Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие современной техники требует создания полимерных материалов с новыми свойствами, однако традиционные «чистые» полимеры в значительной степени исчерпали свои возможности. Одним из основных способов создания новых полимерных материалов, удовлетворяющих по своим характеристикам требованиям различных отраслей промышленности, является модификация существующих полимеров, в том числе создание наполненных полимерных композиционных материалов.
Кроме того, современные экономические условия требуют получения материалов не только с высоким комплексом характеристик, но и доступных, с достаточно низкой стоимостью. Поэтому большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов заложены в использовании недорогих и эффективных наполнителей, в число которых, безусловно, входят базальт и его производные, а также крупнотоннажные техногенные отходы, одним из которых является отход производства фосфорных удобрений – фосфогипс.
Одним из приоритетных научных и практических направлений является создание новых технологий по переработке и утилизации отходов. Особый интерес представляют многотоннажные отходы, к числу которых относится фосфогипс – отход производства фосфорных удобрений. Известно, что при сернокислотном разложении апатита на 1 тонну получаемой фосфорной кислоты, в зависимости от сырья и принятой технологии, образуется от 4,3 до 5,8 т фосфогипса. По данным за 2008 год, мировой годовой выход фосфогипса составлял более 150 млн. т. В России годовой выход достигает ~ 14 млн. т. На отдельных российских предприятиях образуется до 4 млн. т фосфогипса в год. В настоящее время в большинстве зарубежных стран и в России, в силу сложившихся производственно-экономических условий переработка фосфогипса нерентабельна, и он практически весь направляется на хранение на специально спроектированные объекты размещения.
Накопление фосфогипса в отвалах наносит существенный экологический ущерб окружающей среде, а поиск путей использования фосфогипса является чрезвычайно актуальной задачей. Его использование в качестве наполнителя полимеров позволит решить экологические проблемы, расширить сырьевую базу, снизить себестоимость композиционных материалов и улучшить их качество. Однако применения фосфогипса в этом качестве не происходит, что связано с недостаточной научной и технологической проработанностью этого направления его использования.
Базальты – это высокостабильные по химическому и минералогическому составу магматические горные породы, запасы которых в мире практически не ограниченны и составляют от 25 до 38% площади, занимаемой на Земле магматическими породами. Запасы базальта считаются неистощимыми, так как установлено, что в результате вулканической активности они ежегодно пополняются на 1 млн. м.
Основные магматические горные породы занимают, с учетом Сибирских траппов, 44,5% площади территории СНГ. Известно более 200 месторождений базальтовых пород, из них более 50 месторождений эксплуатируются. В РФ базальты распространены повсеместно – Камчатка, Сибирь, Урал, Карелия. Например, запасы только двух разведанных и изученных месторождений базальтов на территории Плесецкого и Онежского районов Архангельской области составляют более 600 млн. м3 (около 2 млрд. т). Для нашей страны базальт – это такой же дар природы, как и нефть, газ, уголь, древесина.
Целью работы являлись разработка методов направленного регулирования и создание технологии базальто- и фосфогипсонаполненных композиционных материалов на основе полиамидной матрицы.
Научная новизна работы состоит в том, что:
установлена взаимосвязь формы, размеров, удельной поверхности и пористости частиц измельченного природного базальта и отработавшей срок базальтовой ваты, оказывающих существенное влияние на структуру и физико-механические характеристики базальтопластиков на основе полиамидной матрицы; определено активное участие базальтового наполнителя в процессе структурообразования базальтонаполненного полиамида, заключающееся в образовании на поверхности базальтового наполнителя органосиликатных соединений, связывающих наполнитель с полиамидом;
доказана эффективность модификации фосфогипса стеаратом кальция, позволяющая повысить степень наполнения и достичь более равномерного распределения наполнителя в объеме композиционного материала за счет предотвращения образования агломератов частиц наполнителя. Установлен механизм взаимодействия в системе «полиамид – фосфогипс». Создана математическая модель зависимости «состав – свойства» фосфогипсонаполненных КМ на основе полиамидной матрицы. Градиентным методом проведена оптимизация разработанного композиционного материала.
Практическая значимость заключается в том, что:
разработана технология получения базальто- и фосфогипсопластиков на основе полиамида-6. В ООО «Саратовский трубный завод» (структурном подразделении транснационального холдинга – группы компаний «Полипластик») наработаны опытные партии базальто- и фосфогипсонаполненных КМ (подтверждается актами наработки опытных партий и протоколами испытаний).
Основные положения, выносимые на защиту:
особенности структуры, формы, размеров, удельной поверхности и пористости частиц измельченного природного базальта и отработавшей срок базальтовой ваты и их влияние на физико-механические характеристики базальтопластиков; механизм взаимодействия базальтового наполнителя и полиамидной матрицы;
отличия в характеристиках фосфогипсового наполнителя и их влияние на физико-механические характеристики фосфогипсопластиков; механизм взаимодействия фосфогипсового наполнителя с полиамидной матрицей; математическая модель и результаты оптимизации состава фосфогипсопластика на основе полиамидной матрицы;
направленное регулирование свойств обжиговых керамических композиционных материалов армированием базальтовыми волокнами.
Достоверность и обоснованность научных положений, методических и практических рекомендаций, обобщенных результатов и выводов подтверждаются экспериментальными данными, полученными с применением комплекса взаимодополняющих методов исследования термогравиметрического анализа, инфракрасной спектроскопии, растровой и сканирующей электронной микроскопии, порометрии с использованием изотерм адсорбции многоточечным методом БЭТ, методов определения удельной поверхности, хроматомасс-спектрометрии и стандартных методов испытаний физико-механических, химических, технологических свойств. Статистическая обработка результатов эксперимента проводилась по стандартной методике.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись и докладывались на 7 всероссийских и международных конференциях в период с 2008 по 2011 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 работ, в том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в сборниках и материалах конференций и подана 1 заявка на патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методического раздела, трех глав с обсуждением экспериментальных данных, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Объектами исследования являлись природный базальт, отработавшая срок базальтовая вата (ОБВ), базальтовые волокна (ровинг), фосфогипс-дигидрат (ФГД), фосфополугидрат (ФПГ), первичный и вторичный полиамид-6, стеарат кальция, глины различных месторождений Саратовской области.
Похожие диссертации на Технология базальто- и фосфогипсонаполненных композиционных материалов
