CC BY
46
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 678.7
О.В. Егорова, П.А. Бредихин, Ю.А. Кадыкова, С.Е. Артеменко ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА НА СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Изучена возможность и эффективность применения дисперсных отходов производства в качестве наполнителей для полиэтилена. Полученные данные доказывают целесообразность использования отходов фенопластов и базальтовой ваты для наполнения полиэтилена, что позволяет повысить свойства полиэтилена, снизить стоимость готового изделия и уменьшить экологическую напряженность.
Полиэтилен, фенопласт, стеклопластик, базальтовая вата, наполнение, физико-химические и механические свойства
O.V. Egorova, P.A. Bredikhin, Yu.A. Kadykova, S.E. Artemenko STUDYING OF INFLUENCE OF PRODUCTION WASTES ON PROPERTIES OF POLYETHYLENE COMPOSITIONS
We explore the feasibility and effectiveness of dispersed industrial wastes as filler for polyethylene. The data obtained prove the feasibility of using waste phenoplasts and basalt wool filling polyethylene, which improves the properties of polyethylene, to reduce the cost of the finished product and reduce environmentally-tension.
Polyethylene, phenolic plastic, fiberglass, basalt wool, filling, physicochemical and mechanical properties
Полиэтилен (ПЭ) обладает ценным комплексом свойств, обеспечивающих изделиям достаточно высокую прочность, стойкость к воздействию агрессивных сред и радиации, не токсичность, высокие диэлектрические показатели. В подавляющем большинстве случаев на практике даже тогда, когда это не вызвано технической необходимостью, применяются не наполненные полимеры, в частности «чистый» полиэтилен. Однако введение рационального количества минеральных и других наполнителей позволяет значительно улучшить комплекс физико-механических свойств полимеров, снизить их стоимость и расширить сырьевую базу.
Ежегодно в России образуется 350-420 тыс. т промышленных отходов, из них технологические отходы производства, которые образуются при синтезе и переработке ПМ составляют 5-35 % масс.
На предприятиях Поволжского региона выпускается различная номенклатура изделий из полимерных материалов. Ежегодно на одном из таких предприятий образуется до 5,165 т отходов различных полимерных материалов, из них 2,435 т вывозятся на свалку.
Таким образом, представлялось перспективным провести наполнение ПЭ отходами производства для повышения свойств и снижения стоимости готового изделия. В качестве наполнителей были выбраны отходы фенопласта, стеклопластика и базальтовой ваты.
В данной работе в качестве наполнителей полиэтилена применялись следующие измельченные отходы производства (с размером частиц < 140 мкм):
- отходы фенопласта (ФП) образуются в процессе изготовления деталей методом прямого прессования и содержат фенолоформальдегидную новолачную смолу, наполненную сажей. Отходы фенопласта представляют собой облой и бракованные изделия, которые вывозятся на свалку;
- отходы базальтовой ваты (БВ) образуются в результате истечения срока службы (7-10 лет) в качестве теплоизоляционного материала трубопроводов;
62
- отходы стеклопластика (СП) образуются в результате изготовления деталей путем раскройки листов по лекалам и обрезки с целью придания изделиям необходимой формы. Листы стеклопластика изготавливают на ЗАО «Тролза» методом контактного формования, применяя в качестве сырья стекловолокно, полиэфирную смолу с инициатором и ускорителем.
Существенное значение для межфазного взаимодействия, формирования граничных слоев и комплекса механических свойств имеют размер частиц наполнителя и распределение по размерам. В связи с этим исследован гранулометрический состав наполнителей (СП, ФП, БВ), которые измельчались на шаровой мельнице в течение 3 часов (рис. 1).
Диаметр частиц, мм
Рис. 1. Гранулометрический состав наполнителей:
1 - фенопласт, 2 - стеклопластик, 3 - базальтовая вата
Показано, что все наполнители полидисперсны. Преобладающей фракцией СП, ФП и БВ являются частицы с диаметром равным 0,14 мм. Поэтому в работе для наполнения использовали частицы этого размера (рис. 1).
Исследование отходов производства на универсальном металлографическом микроскопе «Альтами МЕТ 5С» (Россия) (рис. 2) показало, что исследуемые наполнители имеют разную форму частиц со значительным разбросом частиц по размерам. Для ФП и СП характерна некоторая агломерация частиц. Измельченная базальтовая вата имеет толщину частиц 1-3 мкм и длину 8-200 мкм, причем частицы преимущественно игольчатой формы.
Для выбора составов композиции изучали изгибающее напряжение разработанных ПКМ и определили оптимальное количество наполнителей для ПЭ: 50 масс.ч. ФП, 5 масс.ч. СП и 30 масс.ч. базальтовой ваты.
Метод переработки полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе полиэтилена и различных наполнителей определяли по показателю текучести расплава (ПТР). ПКМ, наполненные различными дисперсными наполнителями, можно перерабатывать методом литья под давлением, т.к. согласно технологическим требованиям ПТР для литьевых марок составляет 2-15 г/10 мин.
Физико-механические свойства разработанных ПКМ (табл. 1) свидетельствуют, что более высокие значения изгибающего напряжения, ударной вязкости и твердости по Бринеллю наблюдаются при введении в ПЭ фенопласта и базальтовой ваты, причем это характерно как для первичного, так и вторичного ПЭНД и ПЭВД.
Одним из существенных недостатков ПЭ является его низкая термостабильность, легкая воспламеняемость и высокая скорость горения, поэтому разработанные материалы исследовались на огнестойкость методом «огневой трубы». Как показали исследования (табл. 2), практически в 2 раза меньшими потерями массы обладают ПКМ, содержащие 30 масс.ч. базальтовой ваты и 50 масс.ч. отходов фенопластов. Это свидетельствует о том, что ПЭ с данными наполнителями является более устойчивым к горению.
По данным термогравиметрического анализа (табл. 3) при введении в ПЭНД и ПЭВД отходов фенопласта и базальтовой ваты увеличиваются начальная температура разложения, коксовый остаток, наблюдается меньшая потеря массы до 6000С по сравнению с ненаполненным ПЭ и ПЭ наполненным СП. Наполнение влияет и на теплостойкость и кислородный индекс ПЭ: КИ и теплостойкость повышаются при наполнении ФП и БВ ПЭНД и ПЭВД (табл. 3). Скорость деструкции наполненных образцов (табл. 4) при повышении температуры, начиная с 4000С уменьшается по сравнению с ненаполненным полиэтиленом, что свидетельствует о большей термостойкости ПКМ на основе базальтовой ваты.
в
Рис. 2. Оптическая микроскопия отходов производства с размером частиц 2140 мкм: а - базальтовая вата; б - фенопласт; в - стеклопластик
Таблица 1
Сравнительные характеристики ПКМ на основе ПЭ и дисперсных наполнителей
Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ Изгибающее напряжение, МПа Разрушающее напряжение при растяжении, МПа Относительное разрывное удлинение, % Ударная вязкость, кДж/м2 Твердость по Бри-неллю, МПа Водопо-глощение за 24 часа, %
ПЭНД 25 28 167 34 38 0,02
ПЭНДперв+5СП 26 26 152 38 42 0,02
ПЭНДперв+30БВ 33 27 111 59 64 0,01
ПЭНДперв+50ФП 32 20 102 46 64 0,01
ПЭНД втор 20 15 121 30 34 0,04
ПЭНДвтор+5СП 22 14 114 34 41 0,04
ПЭНДвтор+30БВ 24 14 99 48 57 0,04
ПЭНДвтор+50ФП 24 10 96 44 55 0,02
ПЭВД 20 17 215 24 25 0,05
ПЭВДперв+5СП 22 15 204 27 41 0,04
ПЭВДперв+30БВ 29 12 182 42 59 0,04
ПЭВДперв+50ФП 30 10 175 44 57 0,04
ПЭВД втор 18 14 170 19 21 0,06
ПЭВДвтор+5СП 20 12 158 22 25 0,06
ПЭВДвтор+30БВ 25 11 142 36 48 0,05
ПЭВДвтор+50ФП 26 10 136 37 46 0,05
Таблица 2
Влияние состава ПКМ на показатели горючести
Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ Время поджигания, с Потери массы,%
ПЭНД 4 78
ПЭНДперв+5СП 6 70
ПЭНДперв+30БВ 10 35
ПЭНДперв+50ФП 12 41
ПЭНД втор 4 74
ПЭНДвтор+5СП 6 68
ПЭНДвтор+30БВ 12 33
ПЭНДвтор+50ФП 14 35
ПЭВД 6 81
ПЭВДперв+5СП 7 78
ПЭВДперв+30БВ 16 43
ПЭВДперв+50ФП 10 41
ПЭВД втор 6 79
ПЭНДвтор+5СП 7 73
ПЭВДвтор+30БВ 14 40
ПЭВДвтор+50ФП 12 37
Таблица 3
Влияние наполнителей на теплофизические свойства ПЭ
Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ Тн Потери массы,%, при температуре 6000С Тв, 0С КИ, % (об.)
ПЭНД 2B0 98 10B 19
ПЭНДперв+5СП 2B0 95 10B 19
ПЭНДперв+З0БВ 2B2 85 122 26
ПЭНДперв+50ФП 2B2 80 124 27
ПЭВД 270 98 100 19
ПЭВДперв+5СП 270 95 100 20
ПЭВДперв+З0БВ 272 86 11B 26
ПЭВДперв+50ФП 274 82 123 26
Таблица 4
Скорость деструкции разработанных ПКМ
Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ Скорость деструкции, мг/мин, при температуре, 0С
200-300 300-400 400-500 500-600
ПЭНД 0,54 3,9 11,9 1,4
ПЭНДперв+5СП 0,54 3,9 11,7 1,3
ПЭНДперв+З0БВ 0,54 3,6 11,1 0,18
ПЭНДперв+50ФП 0,54 3,6 10,8 0,17
ПЭВД 0,63 4,2 12,3 1,4
ПЭВДперв+5СП 0,63 4,2 12,3 1,3
ПЭВДперв+З0БВ 0,62 4,1 11,7 0,2
ПЭВДперв+50ФП 0,62 3,9 11,5 0,2
Обобщая полученные результаты исследований, можно сделать вывод, что отходы фенопластов и базальтовой ваты могут использоваться в качестве наполнителей для ПЭ. При введении данных наполнителей увеличиваются изгибающие напряжение, ударная вязкость и твердость по Бринел-лю, повышаются огне- и щелочестойкость, уменьшается водопоглощение.
Егорова Олеся Владимировна - Olesya V. Egorova -
аспирант кафедры «Химическая технология» Postgraduate of Department of Chemical technology
Энгельсского технологического института of Engels Technological Institute (branch)
(филиал) Саратовского государственного of Gagarin Saratov State Technical University
технического университета имени Гагарина Ю.А.
Бредихин Павел Александрович - Pavel A. Bredikhin -
студент 4 курса технологического факультета Graduate of technological faculty
Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Кадыкова Юлия Александровна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Артеменко Серафима Ефимовна -
доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья пос
Engels Technological Institute (branch) Gagarin Saratov State Technical University
Yulia A. Kadykova -
Ph. D., the Associated Professor of Department Chemical technology Engels Technological Institute (branch) Gagarin Saratov State Technical University
Serafima E. Artemenko -
Dr. Sc., the Professor of Department Chemical technology Engels Technological Institute (branch) Gagarin Saratov State Technical University
в редакцию 05.02.12, принята к опубликованию 04.06.12
