автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Композиционные отделочные плиты с радиационно-отверждаемым покрытием

ДНЕПРОПЕТРОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАРЧЕНКО Елена Вадимовна

УДК 691.434.3 : 62-431 : 691.135.5 : 678.028.296

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ОТДЕЛОЧНЫЕ ПЛИТЫ С РАДИАЦИОННО-ОТВЕРЖДАЕМЫМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.23.05 — Строительные материалы

и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск— 1991

Работа выполнена в Днепропетровском инженерно-строительном институте.

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор Ю.Д. КОЗЛОВ - кандидат химических наук С.Д. КОТОВ

Официальные оппоненты - доктор химических наук

А.II. МЮ1ЕШЕВИЧ

- доктор технических наук, профессор М.Д. ЩЕГЛОВА

■ Ведущая организация - ПО "Днепростройматериалы"

Защита диссертации состоится " 23 " января • 1992 г. в 14 часов на заседании специализированного Совета ' К 068.32.02 Днепропетровского инженерно-строительного института по адресу: 320092, г. Днепропетровск, ул. Чернышевского, 24-а, в ауд. )? 202. .

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

. Автореферат разослан " " ^^^СсЛ с^ПЛ 1991 г.

Учений секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

-и^- А.К. Карпухина'

' ОБЩАЯ ХАРАКГЕРИСТИМ РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Одним из направлений научно-технического прогресса в строительстве является разработка низкотемпературных и энергосберегающих технологий, в том числе - технологий производства отделочных материалов.

В настоящее время среди отделочных строительных материалов, предназначенных для внутренней облицовки, ведущее место занимают керамические плитки. Они отличаются высокими эксплуатационными показателями, однако, технология их изготовления длительна и энергоемка.

Известные безобжиговые отделочные материалы по своим физико-механическим свойствам и декоративности уступает керамическим плиткам.

Анализ литературных данных показал перспективность создания безобжиговых композиционных материалов на основе наполненных полимеров с последующей отделкой их поверхности покрытиями радиационного отверждения.

Работа выполнена в соответствии с Государственной научно-технической программой "Стройпрогресс-2000" ( постановление ГННГ №424 от 22.06.89 ) по проекту "Разработать эффективные строительные материалы по нетрадиционным перспективным технологиям С РХ-технология ) и высокоавтоматизированные линии для их производства"» а также в соответствии с Республиканской межотраслевой программой проведения исследований и научно-технических разработок PH.I0.0I. ( задание Госплана УССР > 15-41/4 от 01.03.88 ), подпрограмма "Исследование й разработка радиационной технологии отверждения лакокрасочных покрытий на прессованных плитках".

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка и исследование композиционных отделочных плит с радиациснно-отверждаемым покрытием.

. НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- разработан, принципиально новый способ изготовления компо-• зиционных отделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием;

- определены составы композиций для изготовления основы отделочных плит; '-

- изучено влияние-соотношения полимер;наполнитель, гранулометрического состава наполнителя и количества циклов переработки полимера на физико-механические свойства плит;

- впервые исследован процесс радиационного отверждения полимерных покрытий на композиционных отделочных плитах.

Научная новизна подтверждена авторским свидетельством'

№ 1512041 и заявками № 4797650/33, 4808249/33 и 4813733/33, которые признаны изобретениями.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

- особенности формирования основы композиционных плит;

- результаты исследований физико-механических свойств основы отделочных плит и покрытий радиационного отверждения;

- результаты исследований эксплуатационных свойств композиционных отделочных плит с рациационно-отеержцаемым покрытием;

- результаты опытно-промышленной технологии изготовления композиционных оуделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием.

1РАКТИЧЁСК0Е ЗНАЧЕНИЕ работы заключается в создании и исследовании нового материала для изготовления облицовочных плит с последующей отделкой их лаками радиационного отверждения; в разработке новой технологии изготовления плит из этого материала; во внедрении в промышленность технологии производства композиционных отделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием.•

В соответствии с результатами исследований и технологическими заданиями разработаны рабочие проекты цехов по производству композиционных отделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием для комбината "Днецростройматериалы" Днепропетровского Обл-коммунхоза, для ДСК-3 в г. Славутич, для объэдинения "Казбытмон-тажналацка" в г. Алма-Ата, для малого предприятия "Дальневосточник" в г. Корсакове ( о. Сахалин ).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Второй Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной радиационной химии ( г. Обнинск, 1990 г.), на Всесоюзном семинаре по радиационной химии олигомеров ( г. Обнинск, 1990 г.), на Республиканской научни-технической конференции "Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов" ( г. Алма-Ата, 1990 г.), на Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии" (г. Белгород, 1991 г.), на Третьей Республиканской конференции "Применение пластмасс в строительстве городском хозяйстве" I г. Харьков, 1991 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации получено одно авторское свидетельство и три. положительных }к иения по заявкам на изобретение. Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах.

ОБИ.',; х'АЕОТЫ. Дисссртьцля состоит из введения, 6 глав, общих 1а:поп'->в и содомит 1^9 страниц машинописного текста, в шло-

чая 20 рисунов, 13 таблиц, список литературы из 12В наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ литературных данных свидетельствует о перспективности создания полимерных композиционных материалов на основе наполненных термопластов. Введение наполнителей приводит не только к улучшению физико-механических свойств материалов, но и к снижению их стоимости, ускорению процессов формования.

В известных работах- не рассмотрены процессы переработки вы-соконаполненных ( до 80 % по массе ) крупнодисперсным наполнителем композиций методом литья под давлением. Отсутствуют данные о декоративной отделке поверхности материалов, полученных на основе наполненных термопластов.

Среди способов отделки поверхности материалов, прогрессивным является радиационное отверкдение лакокрасочных покрытий с использованием ускорителей электронов. Этот метод был разработан в 60-е годы и в настоящее время нашел применение в СССР, США, . Японии и других странах. Несмотря на высокую эффективность, в отрасли строительных материалов радиационное отверждение покрытий широкого развития еще не получило.

Исходя из изложенного, определены следующие задачи исследований;

- разработка материала основы композиционных отделочных

плит;

- исследование формирования полимерных покрытий радиационного отверждения на отделочных плитах;

- разработка технологии производства композиционных отделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием;

- исследование эксплуатационных характеристик композиционных отделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием.

Одним из критериев разработки основы композиционных отделочных плит является стремление к минимальной стоимости материала ' в сочетании с удовлетворительными физико-механическими показателями.

В работе рассматривается возможность использования в качестве связующих для изготовления основы плит термопластичных полимеров- полиамида и полистирола ( первичных и отходов ), а в качестве наполнителей - кварцевого песка и отсевов горно-обогатительных комбинатов ( на примере отсевов Криворожского ЮГОКа ))„

Материал для изготовления основы плит получали механическим смешиванием расплава полимера с наполнителем, плиты формовали литьем под давлением.

Проведено экспериментальное исследование зависимости физико-механических и реологических свойств композиций от степени наполнения ( табл. I ). Были изготовлены образцы из композиции, содержащей 50 % ( по массе ) полимера. В каждом последующем опыте содержание полимера снижали на 5 %. При содержании полимера 15 % С по массе ) нарушался процесс формования образцов.

' Таблица I

Фкзико-механические и реологические показатели образцов на основе полимерного связующего и кварцевого песка фракций 0 + 1,25 мм

Един. Величина показателя при содержании измер. полимера (. % масс. )

15 ! 20 ! 25 ! 30 1 35 ! 40 ! 45 ! 50

Предел проч- . МПа

ности при 40,96 46,94

изгибе

Воцопоглоще- . % 4,4 3,4 ние за 24 ч Показатель текучести рас- г/10 не 3,77

плава смеси . мин течет (£= 230 С, Р = 5 кг,Т= 60с)

Предел прочности при МПа 27,83 31,73 изгибе

Воцопоглоще- % 3,8 2,0 ние за 24 ч Показатель текучести рас- г/10 не 0,20

плава' смеси шн течет (* = 200° С, Р = 5 кг,Т= 60с)

Полиамид 52,13 55,56 51,64 51,§8 59,01 65,35 3,2 3,1 3,0 2,9 2,8 2,8

7,90 14,02 23,79 26,71 29,52 31,33

Полистирол 34,18 36,89 37,91 32,78 34,26 37,38 1,7 1,5 1,4 1,3 1,3 1,2

0,74 1,29 1,69 2,42 2,41 2,40

По данным исследований построены графические зависимости предела прочности при изгибе, водопоглощения образцов и показателя текучести расплава смеси от содержания полимера ( рис. I + 4 ).

Для определения влияния гранулометрического состава наполнителя на .свойства плит проведено исследование образцов, наполненных кварцевым песком различных фракций.

Содержание полимера оставалось неизменным ( 20 % по массе ). Результаты исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические и реологические показатели образцов на основе полимерного связующего ( 20 % по массе ) и кварцевого песка различного фращионного состава

Показатель

Един. Величина показателя при фракциях измер. наполнителя, мм_

0,315+ !0,315+!0+0,63!0+1,25!0,14* ! 0,14+

0,63 !1,25 ! ! !0,63 ! 1,25

Предел проч- МПа ности при изгибе Водопоглощение % за 24 ч

Показатель текучести расплава г/10 смеси (¿= 230°С, мин Р = 5 кг, Т=60с)

Предел проч- МПа ности при изгибе Водопоглощение % за 24 ч

Показатель текучести расплава г/10 смеси и= 200°С, мин Р = Ь кг, Т=60с)

Полиамид

45,41 46,88 47,62 46,94 47,87 45,74 4,4 5,2 3,5 3,4 3,5 3,6

4,11

31,85 2,3

4,02 3,73 3,77 3,80 4,05

Полистирол

31,92 32,15 31,73 32,24.29,93 2,4 2,2 2,0 1,9 2,0

0,24 0,22 0,19 0,20 0,21 0,23

С целью изучения возможности использования для изгото^де^да

ь

ш к

5С О)

в о ч

Сч

о с о и о из

Зависимость предела прочности при изгибе плит на основе полимерного связующего и кварцевого песка от содержания полимера

60 50

40'" 30

/ /1

У

^2

ш \о

и

О

Я &

X

о о ж

в

ч ф

а ш £<

10 20 30 40 50 Содержание полимера,'% по массе .

1 - полиамид

2 - полистирол

Рис. I

Зависимость водопоглощения плит на основе полимерного связующего и кварцевого песка от содержания полимера

4,0

3,2 2,4 1,6

— I

!

_ 2

10 20 30 40 50 Содержание полимера, % по массе

1 - полиамид

2 -полистирол

Рис. 2

Зависимость показателя текучести расплава смеси от содержания полистирола

к) га п) Ч с

V

а

РЛ

к г н

оо

щи

О "

В 8 и л ш Ч 3 <и о ь о) о

(13 «

о С

2,5 2,0

1,5

1,0

0,5

10 20 30 40 50 Содержание полистирола, % по массе

Рис. 3

й я я) ч с о я)

о* я'

з

0)^ в |

Зависимость показателя текучести расплава смеси от содержания полиамида

30

24 18

12

10 20 30 40 50

Содержание полиамида, % по массе

- Рис, 4

6

основы плит отходов полимеров и повторной переработки смесей исследовано влияние количества циклов переработки на физико-механические и реологические свойства образцов ( табл. 3 ).

Таблица 3

Физико-механические и реологические показатели образцов на основе полиамида и полистирола ( 20 % по массе ) с кварцевым песком фракций 0,14+0,63 мм после многократной переработки

£дин. Количество циклов переработки

Показатель

измер. Долиамид ! Полистирол

I ! 2 ! 3 ! I ! 2 ! 3

Предел проч- МПа 47,87 48,30 54,69 32,24 34,18 35,64

ности при из-

гибе

Показатель те-

кучести распла- г/10

ва смеси мин (для полиамида ¿=230°С,Р=5 кг, Т=60с; для по-листирола*=200°С, Р=5 кг, Т = 60с) 3,80 4,58 11,80 0,21 0,21 0,20

Статистический анализ экспериментальных данных позволил определить уравнения кривых, описывающих свойства композиций на основе полиамида ( ПА ) и полистирола ( ПС ). Математические модели прочности при изгибе ( 1?иэр ) и показателя текучести расплава смеси ( ПТР ) приведены ниже:

Н иэг11А = 3,6411 "XI + 10,9529 Х2 + 0,2691 XI Х2 - С I )

- 0,0636 XI2 - 5,1247 Х22 - 12,7530 ;

Ш'Р11А . 1,5296 XI - 76,6311 Х2 - 0,4242 XI Х2 + ( 2 ) + 0,0039 XI2 + 31,8269 Х22 + 27,9092;

К изгпс = 1,9696 XI + 5,2984 Х2 + 0,1254 XI Х2 - С 3 )

- 0,0352 XI2- 2,3294 Х22 + 0,4077;

ПТРШ а 0,1213 XI - 9,1630 Х2 - 0,0135 XI Х2 + ( 4 )

+ 0,0002 XI2 + 3,5467 Х22 + 3,9090 ,

г^и XI - сод^жшше полимера в композиции, % по массе

X2 - модуль крупности наполнителя.

Установлено, что оптимальными являются содержание в композиции полимера в количестве 20 % ( по массе ) и использование наполнителя фракций 0,14 + 0,63 мм.

Получены образцы на основе полиамида и полистирола ( 20 % по массе ), наполненных отсевами ГОКа. Они имеют прочность при изги-й бе соответственно 53,63 МПа и 34,15 Ш1а, водопоглощение - 3,1 и Х.5 %.

Экспериментально определены оптимальные технологические параметры изготовления плит из высоконаполненных минеральным наполнителем полиамида и полистирола.

Методом дифференциальной калориметрии исследованы температуры и теплоты' фазовых превращений полимерно-минеральных смесей. Установлено, что температура плавления полимеров в наполненных композициях превышает температуру плавления чистых полимеров на 15 - 20° С. С увеличением числа циклов переработки смесей величина температуры плавления полимеров смещается в область более низких температур.

Так как основа композиционных отделочных плит имеет темный оттенок-, то для придания им декоративных свойств необходима отделка поверхности основы путем нанесения слоя грунта и лака.

Исследованы особенности формирования покрытий на основе полиэфирного лака Г0-284 радиационного отверждения на поверхности отделочных строительных материалов. Определены параметры нанесения и отверждения покрытий: толщина слоя грунта - 50 мкм, толщина слоя лака - 150 мкм, температура поверхности плит перец нанесением покрытия - 50+60° С, температура грунта и лака - 25° С, энергия ускоренных электронов - 0,4 МэВ, поглощенная доза - 170 кГр.

Величина адгезии полиэфирных покрытий к основе композиционных отделочных плит равна I баллу ( по методу решетчатых надрезов ), к основе керамических плит - 2 баллам.

Для повышения адгезии полиэфирных покрытий к керамическим плитам, предложено нанесение на их поверхность слоя расплашюнного полиамида толщиной 20-50 мкм и введение в лак 1-3 % С по массе ) аэросила в качестве тиксотропной добавки.

Проведено изучение эксплуатационной стойкости плит.

Плиты исследованы на водостойкость, влагостойкость, стойкость к агрессивным средам, на горючесть, определены санитарно-гигиенические свойства, проведены натурные испытания образцов.

■ Данные исследований свидетельствуют о том, что композицией-

ные отделочные плиты с радиационно-отверждаемым покрытием могут быть использованы для внутренней облицовки помещений.

На основании проведенных исследований разработана технология изготовления композиционных отделочных плит с радиационно-отверждаемым покрытием, основные стации ее представлены на рис. 5.

Наполнитель сушат до влажности 8 % и фракционируют. Фракции наполнителя 0,14+0,63 мм в смесителе-грануляторе смешивают с расплавом предварительно измельченного полимера до образования однородной массы.

Формование плит методом литья под давлением осуществляют на ыногопозиционной литьевой машине.

Плиты декор1фуют путем нанесения грунта, рисунка, налива слоя радиационно-отвержцаемого лака. Покрытие отверждают под пучком ускоренных электронов, генерируемых ускорителем электронов, находящимся в камере биологической защиты.

Готовые плиты упаковывают и отправляют на склад готовой продукции или потребителю.

Проведены технико-экономические исследования производства композиционных отделочных плит с рациационно-отверждаемым покрытием ( в уровне цен декабря 1990 г. ).

Годовая производительность линии - 600 тыс, м^ плит. Капитальные затраты - 2 млн. руб., в том числе 800 тыс. руб. - стоимость ускорителя электронов. Себестоимость I м^ плит на основе наполненного полиамида - 3,5 руб., на основе наполненного полистрола - 3,3 руб. Годовой экономический эффект составляет около 50 тыс. руб. при производстве плит из полиамида и около 320 тыс.руб при производстве плит из полистирола.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые разработаны композиционные отделочные плиты с радиационно-отверждаемым покрытием.

2. Осуществлен подбор сь/рья для изготовления основы плит. Исследованы зависимости физико-механических и реологических свойств плит от соотношения полимер : наполнитель, гранулометрического состава наполнителя и количества циклов переработки полимера. :

3. При статистической и математической обработке результатов .экспериментов установлено, что оптимальными являются соотношение

■ пллимер : нёлолнитель - 20:Ь0 С % по массе ) и фракционный сос:-: тс. б наполнителя - 0,14+0,63 км.

Технологическая схема производства композиционных отделочных плит с рациационно-отвержцаемым покрытием

Рис. 5

4. Исследованы технологические параметры формирования и теплофизические свойства основы плит.

5. Изучены особенности формирования полимерных покрытий радиационного отверждения на поверхности отделочных строительных материалов, определены оптимальные технологические параметры процесса. •

6. Исследовано адгезионное взаимодействие радиационно-от-верждаемого полиэфирного лака с основой плитных отделочных материалов. Предложены методы повышения адгезии покрытий.

7. В результате изучения эксплуатационных характеристик'установлено, что композиционные отделочные плиты с радиационно-от-вержцаемым покрытием могут быть использованы для внутренней облицовки помещений.

8. Разработана технология изготовления композиционных отделочных плит с рациационно-отверждаемым покрытием.

9. Проведены технико-экономические исследования производства композиционных отделочных плит■с рациационно-отверждаемым покрытием. При годовом объеме выпуска.500 тыс. м^ плит из наполненного полиамида экономический эффект составит около 50 тыс.руб., из наполненного полистирола - около 120 тыс. руб.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЯВДУЩИЕ РАБОТЫ

1. Перспективы использования отходов пластмасс для производства отделочных строительных материалов / Козлов Ю.Д., Котов С.Д., Марченко Е.В. и др. // Тезисы докладов Республиканской научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в технологии строительных материалов", Алма-Ата, 1990, - с. 15.

2. Технологическая линия производства отделочной плитки

из отходов с использованием ускорителя электронов. / Самченко Е.А., Козлов Ю.Д., Марченко Е.В. // Совершенствование технологии строительных материалов и конструкций. Межвузовский сборник научных трудов. - Пермь, 1990, с. 66-68.

3. Особенности радиационно-химического формирования покрытий на отделочных строительных материалах. / Котов С.Д., Марченко Е.В., Панасюк A.M. и др. // Совершенствование технологии строительных материалов и конструкций. Межвузовский сборник научных трудов. - Пермь, 1990, с. ЬО-ЬЗ.

•1. Керамическая облицовочная плитка с полимерным покрытием р-.-пацп^нюго отверждения. / Козлов Ю.Д., нарченко Е.В., Самченко Е.А. и up. // Тезисы докладов Республиканской научно-техни-чсексг. K.-H.J-eceray:i: "Научно-технический'прогресс в технологии

строительных материалов",- Алма-Ата, 1990, с. 16.

5. Керамическая облицовочная плитка с покрытием радиациошш-химического отверждения. / Козлов Ю.Д., Котов С.Д., Марченко E.D. и др. // Тезисы докладов Всесоюзного семинара по радиационной химии олигомеров ( 17-19 апреля 1990 г., г. Обнинск ).

6. Керамическая облицовочная плитка с полимерным покрытием радиационного отверждения / Самченко Е.А., Марченко Е.В., Ко- . товС.Д. и др.'// Тезисы докладов Второй Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной радиационной химии ( 23-25 октября 1990 г», г. Обнинск ). - М.: НИША, 1990, с. 247.

7. Совершенствование процесса формирования радиационно-от-верждаемых покрытий на строительных материалах. / Марченко Е.В., Панасюк A.M., Самченко Е.А. и др. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии", ч. 9. - Белгород, 1991, с. 5.

8. Использование отходов полимеров в производстве облицовочных строительных материалов. / Козлов Ю.Д., Марченко Е.В., Панасюк A.M. и др. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии", ч. 9. -Белгород, 1991, с.9-10.

9. Способ получения покрытия на поверхности керамических изделий. A.c. СССР № I5I204I. / Козлов Ю.Д., Ширяева Г.В., Ильченко Н.Г., Марченко Е.В. и др.

10. Способ изготовления керамической облицовочной плитки. Положительное'решение № 4797850/33 от <0.11.90 / Козлов Ю.Д., Котов С.Д., Марченко Е.В. и др.

11. Способ получения покрытия на поверхности керамических изделий. Положительное решение № 4808249/33 от 22.10.90 / Козлов Ю.Д., Марченко Е.В., Самченко Е.А. и др.

12. Способ производства облицовочной плитки. Положительное решение № 4813733/33 от 3I.0J.9I / Козлов Ю.Д., Марченко Е.В., Котов С.Д. и др. , . .

13. Безобжиговые облицовочные плиты на основе пластмасс. / Козлов Ю.Д., Котов С.Д., Марченко Е.В. и др.// Строительные материалы и конструкции. 1991, № I, с.14-15. '

14. Лаковое покрытие поверхностей строительных изделий из пластмассы. / Котов С.Д., Марченко Е.В., Самченко Е.А. и др. // Тезисы докладов Третьей Республиканской научно-технической конференции " Применение пластмасс-в строительстве и городском хозяйстве", Харьков, 1991, с. 24.

15. Сравнительная оценке адгезионных характеристик полимерных покрытий на облицовочных плитах. / Козлов Ю.Д., Марченко Е.В., Котов С.Д. и цр. // Тезисы докладов Третьей •Республиканской конференции "Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве", Харьков, 1991, с.50. ;

*

АВТОРИФЕРАТ Ответственный за издание А.К.Карпухина Сдано в набор 17.12.91. Подписано в печать 17.12.91. формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.Печать плоская.Уол. . печ.л.0,93.Уол.кр.отт.0,93.Тираж 100 экз.Зак. * 149.3а-казное.Бесплатно.Городская типография 320070 г.Днепропетровск, ул.Серова, 7.

Бесплатно-