CC BY
10
УДК 678.745
Панина А.А., Клименко Н.Н. Нистратов А.В.
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ БЕЗОБЖИГОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЖИДКОСТЕКОЛЬНОМ СВЯЗУЮЩЕМ
Панина Анастасия Андреевна, студентка 4 курса факультета биотехнологии и 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, klimenko@muctr.ru
Нистратов Алексей Викторович к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии 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 углеродного волокна для армирования безобжиговых высококремнеземистых материалов на основе отходов промышленности и жидкостекольном связующем. Изучено влияние дисперсного армирования на макроструктуру высококремнеземистого материала и исследовано взаимодействие углеродного волокна с высококремнеземистым материалом
Ключевые слова: вторичное углеродное волокно, жидкое стекло, безобжиговая технология, армирование, эксплуатационные свойства
THE ASSESSMENT OF PERSPECTIVENESS OF THE USE OF RECYCLED CARBON FIBRE FOR THE SYNTHESIS OF CHEMICALLY BONDED COMPOSITE MATERIALS BASED ON LIQUID GLASS BINDER
Panina A.A., Klimenko N.N., Nistratov A.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article evaluates the prospects of using secondary carbon fiber for reinforcing non-firing high silica materials based on industrial wastes and liquid-glass binder. The effect of dispersed reinforcement on the macrostructure of a high-silica material has been studied, and the interaction of a carbon fiber with a highly siliceous material
Keywords: carbon fiber, liquid glass, low-temperature technology, reinforcing, performance properties
Одним из основных направлений развития современного строительного материаловедения является разработка новых видов эффективных материалов с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. С точки зрения энерго- и ресурсоэффективности
высококремнеземистые композиты безобжигового твердения на основе природного кварцевого сырья, промышленных отходов и щелочных связующих являются перспективными. Эти материалы обладают комплексом технических, экономических и экологических показателей, обуславливающих повышенный интерес со стороны строительной индустрии. Среди преимуществ
высококремнеземистых щелочеактивированных материалов можно выделить следующие: использование дешевых и недефицитных сырьевых материалов, в том числе отходов промышленности; использование несложной технологии, не требующей специального оборудования; отсутствие высокотемпературной обработки; повышенные эксплуатационные свойства (высокая прочность на сжатие, водостойкость, морозостойкость, абразивоустойчивость).
Однако безобжиговая технология синтеза высококремнеземистых материалов не обеспечивает достижения высоких показателей материалов по прочности при изгибе и растяжении, трещиностойкости, упругим деформациям. Для решения этой проблемы требуется научно обоснованная разработка композиционных материалов на основе отходов промышленности и жидкостекольного связующего, армированных наполнителем, повышающим упругие свойства матрицы. Для улучшения показателей перечисленных свойств материалов применяют различные технологические приемы, например, дисперсное армирование волокнами различной природы. Объёмное дисперсное армирование безобжиговых материалов способствует
эффективному направленному
структурообразованию щелочеактивированных композиций, выражающемуся в формировании более упорядоченных и однородных структур. В результате композиты характеризуются
повышенным сопротивлением развитию трещин, что снижает вероятность опасного хрупкого разрушения высококремнеземистой матрицы и повышает их
способность к восприятию механических, динамических и сейсмических воздействий [1].
Одним из перспективных для дисперсного армирования видом волокна является углеродное волокно, отличающееся низкой плотностью, высокой удельной прочностью при растяжении, высоким сопротивление динамическим нагрузкам. В данной работе для армирования безобжиговых композиционных материалов на жидкостекольном связующем использовали вторичное углеродное волокно, полученное пиролизом и термоокислением отходов углепластиков при 700 °С на кафедре промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева [2]. Углеродное волокно представляет собой материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных атомами углерода, которые объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу (рис. 1).
б
Рис. 1. Электронно-микроскопические снимки используемого вторичного углеродного волокна, полученного пиролизом при 700 °С отходов углепластиков (а - шкала 10 мкм; б - шкала 5 мкм) Основной целью работы была оценка перспективности использования вторичного углеродного волокна для армирования безобжиговых высококремнеземистых материалов на основе отходов промышленности и жидкостекольном связующем. В качестве критериев оценки перспективности армирования были выбраны результаты изучения макроструктуры дисперсно-армированного высококремнеземистого материала (расположение и равномерность распределения волокна в матрице, влияние волокна
на окружающую структуру композита) и исследования взаимодействия углеродного волокна с высококремнеземистым материалом,
проявляющееся в прочностных характеристиках и плотности получаемой композиции.
Высококремнеземистые материалы получали на основе тонкомолотых (Буд=5000 см2/г) природного кварцевого песка (Раменский ГОК; ГОСТ 8736-93), гранулированного доменного шлака (ПАО «Тулачермет»; ГОСТ 3476-74) и щелочного связующего - натриевого жидкого стекла (ООО «Быт Сервис Аква»; ГОСТ 13078-81) по энергоэффективной безобжиговой технологии [3], путем отверждения отформованной методом прессования сырьевой смеси в результате обработки паром в специальных камерах при температуре 95±5°С в течение 5 часов. Вторичное углеродное волокно вводили в сухую шихту в концентрациях 0%, 0.5%, 2.5% и 3.5%. Для синтезированных образцов определили влияние концентрации введенного вторичного углеродного волокна на их физико-механические свойства, такие как: предел прочности, водостойкость, средняя плотность, пористость и водопоглощение (рис.2).
100 VI
К
> Ц ц и
Ссдоржаьнм: ийлйкиа, %
^^^ПГ ■Р1ГГПММГ1 II ■ [^11 I Щ [у Г 11Т I I
о и 1,1 и
Рис. 2. Влияние концентрации введенного вторичного углеродного волокна на физико-механические свойства композитов: а - прочность при сжатии, водостойкость; б -плотность, пористость, водопоглощение В результате дисперсного армирования вторичным углеродным волокном безобжиговых высококремнеземистых материалов наблюдается снижение прочности и плотности композитов с повышением содержания волокна, однако все составы остаются водостойкими, что может свидетельствовать о физическом разрыхлении высококремнеземистой матрицы и слабом химическом взаимодействии матрицы с волокном,
IIII
либо полном его отсутствии. Результаты электронной микроскопии подтверждают предположение об отсутствии взаимодействия между волокном и матрицей и разуплотнении системы по сравнению с исходным неармированным материалом (рис. 3)
б
Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки структуры безобжигового высококремнеземистого композиционного материала (а - исходный материал; б - композит, армированный вторичным углеродным волокном); шкала 100 мкм Испытания образов на изгиб производили на высокоточной универсальной испытательной машине Автограф AGS-X (SHIMADZU) при непрерывном приложении нагрузки со скоростью 1 мм/мин с возможностью в автоматическом режиме вести запись диаграмм деформирования «нагрузка -прогиб», фиксировать время достижения максимума нагружения и физического разрушения. Следует отметить существенное отличие диаграмм деформирования исходных (неармированных) и дисперсно-армированных композитов, на которых наблюдаются количественные и качественные изменения прогибов и напряжений, важнейшими из которых следует считать рост способности к вязкому деформированию, которое предопределяет целесообразность экспериментальной оценки влияния основных параметров дисперсного армирования на кинетику свойств армированных композитов. Изменение характера излома образцов от прямого для неармированных образцов к извилистому для образцов, армированных углеродным волокном также может
свидетельствовать об увеличении работы
разрушения и возрастании трещиностоикости образцов.
Таким образом, в результате работы произведена оценка перспективности использования вторичного углеродного волокна для армирования безобжиговых высококремнеземистых материалов на основе отходов промышленности и жидкостекольном связующем. Изучено влияние дисперсного армирования на макроструктуру высококремнеземистого материала и исследовано взаимодеиствие углеродного волокна с высококремнеземистым материалом (прочностные характеристики, водостоикость, плотность, пористость и водопоглощение). Повышенное содержания волокна приводит к разуплотнению и разрыхлению структуры высококремнеземистого материала, однако изменяет характер излома образцов при приложении изгибающих усилии, что может служить предпосылкои повышения трещиностойкости композитов. Возможно, активация или гидрофилизации углеродного волокна повысит степень его взаимодействия матрицей, а дальнейшая оптимизация концентрации волокна позволит получить композиционный материал с повышенными физико-механическими свойствами.
Композиционные материалы, сочетающие повышенные значения прочности на сжатие, растяжение и изгиб, трещиностойкости, абразивоустойчивости, морозостойкости,
водонепроницаемости и коррозионной
устойчивости, востребованы при сооружении конструкций новых архитектурных форм, оболочек, тонкостенных панелей со сложным рельефом, резервуаров и др.; при монтаже покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов, автомобильных дорог, мостов, трубопроводов коллекторов, тоннелей, напольных покрытий промышленных зданий и т.д.
Исследования выполнены на оборудовании кафедры химической технологии стекла и ситаллов и Центра коллективного пользования РХТУ им. Д.И. Менделеева
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева. Номер проекта 0272018.
Список литературы
1. Lin T. et al. Effects of fibre content on mechanical properties and fracture behaviour of short carbon fibre reinforced geopolymer matrix composites //Bulletin of Materials Science. - 2009. - Т. 32. - №. 1.
- С. 77-81.
2. Лонг В. К., Нистратов А. В., Клушин В. Н. Оценка целесообразности переработки отходов угле-и органопластиков в углеродные адсорбенты //Успехи в химии и химической технологии. - 2017.
- Т. 31. - №. 9 (190).
3. Михайленко Н. Ю., Клименко Н. Н. Оптимизация технологических параметров синтеза высококремнеземистых жидкостекольных композитов строительного назначения //Стекло и керамика. - 2013. - №. 5. - С. 11-17.
