Введение. В настоящее время эпоксидные смолы находят все более широкое применение во многих областях строительной индустрии в качестве клеевых составов, связующего вещества, гидроизоляционных и декоративных покрытий, химически и физически стойких покрытий. Этому способствует целый комплекс полезных свойств эпоксидных компаундов: простота отверждения, высокие механические и электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, универсальность применения [6-8,10]. Решение задачи разработки эпоксидных клеев и покрытий, сочетающих высокие показатели механической прочности, жесткости, теплопроводности, диэлектрических и других свойств с простотой технологии переработки и низкой стоимостью практически невозможно без применения наполнителей.
В качестве наполнителей, как правило, применяют твердые тонкодисперсные вещества с зернистой или пластинчатой структурой. Привлекательными для использования в качестве наполнителей являются техногенные отходы, преимущество которых заключается в низкой стоимости, низкой плотности, хороших прочностных характеристиках. Так, в работе Ерофеевой А.А. наполнителями служили бой стекла и кирпича [1]. В работе [2] предложен состав эпоксидно-древесной композиции, включающий пенополистирольную крошку и сосновые опилки; данная композиция применяется в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала. Введение в компаунд резиновой крошки и асбофрикционных отходов повышает деформационную работоспособность композита [3]. В работах [4,5] на основе эпоксидной смолы и крупнотоннажного отхода – гидролизованного лигнина получены негорючие композиционные материалы. Одним из накопленных техногенных отходов в Белгородской области являются отходы газосиликатного бетона, образующиеся при торцевании массива блока. Частично часть их возвращают в производство, но объем образующихся отходов превышает переработку. Перспективным представляется использование данного отхода в качестве дисперсного наполнителя производства эпоксидных композитов.
Объекты и методы исследования. В качестве полимерных матриц были исследованы составы холодного отверждения на основе промышленных эпоксидиановых смол ЭД-20, их смесей с полиэтиленполиамином и частицами аэробела. Эпоксидно-диановая смола ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), представляет собой олигомер основе диглицидилового эфира дифенилолпропана. Отверждение проводили с помощью отвердителя полиэтиленполиамина ПЭПА (ТУ 2413-214-00203312-2002). В качестве дисперсного наполнителя использовались дроблёные газобетонные блоки марки D 500 с фракцией 0,2 – 0,8 мм.
Исследование образца газобетона методом оптической микроскопии показало, что неравномерные частицы аэробела существуют в виде пористых частиц выделявшегося в автоклаве водорода. Поры Микрофотографии демонстрируют замкнутые поры округлой формы и тупиковые открытые поры, а также неровную поверхность наполнителя. Данные различия в характере распределения частиц влияют на реологию, абразивность, теплоизоляционные свойства, прочность материала (рис. 1).
|
а |
б |
|
|
|
Рис. 1. Микроструктура газобетона с увеличением 1мм (а), 1000 нм (б)
Образцы эпоксиполимеров, наполненных аэробелом, готовили путем одновременного добавления наполнителя и отвердителя в эпоксидную смолу при перемешивании. Эпоксидные связующие заливались в формы в виде прямоугольного параллелепипеда размером 25×25 см и равномерно распределялись по всей поверхности форм. Заливка происходила при комнатной температуре 22 °C, с последующим наблюдением за протеканием реакции, в ходе которой наблюдалось повышение температуры эпоксидиановой смолы и отвердителя. Показателем завершения реакции полимеризации являлось прекращение нагрева композиционной смеси. Жизнеспособность и степень отверждения композитных смесей представлены на рис. 2. Установлено, что при введении в качестве наполнителя частицы газобетона в количестве 50 масс. ч., процесс гелеобразования материала сопровождается сокращением времени с 80 мин до 65 минут и снижением температуры отверждения с 55 до 36 °С. Таким образом, частицы газобетона препятствуют сшиванию молекул полимера, нарушая объемную структуру матрицы, переводя ее в пленочное состояние.
Рисунок 1. Кинетика отверждения эпоксидных композиций состава, масс. ч.:
1 – 90 ЭД-20 + 10 ПЭПА; 2 – 90 ЭД-20 + 10 ПЭПА + 50 Аэробел
Экспериментальные исследования композиционно отверждаемых эпоксидных смол проводились по ГОСТ 7076-99 [12].
Пузырьки воздуха, образовавшиеся в результате перемешивания композитных смесей, после их заливки в формы, под действием повышенной температуры, в ходе реакции полимеризации, поднимались к поверхности залитой формы и улетучивались. Тем самым оставляя форму с минимальным количеством воздушных пор и пустот [9,11].
После полного отверждения композитных смесей с изготовленными образцами проводились испытания на определение теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме, на предварительно градуированном приборе (согласно порядку и периодичности градуировки приведённых в приложении Б ГОСТ) ИТП-МГ4.
Предварительно грани образцов, контактирующих с рабочими поверхностями плит прибора, были отшлифованы до плоского и ровного состояния. Отклонение лицевых граней образцов от параллельности составляло не более 0,5 мм. Также образцы были высушены до постоянной массы, в ходе высушивания потери по массе в течение 0,5 ч не превышали 0,1 %.
Подлежащие испытанию образцы поочерёдно помещали в измерительный прибор. Длительность испытания одного образца составляла 5400 с. Температура холодильника и нагревателя составляла Тх = 10 °C, Тн = 25 °C. Температуры подбиралась в соответствии с паспортными данными измерительного прибора в зависимости от толщины образцов.
Благодаря тому, что измерительное устройство обладает микропроцессором – обеспечивалось измерение сигналов датчиков стационарной установкой без прямого участия оператора. В результате чего, после завершения испытания образцов прибор приводил уже готовые вычисления физических значений. Вычисление теплопроводности Λ (эффективной теплопроводности) и теплового сопротивления R (при стационарном тепловом режиме), производилось вычислительным устройством по формулам:
где Λ – эффективная теплопроводность, R – тепловое сопротивление, Rr – тепловое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты прибора, H – толщина измерительного образца, q – плотность стационарного теплового потока, проходящего через измеряемый образец, Tн – температура горячей грани измеряемого образца, Tх – температура холодной грани измеряемого образца [12].
Определение показателей теплоёмкости и термического сопротивления исследуемых композиционно отверждаемых эпоксидных смол проводилось в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации.
Основная часть. Результаты испытаний эпоксидных связующих представлены в табл. 1.
Таблица 1
Таблица сводных данных по результатам испытания
|
Состав композита, масс. ч. |
Тепловое сопротивление, R, м2K/Вт |
Эффективная теплопроводность, Λ, Вт/мK |
S, см2 |
Н, мм |
m, кг |
Тх, °C |
Тн, °C |
ТΔ, °C |
|
90 ЭД-20 + 10 ПЭПА |
0,22 |
0,034 |
625 |
7,5 |
0,52 |
10 |
25 |
15 |
|
90 ЭД-20 + 10 ПЭПА + 50 Аэробел |
0,187 |
0,036 |
625 |
6 |
0,45 |
10 |
25 |
15 |
На основании результатов испытаний, приведённых в табл. 1, можно сделать вывод о том, что наполненный газобетоном композитный компаунд, обладает на 15% менее высоким термическим сопротивлением в сравнении с ненаполненным образцом, что составляет RΔ = 0,034 м2K/Вт. Теплопроводность наполненного полимера на 5,88 % меньше теплопроводности исходного образца и составляет Λ = 0,036 Вт/мK.
Данные результаты связанны с физическими свойствами газобетона. При марке прочности D500 блок из газобетона имеет теплопроводность равную 0,112 Вт/мK, при влажности 0 %, и 0,147 Вт/мK при влажности 5 %, что на 0,078 Вт/мK и 0,113 Вт/мK соответственно больше коэффициента теплопроводности композита №1 состоящего исключительно из стандартной эпоксидно-диановой не отверждённой смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина в виде отвердителя ПЭПА. Так же немаловажен тот аспект, что в результате дробления газоблока до фракции 0.8-0.2мм был уменьшен объём ячеек воздуха, содержащийся в порах и пустотах исходного образца.
Выводы. В ходе проведения исследований выявлен характер влияния композитной добавки в виде дроблёного газобетона на свойство теплопроводности и термического сопротивления композиционно-отверждаемых эпоксидных смол [10,12,13].
Испытания показали, что применение данного наполнителя в соотношении 1/2 от массы образца, приводит к незначительным изменениям теплотехнических характеристик образца. Установлено, что композитная добавка приводит к увеличению значения теплопроводности от Λ= 0,034 Вт/мK. (без наполнителя), до Λ= 0,036Вт/мK. (с наполнителем). А также к уменьшению термического сопротивления от R = 0.220 м2K/Вт (без наполнителя), до R = 0.187 м2K/Вт. (с наполнителем). Теоретическое обоснование данного результата состоит в том, что теплотехнические параметры наполнителя гораздо ниже параметров основного сырья, и в то же время пористость материала-наполнителя за счет собственных пор и образовавшихся при смешивании разнородных материалов дало эффект поглощения тепловой энергии, что в конечном итоге и привело к результатам эксперимента. На основании чего можем сделать вывод, что применение дроблёного газобетона в композитах эпоксидных смол приводит к увеличению термического сопротивления образцов, и незначительному уменьшению коэффициента теплопроводности.
Таким образом, приведенные в статье результаты исследования дают возможность установить различия в характере распределения частиц по размерам влияют на теплотехнические свойства материала. Результат исследований показал возможность направленного регулирования физико-механических и теплотехнических параметров эпоксидных композитов за счет введения дисперсных наполнителей с приданием связующим комплекса более высоких физико-механических и теплотехнических свойств, что расширяет области их применения в большинстве отраслей промышленности [8,9,14].
