Реологические свойства лакокрасочных составов на основе отходов пенополистирола

Тип работы:
Реферат
Предмет:


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 667. 6:628. 4036
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛАКОКРАСОЧНЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА
Логанина В. И., Кислицына С. Н.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» 440 028, г. Пенза,
ул. Г. Титова, 28, e-mail: loganin@, mail. ru_
Разработана рецептура лакокрасочного состава на основе отходов пенополистирола. Применялся смесевой растворитель (смесь ацетона с бензином в соотношении 1: 1), в качестве наполнители — фторид кальция, оксид кальция, оксид кремния, отход химической полировки стекла, гидроксид кальция, смесь фторида кальция с пигментом. Исследовано влияние вида наполнителя и степени наполнения на реологические свойства лакокрасочных композиций. Предложена модель изменения вязкости лакокрасочных составов на основе раствора отходов пенополистирола в зависимости от вида наполнителя и его объемной доли. Теоретически и экспериментально определено значение критического содержания дисперсных наполнителей в лакокрасочном составе. Установлено, что при концентрациях выше критических, количества наполнителя оказывается достаточным, чтобы образовывать структурную сетку типа наполнитель-наполнитель. Рассчитаны коэффициенты лакокрасочных систем. Рассчитана оптимальная степень наполнения полимерных композитов. Ключевые слова: отходы пенополистирола, лакокрасочные составы, реология.
RHEOLOGICAL PROPERTIES OF PAINT FORMULATIONS BASED ON EXPANDED POLYSTYRENE WASTE
Loganina V.I., Kislitsyna S.N.
Penza State University of the Architecture and Construction, 440 025, Penza, G. Titova, 28, е-mail: loganin@mail. ru The compounding of paint on the basis of polystyrene waste. Used solvent mixtures (mixture acetone and benzene in the ratio 1: 1) as fillers — calcium fluoride, calcium oxide, silicon oxide, glass waste chemical polishing, calcium. The influence of the type of filler and the degree of filling of the rheological properties of paint. A model change viscosity paint formulations based on polystyrene of the waste solution, depending on the filler and its volume fraction. Theoretically and experimentally determined value of the critical content of dispersed fillers in paint composition. Found that at concentrations higher than the critical, the amount of filler is sufficient to form a mesh-type structural filler-filler. Coefficients paint systems. Calculate the optimal degree of filling of polymer composites.
Keywords: waste polystyrene foam, paint formulations, rheology.
Одним из эффективных путей научно-технического прогресса в производстве строительных материалов является использование в качестве основного сырья различных полимерных отходов.
Среди промышленных пластиков в нашей стране полистирол (ПС) и его сополимеры занимают третье место. Потенциальные ресурсы вторичного сырья для этого термопласта составляют примерно 50 тыс. т в год. Отходы П С накапливаются в виде вышедших из употребления изделий из ПС и пенополистирола (1111С), а также в виде промышленных (технологических) отходов [5,7].
Учитывая вещественный и химический состав отходов ППС, одним из вариантов их использования может стать изготовление лакокрасочных материалов.
Критерием для определения необходимого количества пленкообразующего в красочной суспензии служит соотношение между пигментом (наполнителем) и
пленкообразующим, которое определяется объемной концентрацией пигмента (наполнителя). Известно, что при определенных ее значениях резко изменяются основные свойства красочных систем. Эти значения называются критической объемной концентрацией (КОКП). Величина КОКП в большей мере определяется свойствами наполнителя, меньше -свойствами пленкообразующего и не зависит от растворителей [6,7].
Реологические свойства наполненных полимерных композитов изучали на лакокрасочных составах, приготовленных на основе 15%-ного раствора отходов ППС в смесевом растворителе (смесь ацетона с бензином в соотношении 1: 1).
На рис. 1 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости вязкости лакокрасочных составов от концентрации наполнителей. Как видно из полученных данных, при наполнении в интервале примерно 0& lt-ф<-0,16 (наполнители — фторид кальция, оксид кальция), 0& lt-ф<-0,96 (наполнитель — оксид кремния), 0& lt-ф<-0,1 (наполнитель — отход химической полировки стекла, ОХПС), 0& lt-ф<-0,12 (наполнитель — гидроксид кальция), 0& lt-ф<-0,13 (наполнитель смесь фторида кальция с пигментом) увеличение вязкости незначительно. Очевидно, полимерная матрица лишь частично переходит в пленочное состояние, для пространственного каркаса характерна рыхлость и редкие пространственные связи.
Л 9
I-
о § 8
п
§ 7
К? 6
Ф 5
I-
8 4 х
& lt-5 з
2 1 0
3
1 2 { 2 4
П
ЧГ
и -Л




0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Объемная концентрация, ед. об.
Рис. 1. Зависимость относительной вязкости лакокрасочных составов от объемной
концентрации наполнителей 1 — ОХПС- 2 — гидроксид кальция- 3 — фторид кальция с пигментом- 4 — оксид кальция- 5 — фторид кальция- 6 — оксид кремния.
0
При дальнейшем наполнении наблюдается резкое повышение вязкости лакокрасочного состава. Очевидно, при достижении КОКП происходит структурно-фазовый переход матрицы из ее объемного состояния в пленочное, затрагивающее весь объем материала, т. е. связи через пленочную матрицу охватывают все частицы наполнителя, редкий перколяционный каркас трансформируется в жесткую матрицу [1,3].
Анализ полученных экспериментальных данных, приведенных на рис. 1, позволяет сделать вывод, что полученные зависимости изменения вязкости при наполнении могут быть описаны уравнением вида:
11 = abj + с (1)
отн
где 11 — относительная вязкость лакокрасочного состава- ф — объемная доля отн
наполнителя, ед. об.- a, Ь, с — коэффициенты.
После математической обработки экспериментальных данных получены расчетные зависимости вязкости лакокрасочных составов от степени наполнения, которые имеют вид:
1 = 0,2 • (3,7 • 109) Ф + 0,8 — при наполнении ОХПС (2) отн
1 = 0,08 • (0,65 • 108) Ф + 0,92 — при наполнении оксидом кальция (отн
1 = 0,7 • (1,2 • 105) Ф + 0,3 — при наполнении гидроксидом кальция (4) отн
1 = 0,01 • (4,8 • 1010) Ф + 0,99 — при наполнении оксидом кремния (5) отн
1 = 0,02 • (2,2 • 1010) Ф+ 0,98 — при наполнении фторидом кальция (6) отн
1 = 0,6• (4,2 104)Ф + 0,4 — при наполнении смесью фторида кальция с пигмен- () отн
том
При значении с=0 в уравнениях (2−7) 1 = 1, что соответствует вязкости
отн
ненаполненной лакокрасочной системы.
Адекватность уравнений (2−7) проверялась по Б-критерию. Так, для уравнения (7)
_ 2 _ 2
Fy = S у / Syоос = 4,6/ 0,69 = 6,67. При 5% уровне значимости уравнение адекватно описывает результаты опытов F) Fтaбл = 6,25 [4].
Полученные зависимости (2−7) позволяют выбрать оптимальную степень наполнения лакокрасочного состава в зависимости от метода его нанесения на защищаемую поверхность.
На рис. 2 зависимость вязкости от концентрации наполнителя представлена в координатах c (где c — концентрация наполнителя в системе). Эта зависимость
представляет собой две пересекающиеся линии. Точка пересечения, спроецированная на ось абсцисс, и будет представлять собой КОКП (наполнителя) [8].
I-о о
М ?
а.
2 о
2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1
1 2 з 4 5





10 20 30 40
Концентрация наполнителя, %
Рис. 2. Зависимость вязкости лакокрасочных составов на основе ППС от объемной концентрации наполнителей: 1 — ОХПС- 2- гидроксид кальция- 3 — фторид кальция с пигментом- 4 — оксид кальция-
5 — фторид кальция- 6 — оксид кремния
Как видно из полученных данных, для лакокрасочных составов на основе раствора ППС, наполненных оксидом кремния, КОКП составляет 19,5%, фторидом кальция — 16,5%, оксидом кальция — 14,2%, ОХПС — 11,5%, гидроксидом кальция — 12%, смесью фторида кальция с пигментом — 13%.
Практически применяемая объемная концентрация пигмента (наполнителя) в лакокрасочных пленках (ОКП) ниже КОКП. Процентное отношение ОКП/КОКП называется коэффициентом лакокрасочной системы. Оптимальная степень наполнения полимерных композитов (ОКП) была рассчитана двумя теоретическими методами.
В первом случае расход компонентов для формирования единицы объема полимерного композита рассчитывался по формулам [2]:
(8) (9)
унап = 1/а

1
_Ри,
по6 & quot- /арн при условии Умон + Коб =
V = V — V -V
мон нап нап пуст. нап ¦
1
где Vиап — объем частиц наполнителя, ед. об. -
V
поб
(10) (11)
— объем раствора
пленкообразующего, ед. об.- а — коэффициент раздвижки частиц наполнителя- рн
0
насыпная плотность наполнителя кг/м3- рнап — плотность наполнителя, кг/м3- Vмон — объем монолитных частиц наполнителя, ед. об.- Vrустнaп — объем межчастичных пустот наполнителя, ед. об, рассчитывается по формуле:
Vпуст. нап 1 Р н. нап н
Коэффициент раздвижки частиц наполнителя рассчитывали по формуле:
а ¦
d ср + И d
V сР У
(12)
(13)
где dср — средний размер частиц наполнителя, м- И — средняя толщина прослойки
пленкообразователя, м, принималась равной 1,4 мкм. Вторым методом расчет вели по формуле [1]:
& lt-Р = Рп /
Р1
(Иа • /1
6
+1
(14)
где ф — объемное содержание наполнителя- Рп — насыпная плотность наполнителя кг/м3- ру — плотность наполнителя, кг/м3- Ио — средняя толщина прослойки пленкообразователя, 1,4 мкм (1,4−10−6м) — Su — удельная поверхность наполнителя, м2/кг.
Рассчитанный расход наполнителей в обоих случаях оказался одинаковым.
Полученные в результате теоретических расчетов данные представлены в табл. 1.
Таблица 1
3
3
Вид Удельная Средний Насып- Плот- Объем Объем Объем
наполни- поверх- размер ная ность частиц монолит- раствора
теля ность частиц плот- напол- напол- ных ча- пленко-
наполни- наполни- ность, нителя, нителя, стиц образова-
теля, Su, теля, Рн. нап, Р нап, V, нап 5 наполни- теля,
м2/кг. dр -10−6,м кг/м3 кг/м3 ед. об теля, V, мон 5 ед. об. Vпоб, ед. об.
Фторид
кальция 517 4,14 1080 2800 0,38 0,15 0,85
ОХПС 1466 1,78 700 2300 0,17 0,05 0,95
Оксид
кальция 545 3,96 640 2780 0,4 0,09 0,91
Оксид
кремния 430 5,57 920 2610 0,51 0,19 0,81
Гидроксид
кальция 1070 2,5 390 2240 0,26 0,05 0,95
Смесь:
фторид
кальция и 700 2,9 940 2940 0,3 0,1 0,9
пигмент
Как видно из полученных данных, теоретически рассчитанный расход наполнителей согласуется с экспериментально полученными результатами, представленными на рис. 2.
Коэффициенты лакокрасочных систем (ОКП/КОКП) составят при наполнении: оксидом кремния — 97%, оксидом кальция — 63%, фторидом кальция — 91%, гидроксидом кальция — 42%, отходами химической полировки стекла — 44%, смесью фторида кальция с пигментом — 77%.
В результате проведенных исследований теоретически и экспериментально определено значение критического содержания дисперсных наполнителей в лакокрасочном составе. Предложена модель изменения вязкости лакокрасочных составов на основе раствора пенополистирола в зависимости от объемной доли наполнителей.
Список литературы
1. Бобрышев А. Н. Синергетика композитных материалов [Текст]: А. Н. Бобрышев, В. Н. Козомазов, Л. О. Бабин, В. И. Соломатов. — Липецк: НПО ОРИУС, 1994. — 152 с.
2. Голубев Л. И. Научные подходы к составлению рецептур//Лакокрасочные материалы и их применение. — 1994. — № 7.
3. Карякина М. И. Испытание лакокрасочных материалов и покрытий [Текст] / М. И. Карякина. — М.: Химия, 1988. — 272 с.
4. Львовский Е. Н. Статистические методы построения эмпирических формул [Текст] / Е. Н. Львовский. — М.: Высшая школа, 1982. — 224 с.
5. Прошин А. П., Логанина В. И., Кислицына С. Н. Реологические свойства лакокрасочных материалов, используемых для защиты бетонных конструкций // Лакокрасочные материалы и их применение. — 1997. — № 10. — С. 20−22.
6. Прошин А. П., Логанина В. И., Кислицына С. Н. Исследование кинетики отверждения полимерных покрытий // Известия ВУЗов. Строительство. — 2003. — № 2. — С. 41−44.
7. Стрюченко А. А., Ладарева Ю. Ю., Маирко Т. А. Новые методы утилизации бытовых и промышленных отходов пенополистирола. // Международный научно-технический конгресс. Экономический путь к высококачественному литью. Тез. докладов, (Киев, 7−9 июня 2005 г.). — Киев, 2005. — С. 172.
8. Шнейдерова В. В. Антикоррозионные лакокрасочные покрытия в строительстве [Текст] / В. В. Шнейдерова. — М.: Высшая школа, 1980. — 177 с.
Рецензенты:
Калашников В. И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология строительных материалов и деревообработки» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза-
Данилов А. М., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Математического моделирования и математики» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой