Исследование полимерного покрытия, полученного экструзионно-прокатно-формовочным методом

Появление на строительном рынке относительно дешевых полимерных материалов способствовало развитию индустрии композитных изделий, производство которых с каждым годом растет. С момента публикации одной из первых обзорных статей потребление различного рода полимер-композитных изделий строительного назначения за рубежом, а также в нашей стране, возросло в несколько раз [1]. Несомненно, что перспективность дальнейшего более широкого использования таких материалов зависит от улучшения технологии их переработки и производства, что отмечено авторами статей [2, 3].

Среди многообразия полимерных композиционных материалов особое место занимает производство кровельных и отделочных изделий на основе полимеров. К ним относится современная полимер-песчаная черепица, которая является устойчивой к перепадам температур, гниению и выцветанию. Однако она не востребована в связи с низкой технологичностью и высокой стоимостью.

Для снижения стоимости перспективно применение техногенных полимерных отходов, которые чаще всего используются для изготовления композиционных материалов с окрашиванием не по всему объему, а только его покрытия. Кроме того, в традиционных технологиях получения композиционных материалов на основе полимеров существуют еще и другие недостатки, среди которых низкая производительность, ограниченные размеры изделий. Для устранения недостатков традиционных промышленных методов была использована технология экструзионно-прокатно-формовочного метода, применение которой решает экологические проблемы [3].

Новая технология имеет следующие достоинства перед традиционными методами (прессование, литье, экструзия):

• 1.    Возможность изготовления изделий произвольной формы.

• 2.    Возможность вариации размеров по длине и ширине (от 20 см до 1 м и выше), по толщине (от 2 мм до 3 см).

• 3.    Широкое функциональное назначение - возможность изготавливать различную продукцию на одном оборудовании (кровельные материалы, облицовочные плитки, тротуарные плитки).

• 4.    Прокатный способ производства изделий позволяет повысить производительность примерно в 10 раз по сравнению с существующими методами изготовления полимер-песчаной черепицы из-за отсутствия необходимости использования специальных пресс-форм.

• 5.    Снижение себестоимости за счет нанесения тонкого слоя (0,15 мм) окрашенного композиционного материала в сочетании с неокрашенной несущей частью изделия. В отличие от разрабатываемой линии существующие аналоги оборудования по производству полимер-пес-чаной черепицы используют красители по всему объему.

• 6.    В процессе исследования предполагается создание новых композиционных материалов на основе полимерных и промышленных отходов для снижения веса при сохранении физических свойств: твердости, устойчивости к механическим повреждениям, низкой воспламеняемости.

• 7.    Разрабатываемое оборудование за счет вариации качественного и количественного состава наполнителей позволит создать материалы, обладающие определенной гибкостью с сохранением высоких прочностных характеристик.

Цель исследования - рассмотреть возможность получения новых композиционных материалов с цветным полимерным покрытием с использованием экструзионно-прокатно-формовочного метода.

Материал и методы исследований

Исходные материалы и методы получения полимерных композитов. В исследованиях для получения полимер-песчаной черепицы и покрытия использовали техногенные бытовые отходы (пластиковые бутылки).

В качестве наполнителя использовали песок и древесные опилки. Для окрашивания полимерных покрытий - классические красители типа Шикрил, Тиккурила и др.

Образцы перед проведением физико-механических испытаний обезжиривали этиловым спиртом и кондиционировали на воздухе не менее 3 ч. Исследования на предмет горючести проводились в сравнении с исходным полимером. Заключение о группе горючести делалось по результатам испытаний, проведенных в лаборатории по исследованию пожарной безопасности.

Методы исследования. Термические свойства материалов изучали с помощью деривато-графа «Q-1500». Термомеханические испытания композиционных материалов проведены на высокоточной разрывной машине «Instron 1195» и приборе Цейтлина. Показатели разрушающего напряжения при сдвиге определяли согласно ГОСТ 14759-69, испытания на растяжение по ГОСТ 14236-81.

Результаты исследований и их обсуждение

На первом этапе были изготовлены полимер-песчаные подложки. Для получения композиционных материалов создана лабораторная автоматизированная установка, применение которой позволяет получать изделия, регулируемые по толщине (от 2 мм до 3 см) и ширине подложки (от 20 см до 1 м и выше) [4].

В отличие от используемых в настоящее время подобных технологических линий, данная установка позволяет равномерно прогревать исходное сырье по сечению полости и избегать пригаров и налипания на стенки полости контейнера. Расплав выдавливается на подложку, где с помощью гладильного каландра выравнивается поверхность, затем поступает на специальные валы, формирующие поперечную форму изделия. Нужную длину изделия автоматически регулирует устройство поперечной резки.

Техническим результатом эксперимента является изготовление плоских и профильных плит различной длины и формы. Была исследована возможность получения полимер-песча-ных подложек из бытовых отходов [4, 5].

На втором этапе были изготовлены окрашиваемые полимерные покрытия подложки, регулируемые по толщине (от 0,15 до 5 мм), которые, при необходимости, можно будет хранить в виде рулонов. Продукция соответствует всем эксплуатационным и экологическим требованиям. Температура экструдера соответствовала 250-300 ° С, что позволило полностью расплавить исходный полимер.

Далее проведены экспериментальные работы по нанесению термостойких полимерных покрытий на подложки, полученные на первом этапе (рис.).

Рисунок - Опытный образец

Прочность адгезии пленок определяли по показателю разрушающего напряжения при сдвиге (табл. 1). Для сравнения прочности использовали ранее полученные результаты исследований [6].

Таблица 1

Адгезия полимерного покрытия к различным подложкам

Вид подложки	Разрушающее напряжение при сдвиге, МПа
	20 ° С*	50 ° С	-20 ° С**
Алюминий	14,1	13,9	14,3
Оцинкованное железо	12,6	12,2	12,7
Новый композиционный материал	15,4	15,8	14,8

* Экспозиция при температуре +20 ° С в течение 24 ч;

**Экспозиция при температуре -20 ° С в течение 24 ч.

Проведенные эксперименты показали, что адгезионная прочность полимера к различным подложкам на основе алюминия, оцинкованного железа и композиционных материалов при комнатной температуре сопоставима с промышленными полиамидами, а при повышении температуры, так же как и при экспозиции, практически не изменяется [7].

Образцы имели высокую твердость до 500 МПа, показатель разрушающего напряжения при изгибе аналогичен промышленным полиамидам. Значения кислородного индекса исследованных пресс-изделий превышают показатели промышленных полиамидных изделий на 2530% и сопоставимы с исходным полимером. Исследования пожарной безопасности показали, что образцы относятся к самозатухающим, по значению максимального приращения температуры - A t^ <  60 °С и потере массы A m <  60%, их можно отнести к трудногорючим. В свою очередь, горючие материалы в зависимости от времени достижения максимальной температуры т к средней воспламеняемости имеют показатель 0,5 <  т <  4 мин (табл. 2).

Таблица 2

Результаты испытаний горючести

Образец	Начальная температура испытаний	Максимальная температура появления газообразных продуктов горения	Время достижения температуры горения	Масса образца до испытания	Масса образца после испытания
	Т о , оС	Т max , оС	t, мин	m н , г	m к , г
Подложка на основе полимера	20	180	3,25	0,66	0,40
Новый композиционный материал	20	180	3,15	0,72	0,44

Определение физико-механических свойств полимер-печаной черепицы с полимерным покрытием определяли по ГОСТ 14236-81. Показатели при растяжении не ухудшилась в сравнении с данными [6, 7], немного ниже оказался показатель модуля упругости.

Испытания показали, что покрытие обладает защитными свойствами, обеспечивающими длительную сохранность в различных условиях эксплуатации. Они не подвержены гидролизу, устойчивы к перепадам температур, гниению и выцветанию.

Водопоглощение для полученного изделия определяли по методам ГОСТ 7025-91 в сравнении с пленками на основе полиамидобензимидазолов (ПАБИ) (табл. 3).

Таблица 3

Гидрофизические свойства полимерных покрытий

Полимер	Время выдержки, ч	Водопоглощение по массе, %
		свободная пленка	пленка на подложке
			алюминий	оцинкованное железо	Композиционный материал
ПАБИ	1	0,5	0,4	0,4	—
	24	5,1	4,7	4,5	—
Новое покрытие	1	0,6	0,4	0,4	0,4
	24	5,0	4,6	4,4	4,5

Результаты исследования показали, что водопоглощение пленок за 1 ч выдержки и за 24 ч имеет почти одинаковые значения. Надо отметить, что водопоглощение пленки нового покрытия мало зависит от материала подложки, а также незначительно отличается от водопо-глощения свободной пленки. Следовательно, у нового изделия снижается расход красителя при сохранении эстетических свойств, а также увеличивается его долговечность.

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования показали, что технология экструзионно-прокатно-формовочного метода является перспективной для строительной индустрии. Производство новых композиционных изделий позволит удешевить конечный продукт за счет окрашивания поверхностного слоя, слой подложки более тонкий по сравнению с традиционными полимер-песчаными черепицами. Исследования показали, что готовые изделия можно использовать в качестве термо- и огнестойких кровельных покрытий.