Применение пигментов на основе гальваношламов для модификации вторичного полипропилена

ВЕСТНИК 3/2010

ПРИМЕНЕНИЕ ПИГМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ГАЛЬВАНОШЛАМОВ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ВТОРИЧНОГО ПОЛИПРОПИЛЕНА

A.M. Орлова, A.M. Славин, М.Н. Попова*

НИУ СА ГОУ ВПО МГСУ, ИНЭОС РАН*

APPLICATION OF PIGMENTS ON THE BASIS OF GALVANIC SLUDGE FOR UPDATING OF SECONDARY POLYPROPYLENE

A.M. Orlova, A.M. Slavin, M.N. Popova*

MGSU, INEOS*

Определены экспериментальные физико-механические характеристики вторичного полипропилена модифицированного смешанным железооксидным пигментом. Рассчитан модуль упругости по формуле Герца, исходя из значений твердости. Проведен сравнительный анализ термомеханических свойств вторичного полипропилена с различным процентным содержанием смешанного железооксидного пигмента.

Experimental physicomechanical characteristics secondary polypropylene modified of mixed iron-oxide pigments are defined by a pigment. The elasticity module under the Hertz formula, proceeding from values of hardness is calculated. The comparative analysis of thermo-mechanical properties of secondary polypropylene with various percentages mixed iron-oxide pigment is carried out.

Рациональное природопользование входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (№Пр-843 от 21 мая 2006 г.). Особую актуальность приобретает развитие направления по охране окружающей природной среды и человека от действия токсичных веществ, поступающих в атмосферу, почву и водоемы. Среди промышленных отходов большую опасность представляют отходы, образующиеся при очистке сточных вод гальванических цехов. Они, как правило, являются смесью гидроксидов и основных углекислых солей тяжёлых металлов.

За рубежом накоплен некоторый опыт по использованию осадков, содержащих тяжёлые металлы, связанный с введением их в различные цементные и силикатноце-ментные композиции. В нашей стране основными направлениями переработки гальванических шламов является утилизация и изготовление строительных материалов и дорожных покрытий, связывание инертными веществами или остекловывание высокими температурами с целью предупреждения выщелачивания токсичных металлов в окружающую среду [1].

Следовательно, есть основание считать, что поиски путей утилизации гальванических шламов (ГШ) может оказаться весьма перспективной в создании новых композиционных материалов с интересными свойствами и привести в ряде случаев к снижению материалоёмкости традиционных строительных изделий [5].

На кафедре Прикладной химии разработан смешанный железооксидный пигмент (СЖП), который включает в свой состав 80% гальванических отходов и 20% желтого железооксидного пигмента [3].

Известно, что в строительстве одним из наиболее применяемых полимерных материалов является полипропилен (ПП). Для уменьшения стоимости таких материалов, мы предлагаем использовать в технологическом процессе производства отходы ПП, а любой вторичный полимерный материал имеет неоднородную цветовую гамму при этом физико-механические свойства этих материалов не уступают первичным, а иногда даже превосходят [4]. Поэтому нами предложено, на примере вторичного ПП ввести в состав этого материала СЖП.

Производственный процесс получения вторичного ПП представлен на рисунке 1. Он состоит из операций: разборка и сортировка полимерных отходов, их мойка, измельчение и дробление отходов, гранулирование и изготовление из гранул методом литья под давлением или методом литьевого прессования изделий различного назначения.

5

ИИ

Рис. 1. Схема вторичной переработки ПП в гранулы: 1 - узел сортировки отходов; 2 - дробилка; 3 - моечная машина; 4 - центрифуга; 5 - сушильная установка; 6 - гранулятор.

1

Для определения оптимального процентного содержания СЖП в составе вторичного ПП нами были проведены исследования опытных партий образцов, где содержание СЖП составляло: 0, 2, 4, 6, 8% от массы вторичного ПП.

Перед изготовлением образцов определяли температуру плавления (Гш.) и показатель текучести расплава (ПТР) (ГОСТ 11645-73) исходного вторичного ПП и вторичного ПП с содержанием СЖП 6% (табл. 1). Условия испытаний были следующими: нагрев до температура 230°С, нагрузка (Р]) составляла 2,16 Н, время нагревания до заданной температуры (гкдгр) 7 мин.

Таблица 1

Показатели температура плавления и текучести расплава

№ п/п Т °С 1 пл., ^ ПТР, г/10 мин

1. 165±2 10,4±1,0

2. 170±2 12,0±1,2

Полученные образцы испытывали на растяжение (ГОСТ 11262-80), ударную вязкость по Шарпи (ГОСТ 4647-80), статический изгиб (ГОСТ 4648-71), разрушающее напряжение при сжатии (ГОСТ 4651-82) и твердость по Бринеллю (Н,„) (ГОСТ 467069). Исходя из полученных значений Нв, были рассчитаны величины модуля упругости Е (МПа) по формулу Герца [2].

3 х 3 ¥

Е =

16 X к/2 X Я'

где к (м) - глубина, на которую проникал сферический индентор, Я (м) - радиус индентора, ¥ (Н) - сила вдавливания.

Результаты физико-механических испытаний модифицированного СЖП вторичного ПП представлены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства модифицированного СЖП вторичного ПП

Содержание СЖП в образцах, % Свойства композиционного полимерного материала

Разрушающее напряжение (<7Р), МПа Относительное удлинение (е), % Удельная ударная вязкость (А) кДж/м2 Прочность на изгиб (о), МПа Твердость по Бринеллю (Д), МПа Модуль упругости (Е), МПа

0 34,4 41,3 53,9 43,0 43 850

2 33,3 38,3 38,0 47,7 40 800

4 33,2 38,2 41,7 49,3 43 850

6 31,3 30,4 27,7 49,0 44 880

8 30,8 29,0 14,2 45,4 42 840

Из таблицы 1 видно, что прочность при изгибе образцов с пигментом выше прочности вторичного ПП без добавки СЖП, при 2% на 12%, при 4% на 14,3%, при 6% на 13,8% и при 8% на 4,3%. При испытании на растяжении прочностные свойства образцов без добавок и с добавками 2 и 4% практически одинаковы (разница составляет 3%), образцы, имеющие добавки 6 и 8% заметно менее прочны. Деформационные свойства при увеличении процентного содержания СЖП уменьшаются, но при этом наихудшие результаты имеют образцы с содержанием добавки 6 и 8%. Ударная вязкость образов содержащих пигмент более высокая при 4% содержания пигмента.

Кривые сжатия полимеров характеризуют влияние содержания СЖП во вторичном ПП на модуль упругости материала (рис. 2). Из рис. 2 видно, что наклон кривых сжатия вторичного ПП при содержании СЖП 6 и 8% лежат выше, чем вторичного ПП, а кривые сжатия для 2 и 4% содержания СЖП ниже. Таким образом, модуль упругости вторичного ПП модифицированного СЖП растет с повышением содержания СЖП в полимерном материале.

В таблице 2 представлены полученные экспериментальные физико-механические характеристики модифицированного полипропилена: предел пропорциональности (опц), предел прочности (ос), относительная деформация (е), соответствующая пределу прочности и модуль упругости (Е), полученный при испытании на сжатие от процентного содержания СЖП.

Рис. 2. Кривые сжатия модифицированного вторичного ПП с различным содержанием СЖП: (1) - 0%, (2) - 2%, (3) - 4%, (4) - 6%, (5) - 8%.

Таблица 2

Экспериментальные физико-механические характеристики модифицированного

СЖП вторичного ПП

Наименование образца Процентное содержание СЖП, % апц, МПа ас, МПа £, % Е, МПа

1 2 3 4 5 6

Вторичный ПП 0 26,28 46,3 12,6 690,3

2 18,03 29,76 3,77 578,7

Модифицированный 4 25,87 32,8 5,55 639,5

СЖП вторичный ПП 6 41,67 50,19 7,25 757,6

8 23,11 38,45 3,67 975,8

Рис. 3. Зависимости Е (1) и Нв (2) от процентного содержания СЖП во вторичном ПП

ВЕСТНИК 3/2010

Теперь оценим характер изменения твердости в зависимости от процентного содержания СЖП во вторичном ПП. Зависимости Е и Нв от процентного содержания СЖП представлены на рис. 3. Из рис. 3 видно, что процентное содержание СЖП в полимерном материале не оказывает существенного влияния на модуль упругости, рассчитанный как по экспериментальным данным на сжатия, так и по значению твердости.

В данной работе также был проведен сравнительный анализ термомеханических свойств вторичного ПП с различным содержанием СЖП. Термомеханический анализ проводили на термомеханическом анализаторе 0400, используя пенетрационный зонд, при нагрузке на пуансон 0,01 Н. Скорость роста температуры составляла 5 град/мин. Термомеханические зависимости для образцов показаны на рисунке 4. Хорошо видно, что кривые образцов с добавками практически идентичны, это позволяет сделать вывод, что количество введенного СЖП не влияет на температуру плавления, которая равна Тпл=170°С. Термомеханические свойства модифицированного ПП несколько выше, чем вторичного ПП без добавок. Это указывает на то, что материалы на основе модифицированного вторичного ПП можно использовать в тех же температурных режимах эксплуатации, что и материалы из вторичных полимеров.

í.%

О 20 40 00 «О 100 IZO )40 160 180

т, •с

Рис. 4. Термомеханические кривые вторичного ПП при процентном содержании СЖП: (1) - 0%, (2) - 2%, (3) - 4%, (4) - 6%, (5) - 8%

Таким образом, вторичный ПП модифицированный СЖП является материалом с достаточно высокими эксплуатационными свойствами. Установлено, что оптимальное содержание СЖП во вторичном ПП составляет 4% от массы вторичного ПП. Результаты экспериментов показывают, что СЖП можно применять не только в качестве замены стандартных пигментов, но и как модифицирующую добавку для повышения прочностных характеристик вторичного ПП.

Литература:

1. Зайнуллин Х.Н. и др. Утилизация осадков сточных вод гальванических производств / X.H. Зайнуллин, В.В. Бабков, Д.М. Закиров, А.Н. Чулков, Е.М. Иксанова — М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003. — 272 с.

2. Лопатин, В.В. Полиакриламидные гидрогели в медицине / В.В. Лопатин, A.A. Аскад-ский - М. : Науч. мир, 2004. - 261 с.

3/2010 мв.ВЕСТНИК

3. Славин, A.M. Методика синтеза смешанных железооксидных пигментов и красочных составов на их основе «Вестник МГСУ» / A.M. Орлова, A.M. Славин // Научно-технический журнал. Выпуск №2. М.: - МГСУ, 2010 г. - С. 219-224.

4. Соловьева, Е.В. и др. О физико-химических свойствах вторичных строительных полимерных материалов «Промышленное гражданское строительство» / Е.В. Соловьева, A.B. Голованов, A.A. Аскадский, М.Н. Попова // Ежемесячный научно-технический и производственный журнал - 2009. № 5. - С. 62-64.

5. Шевченко, Ю. В. Использование отходов гальванических производств в полимерных композициях / А. М. Орлова, Ю. В. Шевченко, А. М. Славин // Конструкции из композиционных материалов: Межотр. науч.-техн. журн. - М.: 2006. Вып. 2. С. 29-35.

Ключевые слова: вторичный полипропилен, физико-механические свойства, смешанный железооксидный пигмент, термомеханический анализ.

Keywords: secondary polypropylene, physical-mechanical properties, mixed iron-oxide pigments, thermomechanical analysis.

Рецензент: кандидат технических наук, доцент кафедры ТОИМ, НУИ CA ГОУ ВПО МГСУ

М.Г. Бруяко

E-mail автора: popovavologda@yandex.ru