авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Изоляционные материалы из базальтовых волокон, полученных индукционным способом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ТАТАРИНЦЕВА ОЛЬГА СЕРГЕЕВНА

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ БАЗАЛЬТОВЫХ ВОЛОКОН, ПОЛУЧЕННЫХ ИНДУКЦИОННЫМ СПОСОБОМ

05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Томск – 2006

Работа выполнена в Институте проблем химико-энергетических технологий СО РАН и Федеральном государственном унитарном предприятии «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Ворожцов Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кудяков Александр Иванович

доктор технических наук, профессор

Овчаренко Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор

Завадский Владимир Федорович

Ведущая организация ООО «РОМЕКС-Сибирь»,

г. Новосибирск

Защита состоится 30 марта 2007 года на заседании диссертационного совета Д212.265.01 при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Скрипникова Н.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблемы энергосбережения, защиты окружающей среды, снижения металлопотребления поставили перед строительной отраслью ряд неотложных задач, среди которых создание новых теплоизоляционных и конструкционных материалов и организация производств, обеспечивающих их выпуск, играют решающую роль. К таким материалам следует отнести базальтовые волокна и изделия из них в виде ваты, матов, плит, скорлуп, ровингов, тканей, сеток, пластиков, обладающие рядом уникальных свойств: минимальной тепло- и звукопроводимостью, экологической чистотой, устойчивостью к огню, кислотам, щелочам, влагостойкостью и долговечностью. Применение базальтоволокнистого утеплителя позволяет не только экономить тепловую энергию на отопление, но и увеличить полезную площадь за счет уменьшения толщины стен, сократить расходы на фундаменты, проводить модернизацию и капитальный ремонт существующих зданий и сооружений с целью приведения их ограждающих конструкций в соответствие с современными требованиями по теплотехнике. Эффективно использование базальтовых грубых волокон в качестве армирующего материала взамен асбеста и металла в производстве асбестоцементных и железобетонных конструкций, а ровингов и нитей при изготовлении базальтопластиков, по основным техническим характеристикам не только не уступающих стеклопластикам, но и превосходящих их по модулю упругости, ударной вязкости и стойкости к агрессивным средам. Несомненным преимуществом этих полимерных композитов является стабильность качественных показателей при длительной эксплуатации. Продукция из природного камня получила признание во всем мире. Однако существующие объемы производств отечественных базальтоволокнистых материалов неизмеримо малы относительно спроса, технологии, на которых они базируются, морально устарели, а выпускаемая продукция не всегда удовлетворяет современным требованиям, в том числе по экологичности. В то же время одни зарубежные фирмы успешно завоевывают российский рынок строительных теплоизоляционных материалов, другие, экспортируя базальтовые нити и ровинги, значительно продвинулись в технологии производства композиционных изделий. Исходя из этого, задачи создания эффективных утеплителей и полимерных композитов со специальными свойствами, в качественном отношении превосходящих зарубежные аналоги, а также технологических процессов их промышленного получения не вызывают сомнений в актуальности. Безусловно, что разработки эти необходимо вести на надежном фундаменте научных исследований, начиная с выбора сырья и методов его переработки и кончая утилизацией отходов производства изделий.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с конверсионными программами по приоритетным направлениям науки и техники, утвержденными ГУ боеприпасов и спецхимии Комитета оборонных отраслей промышленности РФ (тема «Базальт», договор № 17/Н-93/113-Г), Департаментом БпиСХ Минэкономики России (тема «Диабаз», договор № 65/Э-105 ЮС-99), с планами научно-исследовательских работ Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН за 2001 – 2006 гг., интеграционным проектом ОХНМ РАН по приоритетному направлению «Энерго- и ресурсосберегающие технологии», международным интеграционным проектом с НАН Беларуси «Развитие научных основ получения тонкого непрерывного волокна из горных пород и реализация их в опытном производстве» и грантом РФФИ № 05-08-17904.

Целью работы является научное обоснование создания из минерального сырья эффективных изоляционных материалов строительного назначения и разработки технологических процессов их получения.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- выявить особенности физико-химических свойств расплавов горных пород и установить критерии их пригодности для получения различного вида базальтовых волокон с учетом выбранных условий плавления;

- определить режимы и параметры технологического процесса получения минеральной ваты с использованием индукционного метода плавления горных пород в водоохлаждаемом тигле и раздува расплава сжатым воздухом и рассмотреть пути повышения его эффективности;

- изучить механизм формирования штапельных волокон в газодинамического поле и разработать физико-математическую модель волокнообразования из расплавов;

- проанализировать принципы компоновки рецептур связующих и исследовать процессы, сопровождающие получение на их основе волокнистых утеплителей;

- осуществить реализацию результатов научных исследований в технологиях производства базальтоволокнистых строительных материалов;

- исследовать и обосновать возможность создания армированного базальтовыми волокнами полимерного композита с повышенной тепло- и водостойкостью.

Объектами исследования служили магматические горные породы, изготовленные из них волокна и изделия, а также технологические процессы их получения.

Предметы исследования: выбор сырья, проектирование составов, температурно-временные условия плавления пород и волокнообразования из расплавов, процессы сушки волокнистых материалов и влагопереноса в пластиках.

В работе использованы физические и химические методы исследования состава и структуры исходных веществ и композиционных материалов на их основе, методы математического моделирования для прогнозирования свойств расплавов и установления теоретических зависимостей параметров волокон от условий плавления и волокнообразования

Научная новизна. Получены новые знания в области переработки минерального сырья в базальтоволокнистые строительные материалы с высокими эксплуатационными свойствами. При этом впервые:

- расширены представления о взаимосвязи физико-химических свойств расплавов с минеральным и химическим составом горных пород, на основании которой выбраны и оптимизированы критерии их пригодности для производства штапельных и непрерывных волокон, основными из которых следует считать температуру верхнего предела кристаллизации, краевой угол смачивания материала фильерного питателя и вязкости расплава. Получено многофакторное уравнение регрессии, позволяющее с высокой степенью точности прогнозировать вязкость расплава при заданной температуре по химическому составу сырья;

- установлено, что перегрев расплава в границах 1700…2100 °С приводит к его полной дегазации и гомогенизации в течение 5…10 мин, что обеспечивает формирование волокон с минимальным количеством поверхностных дефектов и однородной структурой, обусловливающих их высокие физико-механические свойства;

- выполнено научное обоснование технологии получения минеральной ваты методом индукционного плавления горных пород с последующим раздувом расплава сжатым воздухом до супертонких волокон, обеспечивающей выпуск продукции, удовлетворяющей современным требованиям строительной отрасли, предъявляемым к волокнистым теплоизоляционным материалам;

- с использованием совокупности математических соотношений для расчета параметров струи расплава и образующихся волокон разработана физико-математическая модель преобразования расплава в волокно в газодинамическом поле с частотой акустических колебаний 20…100 кГц, адекватность которой подтверждена экспериментальными результатами. Найденные теоретические закономерности явились основой для выбора рациональных технологических режимов производства минераловатных утеплителей;

- установлено, что создание эффективных теплоизоляционных материалов из базальтовых волокон возможно путем использования многокомпонентных связующих с корректирующими добавками, рациональный подбор которых обеспечивает высокую гидролитическую стойкость, широкий температурный интервал применения и долговечность изделий; - экспериментально и аналитически показана возможность создания полимерного композита, армированного базальтовыми непрерывными волокнами, с повышенной тепло- и водостойкостью, обеспечивающего длительную эксплуатацию изоляционных конструкционных изделий при температуре 150 С и 100 %-й влажности.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и базирующихся на их основе защищаемых научных положений подтверждена использованием известных положений фундаментальных наук и непротиворечивых физико-математических моделей, удовлетворительным согласованием расчетных и опытных данных, анализом погрешностей экспериментов по стандартным методикам, проведением государственной экспертизы при оформлении патентов, а также успешным функционированием производств по выпуску базальтоволокнистой продукции, отвечающей требованиям нормативной документации.

Практическая значимость заключается в расширении номенклатуры горных пород для производства базальтовых волокон, применении найденных аппроксимационных зависимостей при выборе сырья и совершенствовании технологических процессов производства базальтоволокнистой продукции, в установлении и обосновании сроков эксплуатации утеплителей, в использовании теоретических и экспериментальных результатов исследований в учебном процессе при чтении лекций и выполнении курсовых и дипломных работ в ТГАСУ, ТПУ и АлтГТУ.

Реализация результатов исследований. Основные положения и полученные результаты использованы при разработке технологических регламентов на производства минеральной ваты и теплоизоляционных плит, методик на проведение исследований базальтовых расплавов, инструкций по эксплуатации оборудования. Разработанные технологии получения базальтоволокнистых утеплителей внедрены на 9 предприятиях России.

На защиту выносятся:

- обоснование выбора минерального сырья для получения различного вида базальтовых волокон с учетом температурно-временных условий его плавления;

- способ изготовления минеральной ваты из супертонкого волокна с применением индукционного метода плавления горных пород в водоохлаждаемом тигле и вертикального раздува расплава сжатым воздухом.

- гипотеза о механизме преобразования расплава в волокно в газодинамическом акустическом поле.

- конструкторско-технологические разработки способов производства теплоизоляционных изделий из минеральной ваты с решением сопутствующих задач по выбору связующих, обеспечивающих высокое качество продукции.

- комплекс экспериментально-теоретических исследований по организации непрерывной технологической линии переработки горных пород в теплоизоляционные мягкие плиты.

- результаты исследований по созданию тепло- и водостойкого ком-

позиционного материала с обоснованием выбора армирующего волокна

и полимерной матрицы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работ, составляющих содержание диссертации, обсуждались на совещаниях, семинарах, конференциях всероссийского и международного уровней, таких как «The Scientific Conference on use of Research Conversion Results in the Siberian Institutions of Higher Education for International Cooperation (Томск, 1995), межд. семинар «Нетрадиционные технологии в строительстве», (Томск, 1999), городская науч.-практ. конф. «Социально-экономические проблемы развития Бийска» (Бийск, 1999), специальная сессия межд. Академии экологии и безопасности жизнедеятельности (Новосибирск, 1999), межд. Сибирская ярмарка «Siberia» (Новосибирск, 2001), I-VI Всерос. науч.-практ. конф. «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Бийск, 2001-2006), XVII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, (Казань, 2003), межвуз. конф. «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2003), семинар «Химические аспекты нефтедобычи» (Новосибирск, 2004), читательская науч.-техн. конф. «Журнал «Строительные материалы» – 50 лет с отраслью» (Новосибирск, 2005), 25 и 26 межд. конф. «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта, 2005, 2006). Часть разработок, выполненных по теме диссертации, отмечена дипломами и медалями межд. Сибирской ярмарки (1998, 1999, 2000), городской и краевой администраций (1999, 2002), межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение» (2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 53 научные работы, в том числе 13 статей в рецензируемых журналах, 35 докладов, получены 4 патента на изобретения и свидетельство на полезную модель.

Личный вклад автора состоит в формулировании основных научных идей, постановке задач и планировании исследований, разработке методов проведения экспериментов и испытаний, создании теоретических моделей и методик расчета, руководстве сотрудниками, выполнявшими работы по данной теме и авторском надзоре за организацией промышленных производств. При этом большая часть экспериментальных работ выполнена автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 360 наименований, 15 приложений. Работа изложена на 272 страницах текста, содержит 68 рисунков и 30 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, оценены научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, обозначены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях, объеме и структуре диссертации, а также дано краткое изложение материала по главам.

Первая глава содержит обзор литературы, в котором изложены сведения о направлениях работ и достигнутых результатах в области создания базальтоволокнистых изоляционных материалов. В ней рассмотрены и проанализированы способы плавления минерального сырья и формирования волокон из расплавов, приведены данные о разработках и производстве с использованием связующих органического и неорганического происхождения волокнистых утеплителей в России и за рубежом, обозначена проблема необходимости повышения эксплуатационных свойств превалирующих на строительном рынке стеклопластиковых труб для транспортировки жидкостей.

Проведенная сравнительная оценка плавильных агрегатов и способов переработки расплава в дискретные волокна показала, что наиболее предпочтительны для организации мало- и среднетоннажных производств индукционные печи и акустические дутьевые устройства. Плавление сырья токами высокой частоты позволяет за счет повышения температуры значительно ускорить процесс стекловарения и гомогенизации расплава и использовать однокомпонентное сырье, в том числе содержащее тугоплавкие примеси. Способ вертикального раздува расплава воздухом обеспечивает получение минеральной ваты из супертонкого волокна с минимальным содержанием неволокнистых включений без применения питателей из драгметаллов, однако общепризнанной теории, объясняющей механизм образования волокон в газодинамическом поле до сих пор нет. Остаются также малоизученными вопросы определения диапазона вязкости расплава, в пределах которого образуются волокна, и времени, за которое расплав при формировании волокон переходит из жидкого состояния в твердое. При современном состоянии понимания процесса новые знания в данном направлении можно получить путем теоретического и экспериментального изучения.

Рынок строительных материалов России испытывает недостаток в.эффективных теплоизоляционных изделиях. Большинство представленных на нем волокнистых утеплителей изготовлены с использованием органических связующих (фенолоспиртов, поливинилацетата, карбамидных и фенолоформальдегидных смол), присутствие которых ограничивает температурную область применения изделий до 250 С и не обеспечивает их экологическую безопасность. Для тепловой изоляции трубопроводом используются в основном стеклянные волокна в виде ваты и прошивных матов, имеющих невысокую химическую и гидролитическую стойкость, существенно снижающую срок службы изоляционного покрытия.

Анализ условий эксплуатации стеклопластиковых труб, выпускаемых различными фирмами, показал, что продукция эта считается теплостойкой, если может выдерживать долговременное воздействие температур не ниже 120 °С. Однако до сих пор вопрос гарантированной работы трубопроводов при этой температуре и давлении 1,6 МПа не решен, и тем более не известны пластиковые трубы для транспортировки воды под таким давлением при 150 °С. Поэтому задача создания ПКМ, обеспечивающего длительную эксплуатацию изделий в экстремальных условиях является актуальной, но достаточно сложной, поскольку требует не только знания основополагающих зависимостей свойств композита от вида и количества наполнителя и связующего, но и глубокого теоретического и экспериментального изучения влияния механического, химического и температурного воздействия на свойства материала.

Вышеизложенное определило цель настоящей работы и задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Во второй главе в результате исследования разных по химическому и минеральному составам горных пород проведена оптимизация критериев их пригодности для получения различного вида волокон. Предложена аппроксимационная формула для расчета вязкости расплава при заданной температуре по химическому составу сырья. Приведены экспериментальные данные по влиянию условий получения базальтовых стекол на физико-химические параметры расплавов и склонность их к волокнообразованию. Показаны перспективы использования горных пород Сибири и Дальнего Востока в производстве базальтовых волокон.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.