CC BY
0М.А. Литвинова, преподаватель, e-mail: Litvinova-marianna@mail.ru Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления В.В. Хахинов, д-р хим. наук, проф., e-mail: khakhinov@mail.ru Бурятский государственный университет В.М. Сысуев, канд. техн. наук, ст. преподаватель Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
г. Улан-Удэ
УДК 691.17
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО ЭКСТРУЗИОННО-ПРОКАТНО-ФОРМОВОЧНЫМ МЕТОДОМ
Рассмотрена возможность использования технологии экструзионно-прокатно-формовочного метода для получения полимерных композиционных материалов. На лабораторной автоматизированной установке, позволяющей получать изделия, регулируемые по ширине и толщине, были изготовлены полимерные покрытия из промышленных отходов. Изделия соответствуют всем эксплуатационным и экологическим требованиям. Проведены экспериментальные работы по нанесению термостойких полимерных пленочных покрытий на различные поверхности, в том числе на полимер-песчаную подложку, и исследованы их свойства. Показана возможность применения данной технологии для получения новых композиционных материалов в качестве термо- и влагостойких покрытий. Оптимизированы состав и условия получения полимерных покрытий, изучены физико-механические свойства, разработана технология получения покрытий, устойчивых к перепадам температур.
Ключевые слова: экструзионно-прокатно-формовочный метод, полимерные материалы, композиты, полимер-песчаные подложки, черепица.
M.A. Litvinova, Lecturer V.V. Khakhinov, Dr. Sc. Chemistry, Prof.
V.M. Sysuev, Cand. Sc. Engineering
THE STUDY OF THE POLYMER COATING OBTAINED BY EXTRUSION-ROLLING-MOLDING METHOD
This article is about the possibility of using extrusion-rolling-molding technologies for producing polymer composite materials. polymer-sand tiles were made of industrial polymer products waste with filler from sawdust, slag and sand in a laboratory automated installation with a device that allows you to get layers that are adjustable in width and thickness of the coating. The products meet all operational and environmental requirements. Experimental work was carried out to obtain heat-resistant polymer film coatings on substrates of various surfaces. The possibility of applying this technology to produce new composite materials as thermo and fire resistant coatings is shown. The compositions and conditions for the preparation ofpolymer compositions have been optimized, the physical and mechanical properties have been studied, and a technology has been developed for the production of materials resistant to aggressive media and temperature extremes.
Key words: extrusion-rolling-molding method, polymeric materials, composites, polymer-sand substrates, tiles.
Введение
Появление на строительном рынке относительно дешевых полимерных материалов способствовало развитию индустрии композитных изделий, производство которых с каждым годом растет. С момента публикации одной из первых обзорных статей потребление различного рода полимер-композитных изделий строительного назначения за рубежом, а также в нашей стране, возросло в несколько раз [1]. Несомненно, что перспективность дальнейшего более широкого использования таких материалов зависит от улучшения технологии их переработки и производства, что отмечено авторами статей [2, 3].
Среди многообразия полимерных композиционных материалов особое место занимает производство кровельных и отделочных изделий на основе полимеров. К ним относится современная полимер-песчаная черепица, которая является устойчивой к перепадам температур, гниению и выцветанию. Однако она не востребована в связи с низкой технологичностью и высокой стоимостью.
Для снижения стоимости перспективно применение техногенных полимерных отходов, которые чаще всего используются для изготовления композиционных материалов с окрашиванием не по всему объему, а только его покрытия. Кроме того, в традиционных технологиях получения композиционных материалов на основе полимеров существуют еще и другие недостатки, среди которых низкая производительность, ограниченные размеры изделий. Для устранения недостатков традиционных промышленных методов была использована технология экструзионно-прокатно-формовочного метода, применение которой решает экологические проблемы [3].
Новая технология имеет следующие достоинства перед традиционными методами (прессование, литье, экструзия):
1. Возможность изготовления изделий произвольной формы.
2. Возможность вариации размеров по длине и ширине (от 20 см до 1 м и выше), по толщине (от 2 мм до 3 см).
3. Широкое функциональное назначение - возможность изготавливать различную продукцию на одном оборудовании (кровельные материалы, облицовочные плитки, тротуарные плитки).
4. Прокатный способ производства изделий позволяет повысить производительность примерно в 10 раз по сравнению с существующими методами изготовления полимер-песчаной черепицы из-за отсутствия необходимости использования специальных пресс-форм.
5. Снижение себестоимости за счет нанесения тонкого слоя (0,15 мм) окрашенного композиционного материала в сочетании с неокрашенной несущей частью изделия. В отличие от разрабатываемой линии существующие аналоги оборудования по производству полимер-песчаной черепицы используют красители по всему объему.
6. В процессе исследования предполагается создание новых композиционных материалов на основе полимерных и промышленных отходов для снижения веса при сохранении физических свойств: твердости, устойчивости к механическим повреждениям, низкой воспламеняемости.
7. Разрабатываемое оборудование за счет вариации качественного и количественного состава наполнителей позволит создать материалы, обладающие определенной гибкостью с сохранением высоких прочностных характеристик.
Цель исследования - рассмотреть возможность получения новых композиционных материалов с цветным полимерным покрытием с использованием экструзионно-прокатно-фор-мовочного метода.
Материал и методы исследований
Исходные материалы и методы получения полимерных композитов. В исследованиях для получения полимер-песчаной черепицы и покрытия использовали техногенные бытовые отходы (пластиковые бутылки).
В качестве наполнителя использовали песок и древесные опилки. Для окрашивания полимерных покрытий - классические красители типа Шикрил, Тиккурила и др.
Образцы перед проведением физико-механических испытаний обезжиривали этиловым спиртом и кондиционировали на воздухе не менее 3 ч. Исследования на предмет горючести проводились в сравнении с исходным полимером. Заключение о группе горючести делалось по результатам испытаний, проведенных в лаборатории по исследованию пожарной безопасности.
Методы исследования. Термические свойства материалов изучали с помощью деривато-графа <^-1500». Термомеханические испытания композиционных материалов проведены на высокоточной разрывной машине «Т^шп 1195» и приборе Цейтлина. Показатели разрушающего напряжения при сдвиге определяли согласно ГОСТ 14759-69, испытания на растяжение по ГОСТ 14236-81.
Результаты исследований и их обсуждение
На первом этапе были изготовлены полимер-песчаные подложки. Для получения композиционных материалов создана лабораторная автоматизированная установка, применение которой позволяет получать изделия, регулируемые по толщине (от 2 мм до 3 см) и ширине подложки (от 20 см до 1 м и выше) [4].
В отличие от используемых в настоящее время подобных технологических линий, данная установка позволяет равномерно прогревать исходное сырье по сечению полости и избегать пригаров и налипания на стенки полости контейнера. Расплав выдавливается на подложку, где с помощью гладильного каландра выравнивается поверхность, затем поступает на специальные валы, формирующие поперечную форму изделия. Нужную длину изделия автоматически регулирует устройство поперечной резки.
Техническим результатом эксперимента является изготовление плоских и профильных плит различной длины и формы. Была исследована возможность получения полимер-песчаных подложек из бытовых отходов [4, 5].
На втором этапе были изготовлены окрашиваемые полимерные покрытия подложки, регулируемые по толщине (от 0,15 до 5 мм), которые, при необходимости, можно будет хранить в виде рулонов. Продукция соответствует всем эксплуатационным и экологическим требованиям. Температура экструдера соответствовала 250-300 °С, что позволило полностью расплавить исходный полимер.
Далее проведены экспериментальные работы по нанесению термостойких полимерных покрытий на подложки, полученные на первом этапе (рис.).
Рисунок - Опытный образец
Прочность адгезии пленок определяли по показателю разрушающего напряжения при сдвиге (табл. 1). Для сравнения прочности использовали ранее полученные результаты исследований [6].
Таблица 1
Адгезия полимерного покрытия к различным подложкам
Вид подложки Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа
20°С* 50°С -20°С**
Алюминий 14,1 13,9 14,3
Оцинкованное железо 12,6 12,2 12,7
Новый композиционный материал 15,4 15,8 14,8
* Экспозиция при температуре +20°С в течение 24 ч; **Экспозиция при температуре -20°С в течение 24 ч.
Проведенные эксперименты показали, что адгезионная прочность полимера к различным подложкам на основе алюминия, оцинкованного железа и композиционных материалов при комнатной температуре сопоставима с промышленными полиамидами, а при повышении температуры, так же как и при экспозиции, практически не изменяется [7].
Образцы имели высокую твердость до 500 МПа, показатель разрушающего напряжения при изгибе аналогичен промышленным полиамидам. Значения кислородного индекса исследованных пресс-изделий превышают показатели промышленных полиамидных изделий на 2530% и сопоставимы с исходным полимером. Исследования пожарной безопасности показали, что образцы относятся к самозатухающим, по значению максимального приращения температуры - А < 60 °С и потере массы Ат < 60%, их можно отнести к трудногорючим. В свою очередь, горючие материалы в зависимости от времени достижения максимальной температуры тк средней воспламеняемости имеют показатель 0,5 < т < 4 мин (табл. 2).
Таблица 2
Результаты испытаний горючести
Образец Начальная температура испытаний Максимальная температура появления газообразных продуктов горения Время достижения температуры горения Масса образца до испытания Масса образца после испытания
То, оС Т оС Т т^ С 1, мин тн, г тк, г
Подложка на основе полимера 20 180 3,25 0,66 0,40
Новый композиционный материал 20 180 3,15 0,72 0,44
Определение физико-механических свойств полимер-печаной черепицы с полимерным покрытием определяли по ГОСТ 14236-81. Показатели при растяжении не ухудшилась в сравнении с данными [6, 7], немного ниже оказался показатель модуля упругости.
Испытания показали, что покрытие обладает защитными свойствами, обеспечивающими длительную сохранность в различных условиях эксплуатации. Они не подвержены гидролизу, устойчивы к перепадам температур, гниению и выцветанию.
Водопоглощение для полученного изделия определяли по методам ГОСТ 7025-91 в сравнении с пленками на основе полиамидобензимидазолов (ПАБИ) (табл. 3).
Таблица 3
Гидрофизические свойства полимерных покрытий
Полимер Время выдержки, ч Водопоглощение по массе, %
свободная пленка пленка на подложке
алюминий оцинкованное железо Композиционный материал
ПАБИ 1 0,5 0,4 0,4 -
24 5,1 4,7 4,5 -
Новое покрытие 1 0,6 0,4 0,4 0,4
24 5,0 4,6 4,4 4,5
Результаты исследования показали, что водопоглощение пленок за 1 ч выдержки и за 24 ч имеет почти одинаковые значения. Надо отметить, что водопоглощение пленки нового покрытия мало зависит от материала подложки, а также незначительно отличается от водопо-глощения свободной пленки. Следовательно, у нового изделия снижается расход красителя при сохранении эстетических свойств, а также увеличивается его долговечность.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования показали, что технология экструзионно-прокатно-формовочного метода является перспективной для строительной индустрии. Производство новых композиционных изделий позволит удешевить конечный продукт за счет окрашивания поверхностного слоя, слой подложки более тонкий по сравнению с традиционными полимер-песчаными черепицами. Исследования показали, что готовые изделия можно использовать в качестве термо- и огнестойких кровельных покрытий.
Библиография
1. Баринова Л.С. Тенденции развития промышленности строительных материалов за рубежом // Строительные материалы. - 2004. - № 11. - C. 2-6.
2.МихайлинЮ.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. - 2-е изд. - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. - 822 с.
3. Хозин В.Г. Реальные границы и перспективы эффективного применения полимеров в строительстве // Полимеры в строительстве. - 2014. - № 1 (1). - URL: http://polymer.kgasu.ru/files/n1-1-2014-vypusk-17.03.pdf (дата обращения 27.04.2018).
4. ЛитвиноваМ.А., СысуевВ.М., ШираповД.Ш. Создание строительных изделий на основе композитных материалов с использованием полимерных отходов // Новые задачи технических наук и пути их решения. - 2014. - C. 29-32.
5. Сысуев В.М., Литвинова М.А., Итигилов Г.Б. Решение экологических проблем полимерных отходов за счет использования для производства строительных материалов // Техника и технология: новые перспективы развития. -2014. - C. 176-178.
6. Хахинов В.В., Ильина О.В. Полимерные композиционные материалы на основе полиамидобен-зимидазолов // Строительные материалы. - 2014. - № 12. - C. 65-67.
7. Хахинов В.В., Ильина О.В. Исследование свойств полимерных и пленочных материалов на основе полиамидобензимидазолов // Пластические массы. - 2016. - № 11-12. - C. 39-42.
8. Генис А.В., Якушенок Г.Н., Коннова Н.Ф. Рынок полиамидов: cмена приоритетов // Пластикс. - 2009. - № 1-2 (71-72). - С. 26-31.
9. Генис А.В., Усов В.В. Состояние и перспективы развития мирового и российского рынка полиамидов // Пластические массы. - 2008. - № 7. - C. 3-6.
10. Функ А., Каминский В. Полимерные композиты // Нанотехнологии. - 2007. - № 4. -С.906-915.
11. Clemons С. Модифицированные эластомером полипропилен-полиэтиленовые смеси в качестве матриц для древесно-мукомольно-пластиковых композитов // Композиты: Часть А. - 2010. -Вып. 41. - С. 1559-1569.
12. Ильина О.М., Хахинов В.В. Термические свойства полимерных материалов на основе поли-бензимидазолов // Строительные материалы. - 2004.- № 7. - C. 64-65.
Bibliography
1. Barinova L.S. Tendencies of development of the building materials industry abroad // Stroitel'nye Materialy. - 2004. - N 11. - Р. 2-6. (In Russian).
2. Mikhailov Yu.A. Structural polymer composite materials. - 2nd ed. - SPb.: Scientific basis and technology, 2010. - 822 p. (In Russian).
3. Khozin V.G. Real borders and prospects for effective use of polymers in construction // Polymery v stroitelstve. Scientific Internet-journal. - 2014. - N 1 (1). - URL: http://polymer.kgasu.ru/files/n1-1-2014-vypusk-17.03.pdf (date of acces 27.04.2018). (In Russian).
4. Litvinova M.A., Sysuev V.M., Shirapov D.Sh. Creation of building products based on composite materials using polymer waste // New problems of technical sciences and ways to solve them. - 2014. - P. 29-32 (In Russian).
5. Sysuev V.M., LitvinovaM.A., Itigilov G.B. Solution of environmental problems of polymer waste by using it for the production of building materials // Technology and technology: new development prospects. -2014. - P. 176-178. (In Russian).
6. Khakhinov V.V., Ilyina O.M. Polymer composites based on polyamidobenzimidazoles // Stroitel'nye Materialy. - 2014. - N 7. - P. 65-67. (In Russian).
7. Khakhinov V.V., Ilyina O.M. Investigation of the properties of polymer and film materials based on polyamidobenzimidazoles // Plastic masses. - 2016. - N 11-12. - P. 39-42. (In Russian).
8. Genis A.V., Akulenok G.N., Konnova N.F. The market for polyamides: a change of priorities // Pas-tics. -2009. - N 1-2 (71-72). - P. 26-31. (In Russian).
9. Genis A.B., Usov V.V. State and prospects of development of world and Russian market of polyamides // Plastic masses. - 2008. - N 7. - P. 3-6. (In Russian).
10. FunckA., Kaminsky W. Polymer composites // Nanotechnology. - 2007. - N 4. - P. 906-915.
11. Clemons С. Elastomer modified polypropylene-polyethylene blends as matrices for wood flour-plastic composites // Composites: Part A. - 2010. - Vol. 41. - P. 1559-1569.
12. Khakhinov V.V., Ilyina O.M. Thermal properties of polymeric materials on the basis of polybenzim-idazoles // Stroitel'nye Materialy. - 2004. - N 7. - P. 64-65. (In Russian).
