МОЖЛИВІСТЬ ОТРИМАННЯ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ КАМ’ЯНОВУГІЛЬНОГО ПЕКУ
С.М.Шиян, В.О.Колбаса, В.Ю.Каулін
Донецький
національний техничний університет
Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів / Збірка доповідей ХXI Всеукраїнської наукової конференції аспірантів і студентів. Т. 2 - Донецьк: ДонНТУ, ДонНТУ, 2011. - 265 с.
Поєднання полімерів з наповнювачами дозволяє отримувати матеріали з абсолютно новими технологічними або експлуатаційними властивостями. Наповнювачами для виробництва полімерних композиційних матеріалів можуть служити практично всі існуючі в природі і створені людиною матеріали, у тому числі самі полімери, після надання їм певної форми і розмірів.
Під терміном полімерні композиційні матеріали (ПКМ) розуміють гетерофазні системи, отримані з двох або більше компонентів (складових частин), де один компонент є матрицею, в якій певним чином розподілений (дис¬пергований) інший компонент (або інші компоненти), відокремлений (або відокремлені) від матриці межею розділу.
Нині спостерігається тенденція до створення полімерних матеріалів за участі вуглецю (або вуглецевих матеріалів), зокрема до використання графіту. Одним з таких вуглецевих матеріалів може бути й кам’яновугільний пек.
Кам’яновугільний пек - залишок, отриманий при ректифікації смоли, який являє собою продукт чорного кольору, однорідний за зовнішнім виглядом і складається в основному з висококиплячих багатокільчастих ароматичних та гетероциклічних сполук.
Кам’яновугільний пек можна розглядати як дисперсну гетерогенну систему, в якій роль автопластифікатору виконує γ-фракція, а автонаповнювача – α1-фракція. β-фракцію можна порівняти з полімерною середою, в якій знаходяться перелічені фракції. Полімерні властивості пеку обумовлені передусім фізико-хімічними властивостями β-фракції.
Кам’яновугільний пек використовується в якості полімерного матеріалу при виготовленні пластичних мас, так званих «пеколітів», а також в індустрії будівництва та дорожному будівництві як в’яжуче для термопластичних композицій.
Однією зі специфічних особливостей кам’яновугільного пеку є його здатність до зміни властивостей при додаванні незначних добавок низькомолекулярних речовин. Враховуючи цей факт можна посилити пекову матрицю додаванням модифікатору.
Враховуючи вище зазначене, провели лабораторні дослідження впливу наповнювача на властивості отримуваних пекокомпозитів. Пек або модифіковану матрицю на його основі перемішували в реакторі на протязі 2-х годин при температурі 170°С з певною кількістю наповнювача. В якості наповнювача з метою покращення властивостей ПКМ використовували хризотиловий волокнистий наповнювач (ХВН). Основними перевагами його як наповнювача термопластів є збільшення модуля пружності, теплостійкості та інших властивостей ПКМ. Результати досліджень наведені у таблиці.
Аналіз отриманих даних визначає загальну тенденцію – зі зростом відсоткового вмісту наповнювача в композиті збільшується його теплостійкість та максимальна напруга стиснення.
Таблиця – Модулі пружності, температури розм’якшення та максимальні напруги стиснення пекополімерів з різними матрицями та вмістом наповнювача.
У разі, коли в якості матриці використовувався пек, залежність температури розм’якшення від відсоткового вмісту наповнювача має характер майже прямої лінії. Модуль пружності і максимальна напруга стиснення зростають до вмісту ХВН 20%. Подальше збільшення вмісту наповнювача веде до зниження цих характеристик. При цьому теплостійкість пекокомпозиту продовжує зростати.
Якщо в ролі матриці виступає пек+М, то при збільшенні вмісту ХВН до 20% спостерігається досить різке збільшення теплостійкості пекокомпозиту, зростають також модуль пружності та максимальна напруга стиснення. Подальше ж збільшення вмісту наповнювача впливає на теплостійкість досить неістотно, напруга стиснення залишається незмінною, модуль пружності різко зменшується.
У випадку використання в якості матриці пек+М+П загальні тенденції зберігаються – зі збільшенням вмісту ХВН зростає теплостійкість та максимальна напруга стиснення. Модуль пружності зростає при введенні 10% ХВН, подальше збільшення його вмісту зменшує модуль пружності. Найбільш вирізняється зразок із вмістом ХВН 20%. Відхилення від загальних тенденцій може свідчити про недостатнє вимішування матриці з наповнювачем в апараті при формуванні, що призводить до неоднорідності матеріалу.
Таким чином, у підсумку можна зазначити, що введення наповнювача в модифіковану пекову матрицю змінює модуль пружності, максимальну напругу стиснення і теплостійкість пекокомпозиту. Збільшення вмісту наповнювача підвищує теплостійкість та максимальну напругу стиснення матеріалу. Однак, як показали дослідження, великий вплив на властивості пекокомпозиту справляють умови змішення та формування матеріалу, які відповідають за контакт полімерної матриці з наповнювачем. При недотриманні цих умов неможливо отримати однорідний матеріал, а значить неможливо об’єктивно оцінити його властивості.
Отже проведені лабораторні дослідження показали можливість отримання полімерного композиційного матеріалу на основі кам’яновугільного пеку з покращеними властивостями, які залежать від виду модифікованої матриці та від кількості наповнювача, що вводиться.
Література
- Крутько І.Г., Каулін В.Ю. Теоретичні передумови використання кам’яновугільного пеку як полімерного матеріалу // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. - Донецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2010. - Випуск 15(163) - 193 с.
- Привалов В.Е., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. М.: Металлургия, 1981. – 208с.
- Власов С. В., Кандырин Л. Б., Кулезнев В. Н. Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов. М.: Мир, 2006. – 600 с.; ил.
- Литвиненко М. С. Химические продукты коксования для полимерных материалов. – Харьков: Черная и цветная металлургия, 1962. – 428 с.