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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"На правах рукописиМацеевич Андрей ВячеславовичСТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НАОСНОВЕ НАНОМОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ И СМЕСЕЙПОЛИМЕРОВСпециальность 05.16.09 – Материаловедение (строительство)Диссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:заслуженный деятель науки РФ,доктор химических наук, профессорАскадский Андрей АлександровичМосква – 20192ОглавлениеВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................

5ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ............................................................ 121.1. Полиэтилен: структура, свойства, применение в строительстве ... 121.1.1. Общая характеристика полиэтилена низкого давления ........... 151.2. Наномодифицированные композиты на основе полиэтилена ........ 171.2.1. Общие принципы создания полимерных композиционныхматериалов .....................................................................................................

181.2.2. Функциональные наполнители для полиэтилена ....................... 191.2.3. Углеродные нанонаполнители ........................................................ 221.2.4.Свойства наномодифицированных композитов на основеполиэтилена ................................................................................................... 241.3. АБС-пластик: структура, свойства, направления применения ..... 291.4. Полимерные композиты, наполненные древесиной (ДПК)............. 321.5. Релаксационные свойства полимерных материалов ........................

341.5.1. Общие сведения о релаксационных свойствах ............................ 341.5.2. Релаксация напряжения ................................................................... 34ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ............................. 412.1 Объекты исследования ............................................................................. 412.1.1. Полиэтилен низкого давления......................................................... 412.1.2. Углеродные нанотрубки ...................................................................

412.1.3. Углеродные нановолокна ................................................................. 422.1.4. Сажевый концентрат ......................................................................... 422.1.5. Лапроксид (моноглицидиловый эфир 2-этилгексанола) ........... 432.1.6. АБС-пластик ....................................................................................... 442.1.7. Поливинилхлорид .............................................................................. 452.1.8. СКЭПТ ..................................................................................................

452.1.9. Полипропилен ..................................................................................... 452.1.10. Древесно-полимерные композиты................................................ 462.2. Методы исследования ..............................................................................

472.2.1. Термомеханический анализатор (ТМА) ........................................ 472.2.2. Испытания на сжатие и релаксацию напряжения ...................... 472.2.2.1. Испытания на релаксацию напряжения................................. 4832.2.2.2. Аппроксимация кривых релаксации напряжения в линейнойобласти механического поведения ........................................................ 482.2.3.Определение плотности и степени кристалличности ..................

502.2.4. Определение истираемости .............................................................. 503. ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИЙ................................................................... 533.1. Получение композиций на основе полиэтилена ................................. 533.1.1. Приготовление полимерных смесей на основе полиэтилена .... 533.1.2 Прессование композиций из полиэтилена ..................................... 543.2.

Получение композиций на основе АБС-пластика ............................. 543.2.1. Приготовление полимерных смесей на основе АБС-пластика иПВХ.................................................................................................................. 543.2.2. Приготовление полимерных смесей на основе АБС-пластика иСКЭПТ ............................................................................................................ 553.2.3. Приготовление полимерных смесей на основе АБС-пластика иПЭВД ...............................................................................................................

56ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ........................................ 574.1. Свойства наномодифицированных композитов ПЭ, содержащихуглеродные наполнители ............................................................................... 574.1.1.Предельные механические свойства наномодифицированныхкомпозитов ..................................................................................................... 584.1.2. Исследование релаксационных свойствнаномодифицированных композитов ...................................................... 614.1.2.1. Релаксационные свойства наномодифицированныхкомпозитов в широком температурном интервале ...........................

724.1.2.2. Построение обобщенных кривых ............................................. 784.2. Строительные материалы из смесей АБС-пластика с другимиполимерами ....................................................................................................... 874.2.1. Смеси АБС-пластика и поливинилхлорида ................................. 874.2.1.1 Зависимость модуля упругости от состава смесей вторичногоАБС-пластика и поливинилхлорида .................................................... 884.2.1.2.

Исследование истираемости композитов на основе ПВХ иАБС-пластика ............................................................................................ 904.2.2. АБС-пластик в смеси со СКЭПТ..................................................... 9244.2.3 Модуль упругости смесей АБС-пластика с полиэтиленом......... 944.3. Расчетные схемы ....................................................................................... 974.3.1. Расчетная схема для оценки температуры стеклованияполимеров ...................................................................................................... 974.3.2.

Расчетная схема для оценки температуры кипения смесиполимера с растворителем ....................................................................... 1014.3.3. Проверка адекватности расчетной схемы для оценки модулясдвига и коэффициента Пуассона нанокомпозитов на основеполимеров ....................................................................................................

1074.3.4. Анализ влияния химического состава и концентрациикомпонентов смеси полимер-растворитель на предел вынужденнойэластичности и вязкость ........................................................................... 1144.4. Эксперименты по релаксации напряжения для ДПК .....................

1164.5. Релаксация наряжения композиционного материала на основевторичного полипропилена, в который «запечатан» асбест ................ 129ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 132СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................... 135ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................................................................. 1565ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. В последнее время создание новыхполимерных строительных материалов все чаще идет либо путем использованиявторичных материалов, либо путем применения нанотехнологий.

Исследованияразличныхсвойствтакихматериаловпроводилисьотечественнымиизарубежными учеными. Однако релаксация напряжения для нанокомпозитов наоснове полиэтилена и нанотрубок, а также смесей вторичного АБС-пластика споливинилхлоридом, древесно-полимерных композитов, в которых матричнымполимером является ПВХ, смесей вторичного полипропилена с асбестом никогдане изучалась. Для полимерных композитов это имеет важное значение, посколькупозволяет определить реальные сроки эксплуатации изделий.Работа выполнена на базе кафедры Технологии вяжущих веществ и бетоновНИУ МГСУ при финансовой поддержке РФФИ (проект №15-03-09337 А).Степень разработанности темы.

Проверена адекватность существующих ивновьразработанныхматематическихмоделейирасчетныхсхемдляколичественной оценки свойств полимерных материалов на большом количествеполимерных смесей и нанокомпозитов. Среди них смеси полиэтилена снанотрубками,поливинилхлоридасАБС-пластиком,поликарбонатаиполиметилметакрилата с пластификатором (дибутилфталатом), полипропилена сасбестом, АБС-пластика со СКЭПТ и с полиэтиленом. Изучены такие свойстваматериалов, как модуль упругости, релаксация напряжения при разныхдеформациях и температурах, вязкость, прочность, температура кипениярастворовполимеров,температураплавления,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).6Цель и задачи исследования.

Целью диссертационной работы являетсяразработка новых и модификация прежних расчетных схем для прогнозированияосновных термических и механических свойств смесей полимеров с учетомособенностей структуры молекулярного строения полимеров; получение, а такжеисследование структуры и свойств строительных материалов на основенаномодифицированных композитов на основе полиэтилена, наполненногонанотрубками, древесно-полимерных композитов (ДПК), в которых матричнымполимером является поливинилхлорид, а также смесей АБС-пластика споливинилхлоридом.Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:1. Получение материалов строительного назначения на основе вторичногоАБС-пластика и поливинилхлорида, а также на основе полиэтилена и нанотрубок;2.

Установление влияние температуры, типа наполнителей на прочностныеи деформационные свойства исследуемых композитов (в том числе снаноразмерными структурными элементами);3. Применениерасчетныхсхем,позволяющихпроводитьоценкитемпературы стеклования линейных и сетчатых полимеров для исследуемыхматериалов,модуляупругости,пределапрочностиивязкостипластифицированных полимеров;4. Установление экспериментальных зависимостей релаксации напряженияв объектах исследования при разных температурах и составах материалов,построениеобобщенныхкривыхиоценкадлительноймеханическойработоспособности полученных материалов;5. Разработка расчетной схемы для прогнозирования температуры кипениярастворов полимеров, основанной на химическом строении полимера ирастворителя, предназначенной для метода эбуллиоскопии;6.

Проведение опытно-промышленного внедрения полученных материаловна основе смесей вторичного АБС-пластика и ПВХ.7Научная новизна.– разработана и обоснована корректировка теоретической зависимоститемпературы стеклования от химического строения полимеров, заключающаяся вучете влияния атомов и полярных групп, расположенных в основной цепи и вбоковых ответвлениях, что повысило адекватность расчетов и привело купрощению процедуры расчета;– разработана расчетная схема для количественного анализа температурыкипениярастворовполимеров,отличающаясявозможностьюнаосновехимического строения полимера и растворителя учесть влияние температуры наскрытую теплоту испарения;–установлено,чторелаксациянапряжениядревесно-полимерныхкомпозитных материалов, а также нанокомпозитов на основе полиэтилена,адекватно описывается уравнением Больцмана с ядром релаксации T1(η),разработанным и предложенным исключительно для полимеров.Теоретическая и практическая значимость работы.– обоснованы результаты исследования связей состава и структурыкомпозиционных материалов с комплексом физико-механических свойств сучетом молекулярного строения полимеров.