Анотація. Наведено результати дослідження двох різновидів вулканічних порід – граніту Омелянівського родовища та андезиту Хустського родовища як потенційної сировини для виготовлення полімерних композитів. Показано особливості хімічного, фазового складу, властивості поверхні та ліофільності досліджених матеріалів як факторів ефективності їх застосування як наповнювачів. При цьому зроблено висновок про відносні переваги природного цеоліту за розвитком питомої поверхні та ступенем ліофільності.
Ключові слова: композит полімерний, наповнювач, граніт, андезит, склад, поверхня, властивості.
Вступ
Технологія виробництва полімерних композиційних матеріалів базується на комплексному використанні мінеральної сировини як наповнювачів та сополімерів як зв’язуючих [1]. Вибір та кількісне співвідношення цих компонентів при однаковому способі виробництва визначають характеристики структури та властивостей композитів [2-5]. Одним із перспективних джерел природної сировини як наповнювачів є породи вулканічного походження [6-9], серед яких суттєве місце за розповсюдженням і запасам родовищ в світі та Україні займають перліт і цеоліт [10-12].
Ефективність практичного застосування цих порід як наповнювачів полімерних композитів потребує дослідження та врахування особливостей їх складу, структури та властивостей поверхні як факторів фізико-хімічної взаємодії з сополімерами, в напрямку чого виконана подана робота.
Основна частина
Застосування сучасних інструментальних методів фізико-хімічного аналізу дозволило виявити певні особливості складу, структури та властивостей поверхні досліджуваних вулканічних порід.
Аналіз хімічного складу показує, що андезит відрізняється від граніту більшим вмістом оксиду алюмінію при кількісному співвідношенні SiO2 : Al2O3 - 3,5 проти 5,8, більшою кількістю оксидів заліза та кальцію, меншим вмістом K2O та загалом лужних оксидів типу R2O – 4,5 проти 7,9 мас.% (табл. 1).
Таблиця 1 - Хімічний склад сировини
Рентгенофазовий аналіз порошкових препаратів досліджуваної сировини, проведений з застосуванням дифрактометру ДРОН – 3М, дозволив вивити особливості мінералогічного складу проб.
Результати рентгенофазового аналізу дозволили виявити особливості мінералогічного складу та структури досліджуваних природних матеріалів
(рис. 1, 2).
Очевидно, що структурні особливості наповнювачів визначаються відмінностями у ступеню розвитку склофази, кристалічних фаз та їх кількісних співвідношеннях. Проби граніту та андезиту характеризуються переважним розвитком кристалічних фаз. Проте їх склад значно відрізняється: у випадку Омелянівського граніту має місце система польові шпати – кварц з домішками біотиту, у випадку Хустського андезиту – система олигоклаз (андезин) – авгіт – магнетит с домішками рогової обманки та біотиту.
Рис. 1. Дифрактограма гранітного відсіву: v кварц, мікроклин, о анортит, олігоклаз, ● біотит
Рис. 2. Дифрактограма андезиту: олигоклаз-андезин, ● авгіт,
□ магнетит, о рогова обманка, х біотит
Очевидно також, що проба граніту відрізняється більшим розвитком склофази (за площею дифузного гало).
Із врахуванням особливостей використання матеріалів для виготовлення полімерних композитів у дослідженнях були використані методи оцінки енергетичного стану поверхні частинок по змочуванню при натіканні [13-14]. Характерною особливістю вказаного методу є можливість оцінити одночасно ступінь змочування частинок полярними і неполярними розчинниками (відповідно вода і ксилол) та ступінь дисперсності досліджуваного матеріалу (коефіцієнт фільтрації і питома ефективна поверхня).
Визначено (табл. 2), що проба граніту значно поступається андезиту за показниками змочування водою - 0,41 проти 0,69.
Неполярними рідинами (ксилол) обидві проби змочуються суттєво гірше, ніж водою. При цьому обидві проби мають однакові показники.
Таблиця 2 - Властивості поверхні досліджуваних матеріалів
Оцінити вплив структурних особливостей матеріалів можливо з урахуванням такого показника як коефіцієнт фільтрації. Встановлено, що показники останнього щодо проби граніту суттєво більші як по воді - 4,73 ·10-6 проти 1,35·10-6 , так і по ксилолу - 1,18·10-6 проти 0,63 · 10-6 см3∙с/г.
Ефективна питома поверхня досліджуваних матеріалів є показником, який однозначно дозволяє оцінити внесок як фактора змочування матеріалів так і їх структури. За отриманими експериментальними даними проба граніту значно поступається андезиту за показниками ефективної питомої поверхні по воді – 2,6 проти 10,1 м2/г та по ксилолу - 1,1 проти 5,0 м2/г.
Вказані особливості властивостей поверхні частинок досліджуваних матеріалів корелюються з результатами ІЧ-спектроскопічного аналізу (рис. 3).
Рис 3. ІЧ спектри проб матеріалів: 1 – граніт; 2 – андезит
Висновки
1. Врахування особливостей складу та властивостей поверхні вихідних компонентів важливо для оптимізації структури та властивостей полімерних композиційних матеріалів.
2. Отримані результаті досліджень вказують на перспективність використання як наповнювачів порід вулканічного походження, зокрема граніту та андезиту. При цьому андезит має перевагу за розвитком питомої поверхні та ступенем ліофільності, що обумовлюють інтенсивність взаємодії та міцність контактів частинок наповнювача з сополімером.
Література:
1. Адаменко Н. А. Конструкционные полимерные композиты [Текст] / Н. А. Адаменко, А. В. Фетисов, Г. В. Агафонова – Волгоград: ВолГТУ, 2010. – 100 с.
2. Thejas Urs G. Emergent Research on Polymeric and Composite Materials [Text] / Urs G. Thejas, R. Somashekar // IGI Global, 2017. – 341 p.
3. Melnуk L. Research of electrical properties of epoxy composite with carbon fillers [Text] / L. Melnуk // Technology audit and production reserves, 2017. – V. 3. (1/35) – pp 1539–1641.
4. Sokolov I. I. Effect of the Chemical Nature of Fabric Mineral Fillers on the Properties of Polymer Composite Materials [Text] / I. I. Sokolov, I. V. Troshkin // Glass and Ceramics. – 2016. – V. 73. – Is. 5–6. – pp 231–233.
5. Rothon R. N. Particulate fillers for polymers [Text] / R. N. Rothon // Rapra Rev. Rep. – 2001. – pp. 12:16–17.
6. C. Dayton. Volcanic Rocks (Rocks and Minerals) - PowerKids Press, 2007. –
24 p.
7. Aaron K. Waswa, Daniel MOGAKA Nyaberi. Evalution of volcanic rocks of Nairobi area for use as raw materials in the construction and cement industry // Conference: Geological Society of Kenya, 2009.
8. Dhand, V.; Mittal, G.; Rhee, K.Y.; Park, S.-J.; Hui, D. A short review on basalt fiber reinforced polymer composites. Compos. Part B Eng. 2015, 73, 166–180.
9. Prospects for using broken stone quarries waste / V. O. Shlapak, I. V. Klimenko, I. V. Davydova, O. S. Tarasyuk // Вісник Житомирського державного техноло-гічного університету. Серія : Технічні науки. - 2018. - № 1. - С. 303-308.
10. Використання відсівів гранітного щебеню для виробництва товарного бетону / О.І. Іваненко, К.О. Кравченко, М.М. Вірник, А.І. Титюк // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – Т. 2, № 12 (56). – с. 16-18.
11. U. Soydal, S. Kocaman, M. E. Marti, G. Ahmetli. Study on the reuse of marble and andesite wastes in epoxy-based composites // Polymer Composites, 2017. – Vol. 39. – Is. 9. – pp. 3081-3091.
12. T. Lenggono, D.P.E. Putra, A. Setianto. The Quality and Distribution of Andesite Rock for Construction Materials in Kokap and Temon District, Kulon Progo Regency, Yogyakarta-Indonesia // Journal of Applied Geology, vol. 3(2), 2018,
pp. 73-82.
13. Пащенко А.А., Крупа А.А., Свидерский В.А. К вопросу опредиления гидрофобности пористых дисперсных материалов // Докл. АН УССР. – Сер. Б. – 1974. - №10. – С. 913-916.
14. Myronyuk, O., Baklan, D., Nudchenko, L. Evaluation of the Surface Energy of Dispersed Aluminium Oxide Using Owens-Wendt Theory. Technology Audit and Production Reserves, 2020, 2 (1 (52)), 25-27.
Abstract. The results of the study of five types of volcanic rocks of Ukrainian deposits - Omelyaniiv granite and Transcarpathian andesite as potential raw materials for the manufacture of polymer composites - are given. Modern instrumental methods of physical and chemical analysis are applied. Features of the chemical composition - in terms of the content of oxides, phase composition - in terms of the development of crystalline phases and the glass phase, surface properties and lyophilicity of the studied materials as factors of the effectiveness of their use as fillers are shown. The research results indicate the promising use of rocks of volcanic origin, in particular granite and andesite, as fillers. It was concluded that andesite has an advantage over perlite in the development of specific surface area and the degree of lyophilicity, which determine the intensity of interaction and the strength of contacts of filler particles with the copolymer during the production of a composite material.
Key words: polymer composite, filler, perlite, zeolite, composition, surface, properties.
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter