования армирующих волокон, производство которых весьма дорого и энергозатратно. С учетом повышенных физико-механических
воздействиям окружающей среды проблема их утилизации приобретает и особую экологическую актуальность.
Один из основных векторов развития современной экономики - это комплексная переработка отходов производства с целью использования их ценных компонентов в дальнейшем, например, в строительных материалах. Так как потребность в качественных материалах с каждым днем растет, возрастают и требования к их свойствам. Важным направлением развития современного строительного
материаловедения является разработка новых видов композитных материалов с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. С точки зрения энерго- и ресурсоэффективности производства строительный гипс, промышленные минеральные отходы и щелочные связующие являются перспективными [3], вызывают повышенный интерес со стороны строительной индустрии.
характеристик ПКМ и их стойкости к внешним
Таблица 1. Рекомендации по выбору методов утилизации отходов ПКМ
Метод утилизации отходов ПКМ Преимущества Недостатки Рекомендуемый тип ПКМ
Механические простая аппаратура, регулирование размера продуктов, отсутствие отходов (кроме пыли) высокие энергозатраты, невозможность выделения и повреждение волокон угле-, стекло-, органопластики (кроме сверхвысоко-модульных типов)
Химические выделение и сохранение свойств углеродных и стеклянных волокон, регенерация мономеров матрицы (отдельные случаи) затраты растворителей матрицы и энергии, сложное оборудование, утилизация продуктов растворения матрицы угле- и стеклопластики
Термические универсальность, простота аппаратуры, выделение углеродных и стеклянных волокон высокие затраты энергии (топлива), снижение свойств волокон, обезвреживание продуктов деструкции матрицы угле- и стеклопластики, органопластики (без сохранения волокон)
Однако, строительный гипс не обеспечивает достижения высоких показателей прочности изготавливаемых из него изделий. Повышение прочности таких материалов с минимальными экономическими затратами возможно путём их дисперсного армирования, а в качестве армирующих элементов могут выступать вторичные волокна. Прочностные свойства вторичного (выделенного из отходов) стекловолокна обычно на 5-50 % ниже по сравнению с первичным волокном в зависимости от атмосферы, длительности и оборудования процесса [4], однако все ещё достаточны для многих направлений использования.
Для изучения этой проблемы необходимо проведение экспериментов, направленных на определение размера и концентрации стекловолокна, выделяемого из отходов стеклопластика, а также оптимизацию состава сырьевой смеси с целью получения прочных и долговечных композиционных материалов строительного назначения.
Целью данной работы была оценка перспективности использования вторичного стеклянного волокна (ВСВ) для армирования материалов строительного назначения на основе строительного гипса и перлита с использованием пластифицирующей добавки.
Экспериментальная часть В работе использовали отход стеклопластика, который образуется при утилизации оргтехники в «Фонде рационального природопользования» в виде деталей из композитных материалов PPE+PS-H1 (тип GF+PS). Вторичное стекловолокно получали путём термической обработки отходов стеклопластика на воздухе при 600 °С. Полученное из указанного отхода волокно представляет собой порошок, который состоит из стекловолоконных фрагментов диаметром 12-13 мкм и длиной порядка 100 мкм (рис. 1).
Рис. 1. Продукт термической переработки деталей оргтехники из стеклопластика; слева -внешний вид, справа - СЭМ с увеличением х500 Данное стекловолокно из оргтехники хорошо перемешивается с сухими компонентами, тем самым равномерно распределяется по всей смеси. Добавление вторичного стекловолокна к сырью (масс. %: перлит -70, гипс со стекловолокном - 30) вели в количестве 0,5, 1, 1,5% от общей массы сырьевой смеси. Полученные при добавлении воды композиции отверждали на воздухе в течение 2 ч и сушили при 70-80 °С 1 час. Для них многократным повторением определяли пределы прочности при сжатии и изгибе по ГОСТ 310.4-81. Полученные результаты позволяют сделать выводы о возможности применения вторичного стекловолокна для армирования строительных материалов (таблица 2).
Таблица 2. Прочность композиционного материала с
добавлением вторичного стекловолокна (ВСВ)
Добавка ВСВ, масс. %
Прочность, МПа 0 0,5 1 1,5
Сжатие 2,8 2,2 4,3 1,3
Изгиб 2,8 3,1 2,8 2,9
При добавке стекловолокна 0,5 % пределы прочности изменились по-разному: при сжатии снизился на 21%, при изгибе - повысился на 11 %. Образцы с добавлением 1 % стекловолокна резко увеличили свою предельную прочность при сжатии -на 54%. Введение 1,5 % стекловолокна не повлияло на прочность при изгибе, но, наоборот, заметно снизило прочность при сжатии - на 54%.
Обобщая результаты дисперсного армирования гипсовых изделий, следует отметить сложное влияние добавки наполнителя на прочностные свойства гипсовых композитов. Отмеченные положительные эффекты, по-видимому, связаны с адгезией стеклянных волокон и матрицы и распределением нагрузки по ним (химических предпосылок их взаимодействия нет). Снижение прочности при сжатии материала может быть обусловлено его разрыхлением или неравномерным распределением волокон.
Таким образом, в работе показана возможность изготовления армированных гипсовых изделий с использованием стекловолокна, регенерированного из отходов стеклопластика, и установлено оптимальное его количество (1 масс. %), повышающее предел прочности при сжатии как основной показатель качества. Выяснение механизма взаимодействия компонентов системы требует дополнительных исследований.
Исследования выполнены на оборудовании кафедры химической технологии стекла и ситаллов, кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов и Центра коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева в рамках государственного контракта №13.ЦКП. 21.0009.
Список литературы
1. Хрульков А.В., Гусев Ю.А., Мишкин С.И., Дориомедов М.С. Эффективность утилизации композиционных материалов. Новости материаловедения. Наука и техника. 2016. № 6 (24), с. 69-74.
2. Петров А.В., Дориомедов М.С., Скрипачев С.Ю. Технологии утилизации полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн., 2015. № 8. Ст. 09. Режим доступа: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.09.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-8-9-9.
3. Клименко Н.Н., Нистратов А.В., Киселева К.И., Делицын Л.М., Сигаев В.Н. применение вторичного углеродного волокна для армирования композиционного материала на основе щелочеактивированного доменного шлака. Стекло и керамика. 2020. № 11. С. 28-31.
4. Sankar Karuppannan Gopalraj &Timo Kärki. A review on the recycling of waste carbon fibre/glass fibre-reinforced composites: fibre recovery, properties and life-cycle analysis, SN Applied Sciences volume 2, Article number: 433 (2020), https://doi.org/10.1007/s42452-020-2195-4.
