Композиционные материалы на основе сульфата кальция, модифицированные ультрадисперсными минеральными порошками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Токарев, Юрий Владимирович

• Токарев, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Токарев, Юрий Владимирович

Введение.

ГЛАВА 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ: РАЗВИТИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ, ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА.

1.1. Анализ области применения минеральных матриц на основе сульфата кальция в композиционных материалах.

1.2. Формирование структуры минеральной матрицы на основе порошков сульфата кальция.

1.2.1. Механизм образования кристаллитных структур.

1.2.2. Факторы, влияющие на кристаллизацию новообразований в твердеющей системе.

1.3. Роль добавок в формировании структуры и свойств минеральной матрицы на основе сульфата кальция.

1.4. Анализ способов улучшения минеральных матриц, модифицированных ультрадисперсными порошками.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Свойства исходных компонентов.

2.1.1. Характеристика природного сырья на основе сульфата кальция.

2.1.2. Физико-химические свойства ультрадисперсных порошковых модификаторов.

2.1.2.1. Свойства алюмохромового катализатора

2.1.2.2. Свойства глиноземистой смеси

2.1.2.3. Свойства ставролита

2.1.3. Физико-химические свойства нанодисперсного модификатора.

2.2. Физико-механические методы исследования минеральных матриц на основе сульфата кальция.

2.2.1. Механические испытания минеральных матриц.

2.2.2. Долговечность минеральных матриц на основе сульфата кальция.

2.3. Структура минеральных матриц композиционных материалов.

2.3.1. Рентгенофазовый анализ композиционных материалов на минеральной основе.

2.3.2. Дифференциально-термический анализ минеральной матрицы в составе композиционного материала.

2.3.3. ИК-спектроскопия минеральной матрицы.

2.3.4. Исследование микроструктуры минеральной матрицы.

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ.

3.1. Физико-механические свойства модифицированных композиционных материалов с минеральной матрицей на основе сульфата кальция.

3.2. Физико-химическое исследование структуры модифицированного композиционного материала.

3.2.1. Влияние ультрадисперсных порошков на структуру и фазовый состав минеральной матрицы.

3.2.1.1. Определение фазового состава с использованием рентгенофазового анализа

3.2.1.2. Исследование кинетики формирования структуры минеральной матрицы с использованием дифференциально-термического анализа

3.2.1.3. Определение взаимодействий между минеральной матрицей и модифицирующими ультрадисперсными порошками при помощи ИК-спектрального анализа

3.2.1.4. Исследование микроструктуры исследуемых композиционных материалов на основе сульфата кальция

3.2.2. Влияние нанодисперсных модификаторов на структуру минеральной матрицы на основе сульфата кальция.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ.

4.1. Экологические аспекты применения ультрадисперсных порошков при модифицировании структуры композиционных материалов.

4.2. Технологические переделы при введении порошкообразных модификаторов в состав композиционного материала.

4.3. Экономическая эффективность модификации ультрадисперсными порошками порошковых материалов на основе сульфата кальция.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Композиционные материалы на основе сульфата кальция, модифицированные ультрадисперсными минеральными порошками»

Актуальность работы. Композиционные материалы на минеральной основе получают все большее развитие и находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Дальнейшее повышение качества минеральных композиционных материалов связано с освоением и внедрением новых технологий их производства, отвечающих требованиям повышения производительности с одновременным снижением энергопотребления, повышения экологической безопасности, огнестойкости и эстетичности производимой продукции. Среди многообразия таких материалов следует выделить композиционные материалы на основе сульфата кальция (минерал ангидрит - Са8С>4), которые обладают рядом положительных качеств — невысокие энергозатраты при получении, относительно низкая плотность, огнестойкость, хорошие теплоизоляционные свойства, благоприятное воздействие на микроклимат помещения. Однако они имеют ряд недостатков, сдерживающих их развитие — невысокие физико-механические характеристики и малая долговечность, проявляющаяся в ползучести конструкций при их увлажнении.

Композиционные материалы на основе сульфата кальция • были разработаны в нашей стране в 20-х годах XX века Будниковым П.П., которым было установлено, что после введения порошков различной природы в небольших количествах - сульфатов щелочноземельных металлов, доменных шлаков, извести, доломита минеральные порошки на основе сульфата кальция приобретают способность кристаллизоваться. В нашей стране имеются значительные запасы сырья с высоким содержанием сульфата кальция, на основе которого возможно получение эффективных композиционных материалов (Пермский край, Башкирия, Нижегородская область, Архангельская область, месторождения в Сибири, на Кавказе и др.). Положительные свойства порошковых материалов на основе ангидрита целесообразно использовать при производстве сухих смесей для устройства самонивелирующихся полов, при отделке стен и в ограждающих конструкциях в малоэтажном строительстве. Для развития и внедрения композиционных материалов на основе ангидрита в отрасли народного хозяйства необходимо улучшение их физико-механических показателей и повышение долговечности. Одним из наиболее перспективных и эффективных направлений улучшения качества минеральных композиционных материалов является применение ультрадисперсных порошковых наполнителей. Свойства композиционных материалов на основе ангидрита в значительной степени определяются составом и состоянием структуры матрицы. Ультрадисперсные порошки различной природы позволяют изменять условия кристаллизации новообразований с интенсификацией процесса формирования структуры и улучшать свойства композиционного материала. Однако до сих пор недостаточно полно изучены особенности структурообразования минеральных материалов на основе сульфата кальция и возможности управления структурой при их модифицировании порошками повышенной дисперсности. Расширение представлений о физико-химических аспектах формирования структуры ангидритовых композиций позволит достичь повышения свойств материала и будет способствовать их дальнейшему развитию.

При формировании кристаллитных структур минеральных композиционных материалов значительную роль играет жидкая фаза, которая одновременно является растворителем и компонентом, участвующим в структурообразовании. Использование ультрадисперсных порошковых модификаторов со значительным содержанием оксида алюминия позволит интенсифицировать процесс кристаллизации растворенного вещества за счет более высокого поляризующего действия катионов алюминия на структуру жидкой фазы, что обусловлено меньшим радиусом катиона А1 по сравнению с радиусом катиона

Са2+ (0,57 А и 1,04 соответственно), при этом снижается диэлектрическая проницаемость и увеличивается плотность воды до 1,4 г/см , что обуславливает повышенную растворяющую способность и как следствие ускорение гидратации сульфата кальция. Таким образом, повышенная активность алюмооксидных дисперсных порошков приведет к усилению взаимодействия между ангидритовой матрицей и водой и достичь повышения физико-механических характеристик.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР на 20092010 гг. по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» в рамках проекта № 1542 «Научные основы структурообразования и исследование физико-технических свойств композиционного материала на основе ангидритового вяжущего, модифицированного углеродными наносистемами».

Цель работы - исследование процесса структурообразования в композиционных материалах на основе сульфата кальция, модифицированных ультрадисперсными и нанодисперсными порошками, и его влияния на физико-механические характеристики материалов на основе ангидрита. Задачи исследования

1. Выбор ультрадисперсных модифицирующих порошков, способных интенсифицировать кристаллизацию новообразований, на основании данных о химическом и минералогическом составах.

2. Оптимизация ангидритовых композиций по дисперсности и содержанию модифицирующих ультра- и нанодисперсных порошков.

3. Исследование структуры и физико-механических свойств ангидритовых композиционных материалов, модифицированных ультра- и нанодисперсными порошками.

4. Разработка технологической схемы производства и оценка экономической эффективности модификации ультрадисперсными порошками композиционных материалов на основе сульфата кальция.

Научная новизна работы. Впервые показана возможность эффективного использования в ангидритовых материалах ультрадисперсных порошков со значительным содержанием окиси алюминия в виде алюмохромового катализатора, глиноземистой смеси и ставролита.

Установлено, что при использовании ультрадисперсных алюмооксидных порошков создаются лучшие условия для растворимости ангидритового связующего и кристаллизации двуводного гипса, что способствует увеличению количества новообразований, формирующих структуру ангидритовой матрицы, с последующим повышением физико-механических характеристик минеральных систем на основе ангидрита.

Выявлено, что ультра- и нанодисперсные порошки при их введении в ангидритовые композиции изменяют размер и морфологию кристаллов и способствуют формированию упорядоченной, более плотной и однородной мелкокристаллической структуры композиционного материала, что обеспечивает снижение дефектности структуры, пористости и увеличение площади межфазной поверхности с повышением физико-механических показателей материала. ,

Показано, что ультрадисперсные модифицирующие порошки принимают участие в формировании кристаллитных структур, на что указывает сдвиг частот, соответствующих ионам Э04 который связан с изменением условий образования связей с участием гидроксильной группы.

Экспериментально установлено повышение прочности на 70-100 % и долговечности модифицированного композиционного материала на основе сульфата кальция при оптимальном содержании ультрадисперсных порошков 3-4 % от массы ангидрита, а при использовании нанодисперсного модификатора прирост прочности составляет 2,8 раза при содержании добавки 0,0024 %.

Практическая значимость. Предложены составы ангидритовых композиций, модифицированных введением ультрадисперсных добавок, включающих тонкодисперсные алюмохромовый катализатор, глиноземистую смесь и ставролит.

Разработаны составы ангидритовых композиций, модифицированных нанодисперсными добавками в виде углеродных многослойных нанотрубок. Использование сверхмалых количеств углеродных нанотрубок в качестве модификаторов способствует уплотнению структуры твердеющей ангидритовой матрицы со значительным повышением механических показателей композиционного материала на основе сульфата кальция.

Разработанные технологическая схема производства композиционного ангидритового материала и проект технических условий позволят выпускать материалы по энергосберегающей технологии.

Реализация результатов работы. Полученные результаты были использованы при проведении лабораторно-производственных испытаний с предприятием ООО СК «Партнер». Результаты проведенных исследований использовались при разработке проекта технических условий и при выполнении дипломных научно-исследовательских работ.

Достоверность научных выводов и результатов исследования

Обеспечивалась достаточным объемом экспериментальных данных, использованием современных методов изучения структуры материала: РФА, ДТА, РЭМ, высокоточного и достоверного ИК-спектрального метода. При выполнении экспериментальных исследований использовалось аттестованное и • поверенное оборудование, соблюдались стандарты на методы исследований. Достоверность научных выводов основана на использовании основных теоретических положений в области структурообразования минеральных композиционных материалов при введении порошковых модификаторов. Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на: 59-60 Республиканских научно-технических конференциях КГ АСУ (Казань, 2008-2009 гг.); на международных научно-технических конференциях «Стройкомплекс» (Ижевск, 2008 и 2010 гг.); международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2008); на 4-м международном PhD, DLA симпозиуме (Печ - 2009,

Венгрия); на XIII международной научно-технической конференции «Архитектура. Строительство. Коммунальное хозяйство - 2009» (Уфа, 2009); на второй Всероссийской конференции с международным интернет-участием (Ижевск, 2009), на XVII международной конференции "НэаиБП" по строительным материалам (Веймар - 2009, Германия), на XV академических чтениях РААСН «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Москва-Казань, 2010), на X международной конференции по новым строительным материалам, технологиям и конструкциям (Вильнюс, 2010).

Публикации. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 18 печатных работах, из которых 3 опубликованы в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ. На защиту выносятся

1. Результаты исследований влияния ультра- и нанодисперсных порошков на физико-механические свойства композиционного материала на основе сульфата кальция;

2. Механизм воздействия ультрадисперсных добавок на основе оксида алюминия на структуру ангидритовых композиционных материалов;

3. Технологическая схема производства композиционного материала на основе ангидрита с добавлением ультрадисперсного ставролита.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы. Общий объем диссертационной работы 136 стр., который включает 49 рисунков, 14 таблиц и 2 приложения. Список литературы включает 176 наименований российских и зарубежных авторов.