ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПАНЕЛЕЙ МЕТОДАМИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования свойств компонентов алюминиевых композитных панелей, полученные из их отходов, в частности из материала типа алюкобонд. В термического анализа установлено, что алюминий, из которого изготовлены внешние слои материала, при 800 °C теряет 3 % общей массы, в то время, как потеря массы композита внутреннего слоя при горении в температуре 455–482 °C составляет 91 %. Рентгенофазовым анализом выявлено, что композитная часть алюкабонда на 61,48 % состоит из полиэтилена, показатель текучести расплава составляет 3,41 г/10 минут. Установлено, что полимерный композит может быть использован для производства полиэтиленовых изделий средней степени чистоты, а алюминиевая составляющая пригодна для изготовления электрических кабелей.

ABSTRACT

This article presents the results of a study examining the properties of aluminum composite panel components obtained from waste materials, specifically from alucobond. Thermal analysis revealed that the aluminum used to make the outer layers of the material loses 3% of its total mass at 800°C, while the mass loss of the inner layer composite during combustion at 455–482°C is 91%. X-ray phase analysis revealed that the alucabond composite is 61.48% polyethylene, with a melt flow rate of 3.41 g/10 minutes. The polymer composite can be used to produce medium-purity polyethylene products, while the aluminum component is suitable for electrical cables.

Ключевые слова: алюминиевые композитные панели, отходы алюкобонда, термический анализ, рентгеновский анализ, текучесть.

Keywords: aluminum composite panels, alucobond waste, thermal analysis, x-ray analysis, fluidity.

Введение. В различных регионах мира строительные материалы подвергаются воздействию различных агрессивных факторов, в том числе высокой влажности и крайних (высоких или низких) температур, вследствие чего внешний вид фасадных частей зданий и сооружений обновления. В качестве облицовочных покрытий Республике Узбекистан используются алюминиевые композитные панели, характерным представителем которых является Алюкобонд(Alucobond) и аналогичные материалы. В строительном производстве при изготовлении конструкций различных форм и размеров образуются отходы алюкобонда, которые подлежат вторичной переработке [1].  В отходы также включаются бракованные панели и панели, демонтированные при ремонте зданий. Определение возможностей повторного применения компонентов композитных материалов, способов разделения их на компоненты и способов переработки, разработка оборудования для рекуперации являются актуальными задачами[2].

В БГТУ (РУз) проводятся исследования по переработке отходов, которые включают обрезки алюкобонд-листов, производственный брака в производстве панелей; атакже панели, демонтированные при капитальном ремонте зданий. При рекуперации были получены компоненты, послужившие основой для разработки эффективных изоляционных материалов. [3].

Методы и результаты исследования. В данной статье приведены результаты исследования физико-химических свойств отходов алюкобонда, выполненные с целью выявления изменений, происходящих в при термической обработке.

Термические свойства алюкобонд исследованы методом дифференциально–термогравиметрического анализа (TG + DSC) на приборе Linseis STA PT 1600 в диапазоне 30–800 °C при скорости нагрева ~20 °C/мин, что обеспечивало достижение 660 °C примерно за 30 минут, на основе изменения тепловых эффектов. Прибор позволяет в одном эксперименте для одного и того же образца проводить анализ изменения массы и тепловых потоков. Сочетание методов термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) позволяет определить: (1) изменение массы образца и величину массового остатка после термовоздействия; (2) теплоту плавления кристаллических веществ, температуру стеклования полимерных материалов; характеристики термического старения; чистот у веществ, атак же различные фазовые переходы, и полиморфные превращения, идентификацию материалов по набору их теплофизических характеристик. Дериватограммы компонентов алюминиевых композитных панелей представлены: на рис. 1 – для  полимерной части алюкобонда, на рис.2- для металлической части.

Рисунок 1. Дериватограмма полимерной части алюкобонда

В результате анализа дериватограммы полимерной части алюкобонда, (рис. 1) установлено следующее: при 235,1 °C (23 µV) наблюдается испарение низкомолекулярных компонентов полимера, а при 377,8 °C (37 µV) — начальный процесс окисления полимера. В диапазоне температур 455,5–482,2 °C происходит интенсивный экзотермический процесс, на этом этапе в окислительной среде наблюдается горение полимера.

Данные свидетельствуют о том, что полимерная составляющая алюкобонда обладает типичным для полиолефиновых композитов поведением при нагреве: проходит последовательные стадии удаления низкомолекулярных компонентов, начального окисления и последующего интенсивного разложения с выделением тепла в окислительной среде.

Рисунок 2. Дериватограмма металлической части алюкобонда

Дериватограмма металлической части алюкобонда (Рис. 2) показывает, что до температуры 400 °C образец остаётся стабильным и практически не изменяется его масса. В интервале 450–500 °C потеря массы составляет 0,394  мг (~2,94 %), что объясняется удалением адсорбированной влаги с поверхности или испарением других летучих соединений.  Это указывает на высокую чистоту алюминия, отсутствие примесей. В диапазоне 642–667 °C наблюдается интенсивный эндотермический процесс — фазовое превращение оксида алюминия (γ-Al₂O₃ → α-Al₂O₃) и его взаимодействие с кислородом, что подтверждает, что алюминиевые листы сохраняют структурную стабильность в широком температурном диапазоне.

Таким образом, полученные результаты показывают, что отходы алюкобонда состоят из высококачественной алюминиевой фольги и термореактивного органического полимера и возможно эффективное разделение компонентов при термической переработке для дальнейшего повторного использования.

Рентгенографический анализ отходов материала проводился на дифрактометре Rigaku MINI FLEX-600. Сканирование выполнялось при напряжение анод-катод 40 кВ и анодный ток 15 мА со скоростью 10 °/мин в диапазоне 2θ от 5 до 70 ° с шагом дискретизации 1,25 °, что обеспечивало точное определение фазового состава и кристаллографических параметров материала. Каждый пик на дифрактограмме соответствует определенной кристаллической плоскости в материале.

Рисунок 3. Дифрактограмма полимерного композита

На спектре (рис. 3) видно, что самый интенсивный пик наблюдается примерно при ≈ 21° (2θ), что соответствует кристаллизации полиэтилена (ПЭ). В частности, для LDPE/ПЭ типичными основными дифракционными пиками являются ~21,5° (110) и ~23,8° (200). Дифрактограмма показывает, что кристаллическая часть в полимерном композите чётко выражена. Композит имеет следующий состав, который приведен в табл. 1.

Таблица 1.

Дифракционные пики и их соответствие группам

Второй по высоте пик ≈ 28–30° (2θ) соответствует основным рефлексиям карбонатных минералов (кальцит, доломит): для кальцита это примерно ~29,4°, для доломита — в диапазоне 30–31°.

Пики около 2θ ≈ 26,6° соответствуют основным пикам кварца (α-SiO₂). В диапазоне 35–50° спектра наблюдаются несколько небольших пиков; которые относятся к вторичным/вспомогательным рефлексиям карбонатных и силикатных фаз. Через количественный анализ XRD установлена массовая доля полимерного состава (рис. 4).

Рисунок 4. Массовая доля полимерного состава по данным рентгеноструктурного анализа

Результаты исследования подтверждают, что ядро алюкобонда представляет собой полимерный композит, основной компонент которого - полиэтилен. Для повышения механических свойств полимерного композита в качестве порошковых наполнителей использовались кальцит, доломит и кварц.

Для определения области применения полимерной части отходов алюкобонда оценивались реологические свойства термопластичных материалов путём определения показателя текучести расплава [4].

Показатель отражает скорость течения полимера и служит основой для выбора режимов технологических процессов экструзии, литья и прессования [5]. Показатель         определялся по ГОСТ 11645-2021[6] методом а на экструзионном пластометре Dynisco.

Показатель текучести в расплавленном состоянии (ПТР) - это масса материала (г), прошедшего через капилляры за определённое время при определённой температуре и заданном давлении определяется по следующей формуле:

ПТР = m×600/t

здесь: (m) — среднее значение массы экстрагируемых отрезков, г; (t) — интервал времени между двумя отсечениями отрезков полимера, с; 600 — стандартное время, коэффициент для перевода единиц.

Масса экструдированного материала – 5 г. Образец кондиционировался при температуре (21 ± 4) °C и относительной влажности (50 ± 5 %) в течение 24 часов. Испытания проводились при постоянной температуре 170 °C (±0,5 °C) в течение 15 минут при нагрузке 5 кг. В момент начала течения материала включался секундомер. При плавлении материал создавал стабильный, однородный поток без образования пузырьков. Вытекшая масса собиралась и взвешивалась на аналитических весах. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Условия испытания и измеренное значение показателя текучести расплава полимерного композита алюкобонда

Результат 3,41 г/10 мин, полученный в данном испытании, соответствует средней вязкости полиэтилена. Для полиэтилена марки LDPE – EC 7000 этот показатель составляет 3,9 г/10 мин. Показатель текучести полимерного композита алюкобонда - полученное в испытаниях, обусловлен наличием порошковых наполнителей.

На основании полученного значения было подтверждено, что полимерный композит обладает достаточной текучестью для процессов экструзии[6,7].

Выводы: В результате исследования отходов компонентов алюкобонда были установлено, что алюминий при 800 °C теряет 3 % общей массы, а потеря массы сердцевины при горении в температуре 455–482 °C составляет 91 %. При данной температуре полимер в состав композита, полностью термодеструктируется, и оставшийся остаток представляет собой минеральные наполнители. В результате рентгенофазового анализа установлено, что средний слой - полимерный композит - состоит на 61,48 % из полиэтилена. Показатель текучести полимерного композита составил 3,41 г/10 мин.

По результатам проведённых испытаний установлено, что внешние алюминиевые листы и средний композитный слой в отходах алюкобонда пригодны для дальнейшей переработки. В частности, полимер композит, с учётом показателей текучести, рекомендуется для производства полиэтиленовых изделий средней степени чистоты, а алюминиевая составляющая с учетом степени чистоты пригодна для изготовления электрических кабелей.

Список литературы:

1. Электронный ресурс https://www.alucobond.com/files/downloads/produkte/en/ALUCOBOND_Recycling_data_sheet_EN.pdf
2.  Джурабоев Д.М., Вайсов А.А. Современные достижения и недостатки в производстве композиционных материалов // Республиканская научно-практическая конференция молодых учёных, статья, Т. 2, № 17, 2024. С. 34–37.
3. Курбанбаев Н.А. Совершенствование технологического оборудования при производстве композиционных материалов // «Теория последних научных исследований», Республиканский научно-практический журнал, Issue 4, Volume 1, № 4, 2022. С. 45–48.
4. Cullity B.D., Stock S.R. Elements of X-Ray Diffraction. – 3rd ed. – Prentice Hall, 2001. – 672 p.
5. Klug H.P., Alexander L.E. X-Ray Diffraction Procedures: For Polycrystalline and Amorphous Materials. – 2nd ed. – Wiley, 1974. – 992 p.
6. ГОСТ 11645-2021 Пластмассы. Методы определения показателя текучести расплава термопластов. – М. : Российский институт стандартизации, 2021.- 29
7. Шамсиева Н.Ф., Рахимов Ф.Ф. Алюминиевые композиты: процессы изготовления // Республиканский научный журнал «Строительство и образование». Наманган, 2025. № 4. С. 304–307.