CC BY
30
-□ □-
Дослиджено вплив кiлькостi наповнювача та температурно-часового фактору на техноло-гiчнi характеристики пекокомпозиту, так як теплостштсть, максимальн напруги вигину та стиснення. Розроблено математичну модель про-цесу отримання пекокомпозиту, яка дозволила визначити оптимальш параметри ведення процесу. Виконан дослидження показали можлив^ть ство-рення на основi модифтованого кам'яновугшьного пеку принципово нових композицшних полiмерних матерiалiв
Ключовi слова: кам'яновугшьний пек, модифка-щя, наповнення, пекокомпозит, теплостштсть,
максимальна напруга вигину
□-□
Исследовано влияние количества наполнителя и температурно-временного фактора на технологические характеристики пекокомпозита, такие как теплостойкость, максимальные напряжения изгиба и сжатия. Разработана математическая модель процесса получения пекокомпозита, которая позволила определить оптимальные условия ведения процесса. Выполненные исследования показали возможность создания на основе модифицированного каменноугольного пека принципиально новых композиционных полимерных материалов
Ключевые слова: каменноугольный пек, модификация, наполнение, пекокомпозит, теплостойкость, максимальное напряжение изгиба -□ □-
УДК 662.749.38
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.42185|
ВПЛИВ УМОВ ОТРИМАННЯ НОВИХ ПЕКОКОМПО-ЗИЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В НА ТХ ТЕПЛОСТ1ЙК1СТЬ ТА МЕХАН1ЧНУ М1ЦН1СТЬ
В. Ю. Каул i н
Старший викладач Кафедра хiмiчних технолопй Донецький нацюнальний техшчний уыверситет пл. Шибанкова, 2, м. Красноармшськ, Донецька обл., УкраТна, 85300 E-mail: [email protected]
1. Вступ
Кам'яновупльний пек - найб^ьш масовий продукт переробки кам'яновупльно! смоли. Вихщ пеку переви-щуе 55 % ввд маси смоли, що переробляеться. Потен-цiальнi ресурси пеку в коксохiмiчнiй промисловостi Украши оцiнюеться в приблизно 500 тис. т на рж.
Основна маса кам'яновупльного пеку використо-вуеться як сировина для виробництва електродно! продукцii та пекового коксу. Однак змши у сировин-нiй базi, технологiчному режимi процесу коксування та iншi фактори призводять до штатного коливання технологiчних характеристик отримуваного кам'яно-вугiльного пеку ^ частiше за все, до попршення його якостi. Це, у свою чергу, викликае звуження обласп застосування пеку. Внаслщок цього стае актуальним пошук нових шляхiв використання кам'яновупльного пеку.
На сьогоднi розробка нових, дешевих композицiйних матерiалiв е однiею з основних свиових тенденцiй хiмiчно'i технологи. Кам'яновупльний пек - ушкальний продукт з багатим набором властивостей, серед яких е полiмернi. Використання полiмерних властивостей пеку та управ-лшня ними може дозволити бiльш повно та квалiфiковано використовувати хiмiчний потенщал кам'яновугiльного пеку завдяки створенню на його основi нових конкуренто-здатних композицшних матерiалiв, якi зможуть замшити бiльш дорогi полiмернi та металевi матерiали.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Кам'яновупльний пек представляе собою багато-компонентну сумш конденсованих ароматичних ву-глеводнiв та гетероциклiв, якi в результатi мiжмолеку-лярно! взаемодii (водневий зв'язок, взаемодiя диполiв, дисперсiйна взаемодiя) утворюють надмолекулярш структури.
Кам'яновугiльний пек може служити полiмерною матрицею. Це твердження Грунтуеться на тому, що пеку притаманш деяю полiмернi властивостi [1].
Полiмернi властивост кам'яновугiльного пеку обумовленi передусiм фiзико-хiмiчними властивос-тями в- i а2-фракцш. Кам'яновугiльний пек можна вiднести до аморфних полiмерiв, якi в залежност вiд температури можуть знаходитися в 3-х фiзичних станах: склоподiбному, високоеластичному та в'язкоа текучому. Як i полiмери, пек характеризуеться температурою розм'якшення i мае iнтервал пластичности здатен до утворення великого рiзноманiття надмо-лекулярних структур, рiзко змшюе склад i власти-востi при додаванш незначних кiлькостей хiмiчних добавок. Кам'яновупльний пек е термопластичним матерiалом.
Однак низька мехашчна мiцнiсть та теплостшюсть кам'яновугiльного пеку не дозволяють виробляти на його основi конструкцшш композицiйнi матерiали з високими експлуатацшними характеристиками, тому
для того, щоб використовувати кам'яновупльний пек в якост полiмерноi матрицi для створення композицш-них полiмерних матерiалiв, його полiмернi властиво-стi слщ посилювати. Враховуючи те, що кам'яновупль-ний пек завдяки особливостям свого складу та будови представляе собою надзвичайно реакцiйноздатний матерiал, найбiльш прийнятний метод для виршення цiеi задачi - метод хiмiчноi модифiкацii.
Аналiз лiтературних джерел у цьому напрямку показав наявшсть вели^ кiлькостi дослiджень з мо-дифжацп кам'яновугiльного пеку. Дослiдниками ви-користовувалося безлiч рiзноманiтних органiчних i неоргашчних добавок: формальдегiд [2], сульфаш-лова кислота [3, 4], вщходи коксохiмiчного вироб-ництва, зокрема полiмери бензольного вщд^ення [5, 6], полiакрилонiтрiл [7], полiмалеiмiднi смоли [8], п-метилбензальдегiд [9], полштирол, полiвiнiлхлорид, полiтетрафторетилен [10] та багато шших. Абсолютна бiльшiсть цих робгг направленi на дослiдження проце-сiв, що вiдбуваються в пеку тд дiею хiмiчних добавок при високих температурах (300 °С i вище). Мета цих дослiджень - вплив на процеси карбошзацп кам'яно-вугiльного пеку.
Модифiкацiя кам'яновугiльного пеку активними полiмерними добавками в низькотемпературнш об-ластi також показала можлившть коригувати та змь нювати властивосп пеку. Активнi полiмернi добавки здшснюють великий вплив на термохiмiчнi та струк-турнi перетворення кам'яновугiльного пеку. 1х дiя проявляеться у змж структурно-групового складу, теплофiзичних, реологiчних, мехашчних властивос-тей пеку [11-12].
Термохiмiчнi перетворення в низькотемпературнш област (до 200 °С), що вщбуваються у пеку пiд дiею активних полiмерних добавок, призводять до тдви-щення в'язкостi i температури розм'якшення пеку на 15-20 °С. За рахунок структурних змiн покращуються механiчнi властивостi пеку: мiцнiсть на стиснення зб^ьшуеться у 7 разiв, мiцнiсть на вигин - у 2 рази, модуль пружносп на стиснення - 7 разiв, модуль пружносп на вигин у 3,5 рази [13].
Введення в пекополiмерну матрицю наповнювача значно покращуе технолопчш та експлуатацiйнi вла-стивостi пекокомпозиту [13]. При створенш компоу зицшних матерiалiв важливим фактором е природа наповнювача. Найб^ьший iнтерес представляе волок-нистий наповнювач - азбест. Азбест використовуеться в полiмерних композитах у якост посилюючого наповнювача, надаючи виробам тдвищеш мiцнiсть та модуль пружносп на вигин, покращуючи теплостшюсть.
3. Мета та задачi дослщження
Метою роботи е випробування модифжованих пе-KiB у якостi матрищ в композицiйних матерiалах.
Для досягнення поставлено! мети виршувалися наступш задача
- визначення впливу кiлькостi наповнювача та температурно-часового фактору на властивост пекокомпозиту;
- встановлення оптимальних умов процесу отрии мання пекокомпозиту.
4. MaTepia™ та методи дослщження впливу модифiкaтоpiв та наповнювача на тepмохiмiчнi, структурш перетворення i влaстивостi кaм'яновугiльного пеку
4. 1. Дослщжуваш мaтepiaли, що використовувау лися в експериментах
Для проведення лабораторних дослщжень вико-ристовували кам'яновyгiльний пек з наступним фрак-цiйним складом (%): a-фракцiя 34,9; а^фракщя 8,0; Р-фракщя 34,1; у-фракщя 31,0. Температура розм'якшення: по методу юльце-стрижень 80 °С, по Вiка 53 °С. В'язкiсть при 135 °С 10 Па-с, щiльнiсть 1300 кг/м3, ви-хiд летючих 55 %.
Полiвiнiлхлорид (ПВХ) - аморфний полiмер з ви-сокою мiжмолекyлярною взаемодiею, володiе високою мiцнiстю та теплостiйкiстю.
Мале1шзований етиленвiнiлацетат (МЕВА) - по-лiмер з невисокою полярнiстю, завдяки привитим малешовим групам володiе пiдвищеною реакцшною здатнiстю та здатнiстю утворювати мщш зв'язки на межi роздiлy фаз.
В якост наповнювача пекополiмерноi матрищ ви-користовували азбест. Азбест вщноситься до класу дисперсних наповнювачiв, за походженням - мше-ральних, за формою - волокнистих. За хiмiчним складом азбест - сильно гвдратований силжат магнiю iз загальною формулою Mg6[(OH)4Si2Os]2.
4. 2. Обладнання та методика визначення основ-них показнимв модифiковaних пeкiв
Методика експерименту полягала в наступному.
Кам'яновyгiльний пек i модифiкатори (ПВХ 3 % ввд пеку, МЕВА 5 % ввд пеку) перемiшyвали з наповнюва-чем у кiлькостi до 40 % вщ пеку. Всi операцп змiшення проводили у високошвидкiсномy змшувачь
Далi отриману однорiднy сyмiш завантажували до реактору, який попередньо назвали до необ-хiдноi температури експерименту (t=140-180 °С), i накривали кришкою. Через певний промiжок часу (у залежноси вiд температури експерименту), коли сумш достатньо розплавлялася, вмикали мшалки та засiкали необхiдний час експерименту (т=20-60 хв). По закiнченнi вщведеного часу мiшалки вимикали та вивантажували отриманий пекокомпозит. Далi методом гарячого пресування за допомогою прес-форм та гiдравлiчного лабораторного пресу напрацьовували партiю зразюв для випробувань на теплостiйкiсть та мехашчну мiцнiсть.
Багатоцiльовi зразки для мехашчних випробувань були отримаш у ввдповвдност до стандарту ISO 3167. Такий тдхщ забезпечуе отримання зразюв зi схожою внyтрiшньою структурою (орiентацiею, залишковими напруженнями) та дозволяе проводити ствставлення резyльтатiв рiзних типiв випробувань.
Основними показниками властивостей отрима-них зразюв пекокомпозиту, що визначалися в екс-перимент були теплостiйкiсть по Вжа (tB), максии мальна напруга вигину (аВ) та максимальна напруга стиснення (ас).
Для ощнки впливу модифiкaторiв на кам'янову-гiльний пек обрано сучасш методи дослiдження та необхщне обладнання.
Метод визначення теплостшкост полiмерiв за температурою розм'якшення по Вiка (стандарт ^О 306) полягае у тому, що зразок пiддаеться дп заданого на-вантаження (А50 навантаження 10 Н) та на^ваеться з певною швидкiстю (50 °С/год). У процес випробу5 вання визначаеться температура (°С), за яко! головка iндентора заглиблюеться у зразок на глибину 1 мм. Шд теплостiйкiстю маеться на увазi здатнiсть зразка зберiгати свою форму за певно! температури та (чи) не перевищувати заданий порк деформацii за температу-ри випробувань.
Випробування на стиснення та статичний вигин проводилися на ушверсальнш машинi М500-СТ (ком-пашя Testometric, Велика Британiя). Механiчнi випро-бування проводилися у повнiй вщповщност з дiючи-ми стандартами. Порядок проведення випробувань на стиснення встановлюе стандарт ^О 604.
Деформацii при вигиш - найбiльш розповсюдженi на практищ види навантаження полiмерних компози-цшних матерiалiв.
Мiцнiсть при вигинi - максимальна напруга, яку витримуе зразок при випробуваннях на вигин, визна-чалася за стандартом ^О 178.
5. Результати дослщжень впливу юлькосп наповнювача та температурно-часового фактору на властивост отримуваних пекокомпозиив
Методом математичного моделювання ощнили вплив температури, вмiсту азбесту та часу вимшування на процес отримання пекокомпозицшних матерiалiв. Фактори варiювання:
- температура t=140-180 °С;
- час вимшування т=20-60 хв;
- вмшт азбесту s=20-40 % до пеку. В якосп факторiв вiдгуку обрали:
- температура розм'якшення по Вжа, tв, °С;
- максимальна напруга вигину, аВ, МПа;
- максимальна напруга стиснення, аС, МПа. Результати дослщжень наведен у табл. 1.
Таблиця 1
Властивост композицiйних матерiалiв, отриманих на основi модифiкованого кам'яновупльного пеку, у залежностi вiд умов Тх отримання
Дослщ ^ °С т, хв. я, % tв, °С оВиг, МПа оСТис, МПа
1 140 20 20 72 33,7 29,4
2 180 20 20 77 34,2 28,2
3 140 60 20 75 28,8 26,9
4 180 60 20 94 23,5 28,1
5 140 20 40 81 40,6 41,0
6 180 20 40 96 41,2 39,4
7 140 60 40 95 23,3 38,2
8 180 60 40 110 22,2 35,8
9 160 40 30 89 30,1 37,8
За результатами експерименту в кодованому ви-глядi було отримано рiвняння регресii залежност температури розм'якшення за Вжом вiд температури i часу вимiшування, а також вiд вмiсту азбесту, яке дозволяе ощнити значимiсть факторiв:
tB = 87,7 + 6,75^ + 6,0 т + 8,0■э + +1,75^ ^ + 0,75^^ + 1,0-т^.
З рiвняння видно, що найбшьший вплив мають фактори вмкту наповнювача, температури i часу вимшування.
Регресiйне рiвняння в натуральнiй формi мае на-ступний вигляд:
tB = 50 + 0,05^-0,55 т + 0,0044^ т + +0,0038 ^ ■э + 0,005 ■тэ.
(2)
Коефiцiент кореляцii складае Я2=97,84 %.
На рис. 1 представлена поверхня вщгуку tв в нату-ральнiй формi.
Рiвняння регресii в кодованому виглядi залежност максимально! напруги вигину ввд температури i часу вимшування, а також вiд вмшту азбесту, яке дозволяе оцiнити значимость факторiв:
ов = 30,8 - 0,6625 ■ t - 6,4875 т + 0,88758 ■ э --0,9375^ т + 0,5375^■э-2,5875 т^.
(3)
З рiвняння видно, що найб^ьший вплив мае фактор часу вимшування та сумiсна дiя факторiв часу вимiшування i вмксту наповнювача.
в=40%
II
107 102 „с 97 92 87 82
ЛП 1 сп . --- ^ зо ....
60
СС
Рис. 1. Поверхня вщгуку tв у натуральнiй форм1
Регресiйне рiвняння в натуральнiй формi мае на-
ступний вигляд:
ов = 28,8-0,02^ + 0,43875 т + 0,18 ■э--0,00234^ т + 0,0027^ ■э-0,0129 т э.
(4)
Коефiцiент кореляцп складае Я2=99,34 %. На рис. 2 представлена поверхня вщгуку аВ в нату-ральнiй формi.
Рис. 2. Поверхня вщгуку ав у натуральнш форм1
У результатi експерименту в кодованому вигляд1 було отримано рiвняння регресii залежностi макси-
мально1 напруги стиснення в1д температури 1 часу вимшування, а також в1д вм1сту азбесту, яке дозволяе ощнити значим1сть фактор1в:
ос = 33,9-0,5^-1,25 т + 5,225^ +
(5)
Найб1льш значимий фактор - вм1ст наповнювача. Регресшне р1вняння в натуральнш форм1 мае на-ступний вигляд:
ос = 12,8 + 0,03^-0,065 т + 1,02^ +
(6)
Коефщ1ент кореляцп складае Я2=92,62 %.
На рис. 3 представлена поверхня ввдгуку аС в натуральнш форм!
Таким чином, на тдстав1 експериментальних до-слщжень були отримаш математичш модел1 процесу отримання дисперсно-наповнених пол1мерних компо-зицшних матер1ал1в, за якими можливо визначити те-плостшюсть за В1ком, максимальш напруги вигину та стиснення при заданих факторах впливу (температура, час вим1шування та вм1ст наповнювача). Перев1рка моделей на адекватшсть показала, що розраховаш за моделями значення ввдгуюв в1др1зняються в1д експериментальних значень не б1льше 3,95 %. Математичш модел1 дозволили знайти оптимальш значення фак-тор1в впливу, при яких досягаються максимальш значення теплостшкост1 за В1ком, максимально1 напруги вигину 1 стиснення.
Рис. 3. Поверхня вщгуку аС у натуральнш форм1
Математичш модел1 процесу отримання пекокомпо-зиту дали можлив1сть дослвдити вплив кожного з фак-тор1в - температури експерименту, часу вимшування та вм1сту наповнювача - у сукупносп з шшими (рис. 4-9).
Рис. 4. Вплив температури на ^ в залежносп вiд часу та вмюту азбесту: 1 - т=20 хв, s=20 %; 2 - т=20 хв, s=40 %; 3 - т=60 хв, s=20 %; 4 - т=60 хв, s=40 %
30 40 50 т,хв Рис. 5. Вплив часу на ^ в залежностi вщ температури та вмiсту азбесту: 1 - t=140 °С, s=20 %; 2 - t=140 °С, s=40 %; 3 - t=180 °С, s=20 %; 4 - t=180 °С, s=40 %
СТв,МПа
40 35 30 25 20
2
1
1
140 150 160 170 1,°С
Рис. 6. Вплив температури на ав в залежносп вщ часу та вмюту азбесту: 1 - т=20 хв, s=20 %; 2 - т=20 хв, s=40 %; 3 - т=60 хв, s=20 %; 4 - т=60 хв, s=40 %
Ов,МПа 40 35
30 25
20
4
Т5 ]
20
30
40
50 т, хв
Рис. 7. Вплив часу на ав в залежносп вiд температури та вмюту азбесту: 1 - t=140 °С, s=20 %; 2 - t=140 °С, s=40 %; 3 - t=180 °С, s=20 %; 4 - t=180 °С, s=40 %
Ос,МПа
40 35
30
25
2
1
3
140 150 160 170
Рис. 8. Вплив температури на аС в залежносп вщ часу та вмюту азбесту: 1 - т=20 хв, s=20 %; 2 - т=20 хв, s=40 %; 3 - т=60 хв, s=20 %; 4 - т=60 хв, s=40 %
Рис. 9. Вплив часу на аС в залежносп вщ температури та вмiсту азбесту: 1 - t=140 °С, s=20 %; 2 - t=140 °С, s=40 %; 3 - t=180 °С, s=20 %; 4 - t=180oC, s=40 %
6. Обговорення результаив дослщжень закономiрностей впливу наповнення та температурно-часового фактору на властивост пекокомпозиту
Як видно з наведених рисунюв, теплостiйкiсть ПКМ зростае зi збiльшенням кiлькостi наповнювача, а також температури та часу змшення (рис. 4, 5).
Як показано на рис. 4, при наповненш азбестом досягаеться значне тдвищення теплостшкост ПКМ. При введенш наповнювача в юлькост до 40 % температура розм'якшення по Вжа пекокомпозиту збшьшуеть-ся на 20-50 °С у залежностi вiд температурно-часових умов його отримання. Це пояснюеться тим, що по-верхня наповнювача адсорбуе сегменти макромолекул пекополiмеру. При цьому утворюеться зв'язок пеко-полiмер-наповнювач та рiзко знижуеться сегментарна рухливксть, що призводить до тдвищення температури розм'якшення пекокомпозиту. Згщно сучасних уявлень, характер змши теплостшкост обумовлений складнiстю релаксацiйних процеив у поверхневих шарах полiмерiв на межi з твердою поверхнею.
По мiрi збiльшення вмiсту наповнювача пщвищу-еться в'язкiсть пекокомпозиту. Адгезiйна взаемодiя наповнювача з матрицею подавляе текучшть матрицi, i, вiдповiдно, зменшуе повзучкть чи деформацiю за певний промiжок часу прикладення навантаження.
Опiр деформуванню безпосередньо обумовлений молекулярним рухом за тдвищених температур. Рiзке пiдвищення температури по Вжа на 50 °С при високих температурах переробки (180 °С, рис. 5, лiнiя 4) у порiв-няннi з тдвищенням на 20 °С (температура переробки 140 °С, рис. 5, лжя 2) при ступенi наповнення азбестом 40 % свщчить про зниження гнучкосп ланцюгiв у результат утворення додаткових зв'язкiв з поверхнею або про зменшення конформацiйного набору макромолекул поблизу поверхш наповнювача. Пщвищен-ня температури до 180 °С та часу контакту до 60 хв (рис. 4, 5) при наповненш пекокомпозиту азбестом створюе умови для зростання сумарного числа ефек-тивних зв'язюв та зменшення числа конформацш сег-менпв макромолекул за рахунок скорочення об'ему, у якому рашше здшснювався сегментальний рух. Це призводить до значного тдвищення теплостшкосп ПКМ.
Максимальне значення температури по Вжа пекокомпозиту 112 °С досягаеться при температурi змшен-ня 180 °С, часi контакту 60 хв та вмксп азбесту 40 %.
При отриманш пекокомпозиту протжають складнi за своею природою хiмiчнi та фiзико-хiмiчнi пере-творення в самш пекополiмернiй матрицi. Крiм того, у формуванш властивостей пекокомпозиту важливу роль грае штенсившсть мiжфазноi взаемодп. Об'ем пекополiмерноi матрицi, що безпосередньо прилягае до межi роздiлу пекополiмер-наповнювач, мае структуру та властивосп, що вiдрiзняються вiд таких у об'емь Межа роздiлу визначае штенсившсть взаемодп пекополiмер-наповнювач за допомогою двох струк-турних параметрiв: пряма адгезшна взаемодiя фаз, що контактують, та модифжащя структури матричного пекополiмеру в обласп контакту.
На першiй стадп отримання пекокомпозиту по-чинае плавитися пек. Завдяки низькш в'язкостi пек змочуе волокна азбесту, як мають шорстку поверхню, вкриту гщроксильними групами, що покращують про-цес адгезшно! взаемодii (змочування).
На другiй стадп плавляться активш полiмернi добавки, вщбуваеться взаемодифузiя та взаемодiя з пеком, який розподшений на поверхш азбестових волокон. Су-марна поверхня контакту збшьшуеться у рази, що приводить до штенсифжацп процесу модифжацп кам'янову-гiльного пеку. Цей процес супроводжуеться адсорбщею та змшою надмолекулярно! структури прилеглого шару.
Посиленню мiжфазноi взаемодп сприяють хiмiчнi реакцп мiж компонентами пекокомпозиту, що мають реакцшноздатш функцiональнi групи.
Залежнiсть мщност при вигинi пекокомпозиту вiд температури експерименту, часу контакту та вмксту наповнювача показано на рис. 6, 7. Аналiз представ-лених результапв показав, що температура суттево не впливае на мщшсть при вигиш пекокомпозиту при 20 хв перемшування (лiнii 1 i 2, рис. 6). Однак зб^ь-шення часу контакту до 60 хв при пщвищенш температури до 180 °С попршуе мiцнiсть матерiалу при вигиш (лшп 3 i 4, рис. 6).
Найб^ьший вплив на максимальну напругу виги-ну мае час та юльюсть азбесту. З тдвищенням часу змшення мiцнiсть при вигиш зменшуеться (рис. 7), причому тим б^ьше, чим б^ьше вмкст наповнювача (лiнii 2 i 4).
Мщшсть пекокомпозиту при вигиш зростае зi зб^ьшенням вмiсту азбесту (до 40 %) при чаи контакту 20 хв незалежно вщ температури (кривi 1 i 3, рис. 7).
Якщо час контакту зростае до 60 хв, то мщшсть при вигиш спочатку зростае при зб^ьшенш вмксту наповнювача до 20 %, а поим зменшуеться при наповненш азбестом до 40 % (кривi 2 i 4, рис. 7). Мщшсть при вигиш пекокомпозиту, наповненого азбестом при 180 °С (крива 4, рис. 7), менше, шж наповненого при температурi 140 °С (крива 2, рис. 7).
Зб^ьшення часу контакту до 60 хв приводить до розвитку небажаних процеав деструкцп та поль конденсацп в пекополiмернiй матрищ, що викликае сильне структурування системи. Це призводить до зникнення здатност пекополiмерноi матрищ до ви-сокоеластично! деформацп. Пекополiмерна матриця стае крихкою. Змша структури та властивостей пе-кополiмеру змiнюе адгезiйну взаемодiю на поверхш контакту. Попршення адгезiйноi взаемодп особливо помине при зб^ьшенш вмiсту азбесту вище 20 %, коли спостержаеться зниження мщност при вигинi.
Максимальне значення мщност при вигинi пекокомпозиту 41 МПа досягаеться при температурi 180 °С, вмiстi наповнювача 40 % та чаи контакту 20 хв.
Залежшсть максимально! напруги стиснення вщ вмксту наповнювача та температурно-часових умов отримання пекокомпозиту показано на рис. 8, 9.
Вплив температури спостержаеться при високому ступеш наповнення (40 %): пщвищення температури до 180 °С знижуе мiцнiсть на стиснення (лшп 2 i 4, рис. 8). При низькому ступеш наповнення (20 %) температура практично не впливае на мщшсть на стиснення пекокомпозиту (лшп 1 i 3, рис. 8).
Зб^ьшення часу контакту знижуе мщшсть на стиснення незалежно вщ ступеню наповнення та тем-ператури (рис. 9).
Мщшсть при стисненш визначаеться адгезiею мiж наповнювачем та матрицею i когезшною мщшстю найб^ьш слабкого компоненту композицп. Збiльшеня часу контакту штенсифжуе процеси, що призводять до
уз
змши властивостей пекополiмерноï матрицi та попр-шення адгезiйнoï взаeмoдiï з наповнювачем. KpiM того, жopсткi зв'язки, що виникають при стpуктуpуваннi матpицi, призводять до того, що пекoпoлiмеpна ма-триця втрачае здатнiсть до перерозпод^ення напруг та починае втрачати мщшсть. Все це призводить до попршення механiчнoï мiцнoстi пекокомпозиту.
Найбiльший вплив на максимальну напругу стиснення мае вмкт наповнювача. Чим бшьше вмкт азбесту, тим вище мщшсть пекокомпозиту на стиснення. При-чому найбшьше зростання мiцнoстi при стисненш до 43 МПа досягаеться при мжмальному часi контакту 20 хв i темпеpатуpi 140 °С.
Таким чином, мехашчш властивoстi та теплостш-кiсть пекокомпозиту залежать вiд температурно-часо-вого фактору та вмiсту наповнювача.
Зб^ьшення температури, часу контакту та вмшту азбесту приводить до тдвищення теплoстiйкoстi.
Однак пiдвищення температури та часу змшення негативно впливае на мехашчш властивост пекокомпозиту. Причому цей вплив нашстотшше проявляеться при високому ступеш наповнення. Це свщчить про те, що в присутносп азбесту теpмoхiмiчнi та стpуктуpнi пе-ретворення кам'янoвугiльнoгo пеку пiд впливом актив-них пoлiмеpних добавок ввдбуваються iнтенсивнiше. При цьому напрямок теpмoхiмiчних перетворень пеку змiщуеться в бж утворення найбiльш кoнденсoванoï а-фракцп за рахунок бшьш цiннoï складoвoï пеку, що ввдповвдае за пoлiмеpнi властивосп, ß-фракцп. Пекопо-лiмеpна матриця втрачае текучесть та здатнiсть до пере-poзпoдiлення навантажень, що негативно вщбиваеться на механiчних властивостях пекокомпозиту.
7. Висновки
Вплив температyрно-часових умов отримання композицiйного матерiалy на його властивостi вияв-ляеться значущим, що обyмовлено термохiмiчними перетвореннями та структурними змiнами y системi
пек - активнi добавки - наповнювач. Цей фактор не-обхщно враховувати при ствopеннi пекoпoлiмеpних композицшних матеpiалiв.
Для визначення закoнoмipнoстей впливу умов отримання пекокомпозиту на його властивосл було проведено планований експеримент i отримаш piвняння залежносп теплостшкосп, мiцнoстi на вигин та стиснення ввд паpаметpiв ведення процесу. Результати показали, що збшьшення температури, часу контакту та юлькосп наповнювача пiдвищуе теплoстiйкiсть пекокомпозиту. Разом з тим надмipне тдвищення температури та часу контакту призводить до поглиблення теpмoхiмiчних перетворень у пекoпoлiмеpнiй матриц i штенсифжуе роз-виток небажаних пpoцесiв деструкцп та пoлiкoнденсацiï. Це призводить до попршення адгезiйнoï взаемoдiï мiж пекoпoлiмеpнoю матрицею та наповнювачем, у результат чого знижуеться мехашчна мщшсть пекокомпозиту.
Аналiз отриманих pезультатiв дозволив визначити оптимальш умови процесу отримання пекокомпозиту: за температури 180 °С, часу контакту 20 хв i напов-ненш азбестом 40 % можна отримати пекокомпозит з температурою розм'якшення 96 °С, мщшстю на вигин 41 МПа i мщшстю на стиснення 39 МПа.
Виконаш дослщження показали, що на осшж кам'яновупльного пеку шляхом його модифжацп та введення наповнювача можуть бути створен прин-ципово нoвi композицшш пекoпoлiмеpнi матеpiали. Пекокомпозит на вщмшу вiд багатьох пoлiмеpних матеpiалiв характеризуеться високою теплoстiйкiстю. Вибip оптимальних температурно-часових умов змь шення кoмпoнентiв пекокомпозиту дозволить отриму-вати матеpiал з високими мехашчними властивостя-ми. Пекокомпозит, наповнений азбестом, вщноситься до важкогорючих матеpiалiв [13], що е безперечною перевагою в пopiвняннi з багатьма термопластичними пoлiмеpами.
Результати дoслiджень, викладеш у данiй статтi, стали основою для проектування дoслiднoï установки по отриманню нового композицшного пекoпoлiмеpнo-го матеpiалу.
Лiтература
1. Крутько, I. Г. Теоретичш передумови використання кам'яновупльного пеку як пол1мерного матер1а^у [Текст] / I. Г. Крутько, В. Ю. Каулш // Науков1 пращ ДонНТУ, сер1я: Х1м1я i х1м1чна технолопя. - 2010. - № 15 (163). - С. 103-107.
2. Jose, L. Crespo. Effect of the Polymerization with Formaldehyde on the Thermal Reactivity of a Low-Temperature Coal Tar Pitch [Text] / J. L. Crespo, A. Arenillas, J. A. Viña, R. García, C. E. Snape, S. R. Moinelo // Energy & Fuels. - 2005. - Vol. 19, Issue 2. -P. 374-381. doi: 10.1021/ef0498768
3. Клешня, Г. Г. О влиянии термо-химической обработки среднетемпературного пека на химический состав и структуру электродных связующих [Текст] / Г. Г. Клешня, Ф. Ф. Чешко, И. Н. Питюлин, М. К. Пактер // Углехимический журнал. - 2007. - № 6. - С. 52-59.
4. Клешня, Г. Г. Изменение группового состава пека в процессе термической обработки в присутствии химически-активной добавки [Текст] / Г. Г. Клешня, Ф. Ф. Чешко, И. Н. Питюлин, Э. Б. Прохач // Углехимический журнал. - 2007. - № 6. - С. 46-51.
5. Малый, Е. И. Исследование влияния полидисперсных систем ароматического состава на формирование «углеродистого тела» пекового кокса [Текст] / Е. И. Малый // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - № 5. - С. 15-18
6. Старовойт, А. Г. Исследование влияния полимеров бензольного отделения на технологические характеристики каменнок угольного пека [Текст] / А. Г. Старовойт, А. Г. Гриншпунт, Е. И. Малый, А. А. Коваль // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2005. - № 3. - С. 15-16.
7. Grzyb, B. SO2 adsorptive properties of activated carbons prepared from polyacrylonitrile and its blends with coal-tar pitch [Text] / B. Grzyb, A. Albiniak, E. Broniek, G. Furdin, J. F. Mareché, D. Bégin // Microporous and Mesoporous Materials. - 2009. - Vol. 118, Issue 1-3. - P. 163-168. doi: 10.1016/j.micromeso.2008.08.032
8. Lin, Q. Thermal behavior of coal-tar pitch modified with BMI resin [Text]/ Q. Lin, J. Li, Y. Yang, Z. Xie // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. - 2010. - Vol. 87, Issue 1. - P. 29-33. doi: 10.1016/j.jaap.2009.09.007
9. Lin, Q. Study of the modification of coal-tar pitch with p-methyl benzaldehyde [Text] / Q. Lin, T. Li, Y. Ji, W. Wang, X. Wang // Fuel. - 2005. - Vol. 84, Issue 2-3. - P. 177-182. doi: 10.1016/j.fuel.2004.08.013
10. Kaushik, S. Modification of coal tar pitch by chemical method to reduce benzo(a)pyrene [Text] / S. Kaushik, R. K. Raina, G. Bhatia, G. L. Verma, R. K. Khandal // Current Science. - 2007. - Vol. 93, Issue 4. - P. 540-544.
11. Крутько, I. Г. Реолопчш дослщження модифшованих кам'яновупльних пегав [Текст] / I. Г. Крутько, В. Ю. Каулш, К. О. Сацюк // Haywœi пращ ДонНТУ. Серiя: Хiмiя i xiMi4Ha технологiя. - 2011. - № 16(184). - С. 150-158.
12. Крутько, I. Г. Термiчний анашз модифжованих кам'яновупльних пегав [Текст] / I. Г. Крутько, В. Ю. Каулiн, К. О. Сацюк // Haywœi пращ ДонНТУ, серiя: Хiмiя i хiмiчна технологiя. - 2012. - № 19 (199). - С. 133-138.
13. Krutko, I. Testing of modified coal tar pitch as polymer matrix in composite materials [Text] / I. Krutko, V. Kaulin, K. Satsiuk // Науюж пращ ДонНТУ, сер. Хiмiя i хiмiчнa технолопя. - 2013. - № 2 (21). - С. 161-167.
-□ □-
Дослиджено закономiрностi змти паливостiйкостi асфальто- и асфальтополiмербетонiв при чистому згит в умовах одночасно! ди статичного навантаження i дизельного палива. Вивчено вплив консистенци в'яжу-чих i способу модифжацп бтуму полiмером типу СБС на стштсть асфальтобетотв до ди палива. Показано, що технологiя модифжацп бтуму полiмером, що перед-бачае попереднш пластифжащю СБС iндустрiальним маслом, негативно видбтваеться на паливостiйкостi асфальтополiмербетону
Ключовi слова: бтум, асфальтобетонн покриття, бтум модифжований полiмером, асфальтополiмербе-
тон, паливо, паливостштсть
□-□
Исследованы закономерности изменения топливо-устошчивости асфальто- и асфальтополимербетонов при чистом изгибе в условиях одновременного дешствия статическош нагрузки и дизельного топлива. Изучено влияние консистенции вяжущих и модификации битума полимером типа СБС на устойчивость асфальтобетонов к дешствию топлива. Показано, что технология модификации битума полимером, предусматривающая предварительную пластификацию СБС индустриальным маслом, отрицательно отражается на топливоу-стойчивости асфальтополимербетона
Ключевые слова: битум, асфальтобетонные покрытия, битум модифицированный полимером, асфальто-
полимербетон, топливо, топливоустойчивость -□ □-
УДК 625.85:665.775:625.042+620.19
pOI: 10.15587/1729-4061.2015.43713|
ESTIMATION OF FUEL RESISTANCE OF ASPHALT CONCRETE AND POLYMER MODIFIED ASPHALT CONCRETE
R. Khamad
Graduate student The department of technology of road constructing materials Kharkov National Automobile and Highway University Petrovskogo st., 25, Kharkov, Ukraine, 61002 E-mail: [email protected]
1. Introduction
In spite of its high technological and service properties asphalt concrete (hereinafter referred to as asphalt) has one essential drawback, in particular it is susceptible to the dissolution when exposed to the action of fuels and lubricants. This drawback is very dangerous for asphalt pavements in airports, parking lots and car service centers, where different fuels and lubricants, in particular kerosene, petrol (gasoline), diesel fuel and different oils of a petrolic origin have a good chance to affect the pavement.
The fuel resistance of asphalt pavements can be improved due to the use of high-consistency bitumen or through the modification of bituminous binders by the additives that increase the dissolution resistance of such pavements. The goal-seeking development of asphalt concretes that have an increased resistance to the action of fuels and
lubricants can only be efficient in case of the availability of objective criteria used for the estimation of their fuel resistance. In this connection the problem of the studies of destruction processes that occur in asphalts and polymer modified asphalts (PMA) exposed to fuel environments is rather topical.
2. References Review and Problem Statement
For the patches of pavements exposed to the action of fuels and lubricants special binding agents are used; very frequently these are of a coal origin [1, 2]. The availability of styrene copolymer in the asphaltic binder also increases its resistance to the action of fuels and lubricants [3].
It is known that the modification of bitumen with styre-ne-butadiene-styrene (SBS) improves both the
