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 |   ...   | 6 |

Научные основы создания композиционных материалов из технических и природных силикатов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

РАЗГОВОРОВ Павел Борисович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ

СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ И ПРИРОДНЫХ СИЛИКАТОВ

05.17.01 – Технология неорганических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Иваново 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Н а у ч н ы й к о н с у л ь т а н т –

доктор технических наук, профессор Ильин Александр Павлович

(Ивановский государственный химико-технологический университет)

О ф и ц и а л ь н ы е о п п о н е н т ы:

доктор технических наук, ст.н.с. Кочетков Сергей Павлович

(Московский государственный открытый университет,

филиал в г. Воскресенске);

доктор технических наук, профессор Ксандров Николай Владимирович

(Нижегородский государственный технический университет,

филиал в г. Дзержинске);

доктор химических наук, ст.н.с. Агафонов Александр Викторович

(Институт химии растворов РАН, г. Иваново)

В е д у щ а я о р г а н и з а ц и я –

Российский химико-технологический университет

им. Д.И. Менделеева (г. Москва)

Защита состоится «­15» ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­сентября 2008 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр-т Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр-т Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «23» июня 2008 г.

Ученый секретарь

совета _______________________ д.т.н. Гришина Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкие перспективы создания и применения в технике нанокомпозитов и гибридных материалов на базе диоксида кремния обусловлены тем, что они представляют принципиально новый класс соединений, обладающих ценны-ми свойствами веществ неорганической (прочность, длительный срок службы, эколо-гическая безвредность) и органической природы (водоустойчивость, износостойкость и др.). В этой связи в настоящей работе рассмотрены аспекты получения композиций из водорастворимых силикатов, представляющих большой интерес для защиты мине-ральных и металлических поверхностей, и на научной основе решается ряд важней-ших проблем, касающихся выбора составов. Во-первых, исходные силикаты натрия, хотя и доступнее калиевых соединений, менее устойчивы к действию влаги. Во-вто-рых, готовые защитные материалы, в виду быстрого взаимодействия между жидкими и твердыми компонентами, приводящего к гелеобразованию и невозможности их по-следующего использования, не хранят свыше 1 сут. в смешанном виде. Выпуск и транспортировку материалов к месту производства работ осуществляют в двух упа-ковках (1– силикат калия, 2 – пигментная часть), что при употреблении требует прове-дения энергоемких операций дозирования и смешения фаз. В-третьих, ограниченный ассортимент на мировом рынке неорганических веществ, входящих в состав пиг-ментной части композиций, лимитирует выпуск качественных защитных материалов.

Решение указанных проблем требует проведения исследований в области научно-обоснованного поиска химического или физического модификатора для силикатов натрия, причем роль физического модификатора, не дающего сильных связок в раст-ворах, сводится к повышению необходимых свойств смеси. Анализ литературных ис-точников показывает, что карбамид, соединения с –NH- и NH2-группами, водные дис-персии полимеров (латексы), растворимые смолы, многоатомные спирты и неионо-генные ПАВ входят в круг соединений, весьма перспективных для апробации повы-шения жизнеспособности композиций из силикатов натрия и калия. Под жизнеспособ-ностью понимают максимальное время хранения готового материала, в течение кото-рого протекающие с участием жидкой и твердой фазы процессы структурообразо-вания дают возможность равномерно наносить его на поверхность без существенного ухудшения защитных свойств. При этом в ряду доступных модификаторов выделяет-ся карбамид, поведение которого в растворах силикатов в условиях повышенных температур изучено еще недостаточно. Восполнение данного теоретического пробела и анализ перспектив создания на базе продукта модифицирования одноупаковочных материалов является важной задачей. Решение же проблемы, касающейся расширения гаммы неорганических веществ в составе твердой фазы композиций, связывается с использованием альтернативного сырья (золы теплоэлектростанций, стеклобоя и др.), химическая полноценность которого отвечает перспективам применения в технике.

Также актуальна задача исследования свойств смесей природных (твердая фаза) и технических силикатов (жидкая фаза) – основы не только защитных, но и сорбцион-но-активных материалов, представляющих огромный интерес для химической и пи-щевой промышленности и современной медицины. Известно, что инициирование вы-деления из растительных масел жирных кислот, их производных (восков) и катионов тяжелых металлов предусматривает поиск недефицитных природных силикатных материалов и изучение возможностей их активации с целью превзойти по качеству импортные аналоги. В этой связи перспективна разработка научных основ формиро-вания композиций типа «природный силикат – органические кислоты» и «природный силикат – водорастворимый щелочной агент». Отмечается, что отечественный каолин является недорогим наполнителем или основным компонентом таких смесей, освеще-ние вопросов физико-химической механики которых в присутствии указанных акти-вирующих агентов позволит выявить гарантированные сроки их хранения и способ-ность к формованию.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой научно-технической Программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002–2006 гг. (разделы «Новые материалы и химические продук-ты», «Производственные технологии»), планом госбюджетных и хоздоговорных НИР ИГХТУ. Она поддержана Президиумом РАН (Государственная научная стипендия РФ, 1994–96 гг.) и грантом РФФИ № 96-03-04273-л.

Цель работы. Установление физико-химических закономерностей и разработка научных основ модифицирования соединений технических и природных силикатов кислыми и щелочными агентами. Создание на базе продуктов модифицирования конкурентоспособных защитных материалов с повышенным временем жизни, стабильностью при хранении, водоустойчивостью и сорбентов для извлечения примесных ингредиентов из маслосодержащих сред и снижения в них концентрации веществ, представляющих опасность для здоровья человека.

Достижение цели предполагает решение следующих задач:

– обобщение экспериментальных данных по управлению процессами структурооб-разования при создании многокомпонентных силикатных материалов;

– осуществление научно-обоснованного выбора недефицитных модификаторов и исследование закономерностей их влияния на физико-механические свойства сили-катных систем;

– разработка композитов, включающих неорганические промышленные отходы гальваношламы, золу ТЭС, молотое стекло, цинксодержащий отход производства ронгалита, при сохранении статуса их экологической безопасности;

– установление взаимосвязи между структурно-механическими, пористыми, сорб-ционными и адгезионными свойствами разработанных материалов;

– создание на базе процессов, протекающих при активации природных силикатов, эффективных способов сорбционной очистки маслосодержащих сред и выявление характера взаимодействий примесных восков с материалом сорбента в этих средах;

– разработка формовочных масс и способов создания гранулированных сорбентов из смесей природных и технических силикатов с последующим изучением их эксплуатационных свойств;

– выявление перспектив удешевления разработанных материалов при отказе от импортного сырья;

– внедрение разработанных технологических схем и способов получения новых композиционных материалов в практику.

Методы исследований. Использованы основные физико-химические методы – рентгеноструктурный, прямая микроскопия, атомно-абсорбционная и ИК-спектроско-пия, спектрофотометрия и турбидиметрия, рефрактометрия, вискозиметрия, калори-метрия, гравиметрия, газожидкостная хроматография, электрофоретический метод, метод термомеханических кривых, элементный анализ, а также методики оценки фи-зико-химических характеристик маслосодержащих сред и контроля качества защиты минеральных поверхностей, программа Mopac 93 и полуэмпирические методы РМ3, АМ1 для расчетов модельных систем, методы математической статистики.

Достоверность результатов работы базируется на использовании стандартизован-ных и современных физико-химических методов исследования, воспроизводимости экспериментальных данных в пределах заданной точности измерений, не противоре-чащих научным представлениям о закономерностях процессов модифицирования и активации силикатов, а также получении и свойствах композитов на их основе.

Научная новизна.

  • Впервые на базе комплексного исследования структурно-механических, порис-тых и сорбционных свойств формовочных масс из природных и технических силика-тов разработаны научные основы создания порошковых и гранулированных сорбен-тов, получаемых в ходе щелочно-кислотной (перкарбонат натрия, фосфорная кислота) и щелочной (силикат натрия; модифицированный карбамидом силикат натрия) акти-вации отечественного каолина установленного минерального и зернового состава.
  • Существенно дополнены теоретические представления о механизме взаимодей-ствия природных силикатов и восковых соединений в маслосодержащих средах. Определены параметры связей, энергетические характеристики получаемых адсорб-ционных комплексов, изучена кинетика их образования и установлен расход сорби-рующего материала.
  • Впервые предложен механизм плазменной активации каолина в положитель-ном столбе тлеющего разряда аргона и обнаружен эффект усиления в 1,5­–2,8 раз сорбционного сродства к альбумину с максимумом в области рН 4,5–5,0, отвечающей изоэлектрической точке соединений аминокислот альбумина (рI = 4,9).
  • Выявлен химизм процесса взаимодействия силикатов натрия и калия с карбамидом в условиях повышенных температур (60–90 °С).
  • Разработаны теоретические положения совместного химического модифициро-вания силикатов натрия и калия карбамидом и физического модифицирования бута-диенстирольным латексом. Впервые изучено поведение пленок, полученных из моди-фицированного силиката натрия, при 20–200 °С. Научно обоснованы степень разведе-ния силикатов водой, концентрация модификатора, температурный режим и продол-жительность обработки и найдены математические выражения, позволяющие прогно-зировать свойства продукта модифицирования.
  • Впервые решен ряд теоретических задач, связанных с регулированием структу-рообразования и повышением физико-механических свойств (водоустойчивости, прочности на изгиб и разрыв, адгезии к подложкам) защитных материалов из модифи-цированных силикатов натрия и калия, сочетающих в составе твердой фазы традици-онные неорганические вещества, каолин и/или неорганические промышленные отхо-ды; установлены оптимальные реологические характеристики таких материалов.

Отличие от результатов, полученных другими авторами, заключается в установлении физико-химических закономерностей модифицирования силикатов нат-рия и калия карбамидом, выявлении оптимальных условий процесса и разработке на основе полученных модифицированных продуктов жизнеспособных материалов с по-вышенными адгезионными и адсорбционными свойствами.

Практическая значимость.

  • Разработаны и апробированы новые способы получения порошковых и грану-лированных сорбентов из природных силикатов и технических силикатов натрия, использование которых позволяет эффективно очищать льняное, соевое и др. расти-тельные масла от восков, фосфатидов и свободных жирных кислот (патенты РФ №№ 2317321, 2317322). Процесс очистки не требует большого расхода сорбента, обеспе-чения низких давлений; при этом на 10–50 % снижаются энергетические затраты и достигается получение масел высокого качества, являющихся ценным сырьем для медицинских препаратов нового поколения.
  • Разработаны способы приготовления формовочных масс и предложена схема производства новых гранулированных сорбентов, способных поглощать вещества, вредные для организма человека (патент РФ № 2317945), а также катионы металлов Cu2+, Ni2+, Zn2+, Fe2+ и перекисные соединения по упрощенной технологии очистки маслосодержащих сред.
  • Предложен плазмохимический метод воздействия на поверхности природных силикатов, не требующий применения растворителей и обеспечивающий снижение энергозатрат на активацию в 1,3–2,0 раз.
  • Разработаны, запатентованы и прошли апробацию принципиально новые техни-ческие решения – способ получения (патент РФ № 2034810) и составы защитных материалов из силикатов натрия и калия, на 13–80 % превосходящих известные по кроющей способности (патенты РФ №№ 2294946, 2294947), эластичности (патент РФ № 2160753), а материал фирмы BASF – по твердости (на 20–50 %) и водоустой-чивости. Повышенная жизнеспособность и стабильность при хранении (120 сут.) позволяют выпускать их одноупаковочными, что упрощает существующую техноло-гию производства и обеспечивает снижение трудо- и энергозатрат на дозировку и смешение компонентов при употреблении таких материалов.
  • Установлены перспективы замены типовых неорганических веществ в составе защитных силикатных композиций промышленными отходами, имеющими сходную химическую основу с типовыми добавками (патенты РФ №№ 2041900, 2160753, 2294946, 2294947). Материалы, полученные по упрощенной технологической схеме, внедрены на предприятиях Ивановской области и Воронежа. Предложена схема защиты такими материалами алюминиевых изделий, эксплуатируемых при t 400 С.
  • Предложен способ утилизации сточных вод промышленных предприятий, со-держащих формальдегид в концентрации 0,5–10,0 г/л, где таковые используют в качестве разбавителя защитных композиционных материалов из силикатов натрия (патенты РФ №№ 2294946, 2294947).
  • Разработан экономичный экспресс-метод оценки полноты выделения на фильт-ре комплекса «природный силикат – воски», рекомендованный к внедрению в отделах технического контроля промышленных предприятий.

По результатам диссертационного исследования получено 8 патентов РФ.

Реализация научно-технических результатов работы.

На Ивановском маргариновом заводе испытаны созданные порошковые сорбенты, по качеству отбелки и очистки прессовых и экстракционных масел от восков не уступающие импортным аналогам Tonsil Optimum 210 FF (Германия) и Engelhard (США–Нидерланды). Ожидаемый экономический эффект составляет 0,15 тыс. руб./т очищенного продукта (1890 тыс. руб./год). Опытная партия сорбента выпущена в ООО «БМ» (Иваново). Способ доочистки от восков растительных масел на сорбенте из каолина (Самарская обл.) опробован и используется Центром семейной медицины «МЕГА» (Иваново) для получения лечебных препаратов.

Защитные материалы на базе силиката натрия внедрены на предприятиях Иваново и Ивановской области – АО «Химпром», ОАО «Ивановская домостроительная компания», СУОР-22, внедренческая фирма «Интехна», МП «Дока»; объем выпуска в 1990-е гг. составил ~100 т/год при потреблении по Иваново ~30 т/год. Материалы также прошли апробацию в Ростовском химическом производственном объединении (Ростов-на-Дону), а результаты реализованы на заводах «Процессор» и строительных алюминиевых конструкций (Воронеж). Композиции на основе, модифицированной подсолнечным маслом, с добавками каолина и алюмосиликата натрия испытаны в ОАО «Ивановская домостроительная компания» и рекомендованы для нанесения на металлические, асбоцементные и деревянные поверхности.

Научно-технические результаты работы использованы в лабораторных курсах «Хи-мическая технология неорганических веществ» и «Биологически активные добавки» для студентов специальностей «Технология неорганических веществ» и «Технология жиров» в Ивановском государственном химико-технологическом университете.

Апробация работы. Результаты работы были представлены, докладывались и об-суждались на 24 Международных, российских и региональных конгрессах, конфе-ренциях и семинарах, в том числе: научно-технических конференциях в Ивановской государственной химико-технологической академии (1991–93 гг.); I Региональной, I и II Международной научно-технических конференциях «Актуальные проблемы химии и химической технологии» (Иваново, 1996, 1997, 1999); Международной конференции «Развитие, окружающая среда, химическая инженерия» (Иваново, 2000); научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячеле-тий» (Томск, 2000); научно-практической конференции «От фундаментальной науки – к новым технологиям» (Тверь, 2003); научно-технической конференции «Методы и средства измерений» (Нижний Новгород, 2003); ХVII и ХVIII Международных конференциях «МКХТ–2003», «МКХТ–2004» (Москва), а также I и II Международ-ных конгрессах по химии и химической технологии «МКХТ–2005», «МКХТ–2006» (Москва); IV Всероссийской конференции «Химия и технология растительных ве-ществ» (Сыктывкар, 2006); I Региональной конференции «Теоретическая и экспери-ментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2006); IV Международной конфе-ренции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2007); VI Всероссийском научном семинаре «Химия и медицина» (Уфа, 2007).

Личный вклад автора состоит в научно-теоретическом обосновании и постановке задач, решение которых необходимо для достижения цели исследования, а также в анализе и обобщении экспериментальных данных, полученных в 1990–2007 гг. автором лично или совместно с аспирантами при непосредственном руководстве автора, и внедрении полученных результатов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 67 работ, в том числе 8 патентов на изобретение, 38 статей (20 – в журналах, входящих в перечень ВАК, 2 – обзорные), а также 3 учебных пособия и 18 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 2 частей, 7 глав, выводов, списка литературы из 325 наименований и приложений. Материал изложен на 357 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 62 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 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.