Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и технологические предпосылки создания строительных материалов на основе поливинилхлоридного связующего
1.1. Анализ современного состояния производства строительных материалов на основе полимерных связующих 16
1.2. Бетоны на основе полимерных связующих 19
1.3. Акустические строительные материалы : 55
1.4. Применение полимерных теплоизоляционных материалов при строительстве зданий и сооружений 80
1.5. Теоретические положения, обоснование направления исследований 92
Глава 2. Методика проведения эксперимента и оценки характеристик полимерных строительных материалов
2.1. Исходные вещества 95
2.2. Методика получения полимербетонов и исследование их свойств t 102
2.3. Методика получения акустических материалов и исследование их характеристик 115
2.4. Методика формирования и исследования теплоизоляционных изделий на основе поливинилхлорида 120
Глава 3 Разработка научных основ упрочнения Поливинилхлоридного связующего 129
3.1. Исследование влияния пластификаторов на свойства поливинилхлоридного связующего 130
3.2. Модификация поливинилхлоридного связующего добавками органического происхождения 156
3.3. Разработка составов поливинилхлоридного связующего с повышенной эластичностью при отрицательных температурах... 173
3.4. Модификация ПВХ-связующего на фталатных пластификаторах 194
3.5. Выводы 196
Глава 4. Разработка научных основ и технологии получения полимербетонов на 2(ю поливинилхлоридном связующем
4.1. Разработка технологии получения тяжелых 200 полимербетонов на основе ПВХ
4.2. Разработка легкого полимербетона на ПВХ-связующем 228
4.3. Выводы , 233
Глава 5. Создание звукопоглощающего строительного материала на основе поливинилхлоридного связущего 236
5.1. Разработка технологии получения акустического материала на монополимерных композициях 236
5.2. Исследование влияния модифицирующих добавок на свойства звукопоглощающих материалов 243
5.3. Выводы 250
Глава 6 Экспериментальное развитие научных и технологических принципов получения теплоизоляционных материалов из поливинилхлорида
6.1. Разработка технологии получения закрытопористого жесткого ПВХ-пенопласта и изучение его свойств 252
6.2. Разработка технологического процесса получения эластичного пенопласта на основе ПВХ 264
6.3. Выводы 268
Глава 7. Опыт внедрения результатов исследований и экономические предпосылки развития производства строительных материалов на основе поливинилхлоридного связующего 270
7.1. Внедрение полимербетонов в производство 270
7.2. Внедрение в производство звукопоглощающих материалов на основе ПВХ-связующего 278
7.3. Опыт внедрения результатов исследований в производство теплоизоляционных ПВХ-материалов
7.4. Технико-экономические показатели разработанных материалов. 289
7.5. Выводы 304
Общие выводы 305
Библиографический список 310
Приложения:
- Анализ современного состояния производства строительных материалов на основе полимерных связующих
- Методика получения полимербетонов и исследование их свойств
- Модификация поливинилхлоридного связующего добавками органического происхождения
- Разработка технологии получения акустического материала на монополимерных композициях
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время неуклонно возрастает необходимость в расширении производства экологически безопасных и долговечных покрытий полов, пенопластов, отделочных и изоляционных материалов. Наиболее перспективными являются материалы и изделия из полимерного сырья.
Однако полимербетоны не всегда удовлетворяют вышеуказанным свойствам. Решение проблемы создания материалов экологически безопасных с высокими эксплуатационными характеристиками различного назначения может быть осуществлено на основе полимербетонов с поливинилхлоридным связующим, модифицированным добавками, при снижении содержания токсичных ингредиентов и реализации процессов спекания порошкообразных композиций.
Высокая химическая стойкость и ударная прочность ПВХ-бетонов, масло-, бензо- и морозостойкость, определяют их перспективность для долговременного использования покрытий тротуаров, бензозаправок, гальванических цехов машиностроительных предприятий, площадей городов. Обеспечение высокой цветопередачи позволит создавать яркие композиции площадей и их самобытность. Производство ПВХ-бетонов обеспечивает высокую технологичность процесса, его механизацию и автоматизацию. Цикл производства, от смешения подготовленных ингредиентов до получения готового изделия, не превышает 60-120 мин (в зависимости от толщины изделия). Производство изделий может осуществляться как в периодическом, полупериодическом, так и непрерывном режимах.
Теплоизоляционные поливинилхлоридные материалы нового поколения должны существенно отличаться от существующих в настоящее время ПВХ-пенопластов тем, что они либо совсем не должны содержать токсичные ингредиенты, либо их количество должно быть сведено к минимуму. Их плот-
ность должна быть меньше пено-ПВХ, выпускаемого в настоящее время. Более низкий коэффициент теплопроводности при равных условиях эксплуатации, позволит основательно решить проблему энерго- и ресурсосбережения, что крайне актуально.
Звукопоглощающие покрытия из открытопористого ПВХ-материала обеспечат эффективное поглощение звука, акустический комфорт в общественных зданиях, снизят шум от оборудования в технических помещениях различного назначения. При использовании в звукоизолирующих конструкциях позволят эффективно защитить от звукового давления жилые дома, находящихся вблизи автодорог с интенсивным автомобильным движением (особенно после реконструкции и расширения автодорог федерального значения). Несомненно, такой подход к решению поставленной задачи определяет ее актуальность для нашего государства.
Работа выполнялась в рамках госбюджетных тем, проводимых ИГАСА и ВлГУ с 1994 г. и гранта № 38-03-01/03-25, финансируемого Министерством образования и науки РФ.
Цель и задачи работы. Основной целью диссертации является получение полимербетонов, теплоизоляционных и звукопоглощающих материалов на основе поливинилхлорида с высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- теоретически обосновать получение высокопрочного ПВХ-
связующего и материалов на его основе;
— разработать технологии получения полимербетонов, акустического и
теплоизоляционного материалов с высокими эксплуатационными свойствами.
10 Научная новизна работы:
1. Теоретически обосновано получение высокопрочного ПВХ-
связующего путем введения пластификаторов (дибутилфталата (ДБФ), диок-
тилфталата (ДОФ), бутилбензилфталата (ББФ), диоктиладипината (ДОА),
смеси простых эфиров диоксановых спиртов (ЗДОС), фосфатного пластифи
катора (ПФ)) и модифицирующих добавок (триэтиленгликоля (ТЭГ), тетра-
этиленгликоля (ТТЭГ), простых олигоэфиров пропиленгликоля, хлорпарафи-
на, уайт-спирита), воздействующих на надмолекулярные структуры полимера,
формируя активный слой на границе раздела фаз «полимерное связующее -
заполнитель».
Выявлено, что увеличение температуры и времени термообработки приводит к росту физико-механических характеристик ПВХ-связующего; повышение концентрации пластификатора ведет к снижению прочности при разрыве и росту относительного удлинения; рост времени вызревания связующего с ПФ к возрастанию прочности при разрыве.
Установлено, что максимальный эффект повышения прочности при разрыве и относительного удлинения обеспечивают добавки в ПВХ фосфатного пластификатора и триэтиленгликоля.
Получены математические уравнения регрессии «состав связующего - физико-механические характеристики» для систем ПВХ-ПФ-ТЭГ, ПВХ-себациновая кислота-ТЭГ (концентрация ПФ и ДОА стабилизирована), позволяющие провести оптимизацию составов по заданным характеристикам связующего.
5. Установлено, что на нормальный коэффициент звукопоглощения
изоляционных материалов на основе ПВХ оказывает влияние только размер и
общая площадь открытых пор акустического слоя. Толщина слоя в исследуе
мом интервале от 1 до 30 мм на коэффициент звукопоглощения при частоте
1000 Гц влияния не оказывает.
Выявлено, что высокоэффективные акустические материалы из ПВХ должны содержать поры размером от (1,6 - 2,2)-10"6м до (3,6 - 4,2)-10"6м и обладать определенной эластичностью.
Установлено с помощью ИК-спектров, что ПВХ-композиции, содержащие модификаторы С-3, тетраэтоксисилан (ТЭОС) и гидрофобизирующую эмульсию (ГЭ), имеют переходный активный слой между заполнителем и связующим, способствующий повышению адгезии.
Практическая ценность заключается в разработке технологий получения трех видов строительных материалов на основе ПВХ: полимербетона, акустического и теплоизоляционного материалов. Определены технологические режимы, обеспечивающие получение изделий с высокими физико-механическими показателями.
Установлено, что при концентрациях 40 - 60 мае. % ПВХ различных марок использование ББФ позволяет получать ПВХ-связующее с прочностью при разрыве 5,9 - 7,2 МПа и относительным удлинением 300 - 460 %. При использовании пластификатора ЭДОС возможно получение связующего с прочностью 7,4 - 8,8 МПа и относительным удлинением 312 - 360 %. Исследование по введению в связующее пластификатора ПФ показали его перспективность применения, так как он обеспечивает прочностные показатели на уровне Ор = 8,0 МПа и є = 400 %, а также снижает горючесть полимера.
При создании тяжелых полимербетонов на термопластичном связующем решена проблема введения до 85 мае. % заполнителя. Разработана комплексная модифицирующая активная добавка (ТЭГ+гидрофобизирующая эмульсия на основе олигопипериленстирола и тетраэтоксисилана) для получения ударопрочных полимербетонов, которая обеспечила повышение ударной прочности до 8 кДж/м .
Модифицированы композиции для получения жесткого пенополиви-нилхлорида, при котором время вспенивания заготовок при обеспечении со-
12 хранности комплекса свойств получаемого материала, сократилось более чем в 6 - 12 раз. Уменьшено в 8 раз содержание метилметакрилата и в 10 раз ЧХЗ-57 по сравнению с базовой маркой. Впервые получен пенополивинилхлорид по прессовой технологии плотностью 60 кг/м . При разработке эластичного пенополивинилихлорида из композиций полностью устранен токсичный ЧХЗ-57.
На разработанные теплоизоляционные, листовые открытопористые ПВХ-материалы, а также на составы связующих получены патенты и заявки на изобретение РФ.
Апробация работы и публикации. За период 1994 - 2005 г.г. в центральной печати опубликовано 77 работ. Материалы диссертационной работы представлены на 18 международных и всероссийских конференциях, опубликованы в центральной печати 55 научных трудов, в том числе 5 патентов и заявок на изобретение Российской Федерации. Материалы диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях в г. Москва, г. Белгород, г. Тамбов, г. Казань, г. Ульяновск, г. Иваново, г. Екатеринбург, г. Владимир.
Созданные изделия экспонировались на 33 международном салоне инвестиций (Швейцария, г. Женева, 6 - 10 апреля 2005 г.), где удостоены золотой медали и диплома; на международной выставке «Ганноверская ярмарка-97» (Германия, г. Ганновер, 1997 г.); на межрегиональной выставке «Строй-прогресс» (г. Владимир, 1999, 2003, 2004 г.г.); на 4 Всероссийской выставке ВВЦ "Образование и технологии" (г. Москва, 2002 г.); на Всероссийской вы-ставке-сервис "Образование, технологии, рынок" (г. Москва, 1999 г.); на региональной выставке "Инновационная деятельность", (г. Владимир, 2001 г.); постоянно действующей промышленной выставке (г. Владимир). Получен диплом международного фонда «Знание» по результатам научных исследований в области фундаментальной и прикладной науки (1998 г.).
13 Данные исследований представлены в учебном процессе, поставлены лабораторные работы по тематике диссертационной работы, такие как «Получение и изучение свойств открытопористого материала из ПВХ», «Изучение технологии получения теплоизоляционного жесткого материала из поливи-нилхлорида», «Получение и изучение свойств эластичного теплоизоляционного материала из поливинилхлорида», «Получение и исследование свойств по-лимербетонов из ПВХ-связующего».
Внедрение результатов работы. Разработанные технологии и композиции внедрены на предприятиях:
1) ПКФ «Инкомпен» (г. Владимир) осуществляет промышленный вы
пуск строительных материалов на основе ПВХ-связующего:
пенополивинилхлорид для получения жестких теплоизоляционных материалов. Из композиции максимально удалены токсичные ингредиенты. Разработанные композиции запатентованы. ;
эластичный пенополивинилхлорид. Разработана и внедрена композиция, позволяющая получать материал без токсичных продуктов (азодиизобу-тиронитрила) с заменой их на безвредные для человека ингредиенты (азоди-карбонамид с модифицирующими добавками). При этом удалось повысить эксплуатационные характеристики готовых изделий. Разработанные композиции запатентованы.
тяжелые и легкие полимербетоны на основе первичного и вторичного (отходы ПВХ-пенопластов) сырья.
2) на ООО «Гелиос» (г. Владимир) разработано техническое задание на
проектирование участка по производству открытопористого материала из
ПВХ. Спроектирована туннельная печь непрерывного действия для высоко
температурной обработки материала. Подобраны композиции и технологиче
ские режимы изготовления. Осуществлен выпуск листовых открытопористых
14 материалов для гражданского и промышленного строительства. Разработки запатентованы.
На защиту выносится:
теоретическое обоснование создания открыто- и закрытопористых материалов с заранее заданными свойствами для получения строительных материалов с улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками, которые обеспечат снижение энергозатрат при технологических процессах производства и эксплуатации;
разработка композиций связующего на основе поливинилхлорида для получения морозостойких, высокопрочных, химически стойких тяжелых и легких полимербетонов, которые позволяют в несколько раз повысить сроки их активной эксплуатации, применять их в тех условиях, в которых использование цементно-песчаных бетонов не представляется возможным;
технологические режимы и составы для получения высокоэффективных звукопоглощающих материалов на основе ПВХ-связующего, обеспечивающих нормальный коэффициент звукопоглощения до 0,97;
композиции для производства модифицированного теплоизоляционного жесткого и эластичного материала из ПВХ;
результаты математического моделирования систем «композиция -свойства изделия» при разработке ПВХ-связующего, полимербетонов, тепло-изоля-ционных материалов;
опыт внедрения результатов исследований.
Достоверность результатов работы. Полученные научные результаты обоснованы экспериментальными закономерностями, установленными при испытании широкого круга полимербетонов и изоляционных материалов с использованием современных методов исследования и оборудования. Досто-
15 верность выводов подтверждается большим количеством экспериментальных данных и внедрением разработок в промышленность.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, библиографического списка, приложений. Работа изложена на 369 страницах текста и содержит 77 рисунков и ПО таблиц. Библиографический список содержит 373 работы российских и зарубежных авторов.
Анализ современного состояния производства строительных материалов на основе полимерных связующих
В настоящее время в России и за рубежом выпускается большое количество различных строительных материалов и изделий, отличающихся друг от друга по технологии изготовления, своему составу, свойствам и способу изготовления.
Одними из эффективных строительных материалов являются изделия, изготавливаемые на основе высокомолекулярных соединений - полимеров.
Полимерные материалы обеспечивают снижение массы ограждающих конструкций, повышают качество и долговечность зданий и сооружений, не требуют дополнительных отделочных операций, не подвергаются коррозии, повышают индустриальность строительства.
Основные требования, предъявляемые к полимерным строительным материалам, следующие:
1) по своим архитектурно-строительным, эксплуатационным и физико-механическим показателям должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов или технических условий;
2) должны обладать высокой химической стабильностью и быть безвредными при эксплуатации зданий и сооружений;
3) материалы, предназначенные для применения в условиях отрицательных или повышенных температур, следует дополнительно проверять на морозо- и теплостойкость, а также химическую стабильность. Материалы, применяемые в строительстве промышленных предприятий, должны быть дополнительно проверены на стойкость к действию соответствующих химических реагентов, используемых или выделяемых при ведении технологического процесса на предприятии;
4) цвет, фактура и рисунок отделочных материалов определяются эталонами, разработанными и утвержденными в установленной форме [1].
Из полимерных материалов изготавливают большое количество строительных материалов и изделий. Это покрытия полов жилых и промышленных зданий, изделия для санитарно-технического оборудования, тепло- и звукоизоляционные материалы, отделочные, конструкционные, гидроизоляционные изделия и др. [2, 3, 11].
Зарубежные и отечественные авторы большую роль отводят применению пластических масс в строительстве. Так, в [4 - 10, 12 - 14] описывают ассортимент и тенденции развития полимерных строительных материалов. В [15] автор выделяет следующую классификацию материалов для строительства: 1) полимерные материалы как альтернатива традиционным материалам (дерево, стекло и др.); 2) полимеры, предназначенные для неответственных деталей, не испытывающих несущих нагрузок; 3) композиты полуконструкционного и конструкционного назначения.
Он же выделяет основные классы материалов для строительства: - композиты, сочетающие в себе легкий вес и достаточную прочность и жесткость. Данные изделия эффективно заменяют традиционные материалы и используются в качестве листовых гофрированных профилей, а также в виде архитектурных конструкций специального назначения; - полимербетоны, высокоармированные бетоны, цементы, модифицированные полимером и др.; - пенопласта, обладающие хорошими барьерными свойствами для огня, звука, холода, а также высокими демпфирующими характеристиками, что важно при отделке и декорировании помещений; - клеи высокой надежности; - полимеры для пола, кровли; - лакокрасочные материалы; - полимеры для наружного интерьера зданий с повышенной цветостой-костью, прочностью и размерной стабильностью.
Авторы работ [16 - 24] рассматривают вопросы разработки новых композиционных материалов для реконструкции зданий, использовании полимерных композитов в качестве трубопроводов, электро-, звуко-, теплоизоляции, отделки фасадов, светотехнических изделий, взамен металлических конструкций.
Для получения строительных материалов полимеры в чистом виде используют достаточно редко, лишь для изготовления стекол, труб и пленок. Кроме полимеров в состав пластических масс входят наполнители, пластификаторы, смазывающие вещества, стабилизаторы, красители, пигменты и другие ингредиенты.
Отличительной особенностью большинства пластиковых изделий является их высокая прочность, относительная легкость и высокая химическая стойкость к воздействию агрессивных сред. Они не требуют дополнительной окраски после формования и имеют красивый внешний вид.
Методика получения полимербетонов и исследование их свойств
Определение прочности полимербетонов, согласно «Инструкции по технологии приготовления полимербетонов и изделий их них» [33], необходимо производить по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». По данным этого нормативного документа образцы должны иметь форму куба с размером ребра (100±1) мм. Однако для высоконаполненных полимерных композиций ГОСТы: на сжатие ГОСТ 4651-82 [340], на статический изгиб ГОСТ 4648-71 [341], допускают размеры образцов для сжатия - куб с размером ребра 3,0 см; для изгиба - балочка длиной 10,0 см, толщиной 0,4±0,02 см, шириной 1,0±0,05 см.
Исходя из этого, во всех случаях испытаний на прочностные характеристики использовались образцы данных размеров. Исследования проводились на универсальной испытательной машине А1-102.
Предел прочности на сжатие (МПа) рассчитывается по формуле: осж-Р/10-5, (2.1) где Р - усилие, соответствующее разрушению образца (или 20 %-ному его разрушению), Н; 5 - первоначальная площадь поперечного сечения образца, см . Предел прочности при изгибе (МПа) определяется по формуле: ow= , (2.2) 206Л2 где Ртг изгибающая нагрузка в момент разрушения или при достижении заданного прогиба, Н; / - длина образца, см; b толщина образца, см; h -ширина образца, см.
Ударная прочность определялась по ГОСТ 4647-80 [337]. Образцы должны соответствовать следующим стандартам: длина 120±2 мм, ширина 15±0,5 мм, толщина 10±0,5 мм. Расстояние между опорами при таких размерах образцов должно составлять 70 мм. Испытания проводились на маятниковом копре марки КМ-0,5 (см. рис. 2.1).
Перед испытаниями подготовить копер к измерению: проверить правильность установки опор, соответствие шкалы типу молота, .проверить копер на холостом ходу. Для этого, не устанавливая на опоры образец, поднять маятник 6 в верхнее положение и закрепить его в этом положении пусковым крючком 2 с ручкой 1; установить указательную стрелку прибора 5 на отметку «ноль» шкалы; освободить поворотом ручки 1 маятник.
Установить маятник прибора в положение угла подъема 94 и закрепить его пусковым крючком 2 с ручкой 9, установить стрелку прибора на нулевую отметку, а испытуемый образец - на опоры маятникового копра. Поворотом ручки 1 освободить маятник, разрушить образец. Если образец не разрушается, заменить молот или увеличить угол подъема маятника. Работа А, затраченная на разрушение образца, определяется из соотношения:
A=El-E2 = mg(hl-h2), (2.3) где Е\ - потенциальная энергия маятника до удара, Дж; Е2 - потенциальная энергия маятника до удара, Дж; т - масса маятника, кг; g - ускорение сво-бодного падения, м/с ; h\ - h2 разность отклонения стрелки копра от первоначальной. Значение ударной прочности (кДж/м ) определяется отношением величины А к площади поперечного сечения образца S: a = A/S=W4-A/b-h, (2.4) где Ь — ширина образца, м; h - высота образца, ,м. Определение твердости полимербетонов по методу Бринелля Определение твердости по методу Бринелля регламентировано ГОСТ 4670-77 [338]. Метод заключается во вдавливании в исследуемый материал стального шарика диаметром 5 мм под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. Образцы должны быть следующих габаритов:
10x10x4 мм. Допускается проводить испытание образца, составленного из нескольких пластин. Общая толщина пластин не должна превышать 4 мм, а число слоев не более трех.
Подготовить прибор (рис. 2.2) к испытанию, для чего убедиться, что рукоятка приложения и снятия нагрузки 3 находится в переднем крайнем положении. Переключателем нагрузки 4 установить среднее значение нагрузки (31,25 кг). Разместить образец на предметном столе 7. Вращением штурвала подъема стола 5 поднять стол вверх и, введя образец в соприкосновение с шариком 9, провести предварительное нагружение образца. Стол поднимать до тех пор, пока малая стрелка указателя деформации 1 не займет положение против красной Большая стрелка указателя в этот момент должна расположиться на нулевой отметке шкалы. Поворотом ручки нагружения 3 в положение «от себя» произвести нагружение образца и одновременно включить секундомер. По исте чении 30 с определить глубину вдавливания шарика по показаниям большой стрелки индикатора 1. Глубина вдавливания должна находится в пределах от 0,15 до 0,35 мм, в противном случае необходимо изменить величину прикладываемой нагрузки.
Твердость по Бринеллю (Нв, МПа) рассчитывается по следующей фор муле: HB=\0-P/n-d-h, (2.5) где Р — усилие, Н; d — диаметр шарика, мм; h — глубина вдавливания, мм. Методика определения теплопроводности полимербетона Коэффициент теплопроводности полимербетонов рассчитывался по следующей формуле: X = W VCu + h V3 + Хв- VB, (2.6) где Хсв - коэффициент теплопроводности связующего, Вт/(м-К), который п рассчитывается по формуле Хсв = Х. :С , где Х(— коэффициент теплопро 1=1 водности /-го компонента связующего, Вт/(м-К), С, - доля ингредиента в составе связующего; VQB объемная доля связующего в полимербетоне, которая рассчитывается по формуле КСв = св/рсв, где гаСв масса связующего, кг, рев плотность связующего, кг/м3, которая рассчитывается по формуле п Рев = ХР- С , где р; - плотность компонента связующего, кг/м , СІ - доля /=1 ингредиента в составе связующего; Х3 - коэффициент теплопроводности заполнителя, Вт/(м-К); Уз - объемная доля заполнителя в полимербетоне; Хв -коэффициент теплопроводности воздуха (пустот), Вт/(м-К); Г3 объемная доля воздуха (пустот) в полимербетоне.
Формула (2.6) использовалась для расчета коэффициента теплопроводности промежуточных рецептур. Для определения теплопроводности луч ших составов, рекомендуемых в производство, .использовался ГОСТ 7076-89 [339]. Отклонение в расчетном и экспериментальном методе не превышала 8 %.
Модификация поливинилхлоридного связующего добавками органического происхождения
Из представленных в табл. 3.10 данных видно, что увеличение концентрации ПВХ в связующем приводит к скачкообразному изменению прочности при разрыве в области между 52 и 54 мае. % ПВХ. Анализ значений вязкости композиции показывает её изменение в зависимости, отличной от прямой, и точка перегиба приходится также на область между 52 и 54 мас.% ПВХ. Такая зависимость косвенно свидетельствует об изменении межмолекулярного взаимодействия между зернами поливинилхлорида.
Аналогичные исследования проведены по введению в качестве модификатора триэтиленгликоля ТЭГ. В табл. 3.11 приведены результаты исследований систем с различным содержанием ТЭГ.
Как видно из представленный данных на прочностные характеристики оказывают влияния как концентрация ПВХ, так и концентрация ПФ и ТЭГ. Поэтому на ПВХ марки ЕП6250Ж было решено провести исследования с выполнением активного эксперимента. С этой целью был использован план Бокса-Бенкина размерности К — Ъ [362]. Факторы и уровни их варьирования представлены в табл. 3.12 Температура термообработки составила 180 С, время 10 мин.
По компьютерной программе, созданной в среде MS Excel, проводим расчет уравнения регрессии. Далее ведем расчет квадратичной дисперсии и квадратичного отклонения и оцениванием адекватность уравнения регрессии. Уравнение регрессии после оценки значимости коэффициентов принимает следующий вид: Yi (ар, МПа) = 9,44 - 1,0625 ] + 1,8х2 + 0,5875х3 + 0,48 !2 + 0,48 32 - 0,325 х\-х2 — 0,25xfX3 0,725 х2\х3. Аналогично ведется расчет по Г2. В итоге получается следующая система уравнений: Y{ (ор, МПа) = 9,44 - 1,0625 1 + 1,&с2 + 0,$875 3+ 0,48 i2 + 0,48 32 - 0,325 х\-х2 - 0,25 fjc3 - 0,725 х2-х3. (3.4) Y2 (є, %) = 236 + 26,875 1 - 27,375х2 - 10,625 22 - 29,375х32 + 11,25 х,х2 -36,5 2- 3. В среде MS Excel по данным уравнений (3.4) построены поверхности отклика, представленные на рис. 3.14-3.17, на которых изображено влияние концентраций ингредиентов композиции на прочностные характеристики ПВХ-связующего в области максимума.
На рис. 3.14 - 3.16 изображено влияние концентраций ТЭГ и ПФ на прочностные характеристики связующего при содержании ПВХ от 50 до 60 мас.ч. ПВХ. По данным рис. 3.14 - 3.16 и проведения математического планирования эксперимента выявлено следующее:
1) максимальные прочностные показатели имеет связующее, содержащее в своем составе ПВХ марки ЕП6250Ж в количестве 60 мас.ч.;
2) рост содержания ПФ приводит к снижению прочности при разрыве с 12,8 МПа ([ПФ] = 40 мас.ч.) до 10,5 МПа ([ПФ] = 50 мас.ч.) и к росту относительного удлинения с 167 % до 243 %. Данные приведены при [ТЭГ] = 4 мас.ч. Данная тенденция сохраняется и при других значениях ТЭГ (рис. 3.16);
3) влияние ТЭГ на прочность и относительное удлинение неоднозначно: с ростом ТЭГ от 4 до 6 мас.ч. наблюдается увеличение прочности при разрыве с 12,75 до 14,43 МПа ([ПФ] = 40 мас.ч.). Относительное удлинение возрастает с 167 % при 4 мас.ч. ТЭГ до 171 % при 4,5 мас.ч. ТЭГ, затем идет снижение его до 94 %;
4) совместное влияние ПФ и ТЭГ показывает, что при [ПФ] = 45 мас.ч. и [ТЭГ] = 5 мас.ч. наблюдается максимум прочностных свойств: ор = 11,2 МПа, є =198%;
5) данные рис. 3.16 подтверждают тенденцию, представленную на рис. 3.11, то есть с уменьшением количества пластификатора происходит рост прочности при разрыве и снижение относительного удлинения. При введении модифицирующей добавки ТЭГ в количестве 5 мас.ч. наблюдается рост прочности при разрыве с 12,1 МПа до 13,1 МПа, относительное удлинение изменяется незначительно. При этом [ПВХ] = 60 мас.ч., [ПФ] = 40 мас.ч.;
6) максимальное значение по прочности можно достичь путем введения 6 мас.ч. ТЭГ при [ПВХЕП 6250 ж] = 60 мас.ч., [ПФ] = 40 мас.ч. При этом прочность при разрыве составила 14,4 МПа. Однако є = 94 %. Поэтому наиболее перспективной является композиция, содержащая [ПВХ] = 52 мас.ч., [ПФ] = 48 мас.ч. и [ТЭГ] = 5 мас.ч.;
7) на рис. 3.17 приведены зависимости влияния ПВХ и ТЭГ на прочностные показатели ПВХ-связующего при содержании ПФ = 48 мас.ч. Наиболее интересна для дальнейших исследований композиция, содержащая в своем составе ПВХ = 52 мас.ч,, ПФ = 48 мас.ч. и ТЭГ = 5 мас.ч. При этих показаниях концентрации ингредиентов прочность при разрыве составляет 8,0 МПа и относительное удлинение 261 %.
8) ошибка эксперимента составила: по прочности при разрыве - 2,8 %; относительному удлинению - 3,5 %;
Разработка технологии получения акустического материала на монополимерных композициях
К звукопоглощающим относятся не только неорганические, рассмотренные в п. 1.3, но и широкий класс органических поглотителей.
Для поглощения шума и вибрации авторы [304] разработали материал на основе полибутадиена. В состав композиции входит также полиизопрен, наполнители, технологические масла и стабилизаторы. Композицию вальцуют на двухвалковом смесителе в течение 3 мин и за 15 мин при 110 С формуют пластины толщиной 1 мм.
Акустическими свойствами обладают материалы на основе полиуретана (ПУ). Пенополиуретан (ППУ) возможно изготавливать как с закрытыми, так и открытыми порами. Звукопоглощающий материал со структурой взаимопроникающей сетки на основе ПУ разработали в США [305]. Композиция состоит из полиуретана, полимера винилового эфира (ПВЭ). Мономеры, используемые для синтеза ПУ и ПВЭ, инжектируют в форму и проводят их полимеризацию и смешивание в течение 12 - 20 ч при температуре 20 С в присутствии пероксида бензоила и диметиланилина. Полученный материал содержит 90 % ПУ и 10 % ПВЭ и имеет коэффициент демпфирования, равный 0,5.
В работе [306] представлены легкие, эластичные материалы из акриловых волокон. Они имеют низкую удельную теплопроводность, высокие теплоизоляционные и звукопоглощающие свойства. Представляют собой волокнистые структуры в виде шерстеподобного пуха или ватина с плотностью 2,4 - 32,0 кг/м . Волокна смешивают с синтетическими полимерными, нату ральными или другими углеродсодержащими волокнами, а также с полимерным связующим, способным отверждаться.
Разработка автора работы [309] основана на использовании кремний-органических продуктов для получения легкого полимербетона, обладающего акустическими свойствами. Коэффициент звукопоглощения в интервале 500 - 2000 Гц составляет 0,47 - 0,92. Плотность материалов в зависимости от содержания связующего колеблется от 310 до 640 кг/м .
Российскими учеными разработан эластичный пенополивинилхлорид, который имеет в своей структуре открытые и закрытые ячейки, поэтому его возможно применять как для изоляционной обработки, так и в качестве поглотителя. Пенополивинилхлорид марки "Винипор" возможно получить беспрессовым непрерывным и периодическим способами из смеси эмульсионного поливинилхлорида, дибутилфталата, метилметакрилата и порофора ЧХЗ-57 [301, 163]. Дополнительно проводится насыщение смеси физическими газообразователями (фреонами или газами). Изготовление пенопласта периодическим методом складывается из следующих стадий: приготовление пасты в смесителе, насыщение пасты углекислым газом под давлением при температуре 17 - 23 С в автоклаве с мешалкой или в противоточном смесителе, разливка пасты на ленту транспортера и прогрев пены до ее отверждения, охлаждение и резка готового продукта. Основная операция, нарушающая непрерывность, - насыщение газом. Непрерывный способ складывается из тех же четырех стадий. Но после смешения ПВХ, пластификатора и мономера полученная паста насыщается углекислым газом при давлении 20 - 25 атм. Далее паста поступает на конвейер, и при снижении давления происходит вспенивание композиции. Желатинизация (растворение полимера в пластификаторе) осуществляется при прогреве массы до 160 - 170 С с помощью токов высокой частоты или в конвекционной печи с последующем нарастанием прочности при понижении температуры до 60 - 65 С. «Винипор» - от 8 крытопористый эластичный материал (до 90 % открытых ячеек), может выпускаться в виде блоков размером 1500 (800 - 1000)х(10 - 50) мм, а также в виде покрытия, которое наносят на различные подложки (линолеум, ткань, ковры и т. д.). Разработаны марки Д и С (эластичные прокладки, подушки и сидения в автомобильной промышленности); марка М - для мебельной промышленности, для прокладок под линолеум, ковры, одежду, для изготовления губок и игрушек. Свойства Винипора представлены в табл. 5.1 [301].
Эластичный «Винипор» в диапазоне частот 1000 - 1800 Гц имеет коэффициент звукопоглощения 0,8 - 0,9.
На основе ПВХ в США разработан слоистый материал для отделки стен [301]. Акустическая стеновая панель состоит из тканевых пористых волокон, склеенных между собой пастой на основе ПВХ. Такая же паста применяется для приклеивания материала к стене.
В Японии разработан пенопласт на основе ПВХ, этилен-пропиленового каучука, пластификатора, наполнителя, стабилизатора и газообразователя (азобисформамида) [302]. Композиция наносится на минеральную вату и подвергается термической обработке для получения вспененного слоя полимера. Средний коэффициент звукопоглощения материала находится на уровне 0,5.
Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что ассортимент звукопоглощающих материалов и готовых конструкций достаточно широк. Данный вид строительных материалов выпускают как в России, так и за рубежом. Сравнительная характеристика некоторых звукопоглощающих материалов представлена в табл. 5.2 [292].
