Секция 9 Способы получения композиционных материалов

═══

Получение композиционных строительных материалов с применением наноструктурных углеродных материалов

А.А. Жданов, студент гр. С-41

Н.В. Кузнецова, к.т.н., доцент кафедры «Архитектура и строительство зданий»

В.В. Жариков, к.т.н., д.э.н., профессор, зав.кафедрой «Экономика и управление»

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Наноуглеродные частицы представляют собой каркасные макромолекулярные структуры в виде фуллеренов, нанотрубок, нановолокон, спиралей и др. Новый углеродный наноматериал (УНМ) «Таунит» получен коллективом ученых и специалистов ТГТУ и завода «Комсомолец» (г. Тамбов). «Таунит» представляет собой многослойные полые нанотрубки из одного или нескольких слоев атомов углерода диаметром несколько нанометров и длиной от нескольких диаметров до нескольких микронов. Этот УНМ обладает рядом уникальных свойств: химической и термической стабильностью, значительной прочностью, высоким значением упругой деформации, гибкостью и др. Производство «Таунита» в промышленных объемах – до 3 т/год – позволяет снизить его себестоимость до 0,18…0,22 $/г (при стоимости аналогов 3…12 $/г).

В связи со значительным ростом объемов производства наноматериалов и уменьшением их стоимости существенно расширились возможности их применения. Большую коммерческую перспективу имеет производство конструкционных нанокомпозитов, представляющих системы распределенных в матрице усиливающих нановолокон. Наноструктурные композиты отличаются повышенными механическими свойствами. Повышение физико-механических свойств композитов по сравнению с исходными компонентами объясняется изменением структуры материалов с добавками УНМ: повышением однородности структуры, снижением микропористости, увеличением площади контактов между частицами разных фаз.

Особый интерес представляет использование наночастиц в производстве строительных композиционных материалов на основе растворных и бетонных смесей, компоненты которых также имеют нанометрические масштабы. Ведение в бетонные и растворные смеси наночастиц приводит к существенному улучшению реологических характеристик смесей, позволяет управлять структурой композитов, создавать материалы с прогнозируемыми (заранее заданными) теплофизическими и прочностными свойствами.

Для получения строительных композиционных материалов предполагается вводить в растворную смесь (портландцемент, кварцевый песок, вода) углеродные нанотрубки «Таунит». Улучшение характеристик получаемых материалов достигается также за счет применения для смешивания компонентов вибровращательной мельницы периодического типа [1].

Вибровращательная шаровая мельница представляет собой вращающийся цилиндрический барабан, установленный в подшипниковых опорах на подвижную виброплиту. Компоненты смеси поступают в барабан, в котором находятся мелющие тела, и, достигнув требуемой степени смешения, выгружается из мельницы. При смешивании компонентов в барабане вибровращательной мельницы обеспечивается равномерное распределение УНМ по объему смеси.

Результаты экспериментов показали, что прочность на сжатие образцов композиционных материалов с соотношением компонентов: цемент, песок, УНМ «Таунит» 1:3:0,000024 по сравнению с образцами цементно-песчаного раствора 1:3 возрастает более чем на 50 %. При увеличении содержания УНМ «Таунит» в составе смеси оказывает несущественное влияние на повышение прочности материалов.

Таким образом, результаты экспериментов подтвердили возможность получения модифицированных углеродными нанотрубками строительных композиционных материалов с улучшенными физико-механическими характеристиками. Низкая их себестоимость достигается за счет сокращения расхода вяжущего и дорогостоящих добавок.

В условиях организации производства композиционных материалов на малом предприятии с годовым объемом производства 19,2 т ориентировочная себестоимость сухой смеси композиционного материала составит 20,35 руб./кг, срок окупаемости – 3,3 года.

Литература

1. Патент 2147931 С1, 7 В 02 С 17/06, 17/14, №98108314/03, 28.04.1998, Опубл. 27.04.2000 Бюл. №12.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБОЖЖЕННЫХ ОТХОДОВ ОТ ВТОРИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ АЛЮМИНИЙСОДЕРЖАЩИХ ШЛАКОВ И ЛОМА В ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛАХ Д.Ю.Денисов

ГОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Керамическая промышленность  одна из самых материалоемких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором ее успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В связи с этим применение в керамических материалах отходов производств приобретает особую актуальность.

В настоящее время остро возросла потребность в огнеупорных материалах на отечественных промышленных предприятиях, т.к. из-за высокой степени износа тепловых агрегатов, а также отсутствие качественных местных огнеупорных материалов, предприятия не могут обеспечить выпуск конкурентоспособной продукции.

Солевые отходы от вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома являются отходом при производстве алюминия ООО «Ресал». После обжига солевых отходов при температуре не выше 1000^оС, произошли существенные изменения в химическом и минералогическом составе отхода. Химические составы солевых отходов до обжига и после обжига представлены в таблице 1. Поэлементный анализ солевых отходов представлен на рис.1 и в таблице 2.

Как показали результаты исследований, в обожженном отходе увеличилось содержание глинозема, Al₂O₃ ≈ 75 %, исчезли карбонаты и хлориды Na, K. Металлографический анализ показал, что средний размер частиц обожженного отхода составлял 0,01- 0,02 (10 – 20 мкм).

В ходе экспериментальных и полупромышленных испытаний, при обжиге 1100- 1150^оС, был получен футеровочный керамический кирпич,

Таблица 1. Химический состав солевого отхода

огнеупорностью не менее 1600^оС, с открытой пористостью 15 – 20% и прочностью при сжатии порядка 200 кгс/см². Кирпич изготовлялся на основе

Компо ненты	Содержание компонентов, мас, %
	Солевые отходы до обжига	Обоженные при 1000 оС солевые отходы
SiO2	44,49	4,55
Al2O3	7,21	75,1
Fe2O3	─	1,6
CaO	─	2,56
MgO	─	7,61
SO3	─	─
R2O	─	5,13
NaCl	3,51	─
KCl	1,57	─
Na2CO3	18,87	─
K2CO3	8,21	─
(NH4)2CO3	12,87	─
H2O	0,93	─
CaCO3	2,12	─
MgCO3	0,9	─
Al	3,32	─
П.П.П.	─	3,45

гидрослюдисто-каолинитовой глины

Кротовского месторождения с содержанием в шихте 70 – 75% и обожженного отхода 25 – 30%.

С содержание в массе обожженного отхода - 80% и каолина Чапаевского месторождения - 20%, при мокром помоле в шаровой мельнице, с влажностью 36%, было получено ангобное огнеупорное покрытие для

а)

б)

Рис. 1. Поэлементный анализ солевого отхода от вторичной переработки алюминийсодержащих шлаков и лома: а) до обжига, б) обожженный при 1000 ^оС.

Таблица 2. Поэлементный химический состав солевого отхода

Материал	Концентрация, % масс
	O	Al	Mg	K	Ca	Cl	Fe	Si
Солевой шлак до обжига	67,95	13,93	1,55	2,77	0,98	11,75	1,07	-
Обожженный шлак	66,79	21,16	-	1,56	2,55	7,86	-	0,07

установочных и транспортирующих огнеупорных керамических материалов. Помол производился до остатка на сите 45мк = 0,23%, плотность ангоба доводилась до 1300г/см³.

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СОПОЛИМЕРОВ

ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ И ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ МАТРИЦ

Мостовой Антон Станиславовч студент группы ТПЭ-4

Пинкас Михаил Вячеславович аспирант

Кафедра «Химическая технология»

Научные руководители: д.х.н. Л.Г.Панова, к.т.н. Е.В. Плакунова

Энгельсский технологический институт (филиал)

Саратовский государственный технический университет

В последнее время большинство исследований посвящено созданию термореактопластов, обладающих повышенной эластичностью. Эластификация осуществляется введением в структуру сетчатого полимера гибких длинных молекул, которые остаются или непрореагировавшими после отверждения, или вступают в химические реакции в процессе полимеризации с образованием сополимеров.

В качестве объектов исследования использовались: эпоксидная смола марки ЭД-20, глицидилметакрилат – ГМА, пластификатор полифункционального действия - трихлорэтилфосфат (ТХЭФ), отвердитель – полиэтиленполиамин (ПЭПА). В состав вводили нано- и микроразмерные наполнители различной природы, обеспечивающие снижение горючести, придание электропроводности или диэлектрических свойств.

Выявлено влияние компонентов на процессы структурообразования, формирование структуры и свойства композиций.

На основе данных ИКС отдельных компонентов и композиций с разным соотношением компонентов предложены механизмы полимеризации ГМА и сополимеризации его с эпоксидным олигомером.

Комплексом методов оценено влияние природы и соотношения компонентов в составе композиции на кинетику отверждения и комплекс физико-механических свойств.

Применение соединений полифункционального действия улучшает перерабатываемость, повышает эластичность и обеспечивает также снижение горючести.

При введении ТХЭФ в эпоксидную смолу повышается термоустойчивость материала, что подтверждается возрастанием температуры начала деструкции; увеличивается выход карбонизованного остатка по окончании основной стадии деструкции, изменяются его структура и свойства. В составе кокса сохраняется ингибитор горения – фосфор. Плотность кокса составляет 15,8 кг/м³, кратность вспенивания – 11 раз.

Материалы при испытаниях методами «керамическая труба» и кислородного индекса относятся к классу трудносгораемых. Коэффициент теплопроводности - 0,136-0,458 Вт/м∙К, термическое сопротивление – 0,072 – 0,043 м²∙К/Вт, удельное сопротивление: объемное (_v) – от 2,16∙¹⁵ до 3,9∙10³; поверхностное (_s) – от 8,16∙10¹⁴ до 3,3∙10⁵.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

И.И. Стерхов, магистрант

Н.В. Кузнецова, к.т.н., доцент кафедры «Архитектура и строительство

зданий»

В.В. Жариков, к.т.н., д.э.н., профессор, зав. кафедрой «Экономика и управление»

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

На литейном производстве в большом количестве образуются отходы - отработанные формовочные смеси (ОФС), непригодные к дальнейшему использованию, которые вывозятся и складируются на специальных полигонах. Стабильный химический состав и высокие прочностные характеристики компонентов ОФС позволяют использовать эти отходы в производстве строительных материалов.

Одним из перспективных направлений использования ОФС является применение их в качестве тонкодисперсных наполнителей в композиционных строительных материалах. Тонкодисперсные ОФС способны оказывать влияние на процессы гидратации и твердения за счет изменения структуры цементных композиций.

Подбор оптимальных дозировки и степени измельчения ОФС даст возможность управлять процессами структурообразования и твердения цементных материалов с целью повышения физико-механических характеристик композиционных материалов.

Важным аспектом при разработке способа получения компонентов является подбор оборудования для измельчения отходов и смешивания компонентов. Для измельчения отходов, вместо традиционных механизмов, предполагается использовать вибровращательную мельницу [1], в которой барабан, установленный на виброплиту, вращается вокруг собственной оси, благодаря чему материал равномерно распределяется по всему рабочему объему барабана и тем самым ликвидируются застойные зоны. Получение тонкодисперсного порошка из ОФС достигается ударно-истирающим воздействием мелющих тел различного диаметра, расположенных в разделенных перфорированными перегородками камерах барабана, при этом значительно возрастает интенсивность измельчения материала. Разделение измельченных отходов по фракциям различной крупности выполняется с помощью вибровращательного сита [2]. Подбор соотношений фракций различных размеров измельченных ОФС позволяет создать оптимальную микроструктуру многокомпонентного композиционного матерала.

Для достижения равномерного распределения измельченных отходов различной дисперсности по объему цементной смеси применяется перемешивание компонентов в барабане вибровращательной мельницы, благодаря чему увеличивается площадь контактов зерен цемента и заполнителя, снижается микропористость получаемых композиционных материалов.

Результаты предварительных испытаний показали значительное увеличение прочности на сжатие образцов композиционного материала по сравнению с образцами цементно-песчаного раствора: на 70…100 % при увеличении процентного содержания ОФС в заполнителе с 33 до 100 %.

Предлагаемый способ производства композиционных материалов с использованием отходов литейного производства позволяет получать материалы с различными комплексами свойств: повышенной прочностью, водонепроницаемостью, морозостойкостью и др.

Так как предлагаемая технология ориентирована на возможности малого бизнеса, то экономические расчеты выполнялись для производства одного из видов материалов (тротуарной плитки) со среднегодовым объемом готовой продукции - 2600 м². Балансная прибыль данного производства составит 1031,8 тыс. руб., срок окупаемости - 3,3 года.

Список литературы

1. (Патент 2147931 С1, 7 В 02 С 17/06, 17/14, №98108314/03, 28.04.1998, Опубл. 27.04.2000 Бюл. №12. );

2. (Патент RU 2233713 С2, 7В07В 1/40, 1/22, 14.02.2002, 10.08.2004 Бюл. №22.).

ПЕРЕРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУЖЕЧНЫХ ОТХОДОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ИЗ НИХ ВЫСОКОНАПОЛНЕННЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Шалагина Валентина Александровна

Аспирант кафедры «Экономика и управление»

Научный руководитель к.т.н., д.э.н., профессор Жариков В.В.

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

БИ ГОУ ВПО ТГТУ «ИННОВАТИКА»

Цель проекта:

исследование технологии переработки металлических стружечных отходов и получение высоконаполненных композицинных материалов.

Техническая уникальность проекта:

-уникальное оборудование, разработаны две единицы нового оборудования: вибровращательная шаровая мельница и вибровращательное сито.

- по данной технологии можно получить широкий спектр металлополимеров на основе эпоксидной смолы, в том числе с наноуглеродными материалами.

- в технологическом процессе перерабатывается металлическая стружка т.е. отходы производства. Технологический цикл замкнут – безотходный.

Технология

Переработка металлических стружечных отходов машиностроительного производства включает в себя: предварительное измельчение металлической стружки в грубодисперсный порошок, окончательное измельчение металлических стружечных отходов в среде олигомера с получением металлополимерной композиции, используемой в качестве материала для последующего производства из него методом горячего формования изделий сложной конфигурации с последующей выдержкой последних в термошкафу для более быстрого отверждения до необходимых параметров.

Были отработаны параметры технологии приготовления композиций и материалов на их основе.

Технология получения композиционных материалов предложенным способом включает в себя три основные стадии:

- подготовка сырья;

- приготовление композиции;

- получение металлополимерных материалов и изделий на их основе.

Характеристики получаемого материала

Получаемый металлополимерный материал является:

- комбинированным по способу получения (механо-химический);

- средним по степени дисперсности применяемых металлических наполнителей;

- изотропным, так как обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях;

- высоконаполненным за счет содержания большого объема металлического наполнителя в связующей матрице;

- полухаотическим по способу расположения частиц наполнителя по всему объему материала;

- обладающим средней жесткостью, в отличие от чистого полимера, хорошей пластичностью, вибрационной и химической стойкостью, высокой теплопроводностью, хорошими антифрикционными свойствами, малой шероховатостью;

- по химическому составу - металлоорганическим;

- огнеупорным;

- безвредным в отвержденном состоянии для человека и окружающей внешней среды.

Сферы применения

Металлополимерные материалы могут использоваться как для изготовления сложных по конфигурации корпусных деталей, так и в качестве облицовочных материалов с целью замены дорогостоящих деталей из цветных металлов.

В качестве примера можно привести следующие детали:

-направляющие втулки,

-торцевые уплотнители,

-подшипники скольжения, валы с металлической арматурой,

-вентиляторы,

-ограждения.

Применение композиционных материалов возможно и в ремонтно-восстановительных работах:

- восстановление дефектов литья в производстве литейных изделий, металлических корпусов и т.д.

-нанесение защитных покрытий на водяные помпы для продления сроков службы изделия сразу в производстве,

-фиксация резьбовых соединений при сборке узлов и механизмов. В автомобильной или авиационной промышленности.

-фиксация соединения вал-втулка для нагруженных валов,

-герметизация резьбовых соединений,

-герметизация узлов и механизмов.

- для склеивания оконных уплотнителей в том числе в автомобильной промышленности.

Основные потребители

Машиностроительные предприятия.

Строительные организации.

Предприятия автомобильной промышленности.

ПОЛУЧЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Е.В. Чистовский, студент

Н.В. Кузнецова, к.т.н., доцент кафедры «Архитектура и строительство зданий»

В.В. Жариков, к.т.н., д.э.н., профессор, зав. кафедры «Экономика и управление»

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

В настоящее время материалы с применением отходов деревообрабатывающей промышленности существуют и широко используются в строительной деятельности, например, в строительстве коттеджей, жилых домов и садовых домиков, гаражей и других построек используется арболит. Теплозащитные свойства у подобных материалов лучше, чем у полнотелого кирпича в 5 раз. Кроме того, стены из арболита способствуют уменьшению теплопотерь из здания. Из преимуществ можно отметить следующее: он не гниет, не горит, морозостоек и имеет хорошие звукоизоляционные свойства.

Нами предлагается исследовать отходы деревообрабатывающей промышленности (опилки) для производства композиционных строительных материалов. Компоненты материала проходят через вибровращательную мельницу непрерывного действия для дробления и смешивания, что позволяет на выходе получать требуемую степень измельчения опилок. С помощью вибровращательной шаровой мельницы, при смешивании компонентов наблюдается также уплотнение материала, при этом достигаются его показатели отличные от стандартных.

Вибровращательная шаровая мельница непрерывного действия представляет собой цилиндрический барабан, вращающийся с помощью упругой муфты от электродвигателя. Барабан установлен в подшипниковых опорах на подвижную виброплиту, которая получает с помощью пружин вибросиловое воздействие от плоскостного вибратора, представляющего собой электродвигатель с двумя выходными концами вала, на которые крепятся дебалансные грузы. Барабан имеет внешний люк для загрузки мелющих шаров до оптимальной степени заполнения цилиндра. Загрузка исходного материала производится с помощью загрузочной воронки. Подача сырья происходит выше оси барабана через входное отверстие в торцевой крышке, при этом обеспечивается оптимальная загрузка материала. Барабан имеет перфорированный участок, через который осуществляется вывод готового порошка.

Предлагаемый способ измельчения и смешение позволит улучшить физико-механические характеристики полученного композиционного материала. В первую очередь, следует ожидать повышения прочностных характеристик материала, улучшения теплоизоляционных показателей, увеличение водонепроницаемости и т.д.

Возможной областью применения композиционных материалов в зависимости от значений физико-механических показателей могут являться стеновые блоки для малоэтажных, сельскохозяйственных, гражданских построек и т.п.