автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Технология и свойства полимерных строительных композиционных материалов на основе модифицированного суспензионногополивинилхлорида с активированными наполнителями

I О

од

1 '» ИЙП 1Я37

на правах рукописи

СЛДВАКЛСОВ МУХАМЕДРАХИМ ЖАКСАНОВИЧ

Технология и спойстпа полимерных строительных композиционных материалов на основе модифицированног о суспензионного поливинилхлорида с активирпаннымн наполнителями.

05.23.05. - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Алматы -1997

Работа выполнена в Ассоциации научно-производственных предприятий "Полистром" акционерной корпорации "Казстройполнмер".

Научные руководители: - член- корр. Инженерной академии

Республики Казахстан, доктор технических наук, профессор СМ. Байболов

- кандидат технических наук А.Н. Иманов

Официальные оппоненты: - академик Жилищно -

коммунальной академии России, доктор техн. наук, профессор В.М. Хрулев

- кандидат технических наук, с.н.с. Т.А. Койчуманов

Ведущая организация - Карагандински;'! государственный

технический университст

Защита состоится " " 1997 г. в часов в

ауд. 240 на заседании Диссертационного Совета Д 14.03.01 в Казахской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 480043, г. Алматы, ул. Рыскулбекова, 28.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Казахской государственной архитектурно-строительной академии.

Автореферат разослан " ^ " ЛС/У_1997 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Абрахманова К.К.

Актуальность проблемы. К одним из крупнотоннажных полимеров, широко используемых в технологии строительных материалов, относится поливинилхлорид. На основе ПВХ изготавливают различные виды звукотеплоизоляционых и отделочных материалов, погонажных изделий, труб и других материалов строительного назначения.

Несмотря на большой опыт применения в строительстве материалов на основе поливинилхлорида, они еще не всегда отвечают предъявляемым к ним требованиям, в особенности изделия, получаемые экструзией и литьем под давлением.

Вместе с тем в последние годы резко возросли требования строительной индустрии к свойствам и качеству строительных материалов (высокая прочность, твердость, стойкость к циклическим нагрузкам, воздействиям атмосферных осадков и излучению, агрессивным средам, качество поверхности, дизайн, а также постоянно расширяется ассортимент строительных изделий и деталей, требующих повышенных качества и эксплуатационных свойств (стабильность линейных размеров, низкие уровни водопоглощения и усадки и др.). В совокупноста эти факторы определяют актуальность настоящей работы.

Работа выполнена в соответствии с перспективной программой Госплана КазССР Р.075.3 "Основные направления научных и практических разработок по комплексному использованию сырьевых ресурсов Казахстана на период 1985-1995 гг и до 2000 г."

Целью работы является разработка, технологии и исследование свойств полимерных строительных материалов на основе суспензионного поливинилхлорида и механоактивированных наполнителей. В соответствии с целью в работе необходимо было решить следующие задачи:

- модифицировать исходное связующее для повышения физико-механических и технологических свойств;

- разработать способ активации минеральных наполнителей;

- разработать способ получения наполнителей микроволокнистой структуры из волластонитосодержащего минерального сырья;

- оптимизировать технологические режимы формования изделий на основе ПВХ, содержащих активированные наполнители;

- исследовать физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства композиционные поливинилхлоридных материалов строительного назначения;

Научная новизна. Разработан механоктнвационной способ модификации структуры суспензионного поливинилхлорида пугем введения термоэластопластов на конечной стадии процесса пластификации при получении полимерных композиций.

Установлено, что при совместном помоле минеральных наполнителей с частью (до 5 %) ПВХ, макромолекулы последнего необратимо адсорбируются на поверхности твердых частиц, что обеспечивает

повышенную адгезию между связующим и активированным наполнителем.

Разработан способ получения наполнителей микроволокнистой структуры из волластонитосодержащего минерального сырья путем его помола в дезинтеграторе с последующим расщеплением волластони-товых зерен на волокна.

Получены полимерные строительные материалы на основе суспензионного поливинилхлорида с высокими физико-механическими показателями, включающими повышенные модуль упругости, ударную вязкость, стойкость к циклическим нагрузкам температуры и механических напряжений.

Практическая ценность работы заключается в разработке технологии полимерных строительных материалов с высокими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами на основе крупнотоннажного суспензионного поливинилхлорида и наполнителей из минерального сырья Казахстанских месторождений, определяющих доступность сырьевых материалов и экономическую целесообразность организации производства.

Разработаны и утверждены технические условия на строительные материалы на основе суспензионнохо поливинилхлорида, модифицированного термоэластопластами (ТЭП) кремнийорганическимн (КО) олигомерами и механоактивированными наполнителями, а также технологический ретамент на их переработку в изделия и детали строительного назначения.

Экономический эффект от применения 1 тонны разработанных материалов по сравнению с аналогичными традиционными материалами составляет' 12450 тенге.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на:

- Республиканской научно-практической конференции "Применение новых полимерных материалов в строительстве". Караганда, 1991 г;

- международной научной-практической конференции "Научные основы производства полимерных материалов". Караганда, 1993 г;

- научно-техническом семинаре "Проблемы создания композиционных материалов на основе термопластичных полимеров". Караганда, 1995г.

- Республиканской научно-практической конференции "Состояние и перспектива производства органических материалов на базе сырьевых ресурсов Центрального Казахстана". Караганда, 1997 г.

- Казахстанской национальной геотехнической конференции "Проблемы фундаментостроения и в грунтовых условиях новой столицы. Акмола, 1997 х-.

Основные положения диссертации опубликованы в шести статьях.

На защиту выносятся:

- экспериментальное обоснование модификации поливинилхлоридного связующего введением терм оз ластопластов, обеспечивающее получение полимерных строительных материалов экструзией с качественно новыми физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами;

- способ активации минеральных наполнителей частью полимерного связующего, обеспечивающий повышение адгезионного взаимодействия полимера с наполнителем в результате которого достигается повышение уровня прочности технологических свойств композиционных материалов;

- способ получения наполнителей микроволокнистой структуры из волостонитосодержащего минерального сырья с использованием дезинтегратора, струйной мельницы и электромагнитных сепараторов, которые обеспечивают отделение примесей из волостанитового концентрата по плотности разделение на зерен измельчаемого материала в электормагнитном поле на микроволокна;

- свойства полимерных строительных композиций на основе модифицированного суспензионного иоливинилхлорида с активированными наполнителями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выволов, списка литературы, 225 стр., включая 40 рисунков и 33 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в развитие теории и пратики получения и применения полимерных материалов внесли ученые Акутин М.С., Андрианов P.A., Байболов С.М., Бартенеев Г.М., Беспалов Ю.М., Воробьев В.А., Гуль В.Е., Жубанов Б.А., Соломатов В.И., Патуроев В.В., Оспанов Х.К., Хрулев В.М., Черкинский Ю.С., и др.

Анализ литературных данных показывает, что дальнейшее совершенствование технологий и улучшение свойств полимерных строительных материалов обеспечивается модификацией структуры базовых полимеров, примением активированных наполнителей, разработкой новых способов получения композиционных материалов.

В диссертационной работе для решения задач по повышению функциональных возможностей полимерных материалов и изделий выбрано направление связанное с модификацией связующего добавками термозластопластов и кремнийорганических олигомеров, а наполнителей частью ПВХ при предварительной их подготовке. Выбор модифицирующих добавок осуществляли с точки зрения высокой эффективности взаимодействия ПВХ с наполнителями и модификаторами и возможности регулирования в широком диапазоне свойств композиционных полимерных материалов. Для модификации связующего

использовали бутадиенстирольный (ДСТ-30), бутадиен-ос.-метили-стирольный (ДМСТ-Р) и пинериленбутадиенстирольный (ПБСТ-Р) разветвленного строения термоэластопласты и кремнийорганические олигомеры "Силор" и "ОМЦТС".

Наполнение ПВХ осуществляли дисперсными ракушечником Жетыбайского, фосфогипсом Каратауского, природным каолином Алек-сеевского месторождений, в качестве микроволокнистых наполнителей использовали пирофиллит и волластонит Центрального Казахстана.

Для проведения исследований в работе использован комплекс физико-механических методов анализа, включающий методики определения химического, минералогического и зерновых составов, удельной поверхности, деформативных и структурно-механических свойств материала.

Реологические свойства изучали на капиллярном вискозиметре постоянных расходов "Реограф-2001" и "Реограф-1 ООО" фирмы "Геттферт Файнтехник" в диапазоне температур 433-523 К и скоростей сдвига от 101 до 10' с1. Диаметр капилляров канала составлял 1-2 мм при длине 10-40 мм. Давление создаваемое в вискозиметрическом резервуаре с диаметром 12 мм измеряли непосредственно перед входом в канал.

Технологические свойства наполненных материалов определяли на экструзиографе "Брабендер" и 2-х шнековом экструдере "Коллин".

Деформационно-прочностные свойства КПМ, показатели текучести расплава, плотность оценивали по стандартным методикам и методом распространения ультразвуковых волн. Структурные изменения ПВХ при модификации исследовали методами динамического механического анализа (ДМА) на обратном крутильном маятнике МК-3 в режиме свободных крутильных колебаний при частотах 0,4 ... 1,0 Гц в интервале 103 ... 393, К дифференциальный сканирующий калориметрии на приборе ТА-3000 "МеШег" в интервале температур 103 ... 433 К. Релаксационные процессы изучали на приборе УТС - 10 "Тестгехник" и термостимулированных токов деполяризации.

Свободную поверхностную энергию образцов на наполнителей, ПВХ определяли по данным измерения краевого угла смачивания их стандартными жидкостями на катетометре "КИ-6". Теплофизические характеристики материалов определяли на приборе ТА-3000 "МеШег" и приборе "Термис-М". Прогнозирование эксплуатационных характеристик проводили по стандартным методикам по методике ЦНИИ-Точмаш РТМ 5550-73 и по методике определения старения материалов в естественных условиях Центрального Казахстана.

На начальном этапе работы были проведены исследования по разработке технологии подготовки наполнителей. Эксперименты показали, что для достижения необходимой дисперсности (0 < 30 мкм) оптимальным является помол, предварительно измельченного до размеров 10...80 мкм материала, в дезинтеграторе. Последний представляет собой установку, состоящую из камеры измельчениям клас-

сификатора. Измельченный наполнитель, воздушным потоком подается в классификатор, ще разделяется на 2 потока: более тяжелые примесные компоненты через специальный отводящий канал выводятся из технологического цикла, собственно наполнитель направляется через отводящую трубу в струйно-вихревую сущилку. В отводную трубу для активации одновременно подается 2-5 масс.ч. ПВХ, активированная и высушенная смесь далее подается в струйно-вихревую мельницу, ще под давлением 0,2 - 0,3 МПа проваодится модификация поверхности наполнителя 0,5 - 1,0 масс.ч. гидрофобизатора-силоксановой жидкостью. Во второй струйно-вихревой активатор вновь подается 0,5 - 1,0 масс.ч. ПВХ. Далее материал подается на производство КПМ.

Экспериментально установлено, что, механохимическая модификация значительно улучшает перерабатываемость композиций. Текучесть материала повышается при использовании модифицированных наполнителей в следующей градации: фосфогипс-ракушечник - каолин, (Г1ТР - 3,7; 3,2; 2,6 г/ 10 мин. соответственно). При этом максимальные значения прочностных характеристик достигаются при использовании наполнителей в градации: каолин, ракушечник, каолин, ( иР - 48, 46, 43 МПа соответсвенно.

Максимальное усиление наполненных ПВХ композиций при механохимическом модифицировании в струйно-вихревых активаторах обеспечивается при оптимальном сечении дисперсности частиц, со степенью прививки (3-4%) ПВХ на поверхность наполнителя и полимер-фильностыо поверхности наполнителей. Наибольший эффект механо-химических превращений достигается при давлении в разгонной трубке 0,2 - 0,3 МПа, о чем свидетельствует снижение на 3-6% констант!,! Фиккентчера (Кф) (табл. I).

Таблица I

Значение константы Фиккетчера при активации наполнителей ПВХ и КО в струйных установках

№№ I Материал п/п Кф

Р = 0,2 МПа Р = 0,3 МПа

1. ! ПВХ + ракушечник 69-70 67-68

2. ПВХ + каолин 69-70 65-67

3. ПВХ + фосфогипс 69-70 65-67

Примечание: Кф ПВХ марки С 7058-М составляет 70-73, контрольного образца - 72.

Таким образом, активация наполнителей ПВХ и КО в процессе измельчения протекает достаточно направленно. Поэтому представляется целесообразным дальнейшее более детальное изучение структуры и свойств ПВХ - композиций, используя вышеуказанные эффекты механо-активацин.

С целыо регулирования свойств полимерного связующего в требуемом направлении были проведены исследования по изучению влияния

добавок термоэластоиластов и кремиийорганических олигомеров на свойства ПВХ - композиций. Для эффективного смешения ДСТ-30, ПБСТ-Р и ДМСТ-Р в объеме ПВХ в качестве штастикатора использовали 2-х червячный экструдер. С целью создания интенсивных сдвиговых деформаций, в результате которых возникают макрорадикалы в зоне сжатия и дозирования, использовали специальные диски смешения.

Анализ деформационно-прочностных свойств ПВХ-композиций показывает, что введение в состав КГ1М термоэластопластов значительно повышает прочностные характеристики. Это обусловлено наличием в составе композиций эластичной фазы ТЭП, поглощающей механические энергии ударной нагрузки. При содержании 3,0 масс.ч. ДМСТ-Р разрушающее напряжение при растяжении сР, композиций содержащей 30 масс.ч. каолин, возрастает в среднем на 10%, ДСТ-30 - на 12 %. ПБСТР- на 11%.

Обработка поверхности каолина, ракушечника и фосфогипса позволила существенно увеличить сР , что обусловлено двойственным характером влияния КО. С одной стороны, КО, проникая в дефектные зоны надмолекулярной матрицы, повышает изотропность свойств материалов. Повышение подвижности макромолекулярных ПВХ относительно друг друга в результате введения кремнийорганических олигомеров позволяет, с другой стороны модифицированных расплаву ПВХ проникать в поры наполнителя и образовывать механические связи.

Значение оР КПМ, содержащих дисперсные и микроволокнистые наполнители при модификации свойств ПВХ проходят через экстремум при содержании 0,75 масс. ч. КО. Максимальное значение ср КПМ и модифицированных, КО "Силор", содержащих каолин составляет 55-57, ракушечник - 53-55, фосфогипс -50 -53, волластонит - 60-62 МПа. Увеличение эластичной фа-зы ТЭП в композиции несколько снижает значения аР и модуля упругости при растяжеин (ЕР). Из анализа комплекса достигаемых свойств следует, что оптимальным является модификация ПВХ, содер-жащих 30 масс.ч. наполнителя, 3,0 масс.ч. ТЭП.

При наполнении ПВХ смесью дисперсных и макроволокнистых наполнителей, согласно теории бимодальной упаковки твердых частиц в объеме полимерной матрицы, позволяет получать материалы с оптимальными деформационно-прочностными свойствами. Так, повышение доли волластонита позволяет получать материал с <тр 47-52 МПа при повышенной стойкости к ударным нагрузкам.

Эффект повышения адгезионной прочности объясняется адсорбцией на поверхности наполнителя активных и полярных функиональных групп модификатора КО. В результате модификации структуры ПВХ при переработке, образующиеся кислородосодержащие концевые группы при укорачивании цепей, приводит к повышению ЕР, снижению ер и ор. Экспериментальными исследованиями установлено, что при модифика-

ции ПВХ 3,0 массл. ТЭП и 0,75 масс.ч. КО и содержании 30 масс.ч. минеральных наполнителей стойкость КПМ к ударным нагрузкам повышается в среднем на 10-15%. Наиболее оптимальная ударная прочность наблюдается при наполнении модифицированного ПВХ 30 масс.ч. смеси дисперсных и микроволокнистых наполнителей.

КПМ, содержащие дисперсные наполнители проявляют стойкость к циклическим нагрузкам - N=5-10- циклов. Материалы, наполненные волостанитом или пирофиллитом, выдерживают более N=9-106 циклов знакопеременных нагрузок. Оптимальным, как показали экспериментальные данные являются композиции на основе ПВХ, модифицированные комплексным модификатором, состоящим из 0,75 масс.ч. КО и 2,25 масс.ч. ТЭП, в присутствии 30 масс.ч. смеси дисперсных и микроволокнистых наполнителей.

С целью оптимизации технологических параметров переработки КПМ на основе модифицированного суспензионного ПВХ были проведены исследования по изучению реологических свойств формовочных масс. Для описания вязкостных свойств расплава и микроволокнистыми наполнителями экспериментально установили зависимость:

Л= Кд уд + Квв Увн ,

где : Кд , Как и уд увн - коэффициенты, характеризующие вязкость расплава, и объемные содержания дисперсных и микроволокнистых наполнителей соответственно.

Из экспериментальных данных следует, что содержание дисперсных наполнителей резко повышает вязкостные свойства расплава наполненного ПВХ. Это влияние более значительно при наполнении 30 масс.ч. каолина. Улучшение вязкостных характеристик при высоких значениях скорости сдвига (у) достигается модификацией ПВХ термоэласто-гшастами. Так, содержание 3,0 масс.ч. ДСТ-30, ДМСТ-Р, ПБСТ-Р приводит к смещению величина напряжений дата (х) в сторону повышения при неизменном у. Из использу-емых в качестве модификаторов наибольший эффект наблюдается при введении ДМСТ-Р и ДСТ-30.

Таким образом, в ряду предпочтительности использования ТЭП в качестве модификатора оптимальным является следующая градация: ДСТ-30 -»ДМСТ-Р^ ПБСТ-Р. При обработке поверхности дисперсных наполнителей КО наблюдали резкое улучшение вязкостных характеристик композиции на основе ПВХ. Так, при содержании 0,5 - 1,0 масс.ч. КО вязкость композиций снижается на 20%. Из исследуемых кремнийорга-нических олигомеров наибольший эффект по улучшению реологических свойств КПМ на основе ПВХ оказывает использование КО "Силор".

Экспериментальные данные показали, что, критическое напряжение сдвига (ткр) зависит от молекулярной массы ПВХ. При повышении Кф с 60 до 75 значение (ткр) повышается на 2 порядка. При этом неустойчивость течения наблюдается в области ^ % = 5,5 -5,6. Повышение значений (тюэ) достигали повышением температуры расплава. При повышении

Т на 20° текучесть возрастает в среднем на 20-25%. Так, повышение температуры расплава ПВХ на 20°, содержащего 20 масс.ч. волластоннт + 10 масс.ч. каолин и 3,0 масс.ч. КМ, сдвигает Хкв с 5,5 до 5,6 МПа, а ^у до 2,5 с1 . Величина потерь давления (АР) во веем диапазоне измерений составляет 1.0 - 25 • 10 2 МПа. Уменьшению потерь давления способствует введение в состав композиции термоэластопластов ( 3,0 масс.ч. ДСТ-30) и 0,5 масс.ч. КО.

Так как значение АР зависит от скорости сдвига, температуры и состава наполненных материалов, экспериментальные значения х, у, Р, Т| были скорректированы с учетом входовых поправок.

Таким образом, в результате исследований реологических характеристик установлено, что применение модификаторов КО и ТЭП (ДСТ-30, ДМСТ-Р, ПБСТ-Р) позволяет снижать вязкость расплава в широком диапазоне сдвиговых деформаций. Определены условия течения расплава КПМ при ламинарном течении и в режиме пристенного скольжения. Установленные уравнения зависимости адекватно описывают эксперимент и использованы для последующего расчета технологических параметров.

В результате проведенных исследовании разработана технологическая схема производствах композиционных полимерных материалов на основе ноливинилхлорида, включающая следующие переделы: измельчение, обогащение и механоактивацию дисперсных минеральных наполнителей с учетом их химического состава, формы и размера частиц пластификации полимерной матрицы в процессе модификации и собственно получение КПМ с оптимальными физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, отвечающими современным требованиям строительной промышленности.

Технологическое оборудование для измельчения, обогащения и механоактнвации дисперсных наполнителей состоит из конусно-инерционных дробилок для предварительного измельчения, дезинтегратора для тонкого помола и обогащения , струйно-вихревых мельниц для механоактнвации и гидрофобизации частиц, наполнителей, вертикально-вихревых сушилок и вспомогательных оборудований и емкостей. Конусно-инерционная дробилка (КИД) позволяет получать материалы с размерами частиц < 500 мкм. Для получения дисперсных материалов с размерами частиц < 120 мкм и с содержанием основного минерала 9598% использовали дезинтегратор Д-19 с шестирядными билами. Скорость роторов (п) варьировали в пределах 1000-3000 об/мин. При п = 15002000 об/мин размеры частиц наполнителей составляли 20-25 мкм, степень обогащения -81,6- 99,0%.

Механоактивация наполнителей предусматривает два параллельных процесса - прививку на поверхность частиц наполнителей ПВХ и гидрофобизацию поверхности наполнителей КО. Прививку ПВХ на поверхность частиц наполнителя осуществляли в два этапа. При помоле в дезинтегратор вводили 2-5 масс.ч. от расчетного количества ПВХ. Подачу

ПВХ осуществляли перед классификатором. Остальную часть ПВХ вводили в струйно-вихревую мельницу в процессе тонкого помола; подачу осуществляли через эжекторы струйной мельницы противоточным методом при давлении сжатого воздуха 0,4 - 0,6 МПа. Гидрофобизацию поверхности наполнителей осуществляли введением 0,5 - 1,0 масс.ч. КО от массы наполнителя в зону подачи измельченного материла в классификатор. При этом происходит дообогащение материала, путем отбора основного материала по средней плотности. Технологические параметры измельчения и обогащения устанавливали экспериментально. Оптимальные параметры механоактивацин и гидрофобизации в струйно-вихревой мельнице составили: Р = 0,2 - 0,3 МПа, время активации - 3,0 мин.

О протекании механоактивационных процессов наполнителя судили по изменению полной свободной поверхностной энергии (8) (табл.2).

Таблица 2

Поверхностные характеристики исходного и модифицированного

наполнителей

№№ Материал Полная свободаая поверхностная энергия, б - 1 CP н/и

п/п 0 1 2

1. Каолин + ПВХ + КО 17 22/20 25/30 29/25

2. Ракушечник ПВХ+КО 22 27/50 27/23 31/27

3. Фосфогипс ПВХ + КО 15 20/20 22/22 25/23

Примечание: в числителе показатели композиции модифицированных 0,5 масс.ч. КО "Силор", в знаменателе - 0,5 масс.ч. КО "ОМЦТС"; N :0-0, 1-1000, 2-2000, 3-3000 об/мин.

Разработанная технологическая схема производства микроволокнистых наполнителей из волластонитовых и пирофиллитовых руд состоит из следующих процессов: руда размерами 3 см поступает на измельчение в КИД, где она измельчается до 500 мкм и подается в дезинтегратор, где происходит доизмельчение материала до фракции 100120 мкм и одновременное обогащение, которое представляет собой разделение силиката кальция от кальцита, мусковита, гранатовита и двуокиси кремния. В электромагнитных сепараторах происходит разделение волластонита на моноволокна и отделение примесей, имеющих собственное магнитное поле. После обогащения в сепараторах концентрация воластонита составляет а> 90 %, длина волокна 80-100 мкм, L/d = 20/25. Обогащенный волластонитовый конце!лрат подается в струнно-вихревой алтивации, где под давлением Р = 0,2 -0,3 МПа идет процесс активации поверхности волластонита. Для этого ПВХ в количестве 0,5 -1,0 масс.ч. от веса наполнителя подается в зону классификатора в струйно-вихревой активатор, одновременно с ПВХ

через эжекторы подастся 0,5 масс.ч. КО от веса композиций. Процесс механоактивации протекает в течении 1-5 мин. Производительность струйно-вихревого активатора повышается с увеличением давления в разгонных трубках эжектора. Повышение давления с 0,2 до 0,3 МПа позволяет вести процесс механоактивации с производительностью - ((<_>) = 0,6 - 0,98 • 10-3 кг/час, при продолжительности активации 1=3,0 мин. Экспериментально установили, что оптимальным является ведение процесса активации при Р = 0,25 МПа и I = 3,0 мин. При этом режиме содержание волластонита с длиной волокна 65-100 мкм, Ь/с1 = 20-25 составляет 90-95 %. О протекании механоактивационных процессов судили по изменению краевого угла смачивания (0), полной свободой поверхностной энергии (8), текучести расплава (ПТР), и деформационно-прочностных свойств (табл. 3,).

Таблица 3

Результаты влияния активационных процессов на показатели КПМ.

№№ п/н Материалы о, град. dp, МПа ПТР, г/10 мин 6- 10-\ н/м

1. Волластонит/пирофиллит + ПВХ 60 51,0 4,0 29

2. Волластонит /' пирофиллит + + КО "Силор" 58 56,0 4,5 37/31

3. Волластонит / пирофиллит + IIBX + КО "Силор" 54 64,0 5,0 35/30

4. Волластонит / пирофиллит + ПВХ + КО "ОМЦТС" 56 61,0 5,0 31/30

Примечание: рецептура - стандартная, подложки отпрессованы при 293 ± 5 К и Р = 0,5 МПа.

Совмещение дисперсных и микроволокнистых наполнителей с ПВХ и другими целевыми компонентами производили 2-стадинном смесителе в течении 4-5 минут при скорости вращения лопастей смеси-теля 750 об/мин. Смешение производится до достижения 343 ± 5 К. При этой температуре вводится пластификатор и смешение продолжается в течении 3-4 мин до достижения температуры массы композиции 393 ± 5 К при скорости вращения смесителя 1500 об/мин. Смешанная таким образом композиция перегружается в нижнюю камеру и охлаждается до 313 - 323 К. Охлажденная смесь с целью повышения степени диспегрирования подается в струйно-вихревой смеситель, где под давлением 0,15 - 0,20 Мпа в течении 3,0 мин. производится интенсивное смешение в противоточном режиме. Затем композиция подается в 2-х шнековои экструдер, где производится гомогенизация материалов в расплаве и модификация свойств ПВХ с термоэластопластами.

Для лучшей диспергируемости и термомеханохимических превращений в результате наложения интенсивных сдвиговых деформаций и температурного поля ТЭП вводили в зону плавления. Температура расплава в зоне сжатия составляет 380- 403 ± 5 К, частота вращения шнеков 45-60 об/мин. Применение специально разработанных смесительных элементов шнека с глубоким профилем нарезки винтовых каналов позволяет целенаправленно вести процесс гомогенизации и модификации. Анализ образцов отобранных из этой зоны, показал хорошее распределение частиц компонентов в ПВХ. Температура переработки при этом в зоне плавления на 20-30° ниже, чем при переработке композиций стандартной рецептуры, что объясняется эффектом структурной модификации и изменением молекулярно-массовых характеристик за счет образования разветвленной структуры его макромолекул. Эффективность термомеханических превращений полимерной матрицы удалением летучих, влаги и продуктов деструкции через дегазационные отсеки материального цилиндра.

Из зоны дозирования расплав композиций подается в резервуар гранулирующей головки с водяным кольцом, снабженной 6-ти позиционным ножом, где давление расплава стабилизируется по всему объему и через фильеры с диаметром отверстий 1-2 мм подается на грануляцию. Сушку границ производили в вертикально струйно-вихревой установке в потоке горячего воздуха 343-533 ±5 К в протшюточном режиме.

Таблица 4 '

Физико-механические свойства ПВХ композиций

Материал Показатели свойств

п/п ЕР.10\ ап, м »ёЗ Ус.

МПа кДж/м2 %

1 2 3 4 5 6

1. ПВХ + СЦК + ... 2,6 35 0,02 0,2

о ... + 30 масс.ч. каолин 2,8 54 0,01 0,2

3. ... +30 масс.ч. ракушечник 4,4 55 0,02 0,2

4. ... +30 масс.ч. фосфогипс 4.0 52 0,03 0,2

5. ... +30 масс.ч. волластонит 10,2 50 0,02 0,1

6. ... +30 масс.ч. пирофиллит 7,8 56 0,02 0,1

7. ... +20 масс.ч. каолин + КМ 7,0 60 0,01 0,2

8. ... + 15 масс.ч. каолин + КМ 7,0 55 0,01 0,2

9. ... + 10 масс.ч.каолин 9,3 50 0,01 0,2

+ 20 масс.ч. волластонит + КМ

Примечание: содержание: ПВХ - 100 масс .ч., индивидуальных наполнителей - 30 масс.ч.; СЦК стандартных целевых компонентов композиций.

Физико-механические показатели КПМ полученных композиционных материалов представлены в табл.4.

Как показали экспериментальные исследования, основные физико-механические показатели исследуемых композиционных полимерных строительных материалов в различных условиях температурного воздействия, атмосферных осадков и излучений остаются на достаточном уровне в течении двадцати лет. Наблюдаемое повышение ор и ап в первые 5-10 лет обусловлены протеканием глубоких релаксационных процессов. При этом процессы, протекающие на макромолекулярном уровне, не оказывают влияния на геометрические размеры изделий.

Исходя из анализа показателей, полученных по методике ЦНИИТочмаш РГМ5550-73, все исследуемые материалы могут быть использованы для производства изделий строительного назначения.

Релаксация напряжений в модифицированных ТЭП и КО композициях наиболее полно реализуются в материалах, содержащих индивидуальные наполнители. Остаточные напряжения в этих материалах по истечении 20-25 мин. составляют 3,0 - 3,5 МПа, а наполненных волокнистым наполнителем 11,0 - 11,5 МПа. Материалы, содержащие комбинированные наполнители, имеют относительно невысокий уровень остаточных напряжений 5.7 МПа.

Изделия, имеющие резьбовые соединения, сопрягающиеся поверхности, посадочные отверстия (напр. муфты, сифоны, гайки), формованные литьем под давлением могуг быть использованы без термообработки по назначению. Материалы с повышенными показателями остаточных напряжений могут быть рекомендованы для производства профильно-погонажных изделий (трубы, плинтусы, поручни и др.), материалы с дисперсно-волокнистыми наполнителями пригодны дли формования всеми традиционными способами (прессованием, литьем под давлением, экструзией и др.). Абсолютные значения усадки КПМ с дисперсными наполнителями не превышает 1,0 - 1,2 %, что указывает на возможность формования строительных изделий из них объемных изделий. КПМ с дисперсно-волокнистыми наполнителями пригодны для формования изделий постоянного и переменного, симметричного и ассиметричного сечений.

На основании экспериментальных данных и промышленных испытаний установлено, что разработанные материалы на основе суспензионного ПВХ , содержащие активированные наполнители на основе минерального сырья Казахстанских месторождений могут быть использованы для производства изделий со стабильными экспуатационными свойствами для строительной промышленности.

Исследования старения в естественных условиях г. Караганды показали, что за время испытаний ( 4 календарных года) заметных изменений прочностных свойств не происходит (табл. 5).

Таблица 5

Результаты испытаний образцов КПМ в климатических условиях

г. Караганды

№№ Сроки испытания, Относительные показатели

п/п месяцы о,, .МП а Ер, МПа Усадка,

1. Исх. 1,0 1,0 1.0 1,0

2, 12 1,1 и 0,85

3. 24 1,0 1,1 0,85 0,95

4. 36 1,0 1,1 0,80 0,95

5. 48 ко 1,0 0,75 0,90

Примечание: материал: ПВХ + 30 масс.ч. ракушечник

+ 0,5 масс.ч. КО "Силор".

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны композиционные строительные материалы на основе модифицированного ПВХ и активированных наполнителей из местного сырья Казахстана с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

2. Установлено, что активация поверхности наполнителей 2-5 масс.ч. ПВХ в условиях интенсивных сдвиговых деформаций позволяет повысить адгезионную связь полимера с частицами наполнителя.

3. Показана возможность получения микроволокнистых наполнителей из волластонитосодержащего сырья в электромагнитных сепараторах Определены технологические параметры процесса.

4. Показано, что использование в качестве наполнителя ПВХ смеси дисперсных и микроволокнистых материалов позволяет повысить комплекс прочностных свойств КПМ на 15-20%.

5. Исследованы реологические свойства расплава КПМ. Установлено, что модификация 3.0 масс.ч. ТЭП и 0,5 масс.ч. КО позволяет улучшить перерабатываемость полимерных композиций. Разработаны методики расчета технологических параметров переработки полимерных композиций.

6. Установлено, что введение в состав полимерных композиций термо-эластонластов на конечной стадии получения композиционных материалов позволяет повысить стойкость к циклическим нагрузкам температуры и механических напряжений, ударным нагрузкам, агрессивным средам и воздействиям атмосферных осадков и излучений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мусалнмов И .Г., Иманов А.Н., Садвакасов М.Ж. Технология производства композиционных полимерных строительных материалов/ Труды КарГГУ, Караганда.- 1995. - С. 157 - 160.

2. Иманов А.Н., Мусалнмов И.Г., Садвакасов. М.Ж. Термопластичные композиционные строительные материалы/ Труды КарГТУ, Караганда. - 1995.-С. 187- 190.

3. Садвакасов. М.Ж., Иманов А.Н., Байболов С.М. Композиционные строительные материалы на основе модифицированного поливинил-хлорида// Деп. рукопись. Алматы. - 1997. КазГосНИИТИ. - № 7676 -Ка 97.-21 с.

4. Садвакасов. М.Ж., Иманов А.Н., Байболов С.М. Эксплуатационные свойства композиционных материалов на основе суспензионного поливинхяорида //Деп. рукопись. Алматы. - 1997 - КазГосНИИТИ. - № 7675. - Ка 97. - 11 с.

5. Садвакасов. М.Ж., Иманов А.Н. Механохимическая модификация свойств композиций на основе суспензионного поливинилхлорида // Материалы Республ. научн.-практ.конф. "Состояние и перспективы производства органических материалов на базе сырьевых ресурсов Центрального Казахстана." - Караганда.: Арко. КарГУ - 1997. - С. 251253.

6. Иманов А.Н., Садвакасов. М.Ж., Масалимов A.C., Никольский С.Н. Исследование молекулярной динамики в поливинилхлориде методом спинового зонда// Материалы Респуб.научн.-практ. конф. "Состояние и перспективы производства органических материалов на базе сырьевых ресурсов центрального Казахстана."- Караганда.: Арко. КарГУ - 1997.-С. 138-140.

Мазмуны Садуатасов М.Ж.

"Попивннилхлорид негхзхнде алынган композицшшых, материалдардыц технологиясын жасау хане зерттеу"

05.23.05-"Дурылас матерыалдар жене ен!мдерх". Техника яылымдары кандидаты жылымн дэрежесхн алу^а арнал-ган диссертацнялых; жумыс.

Диссертациялык; жумыс к,урылыс материалдары мен ен1мдер1н, оныц imiHfle композициялык, полимер к,урылыс материалдарын (КПМ) жасау мэселелер1не арналган. Зерттеу иетижесЛнде суспеизиялык, поливинилхлорид (ПХВ), дисперст1к (улутас,каолин, фосфогипс жене микроталшык,ты (пирофиллит,воллостанит) толтыргыш-тардан (К,азаз^стан минерал шик1заттары нег1з1не) жа-салган к,урылыс материалдары алынды ПХВ-ны термо-эласто-пластармен жэне кремнийорганикалык, олиго-мерлермен ецдеу npoqeci кез1нде минерал толтыррыш-тарды к.оса отырып турленд1ру, олардыц физико-ме-

ханикалык,, технологиялык, жэне эксплуатациялык, к,а-сиеттерл_н арттыратыны анык,талды.

Майдалау, байыту жэне толтыруыштарды активтеу процестерл.н уш,гастыРУ жэне оларды ПХВ мен баск,а к,ажетт1 компоненттермен араластыру технологиясы жасалды. Дезинтегратор жэне агымды крндыргылар тол-тыруыштарды механикалых, активтеу процес1 жэне полимер байланыстыргыштарды механохимиялык, турлендз.-руд1 к,ар^ынды жург1зуге мумк1нд1к Беред1.

Жасалган материалдар к,ысыммен к,ую жэне экструзия ©дз.стер1мен х.'^рылыс эн1мдер1 ©нд1р1с1не ар-налган. Усынылып отырган к,алыптау процес1н1ц технологиялык, параметрлер1н есептеу эд!с1 профильдз.-погонажды ен1мдерд1ц eндipicтiк партиясын шыгару кез1нде к,олданылды.

Яиштагу М.Л.Ба^акакоу

Development of technology and investigation of properties of composition materials on the base of polyvinil chloride

05.23.05-Construction materials and productions.

Author's report on the IctcI of candidate of technical sciences

This thesis is devoted to the creation of construction materials and products, in particular, compositionalpolymeric maaterials (CPM).

These were developed as a result of an investigation into constructional materials based on the mineral resources of Kazakstan and consist of a suspension of dispersed solids (limestone shell, china clai, phosphoric mineral white) and micro fibres (pyrophyllite, vollastonyte) in polyvinyl chloride (SPC) which is cast in moulds.

In the presence of mineral filters, during the modification of SPS with thermoelectric plates (TEP) and silicium-organic oligomers and the process of conversion physical-chemical, technological and exploration properties are considerabely becoming better.

The technology of shredding processes coincidence, the filters concentration and activation, its displacement with polyvinyl chloride and others compounds was developed. The use desintegrator and spray apparatus allows to lead intensive processes of filler mechanical activation and mechanic-chemical conversion of a plastic binder.

These materials are recommended to the production of construction materials following the method of the pressure die casting and extrusion. The suggested methodology of the calculation of technological parameters of the article formation can be used in the production of industrial batchets of

profile linear articles. -

Ji^lf-Mv^---