Применение наполнителей, в том числе из шунгита, в составе полимерно-битумных композиций



В статье рассматривается возможность применения тонкодисперсного наполнителя природного происхождения — шунгита, в составе полимерных композиций, для улучшения свойств битумного вяжущего, используемого при производстве асфальтобетонных смесей.

Ключевые слова: полимерно-битумные композиции, шунгит, полимер.

При использовании битума в производстве асфальтобетонных смесей не всегда удается создать материал, полностью удовлетворяющий потребителей по своим эксплуатационным свойствам. Положительный эффект достигается путем модифицирования битума полимерными добавками, которые улучшают определенные показатели асфальтобетона.

К настоящему времени в полимерно-битумных композициях испытаны практически все известные полимеры. Однако для практических целей применяются лишь некоторые типы высокомолекулярных соединений. Для модификации дорожного битума и получения полимерно-битумных вяжущих (ПБВ), наиболее часто используют блоксополимеры на основе стирола и бутадиена, т. е. термоэластопласты (ТЭП) [1–3]. Термоэластопласты хорошо совмещаются с битумом, т. к. полистирол и полибутадиен набухают в парафино-нафтеновых и нафтено-ароматических углеводородах битума и частично растворяются в них при температуре 150°С. Пространственная сетка, образующаяся в битуме при растворении в нем блоксополимера, имеет высокую прочность благодаря прочным связям между макромолекулами, а следовательно, получаемое вяжущее более теплостойко в сравнении с исходным битумом. Стеклоподобные блоки полистирола в трехблочных макромолекулах чередуются с эластомерными блоками полибутадиена, поэтому блоксополимеры типа СБС сочетают в себе высокую прочность, присущую пластмассам, и очень низкую температуру стеклования, свойственную каучукам.

Совершенствование свойств полимеров и их рецептур возможно за счет использования различных наполнителей, что дает новые возможности регулирования свойств полимерно-битумных вяжущих в зависимости от типа выбранного наполнителя. Введение наполнителей способствует улучшению как технологических, так и физико-механических свойств полимеров, а, следовательно, и вяжущих, позволяет снизить высокую стоимость материалов. Наполнители вводятся при приготовлении полимерных композиций, когда на смесь действуют высокие сдвиговые усилия, способствующие равномерному распределению частиц наполнителя в матрице полимера. Кроме того, наполнители в отличие от других добавок не образуют со связующим однородного материала, а распределяются в нем в виде обособленных частей отдельной фазы.

В качестве наполнителей наибольшее практическое применение получили твердые тонкодисперсные порошки органического или неорганического происхождения. Содержание дисперсных наполнителей в композите возможно от нескольких процентов до 70–80 % [4], а при более высоких концентрациях, частицы наполнителя начинают контактировать между собой, что приводит к скачкообразному изменению свойств композита. Такое явление рассматривалось в работе [5]. Авторами отмечено, что содержание наполнителей в полимерном композите должно быть оптимальным как с точки зрения возможности его переработки, так и с точки зрения его влияния на эксплуатационные характеристики. При содержании наполнителя выше оптимального многие свойства композита ухудшаются.

В практике подбора состава полимерных композиций, существенным регулятором свойств являются дисперсные углеродные наполнители — сажа и технический углерод, которые выполняют роль светостабилизаторов и придают материалу электропроводящие свойства, способствуя стеканию статического электрического разряда, а графит снижает коэффициент трения, обладает хорошей тепло- и электропроводностью. Однако важными технологическими характеристиками полимерных композитов являются их деформационно-прочностные свойства.

Поиск новых наполнителей является актуальной задачей. В связи с этим в последнее время широко используется активный наполнитель природного происхождения — шунгит, имеющий уникальную фуллереноподобную структуру и высокие адсорбционные свойства [6–7].

Использование шунгита при переработке полимеров, как наполнителя в композитах, приводит к получению материалов, которые характеризуются улучшенным комплексом свойств, повышенными экономическими показателями из-за возможности снижения энергетических затрат при распределении в полимере [8]; а также ускоряет процессы интеграции и улучшает распределение наполнителей, повышая текучесть и пластичность эластомерных композитов [9].

Шунгит позволяет улучшить технические свойства сырых резиновых смесей, при этом повышает основные физико-механические свойства их вулканизатов, такие как стойкость к старению, термостойкость и температуростойкость [10].

Имеется также опыт использования шунгита для повышения качества битума [11–14], т. к. этот наполнитель обладает высокой адсорбционной активностью по отношению к органическому вяжущему, что способствует его структурированию. При введении шунгита в битум, вяжущее проникает в поровое пространство шунгита и заполняют его. Асфальтобетон, содержащий шунгит, имеет лучшие прочностные характеристики, показатели водостойкости после длительного водонасыщения, что обеспечивает более высокую коррозионную устойчивость асфальтобетонного покрытия по сравнению с традиционным порошком из известняковых пород, имеет более высокий коэффициент морозостойкости [11].

В работе [12] исследованы процессы структурообразования в асфальтобетоне, содержащем в качестве минерального порошка шунгит. Исследовав теплоустойчивость асфальтовяжущего авторы установили, что шунгит оказал большее положительное влияние на эту характеристику по сравнению с другими порошками (известняк и доломит).

Целью исследования [13] являлось изучение возможности получения высокодисперсных порошков шунгита и термина и их влияния на свойства битумно-полимерных композиционных материалов. На основании полученных результатов сделаны следующие выводы: введение шунгита приводит к повышению температуры размягчения битумного вяжущего и теплостойкости. Улучшение свойств при введении шунгита связано с лучшим распределением этих наполнителей в битуме и большей поверхностью их контакта с битумом.

Работа [14] посвящена исследованию влияния тонкодисперсного шунгита на характеристики полимерно-битумного вяжущего и асфальтобетона. Установлено, что введение шунгита в состав ПБВ повысило его вязкость, адгезионные и когезионные свойства, что позволило улучшить прочностные свойства полимерасфальтобетона.

Таким образом, природный шунгит обладая ценными свойствами (сорбционными, каталитическими, восстановительными, бактерицидными, электропроводными) может найти дальнейшее применение во многих отраслях науки и техники, в том числе, в составе полимерно-битумных композитов для производства асфальтобетона.

Литература:

1. Соломенцев, А. Б. Классификация и номенклатура модифицирующих добавок для битума / А. Б. Соломенцев // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2008. — № 1. — С. 14‑16.
2. Ядыкина, В. В. Исследование влияния различных полимеров и пластификаторов на свойства битума БНД 60/90 и асфальтобетона на его основе / В. В. Ядыкина, А.М Гридчин, А. И. Траутваин, В. И. Вербкин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. — 2015. — № 6. –С. 40–45.
3. Худякова, Т. С. Особенности структуры и свойств битумов, модифицированных полимерами / Т. С. Худякова, А. Ф. Масюк, В. В. Калинин // Дорожная техника. — 2003. — № 7. — С. 174‑181.
4. Ершова, О. В. Современные композиционные материалы на основе полимерной матрицы / О. В. Ершова, С. К. Ивановский, Л. В. Чупрова, А. Н. Бахаева // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2015. — № 4–1. — С. 14–18.
5. Мельниченко, М. А. Влияние состава наполнителей на свойства полимерных композиционных материалов / М. А. Мельниченко, О. В. Ершова, Л. В. Чупрова // Молодой ученый. — 2015. — № 16 (96). — С. 199–202. URL: https://moluch.ru/archive/96/21554/.
6. Игнатов, И. Состав и структурные свойства природного фуллеренсодержащего минерала шунгита. Математическая модель взаимодействия шунгита с молекулами воды [Электронный ресурс] / И. Игнатов, О. В. Мосин // Интернет-журнал «Науковедение». — 2014. — № 2 (март-апрель). — С. 1–15. — точка доступа: http://naukovedenie.ru (индентификационный номер статьи в журнале 12TVN214).
7. Мосин, О. В. Состав и структурные свойства фуллеренсодержащего минерала шунгит / О. В. Мосин, И. Игнатов // Биосфера. — 2013. — № 1 (25). — С. 29–33.
8. Петрова, Е. П. Разработка и создание рецептуры резинотехнических изделий с улучшенными эксплуатационными и экологическими характеристиками с использованием шунгита [Электронный ресурс] / Е. П. Петрова, Н. А. Рахимова // Современные научные исследования и инновации. — 2016. — № 2. — С. 36–38. — точка доступа: URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/02/62786.
9. Гришин, Б. С. Тонкодисперсные шунгитовые порошки — перспективный наполнитель полифункционального действия для эластомерных композитов / Б. С. Гришин, Ю. К. Калинин // ИШП М. Петрозаводск. — 2005. — 19 с.
10. Потапов, Е. Э. Применение природных углеродсодержащих минеральных соединений в качестве ингредиентов полимерных композиционных материалах / Потапов Е. Э. // — М.: НИИ эластомерных материалов и изделий. — 2011. — С. 289–295.
11. Черноусов, Д. И. Применение асфальтового вяжущего вещества с шунгитом при устройстве дорожных покрытий: автореф. дис. … канд. тех. наук. — Воронеж. — 2011. — 19 с.
12. Подольский, Вл.П. Формирование асфальтовяжущего вещества при взаимодействии шунгитового минерального порошка с битумом / Вл.П. Подольский, М. А. Высоцкая, Д. А. Кузнецов, Д. И. Черноусов // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. — 2013. — № 1 (29). — С. 75–81.
13. Шевердяев, О. Н. Новые высокодисперсные минеральные наполнители для битумно-полимерных композиционных материалов / О. Н. Шевердяев, В. Н. Крынкина // Энергосбережение и водоподготовка. — Москва. — 2007. — С. 74–75.
14. Yadykina, V.V. Efficiency of using shungite filler for modifying organic binder / Yadykina V. V., Vyrodova K. S., Potapov E. E. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Buildintech BIT 2020. Innovations and technologies in construction. — 2020. –Р. 012025.