Одним из сопутствующих эффектов бурного роста промышленности пластмасс является одновременное увеличение количества пластмассовых отходов, которые образуются на всех стадиях их производства и использования. Таким образом, отходы пластмасс превратились в серьезный источник загрязнения окружающей среды, и большинство стран резко интенсифицировали работы по созданию эффективных процессов утилизации или обезвреживания этих отходов, одним из которых является получение композиционных материалов на основе вторичных полимеров и минеральных техногенных отходов.
Композиты на основе пластмасс (с полимерной матрицей) приобретают дополнительные свойства, которые делают материал еще более полезным с точки зрения эксплуатации и, соответственно, привлекательным для потребителя. Дополнительным способом придания дополнительных или улучшения имеющихся свойств является вспенивание композита. Вспененные материалы обладают меньшим весом, лучшими тепло-звукоизоляционными свойствами, меняют прочностные характеристики [4, с. 215].
Цель данной научной работы заключается в получении суспензионным способом композиционных материалов на основе вторичного полиэтилена и вторичного полипропилена и минеральных техногенных отходов и исследовании их физико-механических свойств, а также выбор оптимального состава композита, т. е. подбор растворителя, вспенивателя и наполнителя. Объекты исследования: вторичный полиэтилен (ПЭ), вторичный полипропилен (ПП), ЧХЗ-21, зола уноса Южно-Уральской ГРЭС, композиты, состоящие из полимерной матрицы и минерального наполнителя.
На базе лаборатории кафедры Химии были проведены следующие исследования.
Первый этап работы заключался в растворении ПЭ и ПП. Предварительно образцы отходов полимерного производства были нарезаны, а затем дробились на лабораторной дробилке до однородной фракции. Взвешивание материала для образцов, а также полученных образцов продукта, производилось на аналитических электронных весах с точностью до 0,001 г. Каждая навеска составляла 3,000 г.
В качестве растворителей для ПЭ использовались: циклогексан и четыреххлористый углерод при нагревании при повышенных температурах (более 100 ºС), ксилол при температуре 75 ºС, трихлорэтан при температуре 70 ºС, ледяная уксусная кислота при температуре 30 ºС и толуол при высокой температуре (более 100 ºС), а для ПП — толуол и бензол при температуре 110 ºС. Было установлено, что растворение ПП и ПЭ массой 3,000 г происходит лучше в толуоле, объем которого составляет 25 мл, при температуре 110 °C в течение 25—30 мин.
Второй этап — это вспенивание ПП и ПЭ.
В качестве вспенивателей для ПЭ и ПП использовались ЧХЗ-21 и карбонат натрия (сода). Вспенивание с помощью специальных химических добавок, вводимых в полимер (порофоров), является важнейшим способом получения пористых материалов. Порофоры — это химические соединения, которые при нагревании разлагаются, выделяя углекислый газ, вспенивающий полимер. Пористая структура дает значительную экономия основного материала. Для получения вспененного ПП и ПЭ использовался промышленный вспениватель азодикарбонамид марки ЧХЗ-21. Азодикарбонамид — это кристаллическое вещество желтого цвета. Азодикарбонамид является эффективным вспенивающим агентом, лидером среди вспенивателей, потребление которого составляет 85 % от всех потребляемых вспенивающих добавок. Дозировка ЧХЗ-21 должна составлять 2—10 % от массы навески полимерного материала. Также был рассмотрен вариант использования в качестве вспенивателя карбоната натрия с дозировкой 5—25 г.
Для определения подходящего вспенивателя из двух (ЧХЗ-21 и карбонат натрия) для ПП и ПЭ были проведены следующие опыты: пять образцов навески ПП и ПЭ, растворенных в толуоле, смешивали с определенно дозой ЧХЗ-21 (2 %, 4 %, 6 %, 8 %, 10 %) и пять таких же растворенных в толуоле образцов ПП и ПЭ — с карбонатом натрия (таблица 1).
Результаты опытов показали, что вспенивающий агент ЧХЗ-21 больше подходит для вспенивания ПП и ПЭ, чем карбонат натрия. В результате каждого испытания после охлаждения получался образец твердого материала цилиндрической формы диаметром 27 мм, который равен диаметру формы, различной высоты и массы, что связано со степенью вспенивания. Для дальнейших исследований были взяты только образцы № 1—6, т. к. образцы 7—10 из-за большого количества наполнителя получались хрупкими.
Для выбора более вспененного образца была определена объемная масса образцов, которая зависит от размера и количества газонаполненных и воздушных пор и позволяет судить о степени его пористости. На основании полученных данных (таблицы 2,3) для ПП был выбран образец №3 как наиболее оптимальный вариант вспенивания, т. к. у него объемная масса наибольшая, что свидетельствует о большей пористости материала, т.е. лучшем вспенивании материала, а для ПЭ — образец № 2 (таблица 2, 3).
Таблица 1.
Испытания растворения и вспенивания ПП и ПЭ
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
Таблица 2.
Характеристики вспененного ПП
Таблица 3.
Характеристики вспененного ПЭ
Третий этап — создание композиционного материала. В качестве минеральных техногенных отходов была добавлена зола уноса Южно-Уральской ГРЭС массой 0,15, 0,30 и 0,45 г. Для композитов была определена объемная масса. Из полученных результатов была установлена оптимальная масса золы уноса для добавления в композиционный материал с ПП, равная 0,30 г, т.к. при большей концентрации наполнителя материал становится очень хрупким, а с ПЭ — 0,45 г (таблицы 4,5).
Таблица 4.
Характеристики образцов композита на основе ПП