Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение техногенных отходов в технологии стройинду стрии как резерв экономии природного сырья и расширения сырьевой базы строительных композиционных материалов 12
1.1. Вторичные сырьевые ресурсы и технологии их использования для производства строительных материалов 12
1.2. Эпоксидные полимерные композиции для строительных технологий 18
1.3. Композиции на основе полимеров для облицовки 23
1.4. Влияние порошковых наполнителей на свойства композиционных материалов на полимерной основе 34
1.5. Подходы к формированию полимерных композитов строительного назначения на основе техногенных отходов 39
1.6. Коррозионная стойкость полимерного композита в условиях воздействия агрессивных сред 41
1.7. Выводы 52
Глава 2. Материалы и методы исследования 53
2.1. Применяемые материалы и их свойства 53
2.2. Оценка химической стойкости полимерной композиции 66
2.3. Изготовление образцов ПИК методом теплого (горячего) прессования 69
2.4. Определение физико-механических характеристик полимерных композиций 75
2.5. Методика микрорентгеноспектрального анализа 75
2.6. Математические методы планирования эксперимента, статистическая обработка результатов испытаний 76
2.7. Выводы з
Глава 3. Формирование полимерной композиции при модификации связующего и оптимизации состава 83
3.1. Улучшение свойств эпоксидной матрицы путем ее модификации 83
3.2. Оценка коррозионной стойкости модифицированного эпоксидного связующего ГШК 91
3.3. Расчет оптимального количества модифицированного связующего полимерно-песчаной композиции 98
3.4. Выводы 104
Глава 4. Исследование зависимости физико-механических свойств ППК от структурообразующих факторов с оценкой качества смешивания компонентов полимерной композиции 105
4.1. Результаты исследований трехфакторного эксперимента по оценке свойств полимерно-песчаной композиции на основе модифицированного вторичного полимерного материала дисперсно-наполненного инструментальными отходами машиностроения 105
4.2. Оценка однородности качества смешивания компонентов ППК методом микрорентгеноспектрального анализа 118
4.3. Выводы 139
Глава 5. Технико-экономическое обоснование использования дисперсно-наполненной полимерно-песчаннои композиции на основе ВПМ и практическая реализация результатов работы 141
5.1. Технико-экономическое обоснование применения полимерной композиции на основе эпоксидосодержащих отходов 141
5.2. Практическая реализация результатов работы 144
Основные выводы 146
Список используемой литературы
- Композиции на основе полимеров для облицовки
- Оценка химической стойкости полимерной композиции
- Методика микрорентгеноспектрального анализа
- Оценка однородности качества смешивания компонентов ППК методом микрорентгеноспектрального анализа
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших задач современной строительной отрасли является разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий, предусматривающих широкое применение промышленных отходов и местных природных материалов, позволяющих рационально использовать сырьевые и топливно-энергетические ресурсы. Оптимальное решение проблемы состоит в разработке и внедрении в производство малоотходных технологий, что, несомненно, актуально.
Особенностью эксплуатации полимерно-песчаных композиций в условиях промышленных предприятий и комплексов общебытового назначения является широкий диапазон нагрузок, включающий в себя химическое, термическое, водное воздействие, интенсивное пешеходное движение и движение автотранспорта, ударные нагрузки, УФ-излучение и т.д. Такой перечень внешних воздействий предполагает большое разнообразие материалов применяемых при изготовлении полимерно-песчаных изделий.
В составах строительных композиций традиционно используются техногенные отходы в качестве заполнителей, наполнителей или компонентов связующего. Полимерно-песчаная композиция (ППК) полностью состоящая из вторичных материальных ресурсов представляет интерес с экономической и экологической точки зрения. Инструментальные отходы машиностроения (ИОМ) являются мелкодисперсной добавкой, а полимерное связующее – многокомпонентной системой на основе вторичного полимерного материала (ВПМ). Создание высококачественных строительных материалов невозможно без управления процессами межфазного взаимодействия, структурообразования и однородности на макро- и микроуровне. Прикладной интерес к гетерофазным многокомпонентным системам со стороны строительного материаловедения обусловлен возможностью придания рациональных структур строительным композитам за счет их модификации, сопровождающийся принципиальным изменением свойств известных материалов и созданием новых композиций.
Совершенствование и управление структурой разработанной ППК путем ее модификации, введение новых структурных дисперсных элементов принципиально улучшает свойства изделий, снижает его себестоимость. Многокомпонентность ППК как результат многокомпонентности комплексных добавок позволяет эффективно управлять процессами структурообразования на всех этапах технологии приготовления и получения полимерных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками. Сочетание свойств компонентов и их комбинация обеспечивают требуемые технологические и эксплуатационные свойства.
Одним из важных фактором, влияющим на стабильность показателей качества полимерных изделий является однородность состава. Высокая научная и практическая значимость критерия однородности распределения качества смешивания компонентов полимерных композиций, до сих пор не имеет единого подхода к его определению. Внедрение методики оценки однородности распределения компонентов в ППК в переменных областях и установление возможной корреляции этой характеристики с физико-механическими свойствами композиционного материала является своевременной и актуальной задачей. Использование техногенных отходов способствует расширению сырьевой базы строительной отрасли, снижению энергозатрат, улучшению экологии окружающей среды.
Диссертационная работа посвящена разработке состава ППК на основе модифицированного вторичного полимерного материала (термореактивная эпоксидная смола – матрица) армированного дисперсными техногенными отходами инструментального машиностроения. Разработка новых полимерных композиционных материалов на основе ВПМ и ИОМ, сочетающих химическую стойкость и высокие эксплуатационные характеристики, является не в полной мере решенной задачей. Для их создания необходимо провести исследования физико-химических процессов, происходящих в соответствующих системах ППК, влияния вида и количества модификатора и армирующего компонента на микро- и макроструктуру, а также механические характеристики. Применить методику оценки качества однородности смеси основанную на определении среднеквадратичного отклонения значений интенсивностей вторичного рентгеновского излучения элемента, входящего в состав композита, получаемых посредством исследования образцов методом микрорентгеноспектрального анализа на микроанализаторе.
Степень разработанности проблемы.
Исследования, проводимые многими учеными в различных странах, убедительно показывают, что разработка строительных композитов на основе комплексного использования полимерных и минеральных отходов обусловлена эколого-экономическими факторами: во-первых, значительным ростом цен на полимерное связующее, на природные заполнители и энергоносители и, во-вторых, ухудшением экологической ситуации в результате образования и накопления промышленных отходов. На сегодняшний день в России достаточно широко рассмотрены вопросы использования техногенных отходов в технологии строительных материалов, изучены процессы формирования композиционных материалов, что отражено в работах Соломатова В. И., Ерофеева В. Т., Баженова Ю.М., Корнеева А. Д., Иващенко Ю. Г., Калашникова В.И., Хозина В.Г., Яковлева Г.И, Рахимова Р.З., Латыпова В.М., Федосова С.В., Рахимбаева А.И., Гаркави М.С., Пичугина А.П. и др.
Но в тоже время показатели свойств полимерно-песчаных композиций, связующим материалом которых являются в основном термопластичный полиэтилен или полипропилен, ограничены. Недостатками таких изделий являются пониженная стойкость к УФ-излучению и тепловым воздействиям, низкая теплопроводность, склонность к деформации при длительном воздействии статических нагрузок. Готовые изделия, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, обладают низкой трещиностойкостью и могут растрескиваться. Эти вопросы делают задачу разработки новых более эффективных видов ППК актуальной. Что представляется возможным при использовании исходных материалов из дешевого местного сырья, обладающего требуемыми физико-химическими и физико-механическими характеристиками: связующего нетрадиционного вида, наполнителей и заполнителей, в том числе из отходов производств.
Возможность применения в качестве связующего вторичных полимерных материалов, прошедших технологические переделы производства, но не выработавших своих связующих свойств, наполнителей и заполнителей – минеральных отходов производств, позволяет не только снизить стоимость композитов, но и улучшить их физико-химические свойства, а также решить проблему утилизации техногенных отходов.
Отсутствие единого подхода к определению критериев качества- однородности распределения компонентов – смешивания компонентов полимерных смесей, целесообразно определение среднеквадратичного отклонения значений интенсивностей вторичного излучения элементов ИОМ, армирующих композит, получаемого посредством исследования образцов на установке микроанализатор, и установление возможной корреляции этой характеристики с физико-механическими свойствами ППК. Благодаря сопротивлению коррозии, ППК работают в течение долгого периода времени без необходимости часто проводить работы по ремонту или замене. Это приводит к сокращению прямых расходов на техническое обслуживание, возрастает срок службы, что оказывает огромное влияние на долгосрочную прибыльность. Все вышесказанное подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Цель работы заключается в получении коррозионностойкой полимерно-песчаной композиции с улучшенными эксплуатационными свойствами на основе модифицированных вторичных полимерных материалов, армированных инструментальными отходами машиностроения. Методологические принципы оптимизации формирования строительных композитов основываются на оценке однородности полимерно-песчаной смеси.
Задачи исследований:
– оценить качество вторичных полимерных материалов при их модификации как матричного материала ППК, ИОМ в качестве тонкодисперсного армирующего компонента ППК;
– определить оптимальное содержание ВПМ и модификатора в полимерной смеси для прогнозирования коррозионной стойкости ППК;
– определить оптимальное содержание полимерного связующего и наполнителя ИОМ в полимерной композиции, получить адекватную математическую модель для прогнозирования эксплуатационных характеристик ППК;
– оценить влияние армирующего элемента ИОМ и параметров армирования на физико-механические и эксплуатационные свойства ППК;
– изучить особенности структурообразования модифицированного ППК армированного тонкодисперсными инструментальными отходами;
– провести оценку однородности полимерной композиции по среднеквадратичному отклонению значений интенсивностей вторичного рентгеновского излучения элементов ИОМ;
– опытно-промышленная апробация результатов исследований и ее технико-экономическая оценка.
Научная новизна:
– обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения модифицированных дисперсно-наполненных полимерных композиций, армированных ИОМ, путем целенаправленного регулирования процессами структурообразования на границе раздела «матрица-армирующий элемент», с максимальным проявлением сил взаимодействия связки с поверхностью армирующих элементов;
– выявлены особенности процесса структурообразования дисперсно-наполненных полимерно-песчаных композиций, армированных ИОМ, основанные на механической теории адгезии, сцепление модифицированной эпоксидной матрицы с дисперсными частицами ИОМ является результатом проявления сил межмолекулярного взаимодействия между контактирующими молекулами адгезива и субстрата, что приводит к повышению прочностных характеристик, созданию барьеров на пути движения трещин и дислокаций внутренней структуры ППК;
– установлено, что сочетание коррозионностойкой модифицированной полимерной матрицы с высокой плотностью и прочностью дисперсно-наполненной композиции обеспечивает получение ППК с повышенными эксплуатационными свойствами;
– по результатам экспериментальных исследований и построения регрессионных моделей установлена зависимость эксплуатационных характеристик ППК от количества вводимых ОИМ, выявлена зависимость в системе «состав – структура – свойства»;
– предложены методологические принципы оценки однородности ППК, являющиеся определяющим фактором при оптимизации структуры полимерных композиций, основанные на закономерностях межфазного взаимодействия компонентов в гетерофазных многокомпонентных системах.
Практическая значимость работы. Разработаны и предложены оптимальные составы дисперсно-наполненной многокомпонентной полимерно-песчаной композиции, удовлетворяющего нормативным требованиям полимерных изделий строительного назначения. Обоснована возможность эффективного использования тонкодисперсного наполнителя ОИМ и модифицированного ВПМ, являющихся промышленными отходами, для получения дисперсно-наполненных ППК с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Абразивная составляющая ОИМ является дисперсным наполнителем полимерной композиции, позволяющей применять методологические принципы оценки однородности полимерной смеси на основе зависимости среднеквадратичного отклонения значений рентгеновского излучения элементов абразивных компонентов композита от их содержания. Что позволяет оптимизировать структуру полимерного композита на стадии смешивания и формообразования. Создание ППК на основе полимерных и минеральных отходов позволяет расширить сырьевую базу строительных материалов, снизить себестоимость изделий, решить экологическую проблему утилизации отходов.
Объект исследований. Полимерные композиционные материалы строительного назначения, на основе вторичных полимерных материалов, наполненные дисперсными частицами инструментальных отходов машиностроения.
Предмет исследований. Процессы структурообразования полимерно-песчаной композиции, наполненной дисперсными частицами инструментальных отходов машиностроения, и оценка влияние наполнителя ИОМ на физико-механические характеристики полимерного композита.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты определения показателей качества ИОМ как тонкодисперсного наполнителя полимерно-песчаной композиции и ВПМ в качестве связующего, обоснование выбора модификатора связки;
– принципы повышения эффективности ППК путем использования модифицированных ВПМ, наполненных дисперсными ИОМ, результаты исследования структуры ППК;
– новые оптимальные составы и эксплуатационные характеристики полимерно-песчаной композиции, наполненной ИОМ.
Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена методической обоснованностью комплекса исследований с применением стандартных средств измерений и методов исследований; применением современных математических методов обработки экспериментальных данных в среде MathCAD; опытными испытаниями и их положительными практическими результатами, совпадающими с результатами расчетов и не противоречащими выводам известных положений.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на III-й Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование» (Михайловка, 2009г.); II-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Композиционные и строительные материалы. Теория и практика»» (г. Пенза, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса Нижнего Поволжья» (Волгоград, 2011 г.); III-й научно-технической конференции «Инженерные проблемы строительного материаловедения, геотехнического и дорожного строительства» (Волгоград, 2012г.);
Личный вклад автора. Вклад автора состоит в выборе направления исследования, его обосновании; разработке составов ППК, наполненных ИОМ, полимерное связующее является отходами производства; в анализе и обобщении полученных результатов исследований, изложенных в диссертационной работе; внедрении результатов работы в производство в виде выпуска опытно-промышленной партии изделий.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 печатных работ, в т. ч. 1 работа в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, основные выводы и изложена на 163 страницах машинописного текста, включает 29 таблиц и 52 рисунка, список использованных источников из 158 наименований.
Композиции на основе полимеров для облицовки
Всё это приводит к тому, что вопросы экологии и рационального использования техногенных отходов в составах композиционных материалов стали в нашем обществе важнейшими.
Из отраслей, потребляющих промышленные отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов, доля сырья которой в себестоимости продукции достигает 50 % и более [1 - 2]. Значительная роль во всех ведущих отраслях народного хозяйства страны отведена науке, призванной усилить внимание к техническому совершенствованию производства и, в частности, к созданию прогрессивных технологий в строительной индустрии при оптимальных расходах материальных и энергетических ресурсов [3-4].
Наряду с термином «отходы производства», используются такие термины: как «побочные продукты промышленности», «вторичное сырье», «попутные продукты» и т.д. Суть основных понятий формулируется следующим образом: - отходы производства - это все виды остатков данного производства, которые имеют какую-то потребительскую ценность и могут быть использованы в материальном производстве (как правило, после дополнительных технологических операций); - побочные продукты промышленности - продукты, получение которых не являлось целью производственного процесса, и которые могут быть использованы как готовая продукция после соответствующей обработки или как сырье для переработки; - вторичное сырье - материалы и изделия, которые после полного первоначального использования (износа) могут применяться повторно в производстве как исходное сырье. Каждый вид отходов или некондиционных сырьевых ресурсов требует своей технологии переработки, определенного набора оборудования и средств контроля качественных характеристик сырья и готовой продукции, а также длительной проверки эксплуатационных показателей в натурных условиях. Решение такой емкой и разноплановой проблемы может быть осуществлено на основе тщательной систематизации и классификации отходов и местного сырья по признакам происхождения, направлениям использования и способам переработки.
Классификация позволяет определить пути дальнейшего движения отходов (утилизация на местах образования, передача другим предприятиям, вывоз на свалку, сброс в канализацию, сжигание и т. п.). На основе этой классификации разрабатывается схема сбора, вывоза и переработки промышленных отходов для использования в качестве вторичного сырья и для предотвращения их отрицательного воздействия на окружающую среду [4-5].
Использование экологически чистых отходов органического происхождения экономически целесообразно и востребовано на объектах стройиндуст-рии [1-5].
Прошедшие годы интенсивных исследований и технологических разработок в производстве полимерных материалов выявили новые возможности и определили границы эффективного применения полимеров. Важнейшим достоинством синтетических полимеров является возможность проектирования макромолекул с предсказуемым комплексом свойств материала на их основе. Это стало реальным благодаря применению принципа аддитивности Хаггинса, на основе которого разработаны практические методы расчета всех технических свойств полимеров по их химическому строению и компьютерного конструирования последних. Благодаря этому теоретически любое сочетание свойств, не противоречащее физическим и химическим законам, можно получить в одном полимере. И, хотя, возможности синтеза новых полимеров безграничны, технико-экономическая целесообразность ставит пределы его прак 15 тической реализации, уступая место физико-химической и физической модификации.
Разнообразие вторичных сырьевых ресурсов (многотоннажных отходов промышленности), а по химическому и минералогическому составу подчас не уступающих добываемому сырью, целесообразно использовать для производства из них новых изделий - строительных композитов. Цивилизованный и профессиональный подход к решению данной проблемы позволяет предприятиям-производителям устранить расходы на транспортировку отходов к свалкам или площадкам для их захоронения, улучшить экологию окружающей среды, производить продукцию, востребованную на рынке, создать дополнительные рабочие места, получить прибыли от деятельности нового предприятия.
Экономическая составляющая использования вторичных ресурсов, т. е. годовые расходы по утилизации каждой тонны сырья, составляет в среднем 300 тыс. руб., при объеме 5000 т - соответственно 1500 млн. руб. Использование непроизводительных расходов для организации производств строительных материалов, обеспечивает предприятию долгосрочное решение задач по устранению затрат на утилизацию вторсырья и позволяет активно решать задачи социальной сферы - строительство доступного жилья для жителей, что весьма актуально.
В российских регионах имеются различные промышленные предприятия, многие из которых уникальны. Такие отрасли как нефтеперерабатывающая, угольная, металлургическая, машиностроительная, химическая, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная, производя свою продукцию, имеют отходы, многих из которых можно в дальнейшем использовать. Каждому предприятию целесообразно иметь паспорт на вторичное сырье с его основными характеристиками. Классификация отходов позволит грамотно использовать или утилизировать их.
Оценка химической стойкости полимерной композиции
Промышленностью выпускается огромное разнообразие полимеров, но в производстве изделий строительногоназначения и покрытий используют лишь небольшое их количество при очень ограниченном ассортименте марок. Из порошкообразных полимеров применяют поливинилбутираль, полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полиамиды, которые используют большей частью в чистом виде или в смеси с пигментами.
Широкое применение полимерных материалов и покрытий в технике способствует экономии дефицитных материалов, снижению потерь продуктов, увеличению сроков службы и улучшению эксплуатационных свойств оборудования и конструкций. Разработка новых методов получения строительных полимеров и покрытий из полимеров неразрывно связана с разработкой и совершенствованием порошкообразных полимерных материалов и технологии покрытий [34-43].
Опыт показывает, что для получения полимерных композиций из расплавов можно использовать термопластичные и термореактивные полимеры аморфной и кристаллической структуры. В мировой практике освоено получение антикоррозионных покрытий из порошков поливинилбутираля, полиэтилена низкого и высокого давления, полипропилена, полиуретанов, эпоксидных и полиэфирных смол и т. д. При выборе полимеров следует учитывать ряд особенностей, связанных с условиями нанесения порошков на поверхность, плёнкообразованием и требованиями, предъявляемыми к качеству антикоррозионных покрытий [94, 117-119].
Термопластичные - получаются путем нагрева и повторного затвердевания после охлаждения или путем выделения растворителя из сольватирован-ного покрытия (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, найлон, каменноугольная смола)
Общие для этих полимеров характеристики: хороши по механическим свойствам и влагостойкости, но чувствительны к нагреву и некоторым химре-активам. Их самое уязвимое место - плохая адгезия со сталью из-за не дипольного строения молекул.
Термореактивные - пленки образуются сшивкой цепей под воздействием нагрева, облучения или химреактивов. Отвердевшие пленки нельзя реверсировать ни нагревом, ни воздействием многих растворителей (эпоксидные смолы, сложные полиэфиры, фенопласты). В целом хороши по химической стойкости и термостойкости. У многих прекрасная адгезия, особенно у эпоксидных смол. Недостатки часто связаны с механическими свойствами.
Эластомеры - гибрид вышеуказанных полимеров, обладающий многими их недостатками и преимуществами (резина, некоторые уретаны).
Технология антикоррозионной защиты металлических поверхностей, в частности труб, пердусматривает использование сыпучего дисперсного полимерного порошка в качестве основы (праймера) под трехслойные полиоле-финовые покрытия или в качестве самостоятельного антикоррозионного покрытия.
Вторичный полимерный материал (ВПМ) представляет собой порошок на 99 % состоящий из эпоксидной смолы. Эпоксидные порошкообразные материалы марок Basepox РЕ 50-7191, Porselac 2000 25-10-12 Gray, SCOTCHKOTE 226 N8G, производства фирм BASF (Германия), Kawakami Point (Япония), «ЗМ» (США), JOTUN (Норвегия), BS COATINGS (Франция), AKZO NOBEL (Германия) используются в качестве праймера или самостоятельного антикоррозионного покрытия наносимым методом сплавления на металлические поверхности. В процессе нанесения порошок полимера удаляется из камеры напыления через систему аспирации. Образовавшиеся на фильтрах вторичные эпоксидные материалы являются неизбежными технологическими потерями данного технологического процесса, не потерявшими своих термореактивных свойств. Количество и качество образовавшегося порошка достаточно и удовлетворительно для повторного использования.
Важный показатель, определяющий пригодность вторичных порошкообразных полимеров для изделий и покрытий, их плёнкообразующая способность. Она определяет свойство полимера (или композиции), характеризующееся при определённой температуре деформацией течения, которая приводит к коалесценции частиц под воздействием собственной силы тяжести. Плёнко-образование полимера протекает в вязкотекучем состоянии. Одно из основных условий обеспечения плёнкообразования - наличие контакта между частицами, подвижность цепей и звеньев макромолекул, обуславливающая их эффективную самодиффузию и аутогезию частиц. Исследование качественных показателей вторичных полмерных материалов (эпоксидный порошок) подтвердили возможность использования их в виде связующего полимерных композиций.
В диссертационном исследовании модификатором эпоксидного связующего взята феноло-формальдегидная смола новолачного типа (ФФСНТ), в своем составе содержащая отвердитель уротропин —(CH2)6N4. Исследования состава и свойств модификатора не требовалось в виду ее промышленного выпуска (СФП - ТУ 6-05751768-35-94). Допускается использование ФФСНТ сис-текшим сроком годности (более 3 мес), содержание уротропина не менее 8 %.
Методика микрорентгеноспектрального анализа
Практика эксплуатации полимерных композиций и полимерных изделий в строительстве требует решения назревших задач повышения их коррозионной стойкости, долговечности и надежности, научные достижения в этой области не всегда используются достаточно широко, так как необходимо учитывать весь комплекс факторов на стадиях проектирования, производства и эксплуатации, ремонта полимерных изделий, что требует большого практического опыта и глубоких теоретических знаний в области коррозии данных материалов.
Воздействие агрессивных сред на материалы, и в частности на полимерный композит проявляется в изменении его структуры и свойств без нарушения целостности или с разрушением материалов [82, 94, 118, 119, 158]. При этом действие среды разделяется на физическое и химическое. Физическое действие сред на композит заключается в проникновении их между макромолекулами. Это воздействие, как правило, носит обратимый поверхностный и объемный характер. Поверхностное действие среды заключается в уменьшении поверхностной энергии на границе «тело-среда» в результате адсорбции, облегчающей процесс образования и развития трещин. Объемное действие среды приводит к значительному ухудшению основных прочностных показателей, а с другой стороны, к увеличению гибкости полимерных цепей и плас 92 тификации композиции. Проникновение физически активных сред в тело осуществляется через микропоры и мелкие капилляры материалов. Химическое действие агрессивных сред сильно изменяет химическую структуру полимерных материалов, в которых происходят необратимые изменения с ухудшением основных физико-механических свойств композиций. Изменение химической структуры композиции характеризуется наличием активных групп в цепях молекул (карбоксильных, гидроксильных, аминных, кетонных), как имеющихся, так и вновь образующихся в макромолекуле композита при взаимодействии с агрессивной средой, а также наличием двойных связей [23, 158].
Физическое и химическое действие сред носит несколько условный характер и зависит от реакционной способности связующего [51, 60, 62, 66, 68, 70].
Кислоты наиболее агрессивны по отношению ко многим полимерным композициям. Агрессивность кислот определяется их природой, концентрацией, рН водных растворов, наличием окислительных свойств и температурой среды. Разрушительное действие кислот обуславливается также растворимостью образуемых продуктов коррозии при их взаимодействии с полимербето-нами.
Действие водных растворов кислот определяется также степенью диссоциации и активностью. С этими величинами связывают температуру кипения раствора, парциальное давление паров, электропроводность и т.д. [61]. В зависимости от того, насколько легко молекулы воды и электролита могут испаряться из раствора, их классифицируют на летучие и нелетучие. К первым относят растворы с высокой упругостью пара (НС1, HN03, HF), ко вторым -с низкой (H2S04, Н3РО4 и др.). Разная работа выхода летучих и нелетучих электролитов приводит к различной их проникающей способности. Так, концентрированные растворы соляной и азотной кислот имеют проникающую способность через мембрану фторопласта в сотни раз больше, чем концентрированные серная и фосфорная кислоты [62, 110, 113, 117-119].
Несмотря на все многообразие химических процессов, вызывающих повреждение композитов в кислых средах, их можно разделить на следующие основные типы, охватывающие виды деструкции: - процессы вымывания, при которых из композита десорбируют компоненты, растворимые в воде; - процессы химического взаимодействия реакционноспособных компонентов композита и электролита с образованием растворимых солей и других продуктов, растворимых в воде; - образование в композите нерастворимых соединений, кристаллизующихся в порах и уплотняющих структуру на начальной стадии и разрушающих ее с увеличением объема сверхкритического предела.
Очевидно, что при действии агрессивных сред на модифицированное полимерное связующее (ПС) на основе ВПМ в ее структуре будут происходить химические процессы, аналогичные тем, что имеют место и для других полимеров. Продукты отверждения эпоксидной смолы отличаются повышенной механической прочностью, тепло- и химстойкостью. Поэтому в диссертационном исследованиии целесообразно определить химическую стойкость ПС. Исследования химической стойкости ПС в растворах неорганических кислот и щелочей проводили по общепринятой методике, по итогам промежуточных — испытаний-определяли изменение массы образцов 2 А %;1соэ"( фйциент_хи-мической стойкости - Кхс; глубину проникновения агрессивной среды в композит - х, мм (табл. 3.3 - 3.4).
Результаты экспериментов представлены в виде графических зависимостей изменения коэффициента химической стойкости, изменении массы образцов и глубины проникновения агрессивной среды, от времени экспонирования композиции (рис. 3.1 - 3.6). Результаты исследования доказывают, что полимерное связующее на основе модифицированной эпоксидной смолы является химическистойким материалом. Значения коэффициента химической стойкости, определенные после выдержки в агрессивных средах (табл. 3.3 - 3.4), показывают, что по отношению к растворам кислот и щелочей ПС является химическистойким материалом, поскольку его Кхс 0,8.
Оценка однородности качества смешивания компонентов ППК методом микрорентгеноспектрального анализа
Проведена оценка однородности полимерной композиции методом ми-крорентгеноспектрального анализа, что дало возможность определить не только химический состав компонентов смеси, но и получить картину распределения наполнителей, входящих в состав композита относительно друг друга, поскольку величина интенсивности вторичного рентгеновского излучения анализируемых компонентов (электрокорунд, карбид кремния) прямо пропорциональна их количественному содержанию в исследуемой области. Предложена модель комплекса «состав - структура - свойства» ППК путем оценки качества смешивания компонентов.
Анализ результатов оценки однородности композита: топографии и размерности коэффициента среднеквадратичного отклонения позволяет в кратчайшие сроки сделать выводы об однородности распределения компонентов композита, относительно друг друга, что в конечном итоге позволит решить проблему проектирования композиционных материалов с прогнозируемыми свойствами.
Экономическая эффективность материала и элементов конструкций из разработанной полимерно-песчаной композиции обусловлена ее физико-механическими характеристиками и практически универсальной химической стойкостью. Материалы из ППК можно отнести к изделиям специального вида, применяющимся там, где из-за агрессивного воздействия среды использование традиционных строительных материалов не эффективно. На основании этого выполнен расчет прибыли от использования техногенных отходов ВПМ и ИОМ для производства напольной плитки методом горячего прессования. Для технико-экономических расчетов использовали стандартное оборудование.
Пресс может быть одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти- и шестиэтажным. Этажи - это количество нижних пластин в прессе, на каждую из которых крепится пресс-форма на рельсах.
Эти пластины имеют вмонтированные тэны для нагрева. Как правило, на каждый этаж ставится по две пресс-формы (пока одна под давлением, другая закладывается крошкой, перемешанной со связующим).
Для расчета производительности необходимо знать: а) толщину планируемых изделий (чем толще изделие - тем дольше оно должно быть под давлением); б) марку связующего (у разного связующего свое время, температура, давление - по технологии), разработанный полимерный композит полимери зация при температуре 100 С, времени прессования 15 минут, давлении 150 кг/см в гидроцилиндре. Изделие в зависимости от пресс-форм может быть толщиной от 3 до 100 мм. Для расчета возьмем четырех этажный пресс с размером изделия в пресс-форме 500х500х25 мм и временем прессования 8 минут.
Количество циклов прессования за один час 60 / 8 = 7,5 циклов/ч. Площадь полученной продукции на одном четырехэтажном прессе за 1 цикл 4 (500 500) мм = 1 м . Производительность одного пресса в час 7,5 1 м = = 7,5 м . Производительность одного пресса в смену (8 часов) 8 7,5 = 60 м . Производительность двух прессов в смену составит 60 2 = 120 м .
Общая мощность 1 четырехэтажного пресса - 22 кВт. Среднее потребление электричества в час - не более 6 кВт (так как полная мощность при работе пресса, не требуется ни для тэнов, ни для гидравлики). Среднее энергопотребление 2 четырехэтажных прессов за 1 час составит 6 2 = 12 кВт/ч. Среднее энергопотребление 2 четырехэтажных прессов за смену составит 12 8__=_96 кВт. В месяц (20 рабочих дней) энергопотребление составит 96 20 = 1920 кВт. Если 1 кВт стоит 3,03 рубля, то 1920 3,03 = 5817,6 руб. 3/плата одного рабочего - 9000 руб./месяц. 3/плата старшего смены, он же который перевозит на тележке готовую продукцию на склад, ведет учет, следит за производством, состоянием рабочего места, в случае необходимости подменяет рабочего (не обязательная должность) - 9000 руб./месяц. 3/плата 3 человек (двое рабочих и один старший смен 3 9 000 = 27 000 руб./месяц. Отчисления на социальные нужды 27 000 0,26 = 7 020 руб. Затраты на 3 чел. 34 020 руб.
