BRUK AV INDUSTRIELLE MINERALAVFALL SOM FYLLMATERIALE I EN POLYESTERMATRIS

Kucherenko E.V., Arzamastsev S.V., Shcherbakov A.S.
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Artikkelen tar for seg bruken av industrielle mineralavfall – fosfogips, murstøv, askemikrosfærer – som fyllmateriale i en polyester matrise. Avhengighetene mellom de fysikalsk-mekaniske egenskapene til kompositten og type samt mengde fyllmateriale er bestemt, og interaksjonen mellom fyllmaterialet og polymermatrisen er analysert.

Nøkkelord: fosfogips, murstøv, askemikrosfærer, fyllmateriale, polyesterharpiks, komposittmateriale, polymermatrise.

Det ble fastslått at de valgte fyllmaterialene har ulik innvirkning på herdingshastigheten for sammensetningen (figur 1). For eksempel reduserer fosfogips-dihydrat og murstøv herdetiden, mens andre fyllmaterialer (knust glass) øker den i mindre grad, og askemikrosfærer øker den betydelig. De oppnådde KM viser endringer i starten av destruksjonstemperaturen og forskyvning av temperaturen for maksimalt varmeutslipp (tabell 1). Dette viser at det er mulig interaksjon mellom komponentene i systemet "fyllmateriale – polymermatrise". Naturen av denne interaksjonen ble studert ved hjelp av IR-spektroskopi (figur 2).

Figur 1: Herdingskurver for opprinnelig harpiks og sammensetninger (1:1) med ulike fyllmaterialer:
1 – KAMFEST-0102 uten fyllmateriale;
2 – KAMFEST-0102 + fosfogips-dihydrat;
3 – KAMFEST-0102 + murstøv;
4 – KAMFEST-0102 + knust glass;
5 – KAMFEST-0102 + askemikrosfærer.

Tabell 1: Endringer i starttemperaturer for destruksjon og eksoterme piker for oppnådde KM

Figur 2: IR-spektroskopi resultater:
1 – polyesterharpiks;
2 – fosfogips-dihydrat;
3 – komposittmateriale basert på disse.

I IR-spektret for KM har et nytt smalt absorpsjonsbånd med middels intensitet ved 964,4 cm-1 dukket opp, som er forårsaket av valensbevegelser i karbon-hydrogen-skjelettet i lange polymerkjeder i den herde polyesterkompositten.

Økonomisk og økologisk sett er det interessant å lage høyfyllte fosfogipsplastmaterialer. For å få en finpartikulert fyllmateriale som ikke agglomererer, ble fosfogips behandlet med kalsiumstearat, noe som tillater å oppnå maksimal fyllingsgrad og betydelig redusere komposittens kostnad.

For å oppnå KM med forbedrede mekaniske egenskaper er det mulig å bruke metoder for matematisk modellering og sammensetningsoptimalisering. I denne studien ble en gradientmetode for sammensetningsoptimalisering benyttet. Et fullstendig faktoreksperiment ble gjennomført, der de valgte optimaliseringsparameterne var støtbruddfasthet (Y1), strekk- og bøyningsbruddspenning (henholdsvis Y2 og Y3), og elastisitetsmodul (Y4), mens faktorene var fosfogipsinnhold i sammensetningen (X1), innhold av kalsiumstearat (X2), og fyllmaterialets partikkelstørrelse (X3). Som et resultat av beregningene ble følgende regresjonsligninger oppnådd:

Analyse av de oppnådde regresjonsligningene viser stor innvirkning fra partikkelstørrelsen på fosfogips og innholdet av kalsiumstearat på de fysikalsk-mekaniske egenskapene til fosfogipsplastene. På grunn av kompleksiteten i trinnvis justering av partikkelstørrelsen på fosfogipsfyllmaterialet under optimalisering, ble innholdet av kalsiumstearat i sammensetningen (X2) valgt som grunnleggende faktor, mens støtbruddfasthet (Y1) ble valgt som optimalitetskriterium.

Tabell 2: Resultater fra gradientmetoden for sammensetningsoptimalisering

Den optimale sammensetningen er nr. 7, som har de høyeste verdiene for støtbruddfasthet (Y1), strekkbruddspenning (Y2) og bøyningsbruddspenning (Y3). Videre økning i innholdet av fosfogips og kalsiumstearat er uhensiktsmessig, da det fører til reduksjon i materialets styrkeegenskaper. Dermed virker bruken av fosfogips som et effektivt fyllmateriale ved produksjon av polymerkomposittmaterialer (PCM) basert på umettet polyester matrise som både lovende og økonomisk forsvarlig.

Litteraturliste
Ustinova T.P., Panova L.G., Kardash M.M., Kadykova Y.A., Levkina N.L., Plakunova E.V., Burmistrov I.N. "Vitenskapelige og teknologiske prinsipper for å lage polymermatriks kompositter basert på prioriterte fyllmaterialer med spesifikke egenskaper", monografi, Engels: Forlag ETI (filial) SGTU, 2014. 111 sider.