CC BY
0
УДК 691.175
Юрченко В.В.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ИЗ ВТОРИЧНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
Yurchenko V. V.
DETERMINING THE OPTIMAL FRACTIONAL COMPOSITION OF COMPOSITE CONSTRUCTION MATERIAL MADE OF RECYCLED POLYETHYLENE AND FINE WOOD PROCESSING WASTE
Введение
Для вторичного полимера, такого как полиэтилен высокого давления, характерно наличие в составе реакционноспособных групп, которые играют немаловажную роль при формировании структуры смесей и всего комплекса присущих им свойств -прочностных, реологических,
адгезионных. Изучение особенностей поведения вторичного полиэтилена высокого давления на границе раздела фаз позволило выяснить механизм явлений, происходящих в граничных слоях компонентов при формировании структуры композиций, и
предопределило выбор направлений и подходов в изучении процессов формирования структуры полимерных композиций при введении в них древесного наполнителя [1, 2].
Анализ последних исследований и публикаций
Для обоснования выбора вида используемого древесного наполнителя выполнены исследования и
проанализированы данные, полученные
при экспериментальных исследованиях, определяющих зависимость физико-механических свойств изделия от вида и количественного содержания в нем древесных частиц [1 -5].
Цель работы
Обоснование и определение оптимального фракционного состава композиционного строительного
материала из вторичного полиэтилена высокого давления и мелкодисперсных отходов переработки древесины.
Основная часть
Полимерный и древесный вторичный наполнитель имеют различный фракционный состав. Частицы наполнителей отличаются размерами, формой, удельной наружной поверхностью, фракционным составом. Эти параметры в значительной степени влияют на свойства полимерного композита.
На основании анализа последних исследований [1-5] выбраны следующие параметры древесных частиц: удельная поверхность Буд, характеризующая
степень измельчения древесины; приведенная длина, ширина и толщина Lпр, ьпр, ^р. Дисперсионный анализ выполнен методом ситового анализа. Использован стандартный набор сит с размерами ячеек № 0,33, 0,63, 1,25, 2,5,
5 мм. Масса древесного наполнителя составляла 1000 г. Результаты распределения исследуемого древесного наполнителя по фракциям, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Распределение древесного наполнителя по фракционному составу
Фракция наполнителя, L, мм 0,33 0,63 1,25 2,5 5
Масса фракции, прошедшей через сито, Р, г 115 179 499 322 24
Удельное содержание фракции, m, % 11,5 17,9 49,9 32,2 2,4
Насыпная плотность фракции, р, г/см3 0,271 0,263 0,258 0,247 0,235
Геометрические размеры частиц древесного наполнителя различных фракций определяли микроскопическим методом. Приведённые параметры
частиц Lnp, bnp, формуле (1):
h
пр
определяются по
Lnp Emi
а- (Zbi- hi)
Ьпр Emi
L ¡■(E а-hi)
hnp E mi
Li i'(E а" bnp)
> (1)
где Lпр, ьпр, ^р - приведенная длина, ширина, толщина частиц, мм;
Li, Ы, Ь - длина, ширина, толщина 1-й частицы, мм;
а - плотность древесины, г/см3; mi - масса 1-й частицы, мм; п - число частиц.
Расчетные значения удельной поверхности частиц древесного наполнителя с учетом кривой распределения определены по формуле (2) [5]:
"уд
а \ Lnp /
(2)
где К - коэффициент
пропорциональности, учитывающий
форму частиц. Для кубических частиц К=6, для частиц прямоугольной формы К=4;
а - плотность материала, г/см3;
dW - доля частиц данной фракции;
Lпр - среднее значение размера частиц соответствующей фракции, мм.
Форма частиц древесного наполнителя зависит от способа их получения.
Выполненные измерения
геометрических параметров частиц и их удельной поверхности показывают, что все три параметра L, Ь, h частиц существенно отличаются между собой, и частицы с такими размерами напоминают мелкие пластинки. Для таких пластинчатых частиц
коэффициент пропорциональности К=2, а удельная поверхность частиц определяется по формуле (3):
"уд
а \ Lnp /
(3)
где К - коэффициент
пропорциональности, учитывающий форму частиц. Для мелких пластинчатых
частиц К = 2;
а - плотность материала, г/см3; dW - доля частиц данной фракции; Ьпр - среднее значение размера частиц соответствующей фракции, мм.
Полученные по формулам 1 и 3 значения геометрических параметров частиц древесного наполнителя и их удельной поверхности приведены в табл. 2.
Таблица 2
Геометрические параметры мелкодисперсного древесного наполнителя
Фракция наполнителя, L,mm Среднестатистический размер частиц, мм Удельная поверхность, Буд, м2/г
Lnp Ьпр hnp
0,33 0,25 0,06 0,26 0,55
0,63 0,56 0,20 0,23 0,28
1,25 1,16 0,50 0,23 0,91
2,5 2,1 0,79 0,22 0,83
5 4,1 2,47 0,19 0,011
По результатам ситового анализа построена дифференциальная кривая распределения древесной фракции по массе (рис. 1). Она характеризует долю данной фракции размером, Ь и выражается для массового
распределения частиц функцией, ш=ДЬ)
[4].
Площадь графика, ограниченная кривой распределения, осью абсцисс и двумя ординатами Ь и Ь2, наглядно выражает часть фракции, размер которых находится в данном интервале между Ll и L2. Как видно из рис. 1, кривая несимметрична и имеет форму, характерную для логарифмически нормального распределения.
к к э и
eö ZP
eö О О eö
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1
Рис. 1. Зависимость массы фракции (т) от линейных размеров (Ь)
Распределение используемого наполнителя по массе и размерам свидетельствует, что наибольшую массу, прошедшую через сито, имеет фракция 1,25 мм - 49,9%.
Насыпная плотность всех фракций примерно одинакова и в среднем равна 0,26 г/см2 до фракции 1,25 мм включительно. Для фракции 2,5 и 5 мм насыпная плотность снижается, так как частицы фракции агрегируют и занимают больший объем.
Фракционный гранулометрический состав термопластов также необходим для качественного и количественного определения параметров наполнения древесно-полимерных систем и также влияет на свойства и технологические
параметры изготавливаемых изделий, как и древесный наполнитель.
Для оценки параметров вяжущего вещества в качестве основных характеристик было принято: удельную наружную поверхность Sуд,
приведенную длину, ширину и толщину, Lпр, ьпр, ^р. Дисперсионный анализ выполнен ситовым анализом. Масса полимерного компонента, отобранная для ситового анализа, составляла 1000 г.
Был использован стандартный набор сит с размерами ячеек № 0,33, 0,63, 1,25, 2,5, 5 мм. Результаты фракционного состава исследуемого вторичного полиэтилена высокого давления приведены в табл. 3.
Таблица 3
Массовое распределение вторичного полиэтилена высокого давления по _фракционному составу___
Размер ячейки сита, мм 0,33 0,63 1,25 2,5 5
Масса фракции, прошедшей через сито, Р, г 218,6 335,4 185,7 162,3 89,2
Удельное содержание фракции, m, % 21,86 33,54 18,57 16,23 8,92
Оценка геометрических размеров вторичного полиэтилена высокого давления различных фракций выполнена микроскопическим методом на
цифровом микроскопе BresserbioluxLCD 50x-2000x. Приведенные геометрические параметры частиц Lпр, ьпр, ^р определены по формулам 1 и 3 (табл. 4).
Таблица 4
Основные геометрические параметры вторичного полиэтилена высокого давления
Фракция полимерного компонента, L, мм Среднестатистический размер частиц, мм Удельная поверхность, Sw, м2/г
Lnp bnp hnp
0,33 0,25 0,16 0,03 0,945
0,63 0,39 0,20 0,05 0,895
1,25 0,8 0,50 0,07 0,819
2,5 1,73 0,79 0,08 0,867
5 4,1 2,47 0,15 0,319
По результатам ситового анализа построена кривая распределения
вторичного полиэтилена давления по массе (рис. 2).
высокого
35
CÖ
и Н О
<и
EJ
<и и
о
U
(U
3
£
и
CÖ
о о eö
30
25
20
15
10
0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8 5.1
5
Рис. 2. Зависимость массы вяжущего вещества (т) от линейных размеров (Ц)
Площадь графика, ограниченная кривой распределения, осью абсцисс и двумя ординатами Ь и Ь2, выражает долю частиц, размер которых находится в данном интервале между Ь и Ь2. Кривая имеет форму логарифмически нормального распределения.
Выводы
Основываясь на данных исследований, распределение
используемого древесного наполнителя
Список литературы
1. Видгорович, А.И. Древесные прессовочные массы для изготовления деталей машин (обзор) / А.И. Видгорович // Пластические массы, - 1985. - №11. - С. 44-47.
2. Юрченко, В.В. Оптимизация фракционного состава термопластичного
по массе и размерам свидетельствует, что наибольшую массу, прошедшую через сито, имеет фракция 1,25 мм -49,9%. Распределение используемого полимерного компонента по массе и размерам показало, что наибольшая масса, прошедшая через сито, характерна для фракции 0,63 мм -33,54%. Оптимальным фракционным составом частиц вторичного
полиэтилена высокого давления по массе следует принять фракцию не более 0,63 мм.
References
1. Vidgorovich, A.I. Wood pressing masses for the production of machine parts (review) / A.I. Vidgorovich // Plastic masses. -, 1985. - No. 11. - Рр. 44-47.
2. Yurchenko, V.V. Optimization of the fractional composition of thermoplastic
древесно-полимерного композита на основе вторичного полиэтилена высокого давления и мелкодисперсных отходов переработки древесины / В.В. Юрченко // Сборник научных трудов Донецкого института
железнодорожного транспорта. - 2024. -Вып. 2. - С. 51-59. - ISSN 1993-5579.
3. Юрченко, В.В. Анализ модифицирующих добавок применяемых в композиционных материалах с наполнителем из отходов древесины и термопластичных полимеров / В.В. Юрченко, В.А. Хлебородова // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. - 2018. - Вып. 48. - С. 39-45. - ISSN 1993-5579.
4. Юрченко, В.В. Анализ возможности производства и применения термопластичных композиционных материалов на основе отходов древесины и вторичных полимеров / В.В. Юрченко, В.А. Хлебородова // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. - 2019. -Вып. 52. - С. 61-67. - ISSN 1993-5579.
5. Кац, Г.С. Наполнители для полимерных композиционных материалов: Справочное пособие / Г.С. Кац, Д.В. Милевски; перевод с английского под ред. Бабаевского, П.Г. -Москва: Химия, 1981. - 736 с.
Аннотации:
Определен оптимальный фракционный состав композиционного строительного материала на основе полиэтилена высокого давления марки 15803-020 и мелкодисперсных отходов переработки древесины фракции 0,335 мм. Определен оптимальный фракционный состав композиционного строительного материала из вторичного полиэтилена высокого давления и мелкодисперсных отходов переработки древесины. Распределение древесного наполнителя по массе и размерам
wood-polymer composite based on secondary high-density polyethylene and fine wood processing waste / V.V. Yurchenko // Collection of scientific papers Donetsk Railway Transport Institute. -2024. - Issue. 2. - Pp. 51-59. -ISSN 1993-5579.
3. Yurchenko, V.V. Analysis of modifying additives used in composite materials filled with waste wood and thermoplastic polymers / V.V. Yurchenko, V.A. Khleborodova // Collection of scientific papers Donetsk Railway Transport Institute. - Issue. 48. - Pp. 3945. - ISSN 1993-5579.
4. Yurchenko, V.V. Analysis of the possibility of production and application of thermoplastic composite materials based on wood waste and secondary polymers / V.V. Yurchenko, V.A. Khleborodova // Collection of scientific papers Donetsk Railway Transport Institute. - 2019. -Issue. 52. - Pp. 61-67. - ISSN 1993-5579.
5. Katz, G.S. Fillers for polymer composite materials: Reference manual / G.S. Katz, D.V. Milevski; translation from English ed. Babaevsky, P.G. - Moscow: Chemistry, 1981. - 736 p.
показало, что наибольшую массу имеет фракция 0,63-1,25 мм - 49,9%. Оптимальный фракционный состав частиц вторичного полиэтилена высокого давления обеспечен фракцией менее 0,63 мм.
Ключевые слова: вторичный полиэтилен, мелкодисперсный древесный наполнитель, фракционный состав, композиционный материал.
Optimization of the fractional composition of a composite building material based on high-pressure polyethylene grade 15803-020 and fine-dispersed wood processing waste with a fraction of 0.33-5 mm has been carried out. The optimal
fractional composition of a composite building material made of recycled high-pressure polyethylene and fine wood processing waste has been determined. The distribution of wood filler by weight and size showed that the largest fraction has a fraction of 0.63-1.25 mm - 49.9%. The optimal
Сведения об авторах
Юрченко Виталий Викторович
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донецкий институт железнодорожного транспорта» (ДОНИЖТ), кафедра «Строительство и эксплуатация пути и сооружений», кандидат технических наук, e-mail: [email protected]
fractional composition of particles of secondary high-pressure polyethylene is provided with a fraction of less than 0.63 mm.
Keywords: secondary polyethylene of high pressure, finely dispersed wood filler, fractional composition, composite polymer material.
Information about the authors
Yurchenko Vitaly Viktorovich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education «Donetsk Railway Transport Institute» (DRTI), Department «Construction and Operation of Railways and Structures», Candidate of Technical Sciences, e-mail: [email protected]
