НАПОЛНЕНИЕ ПОЛИМЕР–БИТУМНОЙ КОМПОЗИЦИИ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

АННОТАЦИЯ

Определение взаимосвязей между составом, структурой и свойствами композиций, является одной из важнейших задач на современном этапе развития технологий производства композиционных материалов на основе высокомолекулярных соединений, решение которой обеспечит возможность создания композитов с комплексом заданных комплекс свойств, позволяющих значительно упростить и интенсифицировать технологию, повысить качество продукции. При изучении смешения структурно-химически модифи­цированным с порошком изношенных резинотехнических изделий и шин с композициями установлено, что введение его в состав полимер-битумной композиции улучшает обрабатываемость, пластицируемость и уменьшает крутящий момент, время и температуру смешения. Диспергирование порошок изношенных резинотехнических изделий и шин в значительной степени зависит от условий обработки полимер-битумной композиции, природы веществ их содержащих. Исследования показали, что условная прочность (f_p) относительное удлинение (Е_отн) полимер–битумной изоляционно-кровельных композиций наблюдается в процессе их увеличения в зависимости от содержания наполнителя до 80 мас. %., причем введение порошок изношенных резинотехнических изделий и шин приводит к существенному большому приращению показателей f_p, и Е_отн. Это может быть следствием его специфического состава и структуры, и составляющих композиции.

ABSTRACT

Determination of interrelations between composition, structure and properties of composites is one of the most important tasks at the present stage of development of technologies of production of composite materials based on high-molecular compounds, the solution of which will provide the possibility of creation of composites with a complex of specified properties, allowing to simplify and intensify the technology significantly, to improve the quality of products. The study of mixing structurally and chemically modified powder of worn rubber products and tires with composites has established that its introduction into the polymer-bitumen composition improves workability, plasticity and reduces the torque, time and temperature of mixing. Dispersion of powder of worn rubber products and tires largely depends on the conditions of processing of the polymer-bitumen composition, the nature of their containing. Studies have shown that the conditional strength (fp) relative elongation (Eotn) of polymer-bitumen insulation-roofing compositions is observed to increase depending on the filler content up to 80 wt.%. Moreover, the introduction of powder of worn rubber products and tires leads to a significant large increase in the fp, and Eotn indicators. This may be a consequence of its specific composition and structure, and the components of the composition.

Ключевые слова: структура, состав, смешение, износ, резинотехника, изделия, шины, битум, изоляция, кровельных, обработываемость, прочность, технология, оргономинераль.

Keywords: Structure, composition, mixing, wear, rubber engineering, products, tires, bitumen, insulation, roofing, workability, strength, technology, organic mineral.

Введение. Как известно [2; 9–11], что состов композиционных материалов определяет ее комплекс свойств и получаемых изделий из нее. Пласто-эластические, реологические и технические свойства композиционных материалов зависят от типа и количества исходных компонентов. При этом большую роль играют структуры высокомолекулярных соединений и органических и неорганических наполнителей, а также характер их взаимодействий между собой и образование межфазных слоев. Последний фактор оказывает определяющее влияние на морфологию композиционных материалов и изделий на их основе. Определение взаимосвязей между составом, структурой и свойствами композиций, является одной из важнейших задач на современном этапе развития технологий производства композиционных материалов на основе высокомолекулярных соединений, решение которой обеспечит возможность создания композитов с заданных комплексных свойств, позволяющих значительно упростить и интенсифицировать технологию, повысить качество продукции.

На основе вышеизложенного целью данной работы является исследование влияния порошков изношеных резинотехнических изделий и шин на технологические и технические свойства композиционных полимер-битумных изоляционно-кровельных материалов.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования является бутадиенстиролный каучук, отход производства резины, а также изношенные резинотехнические изделия и шины, дорожные битумы. Упруго-прочностные свойства композиции определяли по ГОСТу 270-2015, морозостойкость по ГОСТу 408-2013, сопротивления истиранию по ГОСТу 23509-2014, получены в результате просмотра не менее 100 полей зрения, теплофизические параметры битумов в температурном интервале (–100 ℃ ÷ +200 ℃) определялись методом дифференциально-сканирующей калориметрии на приборе DSC 204 F1 Phoenix (Германия), температура стеклования по методу ДСК, исследования поверхностной структуры битума и резинобитумных композитов проводили на сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ) на платформе Ntegra Prima и Solver Pro (Россия), исследования свойств битума и резинобитумных композитов проводились в соответствии с ГОСТом 4333-2014, исследования прочностных и деформационных характеристик асфальтобетонов проводили согласно ГОСТа 12801-2013.

Результаты и обсуждение. В настоящее время на основании многих исследований установлено, что одним из главных факторов, определяющих свойства композиционных полимер-битумных изоляционно-кровельных материалов, является процесс смешения ингредиентов [9; 12]. В связи с этим был исследован процесс смешения полимер-битумной композиции с порошок изношенными резинотехническими изделиями и шинами (ПИРШ). При этом крутящий момент лопасти смесителя (М_кр) быстро возрастает по мере заполнения камеры материалами и достигает максимальной величины по окончании загрузки и опускании верхнего затвора. После этого М_кр начинает существенно уменьшаться в результате влияния сдвиговых деформаций на полимерную фазу смеси. Из кинетического изменения М_кр в процессе смешения полимер-битумной композиции с ПИРШ при всех содержаниях его от 40 до 100 мас. %. приводит к резкому возрастанию М_кр с достижением своего максимального значения. Дальнейшее повышение времени смешения приводит к уменьшению М_кр, которое вызвано действием сдвиговых усилий, распределением частиц его в композиции и повышением температуры обрабатываемого материала. С увеличением времени смешения наблюдается постепенное втирание и поглощение частицы ПИРШ в матрице. Установлено, что лучшая втираемость и поглощение частицы наполнителя наблюдается в случае смешения полимер-битумной композиции с ПИРШ. Это подтверждается относительно меньшими амплитудами колебания М_кр что в свою очередь приводит к лучшей обрабатываемости (λ) и пластицируемости (М_б/М_м). На основании полученных пластограмм, отражающих изменение М_кр во времени (на 15 мин.), определяли наиболее существенные характеристики композиции (Рисунок 1). При введении в полимер-битумной композиции ПИРШ, также наблюдается существенное возрастание значений относительного крутящего момента (М_отн) и увеличение скорость пластикации (V_пл).

Рисунок 1. Зависимость изменение обрабатываемости (λ) и пластицируе-мости (М_б/М_м) полимер – битумной композиции от содержания ПИРШ

При этом характер изменения М_отн и V_пл в зависимости от степени ПИРШ до 40 мас. % определяется фазой композиции и ПИРШ. При дальнейшем увеличении его содержания (≥40 мас. %) происходит плавное изменение, наблюдается большая степень V_пл. Экспоненциальное изменение V_пл композиции, по-видимому, связано с достижением оптимальной точки наполнения, что сопровождается переходом границы полимер-битумной композиции в сторону ПИРШ.

Полимер-битумные композиции в процессе изготовления подвергаются интенсивной деформации, в результате чего выделяется значительное количество тепла, приводящее к возрастанию температуры в смесителе от 293 до 423 К, а в ряде случаев [12–14] и до 473 К. Совместное воздействие механических напряжений и температуры способствует протеканию различного рода физико-химических и механических процессов, которые приводят к изменению структуры обрабатываемого материала и оказывают влияние на характеристики полимер-битумной композиции (Рисунок 2).

Особый интерес представляет исследование пласто-эластических свойств полимер-битумной композиций, наполненных ПИРШ, которые позволяют получить ценную информацию о композициях и стабильности их поведения в поле сдвиговых напряжений.

Рисунок 2. Зависимость температуры камеры в процессе смешения (на 15 мин) в зависимости от содержания ПИРШ

Для оценки пласто-эластических свойств полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций используют различные показатели: пластичность (Р), вязкость по Муни (МL), жесткость (ЖД) и эластическое восстановление (ЭД) по Дефо. На рисунке 3 показаны изменения пласто-эластических свойств полимер- битумных изоляционно-кровельных композиций, наполненных ПИРШ.

Из представленных данных видно, что по мере увеличения содержания ПИРШ до 40 мас. %. в состав композиции значения Р уменьшаются до 23 %. Наибольшее снижение (больше 50 %) значений Р достигается при содержании ПИРШ> 50 мас. %. Уменьшение пластичности обусловлено взаимодействием его с матичными композициями, величина которой зависит от содержания последней в смеси. Это можно объяснить морфологическими и структурными особенностями ПИРШ.

Рисунок 3. Зависимость пластичности (Р) полимер-битумной изоляционно-кровельных композиций от содержания ПИРШ

Введение ПИРШ оказывает значительное влияние на вязкость полимер- битумных изоляционно-кровельных композиций, которое определяет их технологическое поведение (Рисунок 4).

Без наполнителя (1), наполненных 10 (2), 20 (3), 30 (4), 40 (5), 50 (6), 60 (6), 70 (7) мас. %. ПИРШ на 100 мас. % композиции, при температуре 408 К.

Рисунок 4. Зависимость кинетических кривых вязкости по Муни полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций

 В общем случае, с увеличением содержания как ПИРШ, возрастает эффективная вязкость композиций (до 65 %) при малых сдвиговых деформациях, при этом снижается их способность к эластическому восстановлению (до 55 %). Данное увеличение связано с уменьшением общего объема матичной смеси, приводящей, соответственно, к повышению жесткости полимер-битумной изоляционно-кровельной композиции [5; 6; 13; 14].

Таким образом, изучение пласто-эластических свойств полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций наполненных ПИРШ, показало, что по комплексу основных технологических свойств, сообщаемых композициям, полностью отвечает требованием ГОСТов.

При изучении реологических свойств, полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций, наполненных ПИРШ, показано, что чем меньше напряжение сдвига (Ũ), тем больше проявление влияния его на эффективную вязкость (ƞ_э) смеси. Определены значения кажущейся энергии активации (Е) вязкого течения матичной смеси, наполненной ПИРШ, которое составляет 64,3 %. Подобное возможно связано со структурными особенностями, а также более эффективным взаимодействием на границе раздела фаз маточной смеси и ПИРШ из-за их совместимости [1; 7; 8]. Выяснено, что с увеличением содержания ПИРШ в композиции значительно уменьшается восстанавливаемость полимер–битумных изоляционно-кровельных композиций после деформирования (Рисунок 5).

Рисунок 5. Зависимость разбухания экструдата (Рэ) наполненного полимер–битумных изоляционно-кровельных композиций от содержания ПИРШ при напряжении сдвига 1,49 МПа и температуре 373 К

При этом способности системы к накоплению энергии эластической деформации, т.е. разбухания экструдата (Р_э), в значительной степени зависит от содержания (φ) ПИРШ.

Из рисунка видно, что с увеличением до 30 мас. % содержание ПИРШ в композиции разбухания экструдата уменьшается почти до 56 %, а дальнейшее увеличение ее содержания приводит к снижению Р_э до 92 %.

Нами было исследовано поведение разработанных полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций, содержащих ПИРШ, в процессе термоструктурирования (Рисунок 6).

Без наполнителя (1), наполненных 10 (2), 20 (3), 30 (4), 40 (5), 50 (6), 60 (7) мас.%. ПИРШ на 100 мас.%. композиции, при температуре 423 К.

Рисунок 6. Зависимость кинетики вулканизации полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций, содержащих ПИРШ на основе СКМС-30АРКМ-15 (70 %) + СКИ-3 (30 %)

Из представленных данных видно, что в общем случае с увеличением температурно-временной обработки, вязкость полимер–битумных изоляционно-кровельных композиций уменьшается, и время до начала подвулканизации сокращается с повышением концентрации ПИРШ.

Как отмечалось выше, композиция, наполненные ПИРШ из-за отличительной структурной особенности, по-видимому, отражаются в конечном счете на подвулканизации композиции. Также показано, что введение ПИРШ в состав полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций приводит к уменьшению индукционного периода, то есть снижает стойкость композиции к преждевременной вулканизации [3; 15].  

Особенно ярко это проявляется при высоких степенях наполнения полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций (>50 мас. %.) ПИРШ. Изменения вулканизационных характеристик композиции при больших содержаниях данного наполнителя, по-видимому, связано с его структурными особенностями. Кинетическое исследование полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций показывает широкое плато вулканизации, которое относительно мало изменяется от оптимального параметра.

Таким образом, технологические свойства полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций, ПИРШ, улучшаются по сравнению с исходными. Это может быть следствием специфического состава и структуры ПИРШ, а также составляющими данные композиции. Однако для окончательного заключения важно проанализировать технические свойства полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций, наполненных ПИРШ [4; 16].

Важнейшей особенностью, определяющей в значительной степени механические свойства композиций, являются физико-механические показатели. Исследования показали, что условная прочность (f_p) полимер-битумных изоляционно-кровельных композиций наблюдается увеличение до 4 МПа в зависимости от содержания ПИРШ 40 мас. %. Дальнейшее увеличение содержания его приводит к уменьшению f_p.

Заключение. Таким образом, изучение смешения структурно-химически модифи­цированных ПИРШ с композициями показало, что введение его в состав полимер-битумной композиции улучшает обрабатываемость, пластицируемость и уменьшает крутящий момент, время и температуру смешения. Диспергирование ПИРШ в значительной степени зависит от условий обработки полимер-битумной композиции, природы их содержащих продуктов. Исследования показали, что условная прочность (f_p) относительное удлинение (Е_отн) полимер–битумных изоляционно-кровельных композиций наблюдается в качестве увеличения в зависимости от содержания наполнителя до 40 мас. %., причем введение ПИРШ приводит к существенному большому приращению показателей f_p, и Е_отн. Это может быть следствием специфического состава и структуры ПИРШ и составляющих композиции.

Список литературы:

1. Боборажабов Б.Н., Ахмаджонов С.А., Вапаев М.Д Research of the properties of road asphalt with modified additives // European science review. – № 9–10. – 2018. – Pp. 163–166.
2. Гуреев А.А., Сомов В.А., Луговской А.И., Иванов А.В. Новое в технологии производства битумных материалов // Химия и технология топлив и масел. – 2000. – № 2. – С. 49–51.
3. Ёқубов Б.Б. Ибадуллаев А  Боборажабов Б. Модификация битума для получения тепло-морозостойких дорожных композиций // Узбекистон кимё журнали. – Тошкент, 2020. – № 3.
4. Ёқубов Б.Б. Ибадуллаев А.С. Свойства и структура, составляющих полимер битумных композиции // UzACADEMIA. – Vol. 2. – Iss. (11). – February 2021. – Pp. 129–134.
5. Жураев В.Н., Машаев Э.Э., Вапаев М.Д., Ибадуллаев А. Модификация битума для получения тепло-морозостойких дорожных композиций // Узбекский химический журнал. – 2019. – № 4. – Тошкент, 2019. – С. 40–46.
6. Ибадуллаев А.С., Боборажабов Б.Н., Тешабаева Э.У., Вапаев М.Д. Дорожные композиции на основе модифицированных битумов // Химия и химическая технология. –  2018. – №4. – С. 46–48.
7. Ибадуллаев А.С., Вапаев М.Д., Эшчанов Э.У., Тешабаева Э.У Модификация нефтяных битума отходами газохимической и резиновой промышленностей // International conference «Innovations in the oil and gas industry, modern power engineering and actual problems» May 26, 2020. – Tashkent. – Pp. 218–219.
8. Ибадуллаев А.С.,Боборажабов Б.Н., Тешабаева Э.У., Вапаев М.Д. Road compositions based on modified bitumens // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – № 9–10. – 2018. – Pp. 34–37.
9. Колбановская А.С., Михайлов В.В. Дорожные битумы. – М., 2003. – 264 с.
10. Кутьин Ю.А., Теляшев Э.Г., Викторова Г.Н. Битумные технологии и качество битумов // Химия и технология топлив и масел. – 2006. – № 2. – С.10.
11. Розенталь Д.А., Сыроежко А.М. Изменение свойств дорожных битумов при контактировании с минеральным наполнителем // Химия и технология топлив и масел. – 2000. – №4. – С. 41–43.
12. Boborazhabov B.N., Vapaev M.D, Akhmadzhonov S.A., Ibadullaev A.S. Research of the properties of road asphalt with modified additives // European science review. – № 9–10. – 2018. – Рp. 163–166.
13. Juraev V.N., Boborazhabov B.N., Vapaev M.D, Ibadullaev A.S. Modification of bitumen bu waste of gas-processing, gaso-chemical and rubber industries // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – № 5–6. – 2019. – Pp. 32–36.
14. Vapaev M.D, Boborazhabov B.N., Teshabaeva E.U., Ibadullaev A.S. Road compositions based on modified bitumens // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. – № 9–10. – 2018. – Pp. 34–37.
15. Yoqubov B. B., Ibadullaev A. Yoqubova D.K., Teshabaeva E.U. Prospects and Development of Research of composite Elastomer Materials // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. – 2021. – Vol. 14 (4). – Pp. 464–476.
16. Yoqubov B.B., Ibadullaev A., Yoqubova D. Q. Polymer-bitumen composition for insulation purpose. // 1-st International Scientific Conference "Modern Materi-als Science: Topical Issues, Achievements and Innovations". – 2022. – Tashkent, Mart 4–5– Pp. 653–658.