Materii Prime

Capitolul 1. Materii prime

Capitolul 1. Materii prime

COMPOZITE POLIMERICE CU DESTINAȚII SPECIALE

Pentru obținerea compozitelor polimerice se folosesc rășini epoxidice sau poliesterice, care reprezintă matricea sistemului și componente solide provenite din valorificarea deșeurilor solide, cum ar fi: pudreta de cauciuc, plastic, nisip de la sablare, sticlă mărunțită sau măcinată.

1.1. Rășini

S-au testat mai multe rășini de tip poliesteric și s-a ales pentru comparație o rășină epoxidică cu proprietăți cunoscute și testate inclusiv în compozitele polimerice pe bază de deșeuri organice sau anorganice [6-10].

1.1.1. Rășini epoxidice

Rășinile epoxidice constituie matrici polimerice termoreactive ce conțin cel puțin două grupări reactive epoxi,

Rășinile epoxidice sunt compuși conținând în moleculă două sau mai multe grupe epoxidice care prin reacție cu o substanță denumită întăritor sau prin polimerizare, în prezență de catalizator, se pot transforma în produși macromoleculari tridimensionali.

Amestecul compus din rășina epoxidică (RE), denumit în continuare compus epoxidic (CE) și componenta întăritor (CI) constituie sistemul epoxidic(SE). Sunt cunoscute o varietate foarte mare de sisteme epoxidice în funcție de natura catenei principale (aromatice, alifatice, cicloalifatice), a întăritorului sau a catalizatorului și prin natura materialelor de umplutură introduse în scopul modificării caracteristicilor sistemului epoxidic înainte de întărire și după întărire.

Rășinile epoxidice îmbină proprietățile mecanice și electrice deosebite, adezivitate și rezistențe chimice înalte având diverse utilizări: lacuri și vopsele, adezivi, stabilizatori pentru polimeri, compozite înalt performante etc.

Ele pot fi grupate în funcție de natura catenei principale și în funcție de numărul grupelor epoxi. Astfel în funcție de catena principală avem rășini alifatice, cicloalifatice, aromatice iar în funcție de numărul grupelor epoxi, rășini difuncționale, trifuncționale, tetrafuncționale și polifuncționale.

Rășinile mai pot fi clasificate în două grupe mari:

grupa I. Rășini care conțin gruparea glicidil

grupa a II-a. Rășini cu structură alifatică, liniară sau ciclică, derivate de la olefine

1.1.2. Rășini poliesterice

Sunt produse obținute prin esterificarea unui poliacid cu un poliol, fără a folosi uleiuri sau acizi grași pentru modificarea lor. [10-12]]

În funcție de utilizarea lor sunt:

Poliesteri saturați

Poliesteri nesaturați

(i) Rășini poliesterice saturate se fabrică prin reacția dintre mai mulți polioli și poliacizi sau anhidridele lor. Reacția de bază este esterificarea.

Pentru a obține diverse rășini cu caracteristici diferite și pelicule diversificate se urmăresc la fabricație următoarele:

masa moleculară poate fi controlată de raportul acid/alcool și funcționalitatea sistemului;

o elasticitate mai mare a peliculei este asigurată de excesul de OH;

reactanții alifatici conferă flexibilitate;

rezistența la apă și agenții chimici este dată de cicluri aromatice.

Pentru a obține sisteme necesare pentru vopsele se folosesc rășini poliesterice întărite cu rășini aminice. Aceste sisteme se caracterizează prin pelicule cu o duritate și totodată elasticitate foarte mare, rezistență la agenți chimici, detergenți și temperatură.

Prin poliesterificarea acizilor bibazici (anhidrida ftalică, acid adipic, acid azeloic) cu glicoli (ca etilen, propilen sau neopentilglicol), trioli (glicerină, trimetilolpropan) sau alți polioli se obțin rășini poliesterice pentru poliuretani (rășini cu rezistență termică foarte bună).

Rășinile tereftalice se folosesc pentru prepararea emailurilor pentru conductori electrici. Punctul de topire al polimerului este influențat de proporția de acid izoftalic.

Poliacizii utilizați

Acizi grași dimerizați conferă flexibilitate peliculei și scurtează durata sintezei

Acidul seboric și adipic conferă flexibilitate

Acidul izoftalic conferă rășinii elasticitate mărită și rezistență mare la agenți chimici

Anhidrida ftalică conferă duritate peliculei. Dacă se înlocuiește anhidrida ftalică cu acizii grași dimerizați sau cu acid azeloic scade vâscozitatea rășinii și mărește solubilitatea ei în xilen

Polioli

Etilenglicolul conferă rășinii luciu redus

Propilenglicolul mărește flexibilitatea și totodată duritatea rășinii

Pentaeritrita mărește mult duritatea și rezistențele mecanice ale peliculei

Neopentilglicolul conferă rezistență la supracoacere, la detergenți, agenți chimici și apă

(ii). Rășini poliesterice nesaturate

Se deosebesc de cele saturate prin faptul că ele conțin în moleculă reactanți nearomatici, capabili să reticuleze prin copolimerizare cu diverși monomeri nesaturați polimerizabili.

Rășinile polimerice nesaturate prezintă marele avantaj de evitare a pierderilor de dizolvant deoarece însăși monomerul joacă rol de dizolvant.

Aceste rășini se folosesc pentru confecționarea de piese turnate, laminate sau presate în industria electrotehnică și de construcții.

Proprietățile principale ale rășinilor poliesterice nesaturate sunt rigiditatea și flexibilitatea.

Între rigiditate și punctul de topire există o relație directă în sensul că rigiditatea favorizează cristalizarea deci un punct de topire ridicat. Flexibilitatea duce la scăderea punctului de topire.

Pentru compararea proprietăților compozitelor pe bază de deșeu solid imobilizate în matrice polimerică de diferite naturi s-au utilizat trei tipuri de rășini poliesterice.

R1 : rășină izoftalică

R2 : rășină ortoftalică aditivată

R3 : rășină ortoftalică

Tabelul 1.1. Caracteristici fizico-chimice ale rășinilor în stare lichidă [2]

Tabelul 1.2. Caracteristici mecanice ale rășinilor întărite fără material de umplutură

1.2. Deșeuri anorganice

Deșeurile anorganice folosite ca agregat au fost nisipuri și cioburi de sticlă de proveniența diferită. S-a urmărit ca aceste deșeuri să aibă o distribuție granulometrică bine controlată, pentru a asigura reproductibilitatea datelor obținute. In cazul nisipurilor nu s-a particularizat tipul de impuritate metalică sau oxidică prezentă frecvent în aceste deșeuri. Încercările preliminare au arătat că eventualele impurități anorganice prezente în proporții, de până la 10%, nu au afectat proprietățile mecanice ale compozitelor [13,14].

1.2.1. Nisip

În lucrarea de față s-au folosit nisipuri de turnătorie, rezultate la dezbaterea formelor cu nisip, dar și nisipuri provenite de la sablarea unor turnuri de răcire, ca de exemplu, de la sablarea turnurilor de răcire de la SC Oltchim Râmnicu Vâlcea [12].

Așa cum se știe, conform standardelor în vigoare, În funcție de dimensiunea granulometrică medie, nisipurile se plasează în trei domenii distincte:

nisipuri grosiere cu diametrul mediu de 2,0 – 0,6 mm

nisipuri medii cu diametrul mediu egal cu 0,6 – 0,2 mm

nisipuri fine cu diametrul mediu cuprins între 0,2 – 0,06 mm

Pentru lucrări de sablare a suprafețelor de beton și metal se folosește, de regulă, fracțiunea grosieră. Pentru realizarea formelor de turnătorie de obicei se folosește un amestec de particule de nisip, de dimensiuni variabile, funcție de tipul și dimensiunea formei.

Figura 1.1. Distribuția granulometrică a unor nisipuri, conform STAS 5609

Distribuția granulometrică a nisipului folosit în lucrare a fost , așa cum se observă în figura 1.2 destul de restrânsă, în domeniul de 100-1000 m, cu o maximă în jur de 200-300 m. În încercările efectuate s-au folosit și alte fracțiuni granulometrice pentru a stabili influența granulometriei nisipului asupra proprietăților fizico-mecanice.

Figura 1.2. Distribuția granulometrica a nisipului

1.2.2. cioburi de sticlă

„Spărtura de sticlă” (cioburi) se refolosește atât la fabricile de sticlă, cât și în unele fabrici de ceramică, ca adaos în amestecul de materii prime în proporție de 15 – 20 [15, 16].

Pentru a fi refolosite în fabricile de sticlă și cele de ceramică fină, cioburile de sticlă trebuie însă să corespundă condițiilor tehnice de calitate, cum ar fi culoarea, proporția și natura impurităților, umiditatea etc. În situația actuală, când fabricile de sticlă și cele de ceramică și-au restrâns activitatea, avem rezerve foarte mari cioburi de sticlă de proveniență și calitate extrem de diferită. Atât sticla de menaj, în particular buteliile, cât și sticla de construcție (sticla de geam ,dale) pot fi folosite, cu bune rezultate, pentru obținerea unor compozite polimerice.

Pentru a fi folosite cioburile sunt spălate, uscate și măcinate până la dimensiuni corespunzătoare.

În lucrarea de față am folosit deșeuri – spărturi de sticlă silico-calco-sodică, spălate și măcinate la o finețe avansată (peste 75% sub 1 mm, restul fiind până la 3 mm). Din figura 1.3 se poate observa că dimensiunea medie este cuprinsă între 30-1000 m. Pentru a studia influența granulometriei agregatului vitros s-au folosit și cioburi cu granulometrie controlată, a căror dimensiune medie a fost aleasă, după cum urmează: sub 1 mm; între 1-1,6 mm și 1,6 – 3 mm.

Figura 1.3. Distribuția granulometrica a sticlei mărunțite

1.3. Deșeuri organice

Pentru o serie de deșeuri organice, în prezent, se fac numeroase încercări de recuperare, transformare [17-19].

Deșeurile organice folosite în lucrare au fost pudreta de cauciuc și butelii de plastic din polietilen-tereftalat. Ambele se găsesc în cantități suficiente, iar buteliile de polietilen-tereftalat nu numai că se găsesc din abundență, dar ne invadează mediul. Implicațiile socioeconomice și ecologice sunt deosebite la folosirea acestora.

1.3.1. Pudreta de cauciuc

Anvelopele din cauciuc pot fi reșapate, utilizate în forma lor inițială sau introduse la mărunțire și măcinare. În toate cazurile înainte de mărunțire și măcinare se execută o operație prealabilă de spălare pentru îndepărtarea impurităților mecanice urmată de uscare. Înlăturarea impurităților mecanice are drept scop preîntâmpinarea apariției unor influențe oscilante în produsul conținând pudretă de cauciuc. S-a folosit pudretă (granule) de cauciuc obținută din măcinarea-dezintegrare într-un utilaj special a anvelopelor uzate și sortarea deșeurilor produsă de SC Artego Tg. Jiu [20].

Pudreta de cauciuc se obține în procesul de reciclare a anvelopelor uzate și a deșeurilor de cauciuc rezultate în procesul de prelucrare a cauciucului pe bază de polimeri de uz general (natural, stirenbutadienic, izoprenic) [10]

Granulele de cauciuc au dimensiuni 1-3 mm cu aspect masă granulară fără impurități de culoare neagră, densitate la 20°C dată de furnizor, 1,2± 0,3 g/cm3, temperatură de autoaprindere 300°C și nu prezintă pericol pentru om și natură [10,20]

Din analizele proprii de laborator s-au constatat următoarele:

pudreta de cauciuc are dimensiuni cuprinse între 1-3 mm

pudreta are aspect de masă granulară solidă fără impurități, de culoare neagră (vizualizarea cu lupa a probei pe fond alb, metodă asimilată)

densitatea 0,44 g/cm3

granulele prezintă miros caracteristic de cauciuc

1.3.2. Material plastic

Cei 3 R – Refolosire, Reciclarea și Reducerea deșeurilor este marea provocare a secolului XXI. Deșeurile de plastic ne-biodegradabil reprezintă o problemă importantă, întrucât studiile arată că în lume anual consumul de material plastic a crescut de la aproximativ 5 milioane de tone în 1950 la aproape de 100 milioane de tone astăzi.

Figura 1.4. Repartiția procentuală a plasticului pe produse din diferite domenii

Se produc și se utilizează astăzi de 20 de ori mai mult plastic decât în urmă cu 50 de ani. Consumul de plastic crește în fiecare an cu aproximativ 4% în Europa de vest [21-23].

Există aproximativ 50 de grupe diferite de plastic, cu 100 de varietăți. Toate tipurile de plastic sunt reciclabile. Pentru a face mai ușoară sortarea acestor plastice reciclabile, American Society of Plastics Industry a dezvoltat un standard cu coduri care să ajute consumatorii să identifice și să sorteze principalele tipuri de plastic.

Tabelul 1.3. Principalele tipuri de plastic și utilizările lor [18]

În ceea ce privește reciclarea deșeurilor de plastic care rezultă din șantierele de construcții, studii relativ recente [24,25] evidențiază posibile tehnologii de reciclare și produsele rezultate din acestea

Tabelul 1.4. Tehnologii de reciclare a plasticului

Materiale plastice (PL) utilizate: au fost PET-uri tăiate sub forma unor fulgi (pelete) de dimensiuni variabile (0,2 x 3 x 5mm) sau granule de dimensiuni sub 3 mm.