INFLUENCE OF THE AMOUNT OF FILLER ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIAL BASED ON CERAMIC AND POLYMERIC WASTE

ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА НАПОЛНИТЕЛЯ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ И ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ

Научная статья

Торлова А.С.¹, Виткалова И.А.², Пикалов Е.С.^3, *

¹ ORCID: 0000-0002-1622-5584;

² ORCID: 0000-0001-9675-6432;

³ ORCID: 0000-0001-9380-8014;

^{1, 2, 3} Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия

* Корреспондирующий автор (evgeniy-pikalov[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследования зависимости основных физико-механических свойств полимерного композиционного материала от количества наполнителя в составе сырьевой смеси. Для получения исследуемого композиционного материала в качестве наполнителя применяется бой керамического полнотелого кирпича, а в качестве связующего применяется полистирол, образующийся в результате растворения отходов пенополистирола в четыреххлористом углероде. Результаты исследования позволили определить количество наполнителя, позволяющее наиболее эффективно применять разрабатываемый композиционный материал в производстве изделий для наружной облицовки стен зданий и сооружений.

Ключевые слова: кирпичный бой, пенополистирол, полимерный композиционный материал, облицовочный материал, четыреххлористый углерод.

INFLUENCE OF THE AMOUNT OF FILLER ON THE PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIAL BASED ON CERAMIC AND POLYMERIC WASTE

Research article

Torlova A.S.¹, Vitkalova I.A.², Pikalov E.S.^3, *

¹ ORCID: 0000-0002-1622-5584;

² ORCID: 0000-0001-9675-6432;

³ ORCID: 0000-0001-9380-8014;

^1,2,3 Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Vladimir, Russia

* Corresponding author (evgeniy-pikalov[at]mail.ru)

Abstract

This paper presents the results of the study on the dependence of basic physical and mechanical properties of the polymer composite material on the amount of filler in the composition of raw material mixture. To obtain the composite material under study, ceramic broken brick is used as filler, while polystyrene formed obtained as a result of dissolution of polystyrene waste in carbon tetrachloride is used as a binder. The results of the study enable the determination of the amount of filler that provides the most efficient use of the developed composite material in the manufacture of products for external facing material of buildings and structures.

Keywords: broken brick, polystyrene foam, polymer composite material, facing material, carbon tetrachloride.

Введение

Все виды производства и хозяйственно-бытовая деятельность человека неизбежно связаны с образованием отходов, накопление которых негативно сказывается на окружающей среде и качестве жизни самого человека. В связи с этим актуальными являются разработки методов и технологий по утилизации отходов, которые не только обеспечивают снижение их количества, но и позволяют уменьшить расход первичных природных ресурсов.

Одним из наиболее эффективных направлений переработки отходов является их использование в качестве компонентов для производства строительных материалов и изделий, так как данное направление позволяет утилизировать практически все виды отходов в больших количествах с получением качественной продукции при низкой себестоимости производства.

В свою очередь наиболее перспективным направлением переработки отходов в строительные материалы и изделия является производство композиционных материалов, в т.ч. на полимерном связующем [5], [6], [7]. С одной стороны, это связано с тем, что полимерные композиционные материалы сочетают в себе легкость, прочность, низкое водопоглощение и химическую стойкость, что является преимуществом по сравнению с большинством строительных материалов. С другой стороны, существует возможность применения одних видов отходов в качестве наполнителей, а других видов отходов в качестве связующих, что позволяет проводить их комплексную утилизацию [6], [8], [9].

Авторами данной работы ранее был получен полимерный композиционный материал, в котором наполнителем был кирпичный бой, а связующим являлся полистирол, получаемый в результате растворения отходов пенополистирола в четыреххлористом углероде. Было установлено, что наибольшая прочность на сжатие и наименьшее водопоглощение достигаются при соотношении полистирол : четыреххлористый углерод равном 1 : 1,4, при введении 45-55 мас. % кирпичного боя и формовании образцов при давлении прессования 8 МПа [8].

Целью данной работы являлось исследование зависимостей основных физико-механических свойств разрабатываемого композиционного материала от количества наполнителя и выбор его содержания в составе сырьевой смеси, обеспечивающего соответствие свойств материала нормативным требованиям, предъявляемым к материалам для наружной облицовки.

Методы и принципы исследования

Для получения наполнителя в данной работе использовался бой рядового керамического кирпича, собранный из различных источников, измельченный до размера частиц не более 0,63 мм и высушенный до постоянной массы. Для получения связующего применяли отходы пенополистирола в виде собранных из различных источников отработанных элементов упаковки для бытовой техники, оборудования и т.п. Отходы пенополистирола также измельчались и высушивались до постоянной массы. Для растворения отходов пенополистирола применяли четыреххлористый углерод чистый по ГОСТ 20288-74.

Образцы разрабатываемого материала получали путем растворения отходов пенополистирола в четыреххлористом углероде с последующим перемешиванием раствора связующего и кирпичного боя до однородной сырьевой массы. Из полученной сырьевой массы при давлении прессования 8 МПа формовали образцы, для которых проводили термообработку при температуре 85-90 ^оС с выдержкой в течение 45 мин для удаления растворителя [8].

У образцов по стандартным для материалов строительного назначения методикам определяли плотность (ρ, кг/м³), водопоглощение (В, %), открытую (П_отк, %), закрытую (П_зак, %) и общую (П_общ, %) пористость, прочность на сжатие (σ_сж, МПа) и изгиб (σ_изг, МПа), морозостойкость (М, циклы) и теплопроводность (λ, Вт/(м∙^оС)).

Основные результаты

В результате проведенных экспериментов было установлено, что плотность и водопоглощение разрабатываемого композиционного материала повышаются с увеличением количества наполнителя в составе сырьевой смеси (см. рисунок 1).

Подобный характер зависимостей связан с тем, что плотность кирпичного боя выше, чем плотность полистирола, и с тем, что с повышением количества кирпичного боя повышается пористость разрабатываемого материала, что подтверждается данными по исследованию зависимости пористости материала от количества наполнителя (см. рисунок 2).

Повышение пористости разрабатываемого материала можно объяснить наличием пустот в частицах кирпичного боя, образованием пор в местах контакта частиц наполнителя и раствора связующего из-за наличия пузырьков воздуха, остающихся на поверхности частиц кирпичного боя при смешивании из-за неидеальной смачиваемости частиц наполнителя раствором связующего, а также образованием открытых пор при удалении растворителя во время термообработки. Как видно из полученных данных, при росте общей и открытой пористости доля закрытых пор понижается, что связано с уменьшением количества полистирола, который выступая в роли связующего не только заполняет часть пор и пустот, но и переводит открытые поры в закрытые.

 

Рис. 1 – Зависимость плотности и водопоглощения от количества наполнителя в сырьевой смеси

Рис. 2 – Зависимость пористости от количества наполнителя в сырьевой смеси

 

В результате эксперимента также было установлено, что зависимости прочности на сжатие и прочности на изгиб имеют аналогичный между собой характер и рассматриваемые свойства достигают максимальных значений при содержании наполнителя в количестве 45-55 мас. %. Как было установлено ранее, это связано с тем, что при этих количествах наполнителя полистирол наиболее эффективно выполняет роль связующего [8].

 

Рис. 3 – Зависимость прочности на сжатие и изгиб от количества наполнителя в сырьевой смеси

 

Из данных по исследованию морозостойкости и теплопроводности следует, что с увеличением количества наполнителя морозостойкость материала понижается, а теплопроводность растет (см. рисунок 4).

 

Рис. 4 – Зависимость морозостойкости и теплопроводности от количества наполнителя в сырьевой смеси

 

Снижение морозостойкости вызвано увеличением водопоглощения, так как эти свойства имеют между собой обратную зависимость. Повышение теплопроводности можно объяснить тем, что повышение пористости незначительно и мало снижает данное свойство, а теплопроводность кирпичного боя (≈0,85 Вт/(м∙^оС) [10]) значительно превосходит теплопроводность полистирола (≈0,093 Вт/(м∙^оС) [10]).

Обсуждение

Таким образом, максимальная для разрабатываемого состава сырьевой смеси прочность композиционного материала достигается при использовании 50 мас. % кирпичного боя. Стоит учитывать, что при повышении количества наполнителя повышается плотность материала, что повышает массу изделий, повышается теплопроводность, что снижает энергоэффективность материала, и снижается доля закрытой пористости, что снижает морозостойкость. В связи с этим было принято решение вводить в состав сырьевой смеси 50 мас. % кирпичного боя.

Заключение

В результате проведенных экспериментов было установлено, что кирпичный бой в количестве до 50 мас. % повышает прочность на сжатие и долю закрытой пористости разрабатываемого композиционного материала.  При более высоком количестве наполнителя наблюдается недостаток связующего, что проявляется в снижении прочности и повышении доли открытой пористости, что в свою очередь приводит к увеличению водопоглощения и снижению морозостойкости.

При выбранном количестве наполнителя в составе сырьевой смеси может быть получен композиционный материал с достаточно высокими значениями прочности и морозостойкости, что позволяет применять его в производстве изделий для наружной облицовки стен зданий и сооружений. Таким образом, применение разработанной сырьевой смеси позволяет комплексно утилизировать два крупнотоннажных отхода с получением качественных изделий строительного назначения.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Чумаченко Н.Г. Промышленные отходы - перспективное сырье для производства строительных материалов / Н.Г. Чумаченко, Е.А. Коренькова // Промышленное и гражданское строительство. – 2014. – № 3. – С. 20–24.
2. Перовская К.А. Применение полимерных отходов для повышения энергоэффективности стеновой керамики / К.А. Перовская, Д.Е. Петрина, Е.С. Пикалов и др. // Экология промышленного производства. – 2019. – №1. – С. 7–11.
3. Газиев У.А. Отходы промышленности в производстве строительных материалов и изделий / У.А. Газиев, Х.А. Акрамов. – Ташкент: ТАСИ, 2003. – 112 с.
4. Сагдеева Г.С. Переработка отходов производства и потребления с использованием их ресурсного потенциала / Г.С. Сагдеева, Г.Р. Патракова // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – Т. 17. – № 6. – С. 194–198.
5. Сокольская М.К. Связующие для получения современных полимерных композиционных материалов [Электронный ресурс] / М.К. Сокольская, А.С. Колосова, И.А. Виткалова и др. // Фундаментальные исследования. – 2017. – №10-2. – С. 290–295. – URL: https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41827 (дата обращения: 11.08.2019).
6. Шахова В.Н. Современные технологии переработки полимерных отходов и проблемы их использования [Электронный ресурс] / В.Н. Шахова, А.А. Воробьева, И.А. Виткалова и др. // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 11-2. – С. 320–325. – URL: https://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36408 (дата обращения: 11.08.2019).
7. Снежков В.В. Полимерные отходы – в готовые изделия / В.В. Снежков, Г.В. Речиц // Твердые бытовые отходы. – 2011. – №1. – С. 16–19.
8. Торлова А.С. Утилизация керамических и полимерных отходов в производстве облицовочных композиционных материалов / А.С. Торлова, И.А. Виткалова, Е.С. Пикалов и др. // Экология и промышленность России. – 2019. – №7. – С. 36–41.
9. Виткалова И.А. Разработка способа получения облицовочного композиционного материала на основе полимерных и стекольных отходов / И.А. Виткалова, А.С. Торлова, Е.С. Пикалов и др. // Экология промышленного производства. – 2018. – № 3. – С. 2–6.
10. Зеликов В.В. Справочник инженера по отоплению, вентиляции и кондиционированию: Справочник / В.В. Зеликов. – М.: Инфра-Инженерия, 2011. – 624 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chumachenko N.G. Promyshlennye othody - perspektivnoe syr'e dlya proizvodstva stroitel'nyh materialov [Industrial waste as prospective raw materials for building materials production] / N.G. Chumachenko, E.A. Koren’kova // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and civil engineering]. – 2014. – № 3. – P. 20–24. [in Russian]
2. Perovskaya K.A. Primenenie polimernyh othodov dlya povysheniya energoeffektivnosti stenovoj keramiki [Application of polymer waste for improvement the energy efficiency of wall ceramics] / K.A. Perovskaya, D.E. Petrina, E.S. Pikalov, and others // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2019. – №1. – P. 7–11. [in Russian]
3. Gaziev U.A. Othody promyshlennosti v proizvodstve stroitel'nyh materialov i izdelij [Industrial waste in the production of building materials and products] / U.A. Gaziev, H.A. Akramov. – Tashkent: TASI, 2003. – 112 p. [in Russian]
4. Sagdeeva G.S. Pererabotka othodov proizvodstva i potrebleniya s ispol'zovaniem ih resursnogo potenciala [Processing of production wastes and consumption with the use of their resource potential] / G.S. Sagdeeva, G.R. Patrakova // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan technological University]. – 2014. – Vol. 17. – № 6. – P. 194–198. [in Russian]
5. Sokolskaya M.K. Svyazuyushchie dlya polucheniya sovremennyh polimernyh kompozicionnyh materialov [Binders to obtain the modern polymer composite materials] [Electronic resource] / M.K. Sokolskaya, A.S. Kolosova, I.A. Vitkalova and others // Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental research]. – 2017. – №10-2. – P. 290–295. – URL: https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41827 (accessed: 11.08.2019). [in Russian]
6. Shakhova V.N. Sovremennye tekhnologii pererabotki polimernyh othodov i problemy ih ispol'zovaniya [Modern technology of processing of polymer waste and problems of their use] [Electronic resource] / V.N. Shakhova, A.A. Vorob'eva, I.A. Vitkalova and others // Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern high technology]. – 2016. – № 11-2. – P. 320–325. – URL: https://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=36408 (accessed: 11.08.2019). [in Russian]
7. Snezhkov V.V. Polimernye othody – v gotovye izdeliya [Polymer wastes into finished products] / V.V. Snezhkov, G.V. Rechic // Tverdye bytovye othody [Solid domestic waste]. – 2011. – №1. – P. 16–19. [in Russian]
8. Torlova A.S. Utilizaciya keramicheskih i polimernyh othodov v proizvodstve oblicovochnyh kompozicionnyh materialov [Recycling of Ceramic and Polymeric Wastes in the Production of Surfacing Composite Materials] / A.S. Torlova, I.A. Vitkalova, E.S. Pikalov and others // Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. – 2019. – №7. – P. 36–41. [in Russian]
9. Vitkalova I.A. Razrabotka sposoba polucheniya oblicovochnogo kompozicionnogo materiala na osnove polimernyh i stekol'nyh othodov [Development of a method for producing a coating composite material based on polymer and glass waste] / I.A. Vitkalova, A.S. Torlova, E.S. Pikalov and others // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2018. – № 3. – P. 2–6. [in Russian]
10. Zelikov V.V. Spravochnik inzhenera po otopleniyu, ventilyacii i kondicionirovaniyu: Spravochnik / V.V. Zelikov. – M.: Infra-Inzheneriya, 2011. – 624 p. [in Russian]