CC BY
2860
CHEMICAL SCIENCES / <<Ш11ШетиМ~^©иГМа1>#9(Ш,2©2©
CHEMICAL SCIENCES
УДК 67.06 : 666.9.022.1
Мельник Л.1., Черняк Л.П., Бтоусова А.О.
Нацюнальний технгчний утверситет Украши «Кшвський полтехтчний тститут 1мет 1горя Сжорського» DOI: 10.24411/2520- 6990-2020-11593 ЗНОСОСТ1ЙКИЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВ1 СИСТЕМИ АНДЕЗИТ-СОПОЛ1МЕР
Melnyk L.I., Chernyak L.P., Bilousova A.O.
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
WEAR-RESISTANT COMPOSITE BASED ON THE ANDESITE - POLYMER SYSTEM
Анотацш
Об 'ектом дослгдження стали композицшт матер1али з використанням eidcieie андезиту як фракщ-онованого наповнювача та сополiмеру як матрицi. Встановлено змти фiзико-механiчних властивостей композитiв на основi 55 мас. % наповнювача при варiюваннi його гранулометричного складу. Вказано на перспективтсть виготовлення та практичного використання отриманих знососттких композитiв в бу-дiвництвi.
Abstract
The object of study was composite materials using the screenings of andesite as fractionated filler and the copolymer as matrix. Changes in the physical and mechanical properties of composites based on 55 wt. % оf the filler when varying its particle size distribution were found. The prospect of manufacturing and practical use of obtained wear-resistant composites in construction is indicated.
Ключовi слова: композит, наповнювач, андезит, матриця полiмерна, гранулометрiя, склад, власти-востi, зносостштсть.
Key words: composite, filler, andesite, polymer matrix, granulometry, composition, properties, wear-resistant
Вступ - постановка проблеми. Аналiз лггературних даних та постановка
Основними критериями вибору композицшногопроблеми матер1алу е ф1зико-мехашчш характеристики, яш обу- Розвиток науково-техшчних засад технологи мовлюють ефектившсть !х використання в р1зних сфе-пол1мерних композицшних матер1ал1в е предметом рах. численних дослщжень [1, 2]. Визнано значну роль
Ввдповщно до положення сучасного матер1алоз-наповнювач1в композипв, використання яких до-навства про зв'язок: склад ^ структура ^ властивосп.зволяе суттево зменшити шльшсть необхвдних по-характеристики композипв залежать ввд р1зновид1в на-л1мер1в - зв'язуючих та шдвищити властивосп ма-повнювача 1 матрищ, технологи та параметр1в виготов-тер1ал1в [3].
лення. При цьому стутнь зв'язку компоненпв, !х кон- Як дисперсш наповнювач1, головним чином, центращя та р1вном1ршсть об'емного розподшу визна-застосовуються природш матер1али - крейда, као-чають параметри структури, загальш ф1зико-мехашчншн, графгг [4, 5]. Одним 1з напрямк1в розширення та спещальш властивосп композипв. сировинно! бази наповнювач1в стали роботи по ви-
При застосуванш як наповнювача сировини р1з-вченню та використанню порвд вулкашчного похо-ного генезису - природно! та техногенно! з'являетьсяцження, в тому числ1 андезиту р1зних родовищ [6-можливють комплексного виршення питань якосп8]. В цьому зв'язку привертають увагу розробки композипв 1 екологи. В цьому зв'язку серед природнопцодо застосування андезиту як наповнювача в ком-сировини привертають увагу вщходи нерудной проми-позицшних матерйалах, в тому числй будйвельних словосп - вйдсйв видобутку та подрйбнених магматич-[9-11].
них порвд, зокрема андезиту. Розробки по застосуванню нових рйзновидйв
Можливйсть розширення асортименту та тд- сировини, в тому числ андезиту, потребують ура-вищення експлуатацшно! надшносп композицш- хування особливостей його ф1зико-х1м1чного них матер1ал1в при залучент в !х виробництво но- складу, впливу на характеристики дослщжуваних вих р1зновид1в природно! сировини визначають ак- систем 1 властивосп продукту виробництва. Це туальшсть даних дослщжень. стало метою дано! роботи стосовно композипв на
основ1 андезиту з пол1мерним зв'язуючим.
Характеристика об'сктш досл1дження. Як сополiмер використовували водну стирол-
Об'ектом дослiдження стали композицшш MaTepi-акрилову дисперсiю марки Latex DC 640 (табл. 1). али на основi системи сополiмер - вщави андезиту.
Таблиця 1
Характеристики сополiмеру_
Показники Latex DC 640
Зовнiшнiй вигляд Водна дисперсш бшого кольору
Вмiстом сухого залишку,% 40.0%
рН 8.5
В'язшсть, МПа^с 20
Температура (МТПУ), °C < 5
Хiмiчний склад Стирол-акрилат
Вмiст стиролу, % 50
Вмют акрилового полiмеру, % 50
Розмiр часток, нм 50
Як нaповнювaчi використовували ввдави андезиту Хустського кар'еру Закарпатсько! облaстi.
За хiмiчним складом проба вiдсiвiв андезиту характеризуеться тдвищеним вмiстом SiO2 при ш-
Хiмiчний скл
льк1сному спiввiдношеннi SiO2 : Al2O3 = 3.5; окси-дiв зaлiзa, лужноземельних i лужних оксидiв типу RO+R2O = 11.47 мас. % (табл. 2).
Таблиця 2
иаиовикшача
Назва проби Вмют оксидiв, мас. %
SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO SO3 Na2O K2O в.п.п
Андезит 59.70 16.97 8.42 0.72 5.76 1.21 - 2.68 1.82 1.11
Анaлiз мiнерaлогiчного складу дослщжувано! сировини показав, що проба вiдсiвiв андезиту як рь
зновид магматичних порiд характеризуеться розви-неними кристaлiчними фазами та розвиненою скло-
фазою (рис. 1):
Рис. 1. Дифрактограма проби андезиту. Позначення: Л - олигоклаз-андезин, • - авгт, □ - магнетит, о - рогова обманка, х - бютит
Поверхневi процеси, що протжають на меж1 подшу фаз, е важливим фактором технологи виго-товлення композицiйних мaтерiaлiв. З огляду на аг-регатний стан компонента в технологи полiмерних композипв при ф№траци в системах газо- i водоо-чищення слад видшити два типи поверхонь роздшу фазр1дина - тверде тшо (Р-Тв).
В цьому зв'язку у дослщженнях були викорис-тaнi методи оцшки енергетичного стану поверхнi частинок андезиту по змочуванню при напканш [12].
Характерною особливiстю вказаного методу е можливють комплексно оцiнити люфшьшсть по ступеню змочування частинок полярними i неполя-рними розчинниками (вiдповiдно вода i ксилол),
62
CHEMICAL SCIENCES / <<Ш11ШетУМ~^©УГМа1>#9(1611)),2©2(1
коефщент ф№трацп та питому ефективну повер-хню як фактори взаемодп наповнювача та полiмер-но! мaтрицi.
Отримаш результати експериментiв свiдчaть, проба вiдсiвiв андезиту по спiввiдношенню показ-
нишв нaтiкaння неполярно! та полярно! рвдин характеризуеться коефiцiентом лiофiльностi 0.51, пито-мою ефективною поверхнею по водi та ксилолу -ввдповщно 10.1 та 5.0 м2/г (табл. 3).
Таблиця 3
Властивосп поверхнi андезиту
Мaтерiaл Змочування при нaтiкaннi Коефiцi-ент фшьтрацп, К10-6 см3 •с/г Питома ефективна по-верхня, м2/г Умовний тангенс дiелект-ричних втрат, tg5
вода ксилол вода ксилол
Андезит 0.69 1.35 0.35 0.63 10.11 5.03 0.027
Склад i властивостi досл1дних композш!в
В данш роботi дослiджено системи з сополiме-рам Latex DC 640 як зв'язуючим при диференщацп гранулометрп андезиту як наповнювача. При цьому використовували пробу Аф полiфрaкцiоновaного
андезиту i проби монофрaкцiйнi Ам1 iз грубодис-персними частинками розмiром 1 -2 мм та Ам2 iз тонко дисперсними частинками розмiром < 0,5 мм (табл. 4, 5).
Таблиця 4
Гранулометричний склад наповнювача
Код проби Вмiст фрaкцiй мaтерiaлу (мм), %
3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,2 < 0,2
Аф 10 20 25 25 20
Ам1 - 100 - - -
Ам2 - - - 100
Таблиця 5
Склад дослвджуваних композитов_
Код композиту Вмют композипв, мас. %
наповнювач Зв'язуючий сополiмер
Аф Ам1 Ам2 Latex DC 640
L1 55 45
L2 55 45
L3 55 45
Технолопя виготовлення композиту на основi системи сополiмер - наповнювач складалась з пос-лiдовного виконання наступних оперaцiй:
- мехaноaктивaцiя наповнювача i зв'язую-чого в кульовому млиш (20 хвилин);
- визрiвaння композицп (48 годин при шмна-тнш темперaтурi);
- виготовлення заготовок (дозування нава-жок масою 5.0 г та закладання 1х у форми);
- термообробка заготовок (поступове шдви-щення температури та витримка 1 година при 80 0С);
- пресування (P = 10 МПа) зразк1в цилiндри-чно! форми з d = 16 мм.
Були проведет комплексш дослвдження фь зико-мехaнiчних властивостей розроблених зразшв (табл. 6).
Таблиця 6
Характеристики композиту на основi системи сополiмер - андезит
Показники Код зразшв
L1 L2 L3
Геометрична густина, г/см3 1,23 1,39 1,48
Водопоглинання, мас % 14,9 12,3 10,7
Стирашсть, г/см2 0,02 0,02 0,01
Модуль пружносп, E, Па/мм2 52 41 41
Ввдкрита пориспсть, % 18,32 17,10 15,84
Загальна пористiсть, % 18,42 17,12 15,84
За отриманими результатами випробувань характеристики порово! структури та показники фь зико-мехашчних властивостей композиту при рiв-нш концентрaцil наповнювача та сополiмеру зале-жать вiд гранулометричного складу андезиту. При цьому збшьшення густини та стшкосп до стирання,
зменшення водопоглинання та пористостi спостерi-гаються при зростанш ступеню дисперсностi андезиту i досягають вiдповiдних мaксимумiв i мiнiму-мiв у зразк1в композиту L3.
Висновки
1. Встановлено можливiсть введения до складу композиц1йних матерiалiв B^ciBiB андезиту як наповнювача в кшъкосп 55 мас. % при використанш cополiмеру Latex DC 640 як матрищ.
2. Вщзначено вщмшносп хiмiко-мiнералоriч-ного складу та властивостей поверхш закарпатсь-кого андезиту як факторiв взаемодп i3 зв'язуючим cополiмером i впливу на показники фiзико-механi-чних i екcплуатацiйних властивостей композиту.
3. Розглянуто вплив гранулометрп андезиту на порову структуру та властивосп композицiйного матерiалу з полiмерною матрицею. При цьому вщ-мiчено максимум ефекту при збiльшеннi дисперс-ноcтi наповнювача та, вiдповiдно - числа контакпв дисперсно! фази i поверхнi взаeмодii з cополiмером.
4. Показано, що отриманi композити на оcновi системи cополiмер-вiдciви андезиту характеризуются значним супротивом силам тертя, при цьому показник стираносп становить 0.02 - 0.01 г/см2, що важливо для практичного застосування.
Список лггератури
1. Ме1пук L. Research of electrical properties of epoxy composite with carbon fillers [Text] / L. Ме1пук // Technology audit and production reserves, 2017. - V. 3.(1/35) - pp 1539-1641.
2. Suprakas Sinha Ray Polymer/layered silicate nanocomposites: a review from preparation to processing [Text] / Suprakas Sinha Ray, Masami Okamoto //Progress in Polymer Science, 2003. - V. 28. - Is. 1(35). - pp 4-10.
3. Sokolov I. I. Effect of the Chemical Nature of Fabric Mineral Fillers on the Properties of Polymer Composite Materials [Text] / I. I. Sokolov, I. V. Troshkin // Glass and Ceramics. - 2016. - V. 73. - Is. 5-6. - pp 231-233.
4. Rothon R. N. Particulate fillers for polymers [Text] / R. N. Rothon // Rapra Rev. Rep. - 2001. - pp. 12:16-17.
5. Мельник Л.1. 3aKOHOMipHOcri формування i застосування термостшких струмопровщних сило-ксанграфгтових мaтерiaлiв [Текст] / Л.1. Мельник // Автореферат дисертацп. - 2009. - 22 с.
6. H. Kuno. Origin of andesite and its bearing on the Island arc structure / Bulletin Volcanologique, 1968. - Vol. 32, pp.141-176.
7. S.S.Sarkar, S.K.Nag, S.Basu Mallik. The origin of andesite from Rajmahal traps, eastern India: A quantitative evaluation of a fractional crystallization model / Journal of Volcanology and Geothermal Research, 1989. - Vol. 37, - Is. 3-4, pp. 365-378.
8. Черняк Л.П. Структурш 3Mirn та властивосп магматичних порщ Захщно! Украши // Керамика: наука и жизнь, 2016. - № 4 (33). - С. 4 - 12.
9. ismailUzun1SerdalTerzi. Evaluation of andesite waste as mineral filler in asphaltic concrete mixture / Construction and Building Materials, 2012. - Vol. 31.
- pp. 284-288.
10. Самошина Е.Н., Шитова И.Ю. Выбор наполнителя для получения химически стойкого композита на основе серного вяжущего / Фундаментальные исследования - Пенза: Изд. Дом "Академия Естествознания", 2016. - № 4-1. - с. 107-111.
11. Ulku Soydal, Suheyla Kocaman, Mustafa Esen Marti, Gulnare Ahmetli. Study on the reuse of marble and andesite wastes in epoxy-based composites / Polymer Composites, 2018. - Vol. 39. - Is. 9. - pp. 3081-3091.
12. Пащенко А.А., Крупа А.А., Свидерский В.А. К вопросу определения гидрофобности пористых дисперсных материалов// Докл. АН УССР.
- Сер. Б. - 1974. - №10. - С. 913-916.
