Автореферат диссертации (Структура и свойства строительных материалов на основе наномодифицированных композитов и смесей полимеров)

На правах рукописиМАЦЕЕВИЧ АНДРЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧСТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВНА ОСНОВЕ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ ИСМЕСЕЙ ПОЛИМЕРОВСпециальность 05.16.09 – Материаловедение (строительство)АвторефератДиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2019Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».Научный руководитель:доктор химических наук, профессор,Аскадский Андрей АлександровичОфициальные оппоненты:Барабаш Дмитрий Евгеньевичдоктор технических наук, профессор, Федеральноегосударственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Военныйучебно-научный центр Военно-воздушных сил«Военно-воздушной академии имени профессораН.Е.

Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)Министерства обороны Российской Федерации,кафедра «Изыскания и проектирования аэродромов», начальник кафедрыНизина Татьяна Анатольевнадоктор технических наук, доцент, Федеральноегосударственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования «Национальныйисследовательский Мордовский государственныйуниверситет им.

Н. П. Огарёва», кафедра строительных конструкций, профессорВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанскийгосударственныйархитектурностроительный университет».Защита состоится 03 июня 2019 г. в 11:00 (по местному времени) на заседании диссертационного совета Д 212.138.02, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва,Ярославское шоссе, д. 26, Студия №9 МОЦОС НИУ МГСУ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» и на сайте www.mgsu.ru.Автореферат разослан «___»_______________2019 г.И.о.

учёного секретарядиссертационного советаТкач2ЕвгенияВладимировнаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. В последнее время создание новых полимерных строительных материалов все чаще идет либо путем использования вторичных материалов, либо путем применения нанотехнологий. Исследования различных свойств таких материалов проводились отечественными и зарубежными учеными. Однако релаксация напряжения для нанокомпозитов на основе полиэтилена и нанотрубок, а также смесей вторичного АБС-пластика с поливинилхлоридом, древесно-полимерных композитов, в которых матричным полимером являетсяПВХ, смесей вторичного полипропилена с асбестом никогда не изучалась.

Для полимерныхкомпозитов это имеет важное значение, поскольку позволяет определить реальные сроки эксплуатации изделий.Работа выполнена на базе кафедры Технологии вяжущих веществ и бетонов НИУ МГСУ прифинансовой поддержке РФФИ (проект №15-03-09337 А).Степень разработанности темы. Проверена адекватность существующих и вновь разработанных математических моделей и расчетных схем для количественной оценки свойств полимерных материалов на большом количестве полимерных смесей и нанокомпозитов. Среди нихсмеси полиэтилена с нанотрубками, поливинилхлорида с АБС-пластиком, поликарбоната и полиметилметакрилата с пластификатором (дибутилфталатом), полипропилена с асбестом, АБСпластика со СКЭПТ и с полиэтиленом.

Изучены такие свойства материалов, как модуль упругости, релаксация напряжения при разных деформациях и температурах, вязкость, прочность,температура кипения растворов полимеров, температура плавления, истираемость. Выбраныоптимальные композиции (содержание вторичного АБС-пластика в смеси с ПВХ, равное 40%,которые рекомендованы для производства строительных материалов; полиэтилена с 0.1% нанотрубок УНТ1).Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка новых имодификация прежних расчетных схем для прогнозирования основных термических и механических свойств смесей полимеров с учетом особенностей структуры молекулярного строенияполимеров; получение, а также исследование структуры и свойств строительных материалов наоснове наномодифицированных композитов на основе полиэтилена, наполненного нанотрубками, древесно-полимерных композитов (ДПК), в которых матричным полимером является поливинилхлорид, а также смесей АБС-пластика с поливинилхлоридом.Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:1.Получение материалов строительного назначения на основе вторичного АБС-пластика иполивинилхлорида, а также на основе полиэтилена и нанотрубок;32.Установление влияние температуры, типа наполнителей на прочностные и деформаци-онные свойства исследуемых композитов (в том числе с наноразмерными структурными элементами);3.Применение расчетных схем, позволяющих проводить оценки температуры стеклованиялинейных и сетчатых полимеров для исследуемых материалов, модуля упругости, пределапрочности и вязкости пластифицированных полимеров;4.Установление экспериментальных зависимостей релаксации напряжения в объектах ис-следования при разных температурах и составах материалов, построение обобщенных кривых иоценка длительной механической работоспособности полученных материалов;5.Разработка расчетной схемы для прогнозирования температуры кипения растворов по-лимеров, основанной на химическом строении полимера и растворителя, предназначенной дляметода эбуллиоскопии.6.Проведение опытно-промышленного внедрения полученных материалов на основе сме-сей вторичного АБС-пластика и ПВХ.Научная новизна.– разработана и обоснована корректировка теоретической зависимости температуры стеклования от химического строения полимеров, заключающаяся в учете влияния атомов и полярныхгрупп, расположенных в основной цепи и в боковых ответвлениях, что повысило адекватностьрасчетов и привело к упрощению процедуры расчета;– разработана расчетная схема для количественного анализа температуры кипения растворовполимеров, отличающаяся возможностью на основе химического строения полимера и растворителя учесть влияние температуры на скрытую теплоту испарения;– установлено, что релаксация напряжения древесно-полимерных композитных материалов,а также нанокомпозитов на основе полиэтилена, адекватно описывается уравнением Больцманас ядром релаксации T1(τ), разработанным и предложенным исключительно для полимеров.Теоретическая и практическая значимость работы.– обоснованы результаты исследования связей состава и структуры композиционных материалов с комплексом физико-механических свойств с учетом молекулярного строения полимеров.

Эти результаты подтверждены на различных системах (смеси АБС-пластика с поливинилхлоридом, полиэтилена с нанотрубками, а также ДПК, в которых матричным полимером является поливинилхлорид). Полученные и проверенные соотношения применимы для полимеров исмесей любого химического состава; дополнительно учитывается степень кристалличности,размеры и концентрация частиц наполнителя, микрофазовое расслоение;4– установлено, что с введением наноразмерных модификаторов в виде углеродных нанотрубок скорость релаксации наномодифицированных полимеров возрастает;– получено, что в результате введения нанотрубок УНТ1 в полиэтилен в количестве 0.1% модуль упругости материала возрастает от 310 до 685 МПа, что делает возможным применениеего в изготовлении конструкционных материалов;– выявлено, что для полимерных материалов, работающих в условиях постоянной деформации, релаксирующее напряжение в материале на основе исходного полиэтилена изменяется от 8до 4.5 МПа при деформации 3%; в то же время для материалов, содержащих 0.1% нанотрубок,релаксирующее напряжение изменяется от 15.5 до 7.5 МПа.

Поэтому такой нанокомпозит можно рекомендовать для изготовления фитингов, обеспечивающих надежное соединение полиэтиленовых труб;– предложенная расчетная схема для анализа температуры кипения растворов полимеровпозволяет производить определения молекулярных масс полимеров методом эбуллиоскопии;– оценена длительная механическая работоспособность наномодифицированного полиэтилена и древесно-полимерного композита; найдено, что эти материалы могут работать в течениемногих лет;– получено, что наилучшей совместимостью компонентов обладают материалы, содержащие40% АБС-пластика и 60% поливинилхлорида;– установлено, что истираемость материала на основе 40% вторичного АБС-пластика и 60%поливинилхлорида составляет ~ 0.8% и не уступает истираемости стандартных покрытий, которые широко используются на практике.

Такой материал рекомендуется использовать для изготовления удешевленных напольных покрытий.Методология и методы исследования. Методологической основой работы послужили основы строительного материаловедения, опирающегося на обобщение эксперимента, сравнительный анализ, методы математического моделирования, применение системного подхода.Исследования проводились в соответствии с действующими ГОСТами и ISO, с применениемтермомеханического анализа, анализа прочностных и релаксационных свойств, на современномсертифицированном оборудовании.Положения, выносимые на защиту:1) Принципы получения полимерных смесей и наномодифицированных композитов сулучшенными эксплуатационными характеристиками.