CC BY
9УДК 678.01
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНОГО БАЗАЛЬТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИОЛЕФИНОВ
А.З. Бекешев, П.А. Бредихин, М.К. Акметова, Ю.А. Кадыкова, С.В. Арзамасцев
Анализ тенденций развития работ и технологий получения новых полимерных композиционных материалов показал, что традиционные методы синтеза полимеров — во многом исчерпали себя и вероятность появления полимеров с характеристиками, существенно превосходящими достигнутый известный уровень, значительно уменьшилась. Поэтому модификация полимерных композиционных материалов — интенсивно развивающееся направление, позволяющее на основе известных полимеров разрабатывать технологии получения качественно иных материалов с комплексом улучшенных физико-химических и эксплуатационных свойств[1]. Наиболее эффективным вариантом достижения поставленной задачи является создание полимерматричных композитов (ПМК) наполненных дисперсными минеральными наполнителями. Для создания конкурентоспособного ПМК необходимо его удешевление без ухудшения характеристик, что возможно за счет применения дешевых наполнителей, таких, как базальт и его производные. Базальт и изделия из него обладают повышенной прочностью, высокими химическими свойствами, огнестойкостью, долговечностью, звуко- и теплоизоляционными свойствами.
Ключевые слова: полиэтилен, полипропилен, дисперсный базальт, механические свойства, термостойкость, химический состав, электронная микроскопия.
В данной работе использован базальт Булатовского карьера Архангельской области, химический и фазовый состав которого, исследованный на рентген флуоресцентном спектрометре, приведен в табл.1 и 2.
Таблица 1 - Химический состав базальта
Компонент Содержание, % масс.
Оксид кремния SiO2 47,0 - 47,5
Оксид железа Fe2Oз 10,3 - 10,4
Оксид железа FeO 0,16 - 0,20
Оксид магния, MgO 16,3 - 16,4
Оксид алюминия АЮз 11,2 - 11,4
Оксид натрия, Na2O 1,53 - 1,55
Оксид калия, К2O 0,33 - 0,34
Оксид кальция, CaO 8,94 - 9,23
Оксид серы, SOз менее 0,05
Оксид титана TiO2 0,57
Оксид марганца MnO 0,19 - 0,20
П.п.п. (потери при прока- 2,04 - 2,08
ливании)
Дисперсный базальта исследован также на электронном микроскопе Phenom с интегрированной системой энергодисперсионной спектроскопии, позволяющей проводить анализ химического состава. Из рисунка 1, что, измельченный на шаровой мельнице в течении 3 часов, базальт имеет разброс по размерам частиц от ~1 до 140 мкм, что подтверждается данными полученными на лазерном
дифракционном анализаторе размера частиц (рисунок 2).
Таблица 2 - Фазовый состав базальта
№ Минеральная фаза Содержание, % масс.
1 Амфибол [Ca,Na]2[Fe2+ ^е2+,Мд]2^ ,А1] 8O22[OH]2 62
2 Хлорит [Мд, А1^е]12^,А1]8О20][ОН]1б 7
3 Гидрослюда К20^Мд0^4АЬ0з^Ю2^Н20 5
4 Плагиоклаз [Ca,Na][AhSi2O8] 5
5 Пироксен Са,Мд^208] 5
6 Кварц SiO2 2
7 Гематит Fe2Oз 2
8 Рентгеноаморфная фаза остальное
Рисунок 1 - Электронная микроскопия базальта с анализом его химического состава
Рисунок 2 - Разброс частиц базальта по размерам.
Удельные поверхности частиц измельченного базальта, определенные многоточечным методом Брунауэра-Эммета-Тейлора, от степени измельчения существенно не зависят (таблица 3).
Площадь поверхности пор дисперсного базальта высокая и составляет свыше 5 см2/г (рисунок 3), а объем пор достигает 0,016 см3/г (рисунок 4). Оба эти показателя лишь незначительно увеличиваются с увеличением диаметра пор.
Таблица 3 - Площадь ности частиц базальта
удельной поверх-
Размер частиц базальта Удельная поверхность частиц, м2/г Коэффициент корреляции определения удельной поверхности
50-140 мкм 8,82 0,999
менее 50 мкм 9,18 0,999
Диаметр пор, им
Рисунок 3 - Интегральная кривая зависимости площади внутренней поверхности пор базальта от их диаметра
Анализ дифференциальных кривых зависимости площади поверхности пор показывает наличие в составе базальта в основном микро- и мезопор с площадью поверхности от 0,2 до 0,45 см2/г (рисунок 5).
Химические и физические характеристики наполнителей влияют на прочностные показатели наполненных композиций.
Диаметр пор: нм
Рисунок 4 - Интегральная кривая зависимости объема пор измельченного базальта от их диаметра
Рисунок 5 - Дифференциальная кривая зависимости площади поверхности пор от их диаметра для измельченного базальта
Для получения композиционного материала полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП) наполняли 40 масс.ч. базальта с размером частиц <140 мкм.
Как видно из рисунка 6 и 7, базальт равномерно распределяется внутри связующего, на поверхности полимерматричного композита обнаружен только углерод.
Рисунок 6 - Полипропилен, наполненный дисперсным базальтом
Проведенные испытания в режиме одноосного растяжения образцов термопластов на основе полиэтилена и полипропилена с 40 масс.ч. дисперсного базальта позволили определить модуль упругости Е, предел пластичности стп, разрушающее напряжение при
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНОГО БАЗАЛЬТА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИОЛЕФИНОВ
растяжении стр и относительное разрывное удлинение ер. Полученные результаты представлены в таблице 4 и на рисунке 8 и 9.
Рисунок 7 - Полиэтилен, наполненный дисперсным базальтом
Таблица 4 - Механические свойства ПМК на основе базальтонаполненных полиолефи-нов
Состав ПМК, масс.ч. Свойства материала
Е, МПа СТп, МПа СТр, МПа ер, %
100 ПП 1290± 221 - 24,8± 4,71 6,2± 0,71
100 ПП+ 40 баз. 1970± 132 - 21,5± 2,66 4,33± 0,67
100 ПЭ 303+ 36 10± 0,12 12,4± 0,41 380±1
100 ПЭ+ 40 баз. 524± 20 11,4 ± 2,01 9,88± 1,42 250± 0,75
деформация, %
Рисунок 8 - Механические свойства базальтонаполненного ПП
Введение базальта в термопластичные полимеры приводит к повышению модуля упругости. При этом введение базальта в полиэтиленовые композиты наблюдается незначительное снижение деформации при разрушении. Так деформация до разрушения снижается от 380% характерного для исход-
ного полиэтилена до 250% для композита ПЭ+40масс.ч базальта. В случае полипропилена такой тенденции не наблюдается. Остальные механические характеристики полимерных композитов при введении частиц базальта изменяются мало.
Рисунок 9 - Механические свойства базальтонаполненнго ПЭ
Разработанные материалы исследовались на воспламеняемость методом кислородного индекса. При введении в ПЭ и ПП 40 масс.ч. базальта кислородный индекс возрастает и снижается время самостоятельного горения более чем в два раза, по сравнению с ненапол-ненными композициями (таблица 5), а также уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе. Все показатели горючести изменяются аддитивно содержанию базальта, являющегося негорючим материалом [2].
Таблица 5 - Влияние базальта на термо-
Состав ПМК, масс.ч. Время самостоя-тельного горения, сек. Потери массы при поджигании на воздухе, % Кисло-род-ный индекс, об. %
100ПП 240 63 18
100ПП+ 40базальта 127 36 24
100ПЭ 240 58 19
100ПЭ+ 40базальта 115 27 25
Таким образом, базальт является эффективным наполнителем для полиэтилена и полипропилена, позволяющим повысить фи-
зико-химические и механические свойства полимерматричных композитов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбунова, И.Ю. Модификация кристаллизующихся полимеров / И.Ю. Горбунова, М.Л. Кербер // Пластические массы. - 2000.- №9.- С.7-11.
2. Базальтовые технологии [Электронный ресурс] / http://www.basalt.su
Амирбек Зарлыкович Бекешев - к.ф-м.н., доцент, руководитель научной лаборатории «Нанотехнологии» Актюбинского регионального государственного университета им.К.Жубанова, е-mail: xt. techn. sstu@yandex.ru.
Павел Александрович Бредихин - аспирант кафедры «Химические технологии»
Саратовского государственного технического университет имени Ю.А.Гагарина, е-mail: pabredihin91@mail.ru.
Маржан Кушкинбаевна Акметова -магистр, сотрудник научной лаборатории «Нанотехнологии» Актюбинского регионального государственного университета им.К.Жубанова,
е-mail: xt. techn. sstu@yandex.ru.
Юлия Александровна Кадыкова -
доктор технических наук, профессор кафедры «Химические технологии» Саратовского государственного технического университет имени Ю.А.Гагарина, е-mail: kadykova06@yandex.ru
Сергей Владимирович Арзамасцев -доктор технических наук, зав. кафедрой «Строительные и дорожные машины и оборудование» Саратовского государственного технического университет имени Ю.А.Гагарина, е-mail: bort740@mail.ru
