Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

RHEOLOGICAL PROPERTIES OF PAINT FORMULATIONS BASED ON EXPANDED PO-LYSTYRENE WASTE

Loganina V.I. 1 Kislitsyna S.N. 1
1 Penza State University of the Architecture and Construction
Разработана рецептура лакокрасочного состава на основе отходов пенополистирола. Применялся смесевой растворитель (смесь ацетона с бензином в соотношении 1:1), в качестве наполнители – фторид кальция, оксид кальция, оксид кремния, отход химической полировки стекла, гидроксид кальция, смесь фторида кальция с пигментом. Исследовано влияние вида наполнителя и степени наполнения на реологические свойства лакокрасочных композиций. Предложена модель изменения вязкости лакокрасочных составов на основе раствора отходов пенополистирола в зависимости от вида наполнителя и его объемной доли. Теоретически и экспериментально определено значение критического содержания дисперсных наполнителей в лакокрасочном составе. Установлено, что при концентрациях выше критических, количества наполнителя оказывается достаточным, чтобы образовывать структурную сетку типа наполнитель-наполнитель. Рассчитаны коэффициенты лакокрасочных систем. Рассчитана оптимальная степень наполнения полимерных композитов.
The compounding of paint on the basis of polystyrene waste. Used solvent mixtures (mixture acetone and benzene in the ratio 1: 1) as fillers – calcium fluoride, calcium oxide, silicon oxide, glass waste chemical polishing, calcium. The influence of the type of filler and the degree of filling of the rheological properties of paint. A model change viscosity paint formulations based on polystyrene of the waste solution, depending on the filler and its volume fraction. Theoretically and experimentally determined value of the critical content of dispersed fillers in paint composition. Found that at concentrations higher than the critical, the amount of filler is sufficient to form a mesh-type structural filler-filler. Coefficients paint systems. Calculate the optimal degree of filling of polymer composites.
rheology
paint formulations
waste polystyrene foam

Одним из эффективных путей научно-технического прогресса в производстве строительных материалов является использование в качестве основного сырья различных полимерных отходов.

Среди промышленных пластиков в нашей стране полистирол (ПС) и его сополимеры занимают третье место. Потенциальные ресурсы вторичного сырья для этого термопласта составляют примерно 50 тыс. т в год. Отходы ПС накапливаются в виде вышедших из употребления изделий из ПС и пенополистирола (ППС), а также в виде промышленных (технологических) отходов [5,7].

Учитывая вещественный и химический состав отходов ППС, одним из вариантов их использования может стать изготовление лакокрасочных материалов.

Критерием для определения необходимого количества пленкообразующего в красочной суспензии служит соотношение между пигментом (наполнителем) и пленкообразующим, которое определяется объемной концентрацией пигмента (наполнителя). Известно, что при определенных ее значениях резко изменяются основные свойства красочных систем. Эти значения называются критической объемной концентрацией (КОКП). Величина КОКП в большей мере определяется свойствами наполнителя, меньше – свойствами пленкообразующего и не зависит от растворителей [6,7].

Реологические свойства наполненных полимерных композитов изучали на лакокрасочных составах, приготовленных на основе 15 %-ного раствора отходов ППС в смесевом растворителе (смесь ацетона с бензином в соотношении 1:1).

На рис. 1 представлены результаты экспериментальных исследований зависимости вязкости лакокрасочных составов от концентрации наполнителей. Как видно из полученных данных, при наполнении в интервале примерно 0<φ<0,16 (наполнители – фторид кальция, оксид кальция), 0<φ<0,96 (наполнитель – оксид кремния), 0<φ<0,1 (наполнитель – отход химической полировки стекла, ОХПС), 0<φ<0,12 (наполнитель – гидроксид кальция), 0<φ<0,13 (наполнитель смесь фторида кальция с пигментом) увеличение вязкости незначительно. Очевидно, полимерная матрица лишь частично переходит в пленочное состояние, для пространственного каркаса характерна рыхлость и редкие пространственные связи.

Рис.1. Зависимость относительной вязкости лакокрасочных составов от объемной концентрации наполнителей

1 – ОХПС; 2 – гидроксид кальция; 3 – фторид кальция с пигментом; 4 – оксид кальция;

5 – фторид кальция; 6 – оксид кремния.

При дальнейшем наполнении наблюдается резкое повышение вязкости лакокрасочного состава. Очевидно, при достижении КОКП происходит структурно-фазовый переход матрицы из ее объемного состояния в пленочное, затрагивающее весь объем материала, т.е. связи через пленочную матрицу охватывают все частицы наполнителя, редкий перколяционный каркас трансформируется в жесткую матрицу [1,3].

Анализ полученных экспериментальных данных, приведенных на рис.1, позволяет сделать вывод, что полученные зависимости изменения вязкости при наполнении могут быть описаны уравнением вида:

(1)

где – относительная вязкость лакокрасочного состава; φ – объемная доля наполнителя, ед.об.; – коэффициенты.

После математической обработки экспериментальных данных получены расчетные зависимости вязкости лакокрасочных составов от степени наполнения, которые имеют вид:

– при наполнении ОХПС (2)

– при наполнении оксидом кальция (3)

– при наполнении гидроксидом кальция (4)

– при наполнении оксидом кремния (5)

– при наполнении фторидом кальция (6)

– при наполнении смесью фторида кальция с пигментом (7)

При значении c=0 в уравнениях (2–7) , что соответствует вязкости ненаполненной лакокрасочной системы.

Адекватность уравнений (2–7) проверялась по F-критерию. Так, для уравнения (7) . При 5 % уровне значимости уравнение адекватно описывает результаты опытов [4].

Полученные зависимости (2–7) позволяют выбрать оптимальную степень наполнения лакокрасочного состава в зависимости от метода его нанесения на защищаемую поверхность.

На рис. 2 зависимость вязкости от концентрации наполнителя представлена в координатах lg��, c ( где c – концентрация наполнителя в системе). Эта зависимость представляет собой две пересекающиеся линии. Точка пересечения, спроецированная на ось абсцисс, и будет представлять собой КОКП (наполнителя) [8].

Рис. 2. Зависимость вязкости лакокрасочных составов на основе ППС

от объемной концентрации наполнителей:

1 – ОХПС; 2– гидроксид кальция; 3 – фторид кальция с пигментом; 4 – оксид кальция;

5 – фторид кальция; 6 – оксид кремния

Как видно из полученных данных, для лакокрасочных составов на основе раствора ППС, наполненных оксидом кремния, КОКП составляет 19,5 %, фторидом кальция – 16,5 %, оксидом кальция – 14,2 %, ОХПС – 11,5 %, гидроксидом кальция – 12 %, смесью фторида кальция с пигментом – 13 %.

Практически применяемая объемная концентрация пигмента (наполнителя) в лакокрасочных пленках (ОКП) ниже КОКП. Процентное отношение ОКП/КОКП называется коэффициентом лакокрасочной системы. Оптимальная степень наполнения полимерных композитов (ОКП) была рассчитана двумя теоретическими методами.

В первом случае расход компонентов для формирования единицы объема полимерного композита рассчитывался по формулам [2]:

, (8)

, (9)

при условии , (10)

, (11)

где – объем частиц наполнителя, ед.об.; – объем раствора пленкообразующего, ед.об.; �� – коэффициент раздвижки частиц наполнителя; – насыпная плотность наполнителя кг/м3; – плотность наполнителя, кг/м3; – объем монолитных частиц наполнителя, ед.об.; – объем межчастичных пустот наполнителя, ед. об, рассчитывается по формуле:

, (12)

Коэффициент раздвижки частиц наполнителя рассчитывали по формуле:

, (13)

где– средний размер частиц наполнителя, м; – средняя толщина прослойки пленкообразователя, м, принималась равной 1,4 мкм.

Вторым методом расчет вели по формуле [1]:

, (14)

где φ – объемное содержание наполнителя; – насыпная плотность наполнителя кг/м3; – плотность наполнителя, кг/м3; – средняя толщина прослойки пленкообразователя, 1,4 мкм (1,4∙10-6 м); – удельная поверхность наполнителя, м2/кг.

Рассчитанный расход наполнителей в обоих случаях оказался одинаковым. Полученные в результате теоретических расчетов данные представлены в табл.1.

Таблица 1

Вид наполнителя

Удельная поверхность наполнителя, , м2/кг.

Средний размер частиц наполнителя, ∙10-6

Насыпная плотность, , кг/м3

Плотность наполнителя, , кг/м3

Объем частиц наполнителя, , ед.об

Объем монолитных частиц наполнителя, , ед.об.

Объем раствора пленкообразователя, , ед.об.

Фторид кальция

 

517

 

4,14

 

1080

 

2800

 

0,38

 

0,15

 

0,85

ОХПС

1466

1,78

700

2300

0,17

0,05

0,95

Оксид кальция

 

545

 

3,96

 

640

 

2780

 

0,4

 

0,09

 

0,91

Оксид кремния

 

430

 

5,57

 

920

 

2610

 

0,51

 

0,19

 

0,81

Гидроксид кальция

 

1070

 

2,5

 

390

 

2240

 

0,26

 

0,05

 

0,95

Смесь: фторид кальция и пигмент

 

 

700

 

 

2,9

 

 

940

 

 

2940

 

 

0,3

 

 

0,1

 

 

0,9

Как видно из полученных данных, теоретически рассчитанный расход наполнителей согласуется с экспериментально полученными результатами, представленными на рис.2.

Коэффициенты лакокрасочных систем (ОКП/КОКП) составят при наполнении: оксидом кремния – 97 %, оксидом кальция – 63 %, фторидом кальция – 91 %, гидроксидом кальция – 42 %, отходами химической полировки стекла – 44 %, смесью фторида кальция с пигментом – 77 %.

В результате проведенных исследований теоретически и экспериментально определено значение критического содержания дисперсных наполнителей в лакокрасочном составе. Предложена модель изменения вязкости лакокрасочных составов на основе раствора пенополистирола в зависимости от объемной доли наполнителей.

Рецензенты:

Калашников В.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Технология строительных материалов и деревообработки» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза;

Данилов А.М., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Математического моделирования и математики» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства, г. Пенза.