Исследование взаимодействия адгезива с поверхностью субстрата в гипсоволокнистом материале

№ 6

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

июнь, 2020 г.

СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АДГЕЗИВА С ПОВЕРХНОСТЬЮ СУБСТРАТА

В ГИПСОВОЛОКНИСТОМ МАТЕРИАЛЕ

Адилходжаев Анвар Ишанович

д-р техн. наук, Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта,

Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: nauka@tashiit. uz

Игамбердиев Бунёд Гайратович

базовый докторант, Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта,

Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: nauka@tashiit. uz

ANALYSIS OF THE INTERACTION OF ADHESIVE WITH THE SUBSTRATE SURFACE

IN A GYPSUM FIBER MATERIAL

Anvar Adilhodzhaev

doctor of technical sciences, Tashkent Institute of Railway Engineers,

Uzbekistan, Tashkent

Bunyod Igamberdiev

basic doctoral candidate, Tashkent Institute of Railway Engineers,

Uzbekistan, Tashkent

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены вопросы термохимической обработки поверхности растительных заполнителей для обеспечения прочного адгезионного взаимодействия с гипсовой матрицей в композиционном строительном материале. Произведен выбор добавок, способствующих улучшению адгезионной прочности и физико -механических свойств гипсоволокнистых листов. Также выполнен сравнительный анализ влияния сорбционной влажности на долговечность композиционного материала в случае обработки волокнистого заполнителя.

ABSTRACT

The article considers the issues of thermochemical treatment of the surface of plant fillers to ensure strong adhesive interaction with a gypsum matrix in a composite building material. A selection of additives contributing to the improvement of adhesive strength and physico-mechanical properties of gypsum sheets was conducted. A comparative analysis of the effect of sorption moisture on the durability of the composite material at the processing of fiber fillers was also performed.

Ключевые слова: адгезия, волокно-матрица, гипс, солома, делигнификация, влажностные деформации.

Keywords: adhesion, fiber matrix, gypsum, straw, delignification, moisture deformation.

В течение долгого времени в качестве основных строительных материалов использовались древесина, керамика, сталь, бетон и железобетон. В Узбекистане с развитием строительной индустрии в последнее десятилетие в практику стали интенсивно внедряться композиционные строительные материалы, без которых сегодня не осуществимо строительство большинства объектов.

Композиционные строительные материалы представляют собой многофазные системы, состоящие из двух или более мономатериалов с различными свойствами. Благодаря рациональному сочетанию нескольких исходных компонентов и, как следствие,

получаемому синергетическому эффекту образуются новые материалы, сохранившие индивидуальные особенности каждого из исходных разнородных ком-понентов[1].

Цель создания композиционных строительных материалов — улучшение тех или иных свойств исходных компонентов, как, например, их механических, теплофизических характеристик, химической стойкости, долговечности и т.п., а также снижение себестоимости материалов, в том числе и за счет применения различных отходов. К композиционным строительным материалам относятся: растворы, бе-

Библиографическое описание: Адилходжаев А.И., Игамбердиев Б.Г. Исследование взаимодействия адгезива с поверхностью субстрата в гипсоволокнистом материале // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 6(75). URL: http://7universum. com/ru/tech/archive/item/9659

№ 6

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

июнь, 2020 г.

тоны, керамику, мастики, клеи, замазки, лакокрасочные материалы, стеклопластики и другие искусственные многокомпонентные материалы.

Идея создания композиционных материалов не нова. Так, например, издавна наш народ в строительстве применяет материал саман, в котором глина служит связующим веществом (матрица), а солома выступает в качестве упрочняющей арматуры. Также в строительстве уже долгое время применяется асбестоцемент, состоящий из цемента - матрицы и волокнистого природного материала асбеста в качестве арматуры. Свойства такого рода композитов определяются высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица-волокно. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизм его разрушения.

В основном, адгезионное взаимодействие волокна и матрицы определяет уровень свойств композитов и их работу при эксплуатации. Локальные напряжения в компоненте достигают максимальных значений вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Граница раздела должна обеспечивать эффективную передачу нагрузки от матрицы на волокна.

Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием термических и усадочных напряжений вследствие различия в температурном коэффициенте линейного расширения матрицы и волокна или в результате химической усадки связующего при его отвердении[2].

Адгезионная прочность зависит от энергии связи, полноты контакта, определяемой рельефом поверхности, межфазной поверхностной энергии, смачивания и других поверхностных явлений, а также от условий формирования контакта (давления, температуры и т.п.)[3].

На сегодняшний день в Узбекистане производство нового для местного рынка композиционного материала - плиты из гипсоволокнистой массы освоено на некоторых предприятиях. В таком композите арматурой является равномерно распределенное в гипсовой массе переработанное целлюлозное во-локно[4]. При этом применяются различные технологии изготовления гипсоволокнистой плиты, так как дефицитность вторичной целлюлозы заставляет предпринимателей использовать в сырье растительного происхождения, что сильно сказывается на производственном процессе, в первую очередь на операциях по обеспечению высокой адгезии волокна к матрице (обработка волокнистого сырья, модификация вяжущего). Во многих случаях при поиске альтернативного сырья для производства гипсоволокни-стой плиты выбор падает на солому злаковых культур, так как данное сырье всегда можно найти по доступной цене и в больших количествах. Однако солома, как и многие органические целлюлозные заполнители, наряду с присущей ей ценными свойствами, имеет и отрицательные качества, затрудняющие получение композитов высокой прочности^]. К специфическим свойствам такого органического целлюлозного заполнителя можно отнести

повышенную химическую агрессивность, значительные объемы влажностной деформации и развитие давления набухания, резко выраженную анизотропию, высокую проницаемость, низкую адгезию по отношению к матрице, значительную упругость при уплотнении смеси. Указанное отрицательно влияет на процессы твердения матрицы, на структурообра-зование, а также на прочность и стойкость композиционного материала к влагопеременным воздействиям.

В данной статье рассматривается материалы исследований по установлению взаимодействия адге-зива с поверхностью субстрата в новом композиционном материале. Установление характера взаимодействия имеет основополагающее значение для понимания механизма адгезии волокон, в частности волокон соломы к кристаллам гипса, а также для разработки практических решений для усиления адгезии между ними.

В первую очередь представляется необходимым более широко исследовать каталитические эффекты на границе адгезив-субстрат, а также молекулярные и химические силы, действующие в зоне контакта. Так как степень отрицательного воздействия влаж-ностных деформаций волокнистого заполнителя на прочность гипсоволокнистой плиты в большей мере определяется показателями сцепления различных по своей природе материалов (соломы и гипса), то целесообразно изучать влияние этих факторов во взаимосвязи^].

И.Х. Наназашвили и др. исследованы адгезионные свойства композиционных материалов из отходов древесины и растительного сырья на основе полимерных и минеральных вяжущих [2]. Авторами отмечено, что адгезионные свойства древесных пород с минеральными вяжущими зависят от породы, химического состава, вводимых добавок, условий обработки, удельной поверхности и т. д.. Так установлено, что при уменьшении удельной поверхности заполнителя в виде соломы до некоторого предела прочность композита растет. Снижение прочности при значительной крупности заполнителя может быть частично объяснено влиянием больших влаж-ностных деформаций, вызывающих развитие напряжений в контактных зонах в процессе твердения и сушки, а при использовании мелкой фракции - значительным уменьшением толщины кристаллических прослоек гипса в структуре из-за большой удельной поверхности заполнителя[7].

С ростом шероховатости поверхности увеличивается и адгезия соломы с гипсовой матрицей. При этом доказано, что рост адгезионной прочности связан с появлением большого числа активных центров, увеличением истинной площади контакта и механическим сцеплением ворсинок и углублений, выполняющих функцию своеобразных шпонок и закле-пок[8].

Увеличение истинной площади контакта можно добиться удалением жировоскового слоя с поверхностей соломы, что обеспечит появление дополнительных ворсинок и углублений. Как известно, рисовая

№ 6

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

июнь, 2020 г.

солома в своем составе содержит от 10 до 30% минеральных компонентов. Для удаления минерального компонента из рисовой соломы обычно используется щелочная варка. Действие щелочного раствора на лигноуглеводный комплекс приводит не только к удалению минерального компонента и части лигнина, но и к деструкции полисахаридов [9].

В связи с вышесказанным, предпринята попытка изучения закономерностей между операциями по облагораживанию сырья (обработка соломы) и улучшением адгезии волокон к матрице (модификация гипса). Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• обеспечить максимальное извлечение минеральных компонентов и лигнина из лигноуглевод-ного комплекса рисовой соломы с минимальной деструкцией полисахаридов;

• обеспечить формирование более плотной кристаллической решетки гипса, увеличивающей прочность соединения на поверхности волокно-гипс.

В исследованиях были использованы модификаторы, пластификаторы, обессахаренные отвары соломы, минеральные модификаторы, которые в той или иной мере влияли на упрочнение адгезионного соединения соломы с гипсовым вяжущим. Также использовалась рисовая солома прошлогоднего сбора (содержание целлюлозы - 58 %; лигнина - 14%; смолы - 5,4%; растворимых веществ - 3,2 %; минеральных веществ - 19,4%) и строительный гипс (ГОСТ 125-70).

Варку сухой и разрезанной по 12-20 мм рисовой соломы проводили водным раствором едкого натрия при следующих условиях: соотношение солома-раствор - 1/8; концентрация №ОН - 1-6 %; температура обработки - 90°С; продолжительность подъема температуры - 15 мин; продолжительность щелочной

обработки - 60-240 мин. Полученный материал промывали дистиллированной водой до нейтральной среды, просеивали, истирали, высушивали и взвешивали. Результаты предварительных исследований щелочной варки рисовой соломы и зависимость выхода продукта от концентрации щелочи и продолжительности обработки представлены на рис. 1.

Полученные результаты указывают на значительное снижение выхода продукта при концентрации щелочи 6% и продолжительности обработки 240 мин (рис. 1), следовательно, дальнейшее увеличение концентрации щелочи и продолжительности обработки представляется нецелесообразным.

При визуальном осмотре проваренного в 1-2 % щелочном растворе материала отмечено, что обработка даже при продолжительности 240 мин не обеспечивает требуемых значений по выходу и по качеству. Полученные данные после варки первой партии рисовой соломы позволяют установить диапазон для дальнейших исследований: концентрация щелочи -от 3 до 5 %, продолжительность обработки - от 60 до 240 мин.

После ряда экспериментов удалось найти оптимальные условия для щелочной варки рисовой соломы. С учетом оптимизации щелочной варки (продолжительность щелочной варки - 150 мин; концентрация щелочи - 3,5 %) был получен материал с выходом - 57,1 %, визуально напоминающий хлопковые волокна.

С целью изучения уровня адгезионного взаимодействия полученного материала с гипсовым вяжущим были определены прочностные характеристики образцов смесей из данных компонентов, в которых также использовались различного рода добавки для улучшения прочности связи волокно-гипс, так как прочность гипсоволокнистого композита, как нам представляется, напрямую зависит от прочности связи между адгезивом и субстратом.

100

90

S0

70

5 50

и

40

IL_Öfi П Hfl *

---

19.9 72.4

51.4 49:1

60 120 180

Продолжительность щелочной варки , мин

—♦—б % раствор щелочи 4 % раствор щелочи

2 % раствор щелочи ~¥r~ 1 % раствор щелочи

240

Рисунок 1. Зависимость выхода волокнистого заполнителя от концентрации щелочи и

продолжительности варки

№ 6

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

июнь, 2020 г.

Таблица 1.

Влияние добавок на характеристики гипсоволокнистой смеси

№ Количество соломы, % Количество добавки, % В/Т Расплыв теста, мм Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа

C-3 Frem Nanogips

1. 0,5 - - 0,66 180 3,84 9,80

2. 0,5 - 0,2 0,66 250 4,69 15,4

3. 0,5 - 0,4 0,43 182 4,12 15,6

4. 0,5 - 0,7 0,33 180 4,34 16,1

5. 0,5 - 1 0,43 250 4,81 17,9

6. 0,5 - 2 0,36 260 6,84 18,6

7. 0,5 0,7 - 0,66 220 4,02 9,82

8. 0,5 1 - 0,66 236 4,02 10,6

9. 0,5 1,5 - 0,66 244 4,02 11,4

10. 0,5 2 - 0,66 258 6,03 12,6

11. 1 - - 0,72 171 3,35 8,24

12. 1 - 0,2 0,72 245 3,68 10,8

13. 1 - 0,4 0,48 172 4,98 12,6

14. 1 - 0,7 0,36 171 4,98 16,1

15. 1 - 1 0,48 244 4,01 11,8

16. 1 - 2 0,40 249 4,82 13,5

17. 1 0,7 - 0,72 212 3,54 9,60

18. 1 1 - 0,72 218 3,98 9,80

19. 1 1,5 - 0,72 232 4,64 10,4

20. 1 2 - 0,72 238 5,40 12,6

Анализ полученных данных позволяет сделать несколько заключений:

• адгезионная прочность зависит от густоты гипсового теста и его химической активности, при этом, чем выше вязкость раствора, тем на меньшую глубину он может проникнуть в поры соломы.

• добавки уменьшают водопотребность смеси, что приводит к увеличению плотности матрицы, и, как следствие, увеличению прочности сухого материала.

Значительное повышение предела прочности при сжатии гипсоволокнистых композитов при введении добавок, повышающих плотность гипсовой матрицы и прочность связи гипс-волокно, свидетельствует косвенно о том, что в твердеющей плите без добавок могут развиваться деструктивные процессы вследствие объемных и влажностных деформаций.

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что наиболее эффективно использование добавки для гипсовых смесей «FremNanogips» (ЗАО «Завод добавок и смазок «ФРЭЙМ») при формовании образцов, высокая адгезионная прочность в которых наблюдалась во все сроки хранения. Повышение адгезионной прочности у образцов происходит вследствие повышения плотности кристаллической решетки гипса, обеспечивающей более прочное соединение с поверхностью волокна.

Предполагается, что адгезионная взаимосвязь между соломой и гипсом обусловливается взаимодействием иона кальция, образующегося при твердении гипсового теста в контактной зоне с полярными функциональными группами компонентов соломы -целлюлозы, лигнина, гемицеллюлозы.

Силы связи между гипсовым тестом и стенками клеток соломы могут быть объяснены положениями адсорбционной теории адгезии. Известно, что составные части соломы, в первую очередь, целлюлоза, характеризуются структурной поляризацией (поверхности молекулярной цепей целлюлозы, гемицел-люлозы и лигнина несут отрицательный заряд) и поэтому должны хорошо соединяться с полярными веществами. Кроме того, облагороженные волокна соломы содержат малое количество водорастворимых экстрактивных веществ, что снижает влажност-ные деформации в контактных зонах[8].

Происходит ли повышение прочности полученных гипсоволокнистых образцов за счет снижения влажностных деформаций волокнистого заполнителя? Мы предполагаем, что это должно достигаться вследствие уменьшения отрицательного заряда волокон соломы в результате обработки горячим раствором щелочного раствора и блокирования полярных групп, в первую очередь гидроксильных расположенных на поверхности молекулярных цепей целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина волокнистого заполнителя. Для подтверждения наших соображений мы исследовали воздействие влаги на гипсоволокнистые образцы.

Сорбционную влажность определяли следующим методом. Предварительно высушенные до постоянной массы гипсоволокнистые образцы с заполнителем из обычной рисовой соломы и термообработанной (по методике, описанной выше) щелочным раствором рисовой соломы, помещали в эксикаторы. Паровоздушная среда в эксикаторах создавалась искусственно с помощью химического рас-

№ 6

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

июнь, 2020 г.

твора серной кислоты разной концентрации, обеспечивающего относительную влажность воздуха 40 -96%. Влажность образцов определялась путем взвешивания через каждые две недели в течение первых 2-х месяцев испытаний, затем через каждую неделю до достижения образцами постоянной массы на весах.

Результаты испытаний приведены в диаграмме (рис. 2). Определено, что сорбционная влажность всех образцов достигает 2,5% в эксикаторах при относительной влажности воздуха 40%. Показатель сорбционной влажности образцов на основе необра-

ботанной соломы выше на 22% в сравнении с образцами на заполнителе из обработанной соломы, равной 3,5% при относительной влажности воздуха 60%. Сорбционная влажность гипсоволокнистого материала на основе заполнителя из обработанной соломы при влажности 90% равна 6,4%, а влажность образцов на основе необработанной соломы возрастает на четверть (8,0%). Относительная влажность воздуха 96% вызывает возрастание сорбционной влажности образцов на заполнителе из обыкновенной соломы до 15,1%, что превышает на 33% показатель образцов на основе обработанной соломы, соответствующий 10,2%.

Относительная влажность воздуха, %

Образцы на заполнителе из термообработанной соломы Образцы на заполнителе из необработанной соломы

Рисунок 2 Изотермы сорбции водяного пара гипсоволокнистыми композитами

Анализ полученных результатов показывает, что термообработка рисовой соломы щелочным раствором позволяет снизить водопоглощение гипсоволок-нистых композитов. Целесообразность такой операции обусловливается полярной природой этого высокомолекулярного соединения. Повышение гид-рофобности волокон соломы после термообработки является следствием блокирования адсорбционно-активных в воде гидроксидов макромолекул целлюлозы и других компонентов соломы в результате образования водородных связей между метальными группами и гидроксидами соломы.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• адгезионная прочность между соломой и гипсом зависит от удельной поверхности заполнителя, коэффициента формы частиц, шероховатости волокнистого заполнителя, химической активности компонентов композита, В/Г соотношения, количества химических добавок, степени протекания процессов

преобразования структурных и химических характеристик соломы в процессе ее термохимической обработки;

• композиционные материалы на основе необработанной соломы при высокой влажности окружающей среды могут достичь показателя сорбционной влажности, равному 15,1%, , что в дальнейшем может привести к снижению эксплуатационных характеристик, а также стать причиной разрушения стеновых плит и конструкций в целом.

По результатам исследований предложен эффективный способ комплексной подготовки волокнистого заполнителя путем предварительной термооб-рабоки в щелочном растворе и дальнейшим смешением с гипсом и модификатором, что в свою очередь уменьшает вязкость теста и способствует кольматации открытых пор и углублений в заполнителе, чем обеспечивает высокие показатели адгезии матрицы и заполнителя.

№ 6

UNIVERSUM:

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

июнь, 2020 г.

Список литературы:

1. Строительные материалы. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебник для вузов / В. Г. Микульский [и др.]; под общ. ред. В. Г. Микульского, Г. П. Сахарова. - [5-е изд., доп. и перераб.]. - М. : Изд-во АСВ, 2011.

2. Наназашвили, И. Х. Строительные материалы из древесно-цементной композиции / И. Х. Наназашвили -Ленинград: «Стройиздат» 1990 г. - 414 с.

3. Фрейдин A.C. Прочность и долговечность клеевых соединений. М.: «Химия», 1981, с. 115-122

4. Рязапов Р. Р., Мухаметрахимов Р. Х., Изотов В. С. Дисперсно-армированные строительные композиционные материалы на основе гипсового вяжущего // Известия КазГАСУ. 2011. №3 (17).

5. Адилходжаев А.И., Игамбердиев Б. Г., Карабаева М.И. Перспективы использования рисовой соломы в качестве волокнистого наполнителя в производстве строительных материалов // Проблемы Науки. 2019. №12-1

6. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. Москва, «Химия», 1974

7. Воюцкий С.С. Адгезия / С.С.Воюцкий // Энциклопедия полимеров. Т. 1. - Москва: Сов. энциклопедия, 1972.

8. Наназашвили, И. Х. Арболит - эффективный строительный материал / И. Х. Наназашвили - Ленинград: «Стройиздат» 1984.

9. Вураско А. В., Минакова А.Р., Дрикер Б.Н., Сиваков В.П., Косачева А.М. Технология получения целлюлозы из недревесного растительного сырья // Химия растительного сырья. 2010. №2.

(145).

- С. 22-29.