close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технология долговечных композиционных разметочных материалов на полимерной основе

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Возный Сергей Иванович Шифр научной специальности: 05.17.06 - технология и переработка полимеров и композитов Шифр диссертационного совета: Д 212.242.09 Название организации: Саратовский государственный технический университет Адрес
На правах рукописи
ВОЗНЫЙ Сергей Иванович
ТЕХНОЛОГИЯ ДОЛГОВЕЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
РАЗМЕТОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ
05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2012
Работа выполнена на кафедре «Материаловедение» Энгельсского
технологического института (филиал) в ФГБОУ ВПО «Саратовский
государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».
Научный руководитель -
доктор технических наук, профессор
Артеменко Александр Александрович
Официальные оппоненты -
Решетов Вячеслав Александрович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный
университет имени Н.Г.Чернышевского»,
профессор кафедры физической химии
Арзамасцев Сергей Владимирович,
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ
ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»,
доцент кафедры химической технологии
Ведущая организация -
Федеральное государственное унитарное
предприятие «Российский дорожный научноисследовательский институт «РОСДОРНИИ»,
г. Москва
Защита состоится «6» апреля 2012 г. в 13 часов на заседании
диссертационного совета Д212.242.09 при ФГБОУ ВПО «Саратовский
государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул.
Политехническая, 77., ауд. 319.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени
Гагарина Ю.А.».
Автореферат разослан «____» марта 2012 г.
Автореферат размещен на сайте ВАК «____» марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
В.В. Ефанова
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В настоящее время дорожная разметка является эффективным средством
организации движения транспортных средств, способствующим повышению
безопасности дорожного движения, снижению количества дорожнотранспортных происшествий и уменьшению их последствий, увеличению
скоростей движения и пропускной способности автомобильных дорог. По
данным ООН, наличие разметки на дорожном покрытии позволяет снизить
количество дорожно-транспортных происшествий почти на 20%.
Одним из приоритетных направлений развития химии и технологических
процессов в области дорожно-строительных материалов является производство
разметочных материалов на основе полимеров.
Свойства разметки и срок ее службы во многом определяются качеством
используемых разметочных материалов и технологией их нанесения.
Применяемые материалы во многих случаях не обладают требуемыми
функционально-эксплуатационными свойствами, вследствие этого они либо
плохо видны в темное время суток, либо быстро изнашиваются, в результате
чего разметка на автомобильной дороге практически отсутствует в течение
нормативного срока эксплуатации. Необходимо, чтобы разметка не только
была нанесена на дорожное покрытие, но и обладала качествами, позволяющими сохранять ее свойства в самых различных условиях эксплуатации.
Такая задача может быть решена на основе составления и управления
рецептурами и технологическими процессами производства разметочных материалов. Применение полимеров обеспечивает требуемые показатели однородности и долговечности разметки как композиционного материала, соответствие требованиям нормативных документов. Поэтому задача выбора и
управления рецептурами материалов для разметки, обеспечивающих высокие
эксплуатационные качества и снижение аварийности на автомобильных
дорогах, разработка методов научного сопровождения их производства
являются актуальными.
Работа выполнялась в рамках Подпрограммы «Автомобильные дороги»
Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы
России на 2002-2010 годы».
Цель работы: разработка технологии долговечных полимерных
композиционных материалов на основе термопластов для дорожной разметки,
адаптированных к условиям применения.
Для достижения поставленной цели в задачи исследований входило:
- изучение процессов физико-химического взаимодействия между
термопластом и поверхностью асфальтобетона с различной степенью износа;
- определение основных факторов, влияющих на срок службы дорожной
разметки из термопластов;
- установление зависимости эксплуатационных свойств термопласта от
природы и количества модифицирующих добавок - синтетических восков,
3
присутствующих на рынке Российской Федерации; выбор из их числа
наиболее эффективных и экономически выгодных марок;
- разработка рекомендаций по оптимизации рецептур разметочных
термопластов.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Проведен анализ механизма взаимодействия в термодинамической
системе «композиционный термопластичный материал разметки – асфальтобетонное покрытие», рассмотрены особенности процессов смачивания,
химического и физического взаимодействия в динамических условиях.
Установлено, что состояние поверхности, гранулометрический состав
асфальтобетона, шероховатость и пористость его гидрофильных компонентов
оказывают существенное влияние на адгезию термопласта к асфальтобетону.
Доказано наличие адсорбции расплава термопласта в поры и микротрещины
минеральных материалов, образование химических связей между полимерной
частью термопласта и близкими по строению компонентами битума.
Установлено доминирующее влияние характеристик ингредиентов на
функциональную устойчивость дорожной разметки.
Показано, что регулирование концентрации технического воска и
гранулометрического состава наполнителей в композиции позволяет
обеспечить повышение технологичности и срока службы дорожной разметки.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследований процессов взаимодействия термопласта и
асфальтобетона с различной топографией поверхности дорожного покрытия;
- методы направленного регулирования рецептуры и режимов нанесения
термопласта на асфальтобетонное покрытие в зависимости от состояния
поверхности последнего;
- результаты модификации термопластов добавками синтетических восков,
обеспечивающие повышение функциональных характеристик дорожной
разметки;
- новые рецептуры долговечных разметочных термопластов, позволяющие
формировать их функционально-эксплуатационные характеристики в зависимости от дорожно-климатических условий автомобильной дороги, состава и
интенсивности движения.
Практическая значимость работы: В результате работы определены
требования к долговечным термопластам для дорожной разметки; выполнен
подбор ингредиентов композиций (связующих, технологических добавок);
проведены комплексные испытания экспериментальных составов. На основании полученных результатов разработана нормативно-техническая документация (технические условия, технологические регламенты).
Выпущены опытные партии долговечных термопластов, которые
испытаны в натурных условиях и внедрены на федеральной и территориальной
сети автомобильных дорог.
4
Достоверность научных положений и результатов, полученных в
диссертационной работе, подтверждается хорошим согласованием результатов
теоретических исследований с результатами практических и экспериментальных работ, соответствием методических подходов в близких и смежных отраслях науки и техники. Работа выполнена с применением комплекса современных взаимодополняющих независимых методов исследований, а также стандартных методов испытаний.
Апробация результатов работы. Основные научные положения и
результаты работ докладывались и получили одобрение на Всероссийском
научно-техническом семинаре «Совершенствование конструктивно-технологических решений при строительстве мостовых сооружений» (Саратов, 2005),
Международной научно-практической конференции «Разметка автомобильных
дорог: инновации, техника, оборудование и материалы» (Саратов, 2007), на
круглом столе «Применение инноваций в строительстве, ремонте и
содержании конструкционных элементов мостовых сооружений (СанктПетербург, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Применение прогрессивных технических решений при строительстве автомобильных
дорог» (Саратов, 2010), научно-технических конференциях Саратовского
государственного технического университета, заседаниях научно-технического
совета Саратовского комплексного дорожного отдела ФГУП «РОСДОРНИИ»,
кафедр «Мосты и транспортные сооружения» и «Строительство дорог и
организация движения», кафедры «Материаловедение» Энгельсского
технологического института СГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в
том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография,
получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,
литературного обзора, методической части и четырех глав с результатами
эксперимента, общих выводов и списка использованной литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во
введении
обоснована
актуальность
темы
диссертации,
сформулирована цель исследований, приведены основные положения,
выносимые на защиту, дан краткий обзор содержания диссертации по главам.
В первой главе проведен аналитический обзор состояния производства и
применения композиционных материалов для дорожной разметки.
Рассмотрены приоритетные технологии получения долговечных разметочных материалов на полимерной основе.
Во второй главе приведены результаты изучения объектов, методов и
методик исследования. Объектами исследования служили: термопластичный
материал для разметки типа «Кратер-1»; канифольные смолы на основе
пентаэритритового глицеринового эфиров канифоли; синтетические воски
5
марок ПВ-200, FA-1, BS-100, РР-230, РЕ-520, AR-504, РЕ-890; битум марки
БНД 60/90, минеральные ингредиенты, пластификаторы.
Свойства образцов термопласта оценивались по основным эксплуатационным и технологическим показателям: адгезии к асфальтобетону, прочности
при сжатии, температуре размягчения, скорости течения расплава, липкости
при повышенной температуре.
В третьей главе изучены процессы взаимодействия термопластичного
разметочного материала с поверхностью асфальтобетона.
Процессы, происходящие на границе между асфальтобетоном и
термопластом при нанесении разметки, изучались в рамках трех моделей
взаимодействия, характерных для реальных условий эксплуатации дорожного
покрытия (рис.1).
термопласт
битум
а
наполнитель
б
в
Рис.1. Варианты нанесения дорожной разметки на асфальтобетонное дорожное
покрытие с различной степенью износа
Эксплуатационное состояние А – дорожная разметка наносится на
свежеуложенное асфальтобетонное дорожное покрытие, при этом термопласт
взаимодействует в основном с битумом, который покрывает сплошной
пленкой минеральные компоненты покрытия. Параметр макрошероховатости
поверхности,
определяемый
как
среднеквадратическое
отклонение
разноглубинности, оценивается как Rср ≤ 2 мм.
Эксплуатационное состояние Б – дорожная разметка наносится на
асфальтобетонное покрытие, которое под воздействием климатических и
эксплуатационных факторов частично состарилось. В этом случае
поверхностный слой битума отчасти утрачен, и термопласт разметки
взаимодействует уже с системой «битум – минеральный наполнитель», Rср ≤ 3
мм.
Эксплуатационное состояние В – дорожная разметка наносится на сильно
изношенное асфальтобетонное покрытие, которое в поверхностном слое
характеризуется практически полным отсутствием битума, а термопласт
взаимодействует в основном с минеральными компонентами, Rср ≤ 5 мм.
Базовый состав термопласта для исследований представляет собой
композиционный материал, состоящий из нескольких компонентов,
обеспечивающих функциональные характеристики (табл.1).
6
Таблица 1
Базовый состав термопласта для дорожной разметки типа «Кратер-1»
Компонент
Углеводородная смола или
канифольная смола «Пентанокс»
Диоктилфталат (ДОФ)
Стирол-изопрен-стирол
блоксополимер (SIS)
Воск полиэтиленовый ПВ-200
TiO2
Стеариновая кислота C18H36O2
Стеклянные микрошарики
% масс
Назначение
22-25
Связующее
2,5-3
1-1,5
Пластификатор
Модификатор адгезии
к асфальтобетону
Модификатор
Пигмент-наполнитель
Мягчитель
Световозвращающий
эффект
Наполнитель
0,5-2
8-10
1,2-1,5
25-30
Кварцевый песок, мел, кальцит
Остальное
При нанесении термопласта на поверхность асфальтобетона смачивание
осуществляется натеканием объемного слоя (фронта) термопласта под
действием рабочего органа маркировочной машины. Шероховатость,
пористость, различные виды загрязнения создают энергетические барьеры
сопротивления смачиванию и растеканию. На эффективность смачивания
оказывает влияние и процесс быстрого повышения вязкости термопласта (η)
при охлаждении на воздухе (рис.2).
5
η , МПа·сек
Рис. 2.
Зависимость вязкости
расплава термопласта
от температуры
4
3
2
1
100
120
140
160
180 Т, оС
Кроме того, при смачивании неоднородных, пористых или шероховатых
поверхностей происходит запирание пузырьков воздуха в неровностях. По
этим причинам наблюдается различная прочность адгезионного соединения
термопласта с асфальтобетонным покрытием в зависимости от характеристик
поверхности последнего (табл.2).
Отмечено, что наиболее прочное сцепление термопласта с асфальтобетонным покрытием происходит при нанесении разметки на частично
состаренный асфальтобетон.
7
Таблица 2
Прочность адгезионного соединения термопласта с асфальтобетонным
дорожным покрытием
Характеристика поверхности
Прочность на отрыв,
асфальтобетонного дорожного покрытия
МПа
Эксплуатационное состояние А
8-10
Эксплуатационное состояние Б
9-12
Эксплуатационное состояние В
5-8
Поверхность асфальтобетонного покрытия в этом случае представляет
собой мозаичную дифильную структуру, состоящую из гидрофильных
(минеральных материалов) и гидрофобных (битум) участков. Соответственно
можно выделить два механизма адгезии термопласта к асфальтобетону.
Смещение одного из пиков дуплекса связи С=O при 1731 см-1
циклических соединениях пентаэритритового и глицеринового эфиров
канифоли до 1738 см-1 позволяет сделать предположение о взаимодействии
поляризованного атома кислорода сложных ароматических эфиров с атомом
водорода ОН-группы асфальтеновых кислот с образованием водородной связи.
Это, в частности, подтверждается, смещением пика колебаний связанных OHгрупп с 3433 см-1 в битуме до 3415 см-1 в композиционном материале (рис.3).
Рис. 3. Данные ИКС: 1 – термопластичный материал «Кратер - 1»; 2 – битум;
3 – композиционный материал на их основе.
Адгезии на границе раздела «минеральная поверхность – термопласт»
способствует проникновение расплава термопласта в поры и микротрещины
минеральных материалов в процессе нанесения разметки. Адсорбированный
термопласт подобно анкерам удерживает пленку на поверхности зерен
минеральных материалов.
8
Таким образом, благодаря физико-химическим взаимодействиям
расплавов термопласта и битума, а также термопласта с поверхностью
минерального наполнителя образуется прочный контакт на поверхности
раздела «термопласт – асфальтобетон». Отрыв сформировавшейся пленки
термопласта на границе раздела с поверхностью асфальтобетона имеет
когезионный характер, что подтверждается данными оптической микроскопии
(рис.4).
Рис.4.а - Вид поверхности
Рис.4.б - Вид внутренней поверхности
асфальтобетона после отрыва
термопласта после отрыва от
термопласта;
асфальтобетона
Изучение температурных полей на границе дорожного покрытия и
расплава термопласта показывает наличие четырех характерных областей
взаимодействия системы «термопласт – асфальтобетон» (рис.5):
Т, оС
180
термопласт
битум
110
60
1
2
4
3
25
0
10
20
30
60 t, сек
Рис.5. Термокинетические зависимости системы «термопласт-асфальтобетон»
при нанесении разметки
1 область – термопласт находится в жидком состоянии, битум покрытия – в
твердом, температура его стремительно повышается. В этой области процессы
взаимодействия компонентов характеризуются процессами смачивания,
диффузии, окисления.
9
2 область – термопласт и битум находятся в жидкофазном состоянии, при
котором процессы взаимодействия значительно активизируются. Помимо
диффузионных процессов, в этом диапазоне температур имеет место
образование химических связей между полимерной частью термопласта и
компонентами битума.
3 область – термопласт переходит в твердое состояние (при Т=90-110оС),
битум находится в жидкой фазе. Можно говорить о смачивании битумом
твердой поверхности термопласта, но с учетом предыдущих реакций между
компонентами на этой стадии процессы взаимодействия практически
завершаются.
4 область – зона медленного охлаждения затвердевших термопласта и битума.
В этой области происходят релаксационные процессы в системе –
минимизируются механические напряжения, завершаются окислительные
процессы.
В четвертой главе приведены результаты исследования физикохимических свойств термопласта, модифицированного добавками различных
синтетических восков.
В качестве основы связующих современных термопластов для дорожной
разметки используются синтетические смолы, получаемые полимеризацией
непредельных С5-С9 углеводородов (углеводородные смолы), или эфиры
канифоли. Для обеспечения морозостойкости в их состав вводят
пластификаторы - минеральные масла или эфиры двухосновных органических
кислот (адипиновой, себациновой, фталевой). Однако пластификаторы
снижают температуру размягчения смолы до уровня 50-70оС, тем самым
создавая условия для загрязнения, поскольку пластифицированная смола
образует эластичную и липкую на ощупь пленку.
Таблица 3
Влияние добавок на характеристики связующих для термопластов
№
Наименование добавки
1
Пластификаторы
2
Пластификатор+сэвилен
3
Пластификатор+SIS
4
Пластификатор+сэвилен+SIS
Пласификатор+сэвилен+SIS+
полиэтиленовые воски
Пластификатор+сэвилен+SIS+
полипропиленовые воски
Пластификатор+сэвилен+SIS+
амидные воски
5
6
7
Наблюдаемый эффект
Образуются прозрачные и липкие пленки.
Снижают Тразм смол до 50-60оС
Пленки эластичные, липкие. Тразм.
не изменяется
Пленки эластичные, липкие. Тразм
увеличивается примерно на 10оС
Характеристики пленок не изменяются
Пленки остаются эластичными, липкость
исчезает. Тразм. поднимается на 25-30оС
Пленки эластичные, липкость отсутствует.
Тразм поднимается на 30-35оС
Пленки эластичные, липкость отсутствует.
Тразм повышается на 30-40оС
Для обеспечения прочности и эластичности термопласта при низких
температурах в состав связующих вводили полимерные добавки - сополимеры
этилена с винилацетатом (сэвилен или EVA) и блок-сополимеры стирола с
10
изопреном (SIS). Однако они мало влияют на температуру размягчения, а
пленки с их добавками оставались эластичными и такими же липкими (табл.3).
Для устранения липкости в качестве модифицирующих добавок наиболее
эффективными являются композиции с добавлением восков (табл.4).
Таблица 4
Основные характеристики восков, использованных в работе
Марка
Химическая основа
Тпл., °С
К.ч., мг.КОН/г
ρ, г/см3
ПВ-200
полиэтилен., неполярный
106
0
0,90
Fа-1
BS-100
амидный воск, полярный
амидный воск, полярный
141
141
6
8
1,00
1,00
РР-230 полипроп. воск, неполярный
160
0
0,88
РЕ-520
полиэтилен., неполярный
118
0
0,93
AR-504
полипроп. воск, полярный
155
50
0,92
РЕ-890
сополимер ПЭ с
винилэтилацетатом
97
0
0,94
Анализ свойств образцов термопластов, модифицированных добавками (в
количестве 2%) различных восков, показал, что наилучшие результаты с точки
зрения достижения наивысших прочностных характеристик дорожной
разметки показывают воски марок Fа-1 и BS-100 (рис.6).
Т= -10оС
Т= 00С
Т= +200С
2,5
2,0
1,5
1,0
PE-520
BS-100
Fа - 1
AR-504
РЕ-890
РР-220
Без
воска
0
РР-230
0,5
ПВ-200
Разрушающее напряжение при
сжатии, МПа
3,0
Рис.6. Зависимость прочности при сжатии от марки воска,
введенного в термопласт в количестве 2%
Введение восков устраняет эффект липкости пленок связующих (рис.7).
При этом воски повышают одновременно и температуру размягчения
11
связующих, что способствует снижению способности к загрязнению
термопласта при повышенных температурах дорожного покрытия (рис.8).
F,н
3
90
Рис.7.
70
Влияние содержания воска
на изменение липкости F
термопласта при
50
температуре 600С :
1 – Fa-1, 2 - BS-100, 3 – ПВ30
200.
2
1
Рис.8.
Зависимость температуры
размягчения термопласта
от содержания введенного
воска:
1 – Fa-1, 2 - BS-100,
3 - ПВ-200
Температура размягчения , оС
0
0,25
0,5
0,75
1,0 1,25
Содержание воска,%
1,5 2,0
110
100
90
3
80
1
70
2
60
0
1,5
0,5
1,0
Содержание воска, %
2,0
Установлено, что воски, особенно полярные, в процессе охлаждения
расплава термопласта мигрируют в его поверхностные слои. Поэтому
поверхность термопласта теряет липкость, а его обратная (нижняя) сторона, из
которой воск мигрирует вверх, сохраняет достаточную адгезию к
асфальтобетону. Исследования показателя адгезии определяли по усилию
отрыва термопласта, нанесенного на поверхность образцов асфальтобетона с
различными параметрами шероховатости и эксплуатационным состоянием.
(рис.8).
Установлено, что прочность при отрыве термопласта стабильно выше
оказывается в случае нанесения разметки на асфальтобетон, находящийся в
эксплуатационном состоянии Б (см. рис.1).
12
Б
Прочность при отрыве, МПа
Рис.9.
Адгезия термопласта к
асфальтобетону в
зависимости от состояния
поверхности (А,Б,В) и
марки воска (в количестве
2%)
Б
1,5
А
Б
1,0
А
В
А
В
В
0,5
0
ПВ-200
Fa-1
Марка воска
BS-100
Рис.10.
Зависимость скорости
течения расплава
термопласта «Кратер»
от содержания введенного
воска: 1 – Fa-1, 2 – BS-100,
3 – ПВ-200
Скорость течения расплава, г/сек
Это позволяет сделать вывод, что прочность соединения «термопласт –
асфальтобетон» обеспечивается также за счет проникновения расплава
термопласта в поры и микротрещины минеральных наполнителей.
Введение амидного воска Fa-1 в состав термопласта вместо
традиционного полиэтиленового воска ПВ-200 помимо уменьшения липкости
поверхности и повышения температуры размягчения позволяет также
повысить скорость течения расплава (рис.9).
6
5,5
5
1
4,5
2
4
0
0,5
3
1,0
1,5
Содержание воска, %
2,0
С учётом высокой стоимости воска Fa-1 (135 тыс. руб./т), применяемого
взамен воска ПВ-200 (65 тыс. руб/т) экономически допустимой концентрацией
его в составе термопласта можно считать уровень 1%. Однако для повышения
характеристик термопласта количество воска Fa-1 желательно увеличить сверх
1%. В этом случае нужно компенсировать заметное удорожание стоимости
термопласта: каждый дополнительный процент воска в составе термопласта
приводит к росту себестоимости примерно на 5,0%.
Сжатие, оказываемое на разметочную полосу колесами автомобиля, может
приводить к раздавливанию полосы или к ее раскатыванию, при этом могут
13
изменяться геометрические размеры (например, ширина) полосы до
недопустимых величин. Такая деформация зависит от уровня приложенной
нагрузки и температуры.
Эффект ползучести материала при этом может быть оценен как
сопротивление постоянно действующей нагрузке и степени сохранения
первоначальной геометрической формы у образца. Опыт проводится
следующим образом: из расплава термопласта во фторопластовых разборных
формах формируются цилиндрические столбики высотой 20-30 мм, которые
подвергаются обжатию постоянным давлением 0,22 кгс/см2 при температуре
20-22оС. Изменение высоты столбика за 24 часа является мерой степени
обжатия материала.
Введение воска Fa-1 (до уровня 1,5%) и полный вывод при этом из состава
термопласта сэвилена приводит к росту скорости течения расплава и
сохранению достигнутого ранее уровня стоимости (стоимость 1 %масс. сэвилена
соответствует стоимости 0,5% масс. воска). При этом сопротивление обжатию
находится на допустимом уровне (табл.5).
Причина этого упрочнения материала, по-видимому, связана с химической
природой амидного воска, с его структурой. Как и все амиды, отличающиеся
хорошо выраженными основными свойствами, такие воски могут
образовывать соединения с устойчивыми связями с остатками кислых групп в
канифольных смолах. Именно эти связи, нестойкие при нагревании,
препятствуют обжатию материала при нормальной температуре.
Таблица 5
Уровень обжатия термопласта в зависимости от содержания воска Fa-1
и сэвилена
Содержание воска
Fa-1, %
Содержание
сэвилена, %
Уровень обжатия, %
0
0,5
1,0
1,5
2,0
1,4
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
0
63
40
15-20
0
0
5-10
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что
увеличение содержания воска Fa-1 является наиболее эффективным по
обеспечению скорости течения, по минимизации величины обжатия, не
требует смены традиционных компонентов состава.
В случае использования канифольной смолы «Пентанокс» увеличение
концентрации воска Fa-1 приводит к росту жёсткости термопласта (~ на 710%), поэтому для обеспечения эластичности целесообразно большую часть
14
смолы «Пентанокс» (~60%) заменять на смолу ГЭК (глицериновый эфир
канифоли).
В настоящее время рабочей температурой при нанесении термопласта на
дорогу является Т=200±5°С. Между тем работа при повышенной температуре
сопряжена с повышенной скоростью окисления компонентов термопласта и
естественным при этом снижением степени его белизны.
Особенно вопрос сохранения заданного уровня белизны возникает при
уменьшении в составе термопласта «Кратер» содержания пигмента - с 5,0% до
2,5%.
Следует отметить, что воски Fa-1 и BS-100 при температуре 190-200°С
подвержены термоокислительной деструкции, и после 30-минутного
термостатирования при этих температурах приобретают жёлтую окраску. Для
уменьшения этого негативного эффекта исследована возможность повышения
белизны композиции за счёт замены серого кварцевого песка на белый
мраморный песок с размером частиц до 0,8 мм.
Для обеспечения уровня белизны требуется понижение рабочей
температуры с 200° до 180°С и менее. При этом белизна сохраняется не только
за счёт снижения интенсивности окислительного процесса, но и за счёт
лучшего перетира частиц пигмента в более вязкой среде. Но переход на
меньшую рабочую температуру связан с потерей технологичности расплава
(табл.6).
Таблица 6
Характеристики термопласта «Кратер» (с 2,5% TiO2) в зависимости
от рабочей температуры
Показатели
Т=200°С
Т=180°С
Скорость течения
4,9
2,7-3,0
расплава, г/с
Белизна, %
78
79-83
Переход на меньшую рабочую температуру способствует уменьшению
расхода газа, используемому для поддержания заданной рабочей температуры
при плавлении композиции в маточном котле и при производстве разметочных
работ.
С целью обеспечения необходимой технологичности расплава (прежде
всего, скорости течения - 4,5-5,0 г/с) исследованы целесообразность
укрупнения наполнителя, увеличения концентрации пластификатора,
увеличения концентрации воска Fa-1.
Гранулометрический состав минеральной части термопласта «Кратер»
представлен в табл. 7.
15
Таблица 7
Гранулометрический состав минеральных наполнителей термопласта
«Кратер»
Средний
Количество,
Наполнитель
размер, мкм
%
Песок кварцевый
250 - 300
19,0-21
Песок мраморный, фракция 0-800 мкм
250-300
19,5-21
Микромрамор УР-7
5-9
16-20
Двуокись титана (TiO2 )
1-3
2,5-3
Стеклянные микрошарики
400-850
18-22
Следует учитывать, что по фракциям стеклошариков и TiO2 имеются
принципиальные ограничения по показателям световозвращения и белизны вариации по этим компонентам (размеры частиц и содержание в составе)
недопустимы. Введение микродоломита МД-60 в качестве укрупнённой
фракции позволяет повысить скорость течения расплава.
В табл. 8 представлены результаты по влиянию особенностей наполнителя
на скорость течения расплава наполнителя.
Таблица 8
Влияние особенностей наполнителя на скорость истечения расплава
термопластика «Кратер» (Т=180°С)
№
Скорость течения
Особенность состава наполнителя
п\п
расплава, г/с
1
Стандартный состав (табл. 7)
2,7
Промежуточный состав, в котором УР-7
2
3,9
и кварцевый песок полностью заменены
на МД-60
Состав, в котором УР-7 и кварцевый песок
полностью заменены на МД-60, а стандартный
3
4,6
мраморный песок (0-800) заменён на более
крупный отсев
Увеличение в составе термопласта «Кратер» пластификатора ДОФ от 3,6
(стандартная норма) до 3,9% повышает скорость течения расплава от 4,5 до 4,8
г/с, но одновременно ведёт к повышению липкости поверхности термопласта и
повышает уровень его обжатия под нагрузкой до нежелательных значений 30-35%. Поэтому такой путь повышения технологичности установлен как
неприемлемый.
Вариант дополнительного использования более крупных фракций
наполнителя рассматривается как резервный при необходимости. В этом
случае появляется вполне реальная возможность снизить рабочую температуру
переработки термопласта до 170°С (табл. 9).
16
№№
п\п
1
2
3
Таблица 9
Влияние особенностей наполнителя на характеристики
откорректированного состава «Кратер» (2,5% TiO2)
Скорость
Адгезия к
течения
Белизна, асфальту,
Особенности наполнителя
расплава при
%
20°С,
170°С,
МПа
г/с
Стандартный состав
Откорректированный состав,
в котором УР-7 и кварцевый
песок полностью заменены
на МД-60
Откорректированный состав,
в котором УР-7 и кварцевый
песок полностью заменены на
МД-60, а стандартный
мраморный песок заменён на
более крупный отсев
4,1
81
1,2
4,4
82
1,2
4,9
83
1,4
В целом состав термопластика типа «Кратер», перерабатываемый при
рабочей температуре 180°С, выглядит следующим образом (табл.10):
Таблица 10
Разработанный состав повышенной долговечности
на основе термопласта «Кратер»
Ингредиенты
Содержание, %
Смола «Пентанокс»
5,2
Смола ГЭК
7,8
ДОФ
3,5
Кратон «Д»
1,7
Мраморный песок
20,0
Кварцевый песок
19,9
УР-7
18,0
TiO2
2,5
Fa-1
1,4
Стеклянные микрошарики
20,0
17
Разработанный состав
свойствами (табл.11).
термопласта
характеризуется
следующими
Таблица 11
Основные характеристики откорректированного состава термопласта
Характеристика
Значение
о
4,8-5,2
Скорость течения расплава V (при Т=180 С), г/с
80-83
Белизна, %
2
12 - 15
Адгезия, σа при Т=20°С, кГс/см
15 - 17
Время формирования (при 20°С), мин.
110 - 112
Температура размягчения, °С
2
24 - 32
σсж при +20°С, кГс/см
2
75 - 95
σсж при 0°С, кГс/см
2
145 - 190
σсж при -10°С, кГс/см
25365*
Цена рецептурной части, руб/т,
*Для сравнения: цена ПКРМ «Кратер» (с 2,5% ТО2) до корректировки хим.состава
составляет 26150 руб./т, цена ПКРМ «Новопласт» -28188 руб./т.
По результатам проведенных исследований разработан перечень этапов
создания рецептуры долговечных разметочных термопластов c учетом условий
их эксплуатации.
В пятой главе приведены практические результаты реализации
технологии, производства и применения разработанных термопластов.
Приведены сведения о результатах научного и инженерно-технического
сопровождения разработки рецептур и выпуска материалов в ЗАО
«Технопласт», г. Дзержинск Московской области.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана технология создания термопластов для дорожной разметки
повышенной долговечности. Определены основные этапы разработки
рецептур, учитывающие конкретные условия применения дорожной разметки.
2. Определены требования к долговечным термопластам для дорожной
разметки; выполнен подбор ингредиентов композиций (связующих,
технологических добавок).
3. Проведен анализ
физико-химических процессов взаимодействия
композиционного материала для дорожной разметки на полимерной основе с
дорожным покрытием. Механизм взаимодействия в термодинамической
системе «композиционный материал разметки – асфальтобетонное покрытие»
в динамических условиях определяется:
- процессами смачивания гидрофильных и гидрофобных компонентов
дорожного полотна,
- проникновением с последующей адгезией и адсорбцией расплава
термопласта в поры и микротрещины минеральных материалов,
18
- образованием химических связей между полимерной частью разметки и
близкими по строению компонентами битума.
4. Определены требования к технологии и рецептурам термопластичных
разметочных материалов на основе анализа условий их эксплуатации.
Установлено доминирующее влияние характеристик вяжущих ингредиентов на
функциональную устойчивость дорожной разметки. Показано, что
регулирование концентрации технического воска в композиции позволяет
повысить температурный диапазон незагрязняемости на 5-15оС и обеспечить
повышение срока службы дорожной разметки на 1 месяц.
5. Разработанная технология внедрена в производство в ЗАО «Технопласт».
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в
следующих публикациях:
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Возный, С. И. Рецептуры термопластичных разметочных материалов / С. И.
Возный, А. А. Артеменко, С. М. Евтеева // Промышленное производство и
использование эластомеров. 2011. № 4. С. 47 - 50.
2. Возный, С. И. Физико-химическое взаимодействие термопластичных разметочных материалов с поверхностью асфальтобетонных дорожных покрытий
/ С. И. Возный, С. М. Евтеева // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 62-64.
3. Возный, С. И. Применение холодных пластиков для противоскользящих
покрытий / С. И. Возный, В. К. Крылов, В. В. Рабенау, В. Н. Свежинский //
Строительные материалы. 2009. № 2. С. 53 - 55.
4. Производство холодных пластиков для разметки шероховатых покрытий /
С. И. Возный, А. А. Артеменко, С. М. Евтеева, Ю. Э. Васильев // Современные
проблемы науки и образования. 2011. № 6 (электронный журнал) URL:
www.science-education.ru/95-4569.
5. Возный, С. И. Разработка рецептур и технологий композитных дорожных
термопластиков на полимерной основе / С. И. Возный, А. А. Артеменко, С. М.
Евтеева // Фундаментальные исследования. 2012. № 3(2) (электронный журнал)
URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_article&article_id.
Монография
6. Возный, С. И. Долговечные материалы для дорожной разметки. Химия и
технология. Научное издание / А. А. Артеменко, С. И. Возный, С. М. Евтеева,
А. В. Кочетков. Саратов : Изд. «РАТА». 2011. 182 с.
В других изданиях:
7. Возный, С. И. Физико-химические процессы смачивания при нанесении
термопластичного разметочного материала на поверхность дорожного
покрытия / А. А. Артеменко, С. М. Евтеева, С. И. Возный // Дороги и мосты.
2011. № 1 (25). С. 240 - 249.
8. Возный, С. И. Совершенствование технологий производства разметочных
материалов на полимерной основе / С. И. Возный // Разметка автомобильных
дорог: инновации, техника, оборудование, материалы: материалы Междунар.
19
науч.-практ. конф. Саратов : ОАО «Саратовский электроприборостроительный завод им. С. Орджоникидзе», 2007. С. 16 - 18.
9. Возный, С. И. Особенности применения холодных пластиков при разметке
дорог / В. К. Крылов, Б. Г. Бубнова, С. И. Возный, В. В. Рабенау // Дорожная
держава. 2008. № 10. С. 74 - 75.
10. Возный, С. И. Цветные противоскользящие покрытия нового поколения /
А. В. Кочетков, С. В. Овсянников, С. И. Возный // Дорожная держава. 2008. №
13. С. 42 - 44.
11. Возный С. И. Технология производства разметочных материалов на
полимерной основе. Стандарт организации ООО «Технопласт» / С. И. Возный.
М. : ООО «Технопласт». 2011. 20 с.
Патенты
12. Патент РФ № 2358999 Термопластичный состав спрей-пластик для
маркировки дорожного полотна методом распыления под давлением / С. И.
Возный, В. В. Рабенау, В. К. Крылов и др. // Дата публикации заявки
10.10.2008, опубликовано 20.06.2009, Бюл. № 17. 2009.
13. Патент РФ № 2359000 Термопластичный состав для маркировки дорожного
полотна / С. И. Возный, В. В. Рабенау, В. К. Крылов и др.// Дата публикации
заявки 10.10.2008, опубликовано 20.06.2009, Бюл. № 17. 2009.
Степень личного участия автора в опубликованных работах
В работах [1-13] автор принимал непосредственное участие в постановке
теоретической проблемы, проведении анализа состояния нормативнометодического обеспечения производства, применения и контроля качества
дорожной разметки; предложении и уточнении новых рецептур композитных
дорожных термопластов, обсуждении и обобщении результатов, подготовке всех
публикаций.
Подписано в печать 02.03.2012
Бум. офсет.
Тираж 100 экз.
Формат 60×84 1/16
Усл. печ.л. 1,0
Заказ
Уч.-изд.л. 1,0
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77
20
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
370
Размер файла
1 660 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа