Сетевое научное издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,936

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Логанина В.И. 1 Кислицына С.Н. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Разработана рецептура лакокрасочного состава на основе отходов пенополистирола. Применялся смесевой растворитель (смесь ацетона с бензином в соотношении 1:1), в качестве наполнители – фторид кальция, оксид кальция, оксид кремния, отход химической полировки стекла, гидроксид кальция, смесь фторида кальция с пигментом. Исследовано влияние вида наполнителя и степени наполнения на реологические свойства лакокрасочных композиций. Предложена модель изменения вязкости лакокрасочных составов на основе раствора отходов пенополистирола в зависимости от вида наполнителя и его объемной доли. Теоретически и экспериментально определено значение критического содержания дисперсных наполнителей в лакокрасочном составе. Установлено, что при концентрациях выше критических, количества наполнителя оказывается достаточным, чтобы образовывать структурную сетку типа наполнитель-наполнитель. Рассчитаны коэффициенты лакокрасочных систем. Рассчитана оптимальная степень наполнения полимерных композитов.

Статья в формате PDF

146 KB

реология

лакокрасочные составы

отходы пенополистирола

1. Бобрышев А.Н. Синергетика композитных материалов [Текст]: А.Н. Бобрышев, В.Н. Козомазов, Л.О. Бабин, В.И. Соломатов. – Липецк: НПО ОРИУС, 1994. – 152 с.

2. Голубев Л.И. Научные подходы к составлению рецептур//Лакокрасочные материалы и их применение. – 1994. – №7.

3. Карякина М.И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий [Текст] / М.И.Карякина. – М.: Химия, 1988. – 272 с.

4. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул [Текст] / Е.Н.Львовский. – М.: Высшая школа, 1982. – 224 с.

5. Прошин А.П., Логанина В.И., Кислицына С.Н. Реологические свойства лакокрасочных материалов, используемых для защиты бетонных конструкций // Лакокрасочные материалы и их применение. – 1997. – № 10. – С.20-22.

6. Прошин А.П., Логанина В.И., Кислицына С.Н. Исследование кинетики отверждения по-лимерных покрытий // Известия ВУЗов. Строительство. – 2003. – № 2. – С.41-44.

7. Стрюченко А.А., Ладарева Ю.Ю., Маирко Т.А. Новые методы утилизации бытовых и промышленных отходов пенополистирола. // Международный научно-технический кон-гресс. Экономический путь к высококачественному литью. Тез. докладов, (Киев,7–9 июня 2005 г.). – Киев, 2005. – С. 172.

8. Шнейдерова В.В. Антикоррозионные лакокрасочные покрытия в строительстве [Текст] / В.В.Шнейдерова. – М.: Высшая школа, 1980. – 177 с.

Одним из эффективных путей научно-технического прогресса в производстве строительных материалов является использование в качестве основного сырья различных полимерных отходов.

Среди промышленных пластиков в нашей стране полистирол (ПС) и его сополимеры занимают третье место. Потенциальные ресурсы вторичного сырья для этого термопласта составляют примерно 50 тыс. т в год. Отходы ПС накапливаются в виде вышедших из употребления изделий из ПС и пенополистирола (ППС), а также в виде промышленных (технологических) отходов [5,7].

Учитывая вещественный и химический состав отходов ППС, одним из вариантов их использования может стать изготовление лакокрасочных материалов.

Критерием для определения необходимого количества пленкообразующего в красочной суспензии служит соотношение между пигментом (наполнителем) и пленкообразующим, которое определяется объемной концентрацией пигмента (наполнителя). Известно, что при определенных ее значениях резко изменяются основные свойства красочных систем. Эти значения называются критической объемной концентрацией (КОКП). Величина КОКП в большей мере определяется свойствами наполнителя, меньше – свойствами пленкообразующего и не зависит от растворителей [6,7].

Реологические свойства наполненных полимерных композитов изучали на лакокрасочных составах, приготовленных на основе 15 %-ного раствора отходов ППС в смесевом растворителе (смесь ацетона с бензином в соотношении 1:1).

На рис. 1 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости вязкости лакокрасочных составов от концентрации наполнителей. Как видно из полученных данных, при наполнении в интервале примерно 0<φ<0,16 (наполнители – фторид кальция, оксид кальция), 0<φ<0,96 (наполнитель – оксид кремния), 0<φ<0,1 (наполнитель – отход химической полировки стекла, ОХПС), 0<φ<0,12 (наполнитель – гидроксид кальция), 0<φ<0,13 (наполнитель смесь фторида кальция с пигментом) увеличение вязкости незначительно. Очевидно, полимерная матрица лишь частично переходит в пленочное состояние, для пространственного каркаса характерна рыхлость и редкие пространственные связи.

Рис.1. Зависимость относительной вязкости лакокрасочных составов от объемной концентрации наполнителей

1 – ОХПС; 2 – гидроксид кальция; 3 – фторид кальция с пигментом; 4 – оксид кальция;

5 – фторид кальция; 6 – оксид кремния.

При дальнейшем наполнении наблюдается резкое повышение вязкости лакокрасочного состава. Очевидно, при достижении КОКП происходит структурно-фазовый переход матрицы из ее объемного состояния в пленочное, затрагивающее весь объем материала, т.е. связи через пленочную матрицу охватывают все частицы наполнителя, редкий перколяционный каркас трансформируется в жесткую матрицу [1,3].

Анализ полученных экспериментальных данных, приведенных на рис.1, позволяет сделать вывод, что полученные зависимости изменения вязкости при наполнении могут быть описаны уравнением вида:

(1)

где – относительная вязкость лакокрасочного состава; φ – объемная доля наполнителя, ед.об.; – коэффициенты.

После математической обработки экспериментальных данных получены расчетные зависимости вязкости лакокрасочных составов от степени наполнения, которые имеют вид:

– при наполнении ОХПС (2)

– при наполнении оксидом кальция (3)

– при наполнении гидроксидом кальция (4)

– при наполнении оксидом кремния (5)

– при наполнении фторидом кальция (6)

– при наполнении смесью фторида кальция с пигментом (7)

При значении c=0 в уравнениях (2–7) , что соответствует вязкости ненаполненной лакокрасочной системы.

Адекватность уравнений (2–7) проверялась по F-критерию. Так, для уравнения (7) . При 5 % уровне значимости уравнение адекватно описывает результаты опытов [4].

Полученные зависимости (2–7) позволяют выбрать оптимальную степень наполнения лакокрасочного состава в зависимости от метода его нанесения на защищаемую поверхность.

На рис. 2 зависимость вязкости от концентрации наполнителя представлена в координатах lg��, c ( где c – концентрация наполнителя в системе). Эта зависимость представляет собой две пересекающиеся линии. Точка пересечения, спроецированная на ось абсцисс, и будет представлять собой КОКП (наполнителя) [8].

Рис. 2. Зависимость вязкости лакокрасочных составов на основе ППС

от объемной концентрации наполнителей:

1 – ОХПС; 2– гидроксид кальция; 3 – фторид кальция с пигментом; 4 – оксид кальция;

5 – фторид кальция; 6 – оксид кремния

Как видно из полученных данных, для лакокрасочных составов на основе раствора ППС, наполненных оксидом кремния, КОКП составляет 19,5 %, фторидом кальция – 16,5 %, оксидом кальция – 14,2 %, ОХПС – 11,5 %, гидроксидом кальция – 12 %, смесью фторида кальция с пигментом – 13 %.

Практически применяемая объемная концентрация пигмента (наполнителя) в лакокрасочных пленках (ОКП) ниже КОКП. Процентное отношение ОКП/КОКП называется коэффициентом лакокрасочной системы. Оптимальная степень наполнения полимерных композитов (ОКП) была рассчитана двумя теоретическими методами.

В первом случае расход компонентов для формирования единицы объема полимерного композита рассчитывался по формулам [2]:

, (8)

, (9)

при условии , (10)

, (11)

где – объем частиц наполнителя, ед.об.; – объем раствора пленкообразующего, ед.об.; �� – коэффициент раздвижки частиц наполнителя; – насыпная плотность наполнителя кг/м3; – плотность наполнителя, кг/м3; – объем монолитных частиц наполнителя, ед.об.; – объем межчастичных пустот наполнителя, ед. об, рассчитывается по формуле:

, (12)

Коэффициент раздвижки частиц наполнителя рассчитывали по формуле:

, (13)

где– средний размер частиц наполнителя, м; – средняя толщина прослойки пленкообразователя, м, принималась равной 1,4 мкм.

Вторым методом расчет вели по формуле [1]:

, (14)

где φ – объемное содержание наполнителя; – насыпная плотность наполнителя кг/м3; – плотность наполнителя, кг/м3; – средняя толщина прослойки пленкообразователя, 1,4 мкм (1,4∙10^-6 м); – удельная поверхность наполнителя, м2/кг.

Рассчитанный расход наполнителей в обоих случаях оказался одинаковым. Полученные в результате теоретических расчетов данные представлены в табл.1.

Таблица 1

Как видно из полученных данных, теоретически рассчитанный расход наполнителей согласуется с экспериментально полученными результатами, представленными на рис.2.

Коэффициенты лакокрасочных систем (ОКП/КОКП) составят при наполнении: оксидом кремния – 97 %, оксидом кальция – 63 %, фторидом кальция – 91 %, гидроксидом кальция – 42 %, отходами химической полировки стекла – 44 %, смесью фторида кальция с пигментом – 77 %.

В результате проведенных исследований теоретически и экспериментально определено значение критического содержания дисперсных наполнителей в лакокрасочном составе. Предложена модель изменения вязкости лакокрасочных составов на основе раствора пенополистирола в зависимости от объемной доли наполнителей.

Рецензенты:

Калашников В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология строительных материалов и деревообработки» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза;

Данилов А.М., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Математического моделирования и математики» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.

Библиографическая ссылка