Базальтонаполненная полимербитумная мастика Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 625.7

А.А. Вязенков, С.В. Арзамасцев

БАЗАЛЬТОНАПОЛНЕННАЯ ПОЛИМЕРБИТУМНАЯ МАСТИКА

Установлена возможность использования измельченного базальтового наполнителя и ненасыщенной полиэфирной смолы для получения полимербитумной мастики, обладающей повышенными характеристиками по сравнению с промышленно выпускаемой.

Битум, мастика, полиэфирная смола, базальт, базальтовая вата

В работе изучены особенности использования измельченного базальтового наполнителя различной природы для повышения свойств полимербитумного мастичного композиционного материала.

Для увеличения долговечности и прочностных характеристик в качестве наполнителя использовали природный минерал - базальт, базальтовую вату и ее отходы.

Установлено, что введение полиэфирной смолы в количестве до 25% способствует увеличению прочности сцепления в ~10 раз (рис. 1). Введение измельченного базальтового порошка и измельченной отработавшей срок базальтовой ваты (ОБВ) также способствует увеличению прочности сцепления дополнительно в 1,5 раза (рис. 2). Полиэфирная смола, распределенная в объеме битума, образует редкую пространственно сшитую структуру, повышая прочностные и адгезионные характеристики полимербитумного вяжущего. За счет распределенной в объеме композиции измельченной базальтовой ваты, частички которой имеют игольчатую форму, достигается эффект армирования микроволокном, обеспечивающий повышение характеристик композиционного материала.

A.A. Vyazenkov, S.V. Arzamastsev

POLYMERIC-BITUMINOUS MASTIC FILLED WITH BASALT

Crushed basalt filler and non-saturated polyester pitch can be applied to produce polymeric-bituminous mastic characterized for added performance compared to commercially produced mastic.

Bitumen, mastic, polyester pitch, basalt, basalt cotton wool

0

5

10

15

1

2

0 5 10 15 20 25

Содержание смолы, %

Содержание базальтового наполнителя, %

Рис. 1. Зависимость прочности сцепления мастики с поверхностью металла от содержания смолы КАМФЭСТ 0102

Рис. 2. Зависимость прочности сцепления мастики с содержанием 15% смолы КАМФЭСТ 0102 с поверхностью металла от содержания базальтового наполнителя 1 - измельченная ОБВ; 2 - измельченный базальт

Введение полиэфирной смолы в битум в количестве до 25% масс. способствует увеличению верхнего температурного предела эксплуатации на 10-25% до 54-560С, что является весьма существенным (рис. 3). Введение измельченного базальтового порошка и измельченной отработанной базальтовой ваты также способствует увеличению температуры эксплуатации на 10% (рис. 4). Увеличение температуры размягчения выше при использовании измельченной ОБВ. Это также связано с эффектом армирования микроволокном. При использовании базальтового наполнителя введение в композицию полиэфирной смолы более 15% нецелесообразно, поскольку не приводит к повышению характеристик мастики.

Содержание смолы, %

Рис. 3. Зависимость температуры размягчения по КИШ мастики от содержания смолы КАМФЭСТ 0102

Соде ржание базальтового наполнителя, %

Рис. 4. З ависимость температуры размягчения по КИШ мастики с содержанием 15% смолы КАМФЭСТ 0102 от содержания базальтового наполнителя: 1 - измельченная ОБВ;

2 - измельченный базальт

Изучено влияние модифицирующей добавки «Water-repellent-2», выпускаемой ООО «Нанотехком», г. Саратов (ТУ 2484-001-89365295-2010) на прочностные характеристики полимербитумного КМ. Установлено, что ее введение в количестве 1% от массы в полиэфирную композицию, содержащую 10-20% битума, позволяет повысить ударную вязкость до 70%. Введение в состав измельченной базальтовой ваты также способствует увеличению ударной вязкости до 80%. Аналогичная зависимость наблюдается при определении разрушающего напряжения при растяжении композита.

Исследованиями, проведенными на приборе OCA 40 micro производства компании DataPhysics Instruments GmbH, установлено, что введение полиэфирной смолы в битум способствует повышению смачиваемости защищаемой металлической поверхности. Так, краевой угол смачивания битумом составляет 94,00, полиэфирной смолой - 34,50, мастикой, содержащей в составе 15% полиэфирной смолы и 15% базальтовой ваты, - 67,50, что существенно ниже рассчитанного аддитивного значения 85°.

Методом оптической микроскопии, проведенным на модельных образцах, установлено равномерное распределение измельченной ОБВ в объеме композита.

Изучением структуры базальтонаполненного композиционного мастичного материала, проведенным методом атомно-силовой микроскопии, установлено, что полимербитумное вяжущее равномерно покрывает частички измельченной ОБВ, имеющие диаметр около 15 мкм, что соответствует данным об объекте исследования. Пленка полимербитумного вяжущего, покрывающего микроволокно, имеет вид шагреневой кожи. Граница между поверхностью волокна и матрицей размыта, что, вероятно, свидетельствует об образовании переходного слоя (рис. 5)

Рис. 5. Поверхность базальтового микроволокна, покрытого пленкой полимербитумного вяжущего

Поскольку состав разработанной полимербитумной мастики сложен, взаимодействие в системах «битум - базальтовый наполнитель» и «полиэфирная смола - базальтовый наполнитель» устанавливалось раздельно на модельных образцах. В спектре композита состава «полиэфирная 60

смола - базальтовый наполнитель» появляется полоса поглощения при 1039,2 см" , характерная для связи ьО-С-(рис. 6). Это позволяет предположить, что при взаимодействии полиэфирной смолы с

силикатами на поверхности базальтового наполнителя образуются органосиликатные соединения, обеспечивающие формирование сшитой трехмерной структуры с химически встроенным в нее базальтовым наполнителем. Изучение взаимодействия в системе «ПБВ - базальтовый наполнитель» на модельных образцах с повышенным содержанием базальтового наполнителя (рис. 7) показало расщепление интенсивной основной полосы поглощения валентных колебаний связи 81-О (1091 см"1) в ПБВ на две компоненты (1062 и 1031 см"1).

Рис. 6. Данные ИКС: 1 - базальтовый наполнитель; 2 - полиэфирная смола;

3 - композиционный материал на их основе

Дина волы см1

Рис. 7. Данные ИКС: 1 - ПБВ; 2 - базальтовый наполнитель; 3 - композиция на их основе

Это позволяет предположить, что элементы силикатов участвуют в образовании физикохимических связей с функциональными группами компонентов ПБВ, прежде всего с ОН-группой ароматических соединений и карбоновых кислот битума. Под действием активных функциональных групп компонентов ПБВ на поверхности цепочечной силикатной структуры волокон базальта образуются поверхностные органосиликатные соединения, связывающие волокна базальта с компонентами ПБВ.

Анализ ИК-спектров образцов свидетельствует, что базальтовый наполнитель упорядочивает структуру ПБВ, образуя органосиликатные соединения, упрочняющие структуру композита. Предполагаемый механизм взаимодействия показан на рис. 8.

\ / &

/ \

О О ч /

8І / ч

О О

ч /

/ ч

+н0©'

&

/ ч

О О

ч /

* а Л

/ Ч I

О 0-ч-М

/ ч

ч / &

/ \ О О

ч /

5І

✓ ч

°ч Р

Бі

/ Ч

+

Ч

Н(Т

ч /

5І / \

о о \ /

-► 8І ^

/ \ * О о-^ .О Бі-7 / \

н-о-с-я

о

СГ

Рис. 8. Предполагаемый механизм взаимодействия в системе «базальтовый наполнитель - битумное вяжущее»

Разработанная мастика прошла испытания на водо-, кислото- и щелочестойкость. Потери массы после 180 суток нахождения в среде не превышают 0,04%.

Разработанная полимербитумная мастика по всем характеристиками превосходит промышленно выпускаемую мастику МБК-Г-55 (табл. 1).

Таблица 1

Сравнительные характеристики разработанной и промышленно выпускаемой мастики

Характеристика ПБМ МБК-Г-55* Метод испытания по

Температура размягчения, °С не ниже 57°С 50-55°С ГОСТ 11506-73

Теплостойкость в течение 5 ч, °С не менее 60°С 55°С ГОСТ 2889-80

Прочность сцепления с металлом, МПа, 1,27 0,9 ГОСТ 26589-94, метод А

Гибкость. При температуре 18+2°С не должно быть трещин на стержне диаметром, мм 10 10 ГОСТ 26589-94

Содержание пылевидного наполнителя, %, по массе 15-25 25-30 ГОСТ 2889-80

Водопоглощение в течение 24 часов, % по массе не более 0,0% 0,2 ГОСТ 26589-94 п. 3.9.

* - выпускаемая по ГОСТ 2889-80 Выводы

В работе определен предполагаемый механизм взаимодействия в системе «полиэфирная смола - базальтовый наполнитель», заключающийся в образовании органосиликатных соединений, обес-

61

печивающих формирование сшитой трехмерной структуры в композите; установлено физикохимическое взаимодействие в системе «полимербитумное вяжущее - базальтовый наполнитель», подтвержденное расщеплением интенсивной полосы поглощения валентных колебаний связи 81-0 (1091 см-1) в композите на две компоненты (1062 и 1031 см-1) и образованием переходного слоя «наполнитель - полимерная матрица».

Вязенков Александр Александрович -

аспирант кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Арзамасцев Сергей Владимирович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья пос

Alexander A. Vyazenkov -

Postgraduate

Department of Chemical Engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Sergei V. Arzamastsev -

Dr.Sc., Professor

Department of Chemical Engineering

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

в редакцию 17.07.13, принята к опубликованию 15.09.13