Основы технологии бумагоподобных минеральноволокнистых композитов повышенной прочности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат технических наук Безлаковский, Антон Игоревич

• Безлаковский, Антон Игоревич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Безлаковский, Антон Игоревич

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Минеральные волокна, используемые при производстве ^ бумаги и картона

1.2. Особенности технологии бумагоподобных композитов на основе минеральных волокон

1.3. Структура бумагоподобных композиционных материалов

1.4. Формирование прочности в бумагоподобных композитах

1.5. Выводы по аналитическому обзору

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.2. Статистическая обработка результатов

2.3. Исследование связеобразования в материалах на основе минеральных волокон методом ИК-спектроскопии

2.4. Методика определения прочностных и деформационных характеристик отливок на основе 40 минеральных волокон

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Структурно-деформационные характеристики композитов на основе минеральных волокон

3.2. Связеобразование в композитах на основе минерального волокна

3.3. Получение различных композиционных материалов на основе минеральных волокон

4. ВЫВОДЫ 94 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 95 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт внедрения 107 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Спектры 109 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты определения деформационных характеристик

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИИЯ И СОКРАЩЕНИЯ пц. - ошибка среднего арифметического значения; у - «выскакивающее» значение; Т - пропускание; 77 - поглощение; Эф ~ эффективность связующего; К ~ коэффициент проницаемости; Е - модуль упругости, МПа; / - длина образца, мм; Р - усилие, Н; у - среднее арифметическое значение выборки; £ — среднее квадратическое отклонение;

V - вариационный коэффициент, %;

Q — расход связующего по отношению к массе волокон, с1в — диаметр минерального волокна, мкм; с1н - длина водородной связи, А; N - число образцов, частота вариант; г - коэффициент корреляции; щнв - степень минерализуемости; а - напряжение, МПа; ар - прочность при растяжении, МПа; е - деформация, %; р - плотность, кг/м3; А/ - удлинение, мм; Ьр.вод ст ~ Давление водяного столба, мм. вод. ст.; 3 - толщина образца, мкм; Ар ~ сопротивление потоку воздуха; а - каустическое число (техн.);

V — волновое число, см"1; МТВ - микротонкое волокно СТВ - супертонкое волокно УТВ - ультратонкое волокно

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы технологии бумагоподобных минеральноволокнистых композитов повышенной прочности»

Создание новых наукоемких технологий и расширение на этой основе ассортимента путем производства принципиально новых бумагоподобных материалов — одно из перспективных направлений развития целлюлозно-бумажной промышленности. Использование для этой цели минеральных волокон позволяет получать материалы, обладающие уникальными характеристиками, связанными с хемо-, био- и термостойкостью этих материалов.

Однако во многих случаях использование в науке и технике бумагоподобных минеральноволокнистых материалов сдерживается недостаточной прочностью композитов. Поскольку показатели прочности определяются главным образом условием межволоконного связеобразования, усилия, направленные на исследование механизма связеобразования и поиск возможных технологических решений развития межволоконных связей должно позволить определить пути получения упрочненных бумагоподобных минеральноволокнистых композитов.

Непременным условием успешного внедрения материалов на основе минеральных волокон и их широкого использования в ряде отраслей промышленности является сохранение для их производства традиционной технологии, освоенной в производстве бумаги и картона на основе растительных волокон. При этом представляется перспективным использование именно растительных волокон для упрочнения минеральноволокнистых композитов благодаря очевидной совместимости минеральных и растительных волокон. Однако связеобразование в подобной композиции должно быть предметом исследования.

Создание теоретических основ и технологии получения материалов на основе минеральных волокон и связующих — новое перспективное научное направление. Развитие этого направления в плане подбора связующих, научных основ взаимодействия связующих и минеральных волокон, оценка показателей прочности минеральных волокнистых композитов является актуальным, технически и экономически целесообразным.

Основными направлениями технического прогресса в производстве бумаги и картона являются: совершенствование существующих технологий и создание новых высокоэффективных процессов производства на основе наукоемких технологий и оборудования с целью развития экономики страны, расширения ассортимента и областей применения продукции с уникальными, остродефицитными свойствами, с использованием нерастительных волокон. К числу приоритетных в этой области технологий относится интенсивно развиваемое направление по производству бумагоподобных материалов из минеральных волокон на основе традиционной бумагоделательной технологии и существующего оборудования.

Использование минеральных волокон в композиции бумаги и картона придает им комплекс уникальных свойств, принципиально недостижимых у материалов на основе растительных волокон. Это высокие термо-, хемо- и биостойкость, изоляционные и барьерные свойства, а также устойчивость к действию различного рода излучений, в том числе и достаточно жестких гамма и ультрафиолетовых. Указанные свойства материалов на основе минеральных волокон предопределяют их применение в различных областях техники, где обычные виды бумаги и картона не пригодны или неудовлетворительно работают из-за низкой устойчивости растительных волокон к агрессивно действующим внешним факторам. Примеры успешного применения бумагоподобных композитов на основе минеральных волокон можно найти в самых различных областях науки и техники. Это авиокосмическая техника, двигатели различного назначения, биотехнология, медицина, строительство, транспорт, аппараты косвенно испарительного охлаждения воздуха и многое другое.

Минеральные волокна в изделиях различной формы и композиции широко используются для теплоизоляции. Для получения негорючих, экологически чистых, теплоизоляционных материалов низкой плотности могут использоваться базальтовые, кварцевые, каолиновые и другие виды минеральных волокон со связующими в виде водных растворов солей поливалентных металлов. Весьма эффективно использование минеральных волокон для целей высокотемпературной изоляции. Например, действующие паровые турбины работают при температуре до 650 °С, газовые турбины до 700.750°С. При таких температурах минеральные волокна в течение года эксплуатации сохраняют 35.55 % своей исходной прочности, что исключено при любых других способах термоизоляции из органических материалов [1].

Минеральные волокна являются высокоэффективным звукопоглощающим материалом. Нормальный коэффициент звукопоглощения для частот 1000 Гц и более при плотности материала о

15 кг/м и толщине 30 мм, при нулевом зазоре между материалом и жесткой стеной, составляет 0,85.0,90, при зазоре 100 мм коэффициент возрастает до 0,99 [2].

Минеральные волокна являются огнестойким материалом и могут быть рекомендованы для обустройства залов кинотеатров, киностудий и других помещений, к которым предъявляются высокие требования по пожарной безопасности [1,3].

Минеральные волокна могут быть использованы как основа для кровельных материалов, в частности, как заменитель асбеста в шиферных смесках, как волокнистая основа для пропиток битумно-полимерными смесями. Примеры высокоэффективного использования минеральных волокон связаны, главным образом, с их применением в виде объемных матов различной формы, получаемых на специальных видах оборудования путем малопроизводительных и дорогостоящих процессов производства по сравнению с процессами бумагоделания [4,5].

В целом области применения и объемы использования материалов на основе минеральных волокон не соответствуют тем потенциальным возможностям, которые обусловлены уникальным комплексом присущих этим волокнам свойств.

Следует указать, что в виде материалов, получаемых на бумагоделательном оборудовании, минеральные волокна используются в производстве изоляционных и кровельных материалов еще в незначительных количествах.

Сложившаяся ситуация обусловлена тем, что до настоящего времени нет научной базы и технических разработок по эффективному приданию межволоконной прочности не обладающим способностью к связеобразованию в листе бумаги минеральным волокнам. Для того, чтобы по традиционной технологии бумажного производства получить материал, сочетающий в себе преимущества, обусловленные листовой формой и уникальными свойствами минеральных волокон, в его композицию следует вводить связующие различной природы. В зависимости от назначения, это могут быть растительные, поливинилспиртовые волокна, латексы, полимерные эмульсии и другие.

Создание теоретических основ и технологии получения материалов из минеральных компонентов - волокон и связующих -новое перспективное научное направление. Развитие этого направления, в плане создания технологии бумагоподобных композитов является актуальным, технически и экономически целесообразным.

Основная проблема в создании бумагоподобных материалов на основе минеральных волокон связана с отсутствием у индивидуальных минеральных волокон способности к межволоконному взаимодействию, без решения которой не может быть создано эффективное производство указанных материалов. Перспективным направлением решения данной проблемы представляется изыскание условий и применение различных видов упрочняющих добавок. Без упрочняющих добавок заданный вид материала или вообще невозможно изготовить, или же он получается настолько непрочными, что непригоден к практическому использованию.

Обобщая изложенное, можно заключить, что новые свойства материала достигаются в композициях, включающих сочетание минеральных и растительных волокон. В этом варианте открывается возможность организовать высокопроизводительное и рентабельное производство по бумагоделательной технологии. Однако, в этом направлении имеется целый ряд нерешенных вопросов требующих научного изучения и технологических разработок. Если состояние науки и техники в современном бумажном производстве широко освещено в отечественной и зарубежной научно-технической литературе, то сведения по изготовлению материалов на основе минеральных волокон носят преимущественно прикладной характер и совершенно скудна информация по научным аспектам совместного их использования в композиционных минеральноцеллюлозных материалах.

Преодолеть это несоответствие в настоятельной потребности экономики страны в прогрессивных материалах, с одной стороны, и научной базой, на которой должны создаваться такие композиционные материалы и технология их производства, с другой, является актуальной проблемой. Существует несколько подходов к ее решению.

Наиболее правильным, нам представляется, последовательное изучение тех характеристик и особенностей минеральных волокон и их поведения в технологических процессах, которые максимально приближены к бумагоделательной технологии с тем, чтобы затем направленно и научно обоснованно перейти к разработке новых композиционных материалов с использованием волокон различной природы, но обязательно при строгой привязке к современным процессам и оборудованию производства бумаги.

В свете вышеизложенного, тема данной диссертационной работы актуальна. Ее результаты решают вопросы использования минеральных волокон для создания и развития наукоемкой отрасли производства бумагоподобных композиционных материалов.

Целью диссертации является создание основ технологии новых бумагоподобных композиционных рулонных и листовых материалов из минеральных волокон и связующих, обладающих необходимыми барьерными, термостойкими, впитывающими характеристиками.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

- обобщение функциональных свойств минеральных волокон и связующих для выбора объектов исследований;

- исследование природы и характера межволоконных связей, а также структуры бумагоподобных композиционных материалов на основе минеральных волокон;

- изучение деформационно-прочностных свойств бумагоподобных минеральноволокнистых материалов;

- формулирование на основе результатов исследования концепции развития прочности рулонных и листовых материалов, как функции межволоконного связеобразования в системе «минеральное волокно — связующее»;

- исследование технологических факторов производства бумагоподобных минеральноволокнистых композитов;

- опытно-промышленные испытания и . освоение инновационных технологий производства бумагоподобных минеральноволокнистых материалов на бумагоделательной машине.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Безлаковский, Антон Игоревич

4. ВЫВОДЫ

1. Показано, что с повышением расхода сульфата алюминия (в диапазоне рН 7,0.7,5) увеличивается прочность и жесткость материалов, обусловленная упрочнением межволоконных сил связи, что в свою очередь сопровождается снижением растяжимости.

2. Выявлена возможность использования методов ИК-спектроскопии, путем разложения спектров на гауссовы контуры, для оценки механизма связеобразования минеральноволокнистых композитов с добавкой растительных волокон.

3. Установлено, что в присутствии размолотых хлопковых волокон активизация связей обусловлена взаимопроникновением самостоятельных сетчатых структур растительных и минеральных волокон.

4. Показано, что использование в качестве связующих различных растительных волокон (хлопковая целлюлоза, макулатура), поливинилацетатного связующего в присутствии сульфата алюминия увеличивает показатели прочности минеральноволокнистых композитов.

5. Определено, что на структурно-деформационные характеристики бумагоподобных минеральноволокнистых композитов существенно влияет природа волокна. Наименее прочными являются материалы на основе каолинового волокна, наиболее прочными - на основе базальтовых волокон.

6. Определено, что добавка растительных волокон в качестве связующего (не более 5. 10 %) значительно увеличивает прочность минеральноволокнистых композитов при сохранении требуемой впитывающей способности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Безлаковский, Антон Игоревич, 2009 год

1. Конкин, A.A. Термо-, жаростойкие и негорючие волокна / A.A. Конкин. -М.: Изд-во Химия, 1978. -424 с.

2. Пат. 1-21280 Япония /Т. Хиракава.- 20.04.1989. -С. 211-216.

3. Егорова, В.И. Разработать технологию изготовления бумаги из 100% каолинового волокна / В.И. Егорова, H.A. Васильева, H.H. Моногарова // Отчет по теме 8-71 р. У. -Л.: ОАО «ВНИИБ», 1976. -С.47.

4. Шеффманн, Э.А. Современные технологии производства нетканых материалов мокрым способом / Э.А. Шеффманн // Allgemeine Papier-Rundschau. -1989. -№27. -Р.28-34.

5. Асланова, М.С. Стеклянные волокна / М.С. Асланова. -М.: Химия, 1979.-256 с.

6. Дубовый, В.К. Стеклянные волокна. Свойства и применение / В.К. Дубовый. СПб.: Изд-во Нестор, 2003.-130 c.-ISBN 5-303-00102-4.

7. Дубовый, В.К. Бумагоподобные композиционные материалы на основе минеральных волокон // Диссертация. — Санкт-Петербург -2006. 370 с.

8. Каролл-Порчинский, Ц. Материалы будущего / Ц. Каролл-Порчинский. -М: Химия, 1996, -180 с.

9. Басин, В.Е. Адгезионная прочность / В.Е. Басин // М.: Химия, 1981.208 с.

10. П. Сиркар, А. Знакомство со стекловолокном и технологией его производства с использованием процесса создания нетканых материалов / А. Сиркар // TAPPI JOURNAL. -1993. v.76. №4. -С.167-175.

11. Сорин, М.Н. Технология производства огнеупорной бумаги / М.Н. Сорин, А.Н. Гауду // Журнал Огнеупоры. -1980. -№9. -С.42.

12. Джигирис, Д.Д. Основы получения базальтовых волокон / Базальто-волокнистые композиционные материалы и конструкции // Д.Д. Джигириес, А.К. Волынский и др.. -Киев: Наукова думка, 1980, -С. 54-81.

13. Земцов, А.П. Базальтовые технологии: История и перспектива / А.П. Земцов. -Пермь: Пермь, 2003. -124 с.

14. Шевченко, В.М. Влияние целлюлозных волокон на свойства материала на основе базальта / В.М. Шевченко, H.H. Иванова, Н.П., Г.А. Вороновская // Химия и технология целлюлозы: Межвуз. сб. науч. тр. Л.: ЛТА, 1981. - с.70-73.

15. Кирш, A.A. Исследования в области волокнистых аэрозольных фильтров в области максимального проскока частиц./ A.A. Кирш, И.Б. Стечкина, H.A. Фукс // Коллоидный журнал. Т.31. -1969. —№2. -С. 227-231.

16. Полищук, П.А. Устойчивость каолинового волокна в среде расплавленного алюминия / П.А. Полищук, Л.Н. Кожухова // Журнал Огнеупоры, -1980. -№10. -С.32.

17. Романов, В.А. Проблемы материаловедения бумагоподобных композиционных материалов / В.А. Романов, О.В. Анников, Э.Л. Аким // в кн. Проблемы развития композиционных видов бумаги, картона и изделий из них. -Киев: Изд-во УкрНИИТИ, 1990. -С.3-6.

18. Каледин, В.В. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы для промышленной изоляции / В.В. Каледин, Е.А. Латынцева // Материалы к 50-летию Томского архитектурно-строительного университета. -Томск: 2002. -С. 18-19.

19. Розанова, B.C. Опыт применения картона на основе муплитокремнеземистых волокон в металлургии / B.C. Розанова, Н.И Демиденко // в кн. Проблемы развития композиционных видов бумаги, картона и изделий из них. —Киев: Изд-во УкрНИИТИ, 1990.-С.32.

20. Colin, F. White. Получение нетканых материалов мокрого формования из волокон с высокими эксплуатационными свойствами / F. White. Colin // TAPPI. -1989. -V.72. -№12. -P. .

21. Бреховский, С.М. Основы радиационного материаловедения стекла и керамики / С.М. Бреховский и др.. -М.: Изд-во литературы построительству, 1971. -280 с.

22. Lubin, G. Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites / G. Lubin. -New York: Appl. Polymer Symp., 1981. -№21. -P. 179185.

23. Дубовый, B.K. Термостойкие композиционные материалы / B.K. Дубовый, Г.И. Чижов // Технология бумаги: межвузовский сборник научных трудов. -СПб.: Изд-во СПбГТУРП, 2000. -С.111-116.30