V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Развитие различных отраслей отечественной экономики требует создания высокоэффективных композиционных материалов, что предполагает поиск новых перспективных наполнителей.

В тоже время современные экономические условия требуют получения композитов не только с высоким комплексом характеристик, но и доступных, с достаточно низкой стоимостью. Поэтому большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов заложены в использовании недорогих и эффективных наполнителей, в число которых, безусловно, входят базальт и его производные.

Уникальные свойства базальта делают его одним из самых востребованных материалов. Базальт негорюч и способен выдерживать температуры до 900⁰С, прочен и устойчив к механическим воздействиям, обладает высокими звуко- и теплоизоляционными свойствами, биологической стойкостью, а также химической нейтральностью – устойчив к влиянию агрессивных кислотных и щелочных сред, не накапливает радиацию. Базальты экологически чистые материалы и безвредные для человека и животных.

В РФ известно более 200 месторождений базальтовых пород, из них более 50 месторождений эксплуатируются. Базальты распространены повсеместно - Камчатка, Сибирь, Урал, Карелия. Например, запасы только двух разведанных и изученных месторождений базальтов на территории Плесецкого и Онежского районов Архангельской области составляют более 600 млн. м3 (около 2 млрд. т.)

В данной работе исследовалась возможность использования базальта в качестве наполнителя полиэтилена высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления.

Подготовка базальта заключалась в его измельчении и фракционировании. Исследуемый наполнитель обладает значительным разбросом частиц по размерам, что подтверждается данными по оптической микроскопии (рис.1). Исследование базальта на универсальном металлографическом микроскопе "Альтами МЕТ 5С" (Россия) показало, что для базальта характерна агломерация частиц, что связано с высокой активностью их поверхности.

Х 500 Х2000

Рис. 1. Оптическая микроскопия базальта с размером частиц ≤140 мкм

Для получения композиционного материала ПЭВД и ПЭНД наполняли базальтом с размером частиц ≤140 мкм, изменяя его содержание от 30 до 50 масс.ч. Оценку реологических свойств наполненных композитов проводили по пределу текучести расплава (ПТР). С повышением содержания базальта в ПКМ, текучесть композиции уменьшается (табл. 1), но вместе с тем композиции наполненные базальтом можно перерабатывать методом литья под давлением.

Таблица 1

Изменение показателя текучести расплава композиции при 200⁰С

в зависимости от ее состава (размер частиц ≤140 мкм)

Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ	ПТР, г/10мин, при 5 кг
ПЭНД	5,30
ПЭНД+30базальта	3,18
ПЭНД+40базальта	2,75
ПЭНД+50базальта	2,12
ПЭВД	6,50
ПЭВД+30базальта	4,22
ПЭВД+40базальта	4,87
ПЭВД+50базальта	3,78

Определение физико-механических свойств показало, что при введении до 50 масс.ч. базальта как в ПЭНП, так и в ПЭВП сохраняется комплекс всех свойств (табл. 2), в то же время при 40 масс.ч. базальта отмечено повышение устойчивости к удару в 1,5-2 раза. Это может быть объяснено изменением характера разрушения композита.

Таблица 2

Сравнительные характеристики ПКМ на основе ПЭ и базальта

(размер частиц ≤ 140мкм)

Состав композиции, масс.ч., на 100 масс.ч. ПЭ	Изгибающее напряжение, МПа	Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	Ударная вязкость*, кДж/м2	Твердость по Бринеллю, МПа
ПЭНД	17	28	3,3	60
ПЭНД+30базальта	24	14	10,7	78
ПЭНД+40базальта	28	14	13,2	82
ПЭНД+50базальта	25	13	12,9	84
ПЭВД	15	20	не ломается	25
ПЭВД+30базальта	19	11	7,4	39
ПЭВД+40базальта	24	9	8,2	42
ПЭВД+50базальта	23	8	7,9	44

*- образцы испытаны с надрезом

При выборе эффективного размера частиц наполнителя изучены физико-механические свойства БП, содержащих частицы размером ≤125 и ≤315 мкм. При введении базальта с данными размерами частиц практически все физико-механические свойства ухудшаются по сравнению с ПКМ на основе ПЭ и базальта с размером частиц ≤140 мкм, поэтому введение базальта с данным размером частиц не эффективно.

Так как полиэтилен является горючим материалом, то разработанные материалы исследовались на воспламеняемость методом кислородного индекса. При введении в ПЭНД и ПЭВД 40 масс.ч. базальта кислородный индекс возрастает с 19 до 35 и 30 % об. соответственно. Содержание базальта снижает время самостоятельного горения более чем в два раза, по сравнению с ненаполненным ПЭ (табл. 4), а также уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе. Все показатели горючести изменяются аддитивно содержанию базальта, являющегося негорючим материалом.

Таблица 4

Физико-химические свойства ПКМ на основе полиэтилена

Состав, масс.ч	, с	∆m, %	КИ, %об.	Тн, 0С	КО при 7000С, %	ТВ, 0С
ПЭНП	255	62	19	270	12	108
ПЭНП + 40масс.ч. базальта	120	30	24	273	30	119
ПЭВП	240	58	19	280	18	136
ПЭВП + 40масс.ч. базальта	115	27	25	284	35	145

Примечание:  – время самостоятельного горения; ∆m - потери массы при поджигании на воздухе; КИ – кислородный индекс; Т_н – начальная температура деструкции; КО - коксовый остаток; Т_В – теплостойкость по Вика

На ООО «Фирма «Бриг» апробирована технология получения полиэтиленовой композиции, наполненной дисперсным минеральным наполнителем – базальтом. По разработанной технологии получены готовые изделия (переходники для шлангов), которые полностью соответствуют требования ТУ 6-19-359-87. (имеется справка о внедрении)

Экономические расчеты подтверждают целесообразность применения дисперсного минерального наполнителя (базальта) для наполнения ПЭ, т.к. снижаются затраты на сырье.

Таким образом, в работе доказана эффективность и целесообразность использования для наполнения полиэтилена измельченного базальта, не перерабатывая его в волокна. Установлено повышение физико-химических и механических свойств композиций, наполненных базальтом, что позволяет расширить области применения базальта для создания ПКМ широкого спектра использования. Выявлено влияние базальта на показатели горючести ПКМ на основе полиэтилена: повышается кислородный индекс, снижается время самостоятельного горения, уменьшаются потери массы при поджигании на воздухе.

Код для цитирования: Скопировать