РоЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ПЕРЕДУМОВИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Закономірності формування структури дьогтеполімерних в'яжучих і
дьогтеполімербетонів на їх основі підвищеної довговічності
Однією із основних необхідних умов ефективного впливу добавки полімеру на
властивості органічних в’яжучих є їх сумісність, яка полягає у здатності
полімеру розчинятися у в’яжучому. Згідно з даними [40], параметри
розчинюваності антраценового масла, полівінілхлориду та полістиролу близькі і
складають, відповідно, 21,65; 20,6 та 18,2 (Дж/м3)0,5. Отже, згідно з цим
критерієм кам’яновугільний дьоготь та пил полістирольний є сумісними
компонентами дьогтеполімерного в’яжучого.
Сипучі дрібнодисперсні відходи виробництва суспензійного і емульсійного
полістиролу відносяться до групи полідисперсних капілярно-пористих матеріалів,
а тому для характеристики першої стадії їх суміщення з дьогтем можна
використовувати такі ж фізико-хімічні закономірності як і у випадку просочення
подібних матеріалів малов’язкими рідинами. Просочення капілярно-пористих
матеріалів рідинами нерозривно пов’язано з процесами змочування, розтікання і
дифузійними явищами [171, 172 ].
В процесі суміщення порошкоподібних відходів полістиролу (пил полістирольний)
дьоготь спочатку змочує зовнішню поверхню зерен. Майже одночасно з цим
низькомолекулярні компоненти дьогтю починають поступово витісняти повітря з
відкритих пор різної форми і проникають в середину цих капілярів. При цьому, за
рахунок контакту розчинника з полімером як по зовнішній поверхні зерен, так і
по внутрішній, відбувається їх набрякання, що призводить до зростання розміру
часток полімеру.
Значний вплив на хід перебігу цих процесів має в’язкість вихідного
кам’яновугільного дьогтю. Для модифікації кам’яновугільних в’яжучих полімерами
у порошкоподібному стані доцільно застосовувати, як вихідне середовище,
малов’язкі дьогті. Наявність у складі рідких дьогтів полярних ароматичних
вуглеводнів у неіммобілізованому стані буде сприяти набряканню та розчиненню
часток полімеру при оптимальному технологічному режимі їх об’єднання.
Враховуючи, що змочування твердих тіл рідиною характеризується краєвим кутом
змочування, величина якого залежить від поверхневого натягу рідини [173],
доцільно використовувати кам’яновугільні дьогті з низьким значенням
поверхневого натягу для приготування дьогтеполімерних в’яжучих на основі пилу
полістирольного. Це сприятиме інтенсифікації процесу набрякання та розчинення
полімеру до рівня макромолекул. Зважаючи на те, що із зменшенням в’язкості
кам’яновугільного дьогтю, яке може відбуватися при зростанні температури,
спостерігається зменшення величини поверхневого натягу, очевидною є можливість
регулювання швидкості процесу розчинення полімеру у дьогті зміною температури,
при якій відбувається об’єднання компонентів. При цьому важливим є встановлення
граничних температурних режимів об’єднання компонентів дьогтеполімерного
в’яжучого, стосовно недопущення термодеструктивних процесів, які можуть
виникати при застосуванні рідких розріджувачів.
В початковий період суміщення компонентів дьогтеполімерного в’яжучого виникає
дисперсна система: пил полістирольний – дьоготь. В такій багатофазній
гетерогенній дисперсній системі дисперсійним середовищем є - фракція дьогтю, а
дисперсною фазою – дрібнодисперсні відходи виробництва полістиролу.
Для того щоб полімер проявив свій вплив на властивості дьогтю, необхідно його
перевести з дисперсної фази в розчинний стан, тобто диспергувати його до
молекулярного рівня.
Суттєвий вплив на швидкість просочення, набрякання та розчинення полістирольних
відходів дьогтем має груповий склад дьогтю, його в’язкість і, відповідно,
температура. По мірі підвищення температури дьогтю швидкість цього процесу
прискорюватиметься. При цьому необхідно враховувати, що підвищення температури
дьогтю повинно бути обмеженим температурою 120 °С, після якої виникає небезпека
часткової термодеструкції дьогтю.
Схематично процес розчинення пилу полістирольного у кам’яновугільному дьогті
зображено на рис. 2.1.
Рис. 2.1 Схема процесу розчинення пилу полістирольного у кам’яновугільному
дьогті
Після завершення стадії просочення полімерних відходів дьогтем наступає друга
стадія, при якій низькомолекулярні компоненти дьогтю проникають в поверхневий
шар макромолекул полістиролу і розсовують їх. Можна вважати, що
низькомолекулярні компоненти дьогтю на даному етапі виконують роль своєрідного
мастила, яке сприяє збільшенню рухливості макромолекул полімеру [183].
Внаслідок цього полімер починає набрякати.
Набрякання полімерів супроводжується зменшенням вільної енергії в системі
розчинник – полімер [181, 182]. З часом, коли ланцюги полімеру будуть уже
достатньо розсунуті, вони починають дифузіювати в розчинник. З цього моменту
починається взаємна дифузія обох контактуючих фаз, яка закінчується лише по
досягненні однакової концентрації полімеру у всьому об’ємі розчинника.
Відомо, що наявність в дьогтях з малою в’язкістю полярних вуглеводів сприяє
розчиненню зерен полімеру при значно нижчій температурі та меншому часі
суміщення, ніж у дьогтю з високою в’язкістю [40 ].
За температури 120 °С низькомолекулярні ароматичні вуглеводні дьогтю майже
відразу можуть проникати в поверхневий шар полістиролу, визиваючи швидке
набрякання і часткове розчинення його поверхневого шару, що може призвести,
внаслідок аутогезії, до злипання зерен пилу полістирольного у досить великі
агрегати у вигляді