📄Работа №201104
Тема: РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СТЕКЛОБОЯ И ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСНОЙ ПОРООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Материаловедение
Объем:
127 листов
Год:
2021
Просмотров:
76
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СИЛИКАТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ 12
1.1 Современное состояние в области технологий теплоизоляционных
силикатных материалов 12
1.2 Влияние компонентов пеностекольной шихты на формирование
структуры пеностекла 19
1.2.1 Основные тенденции в области составов и технологии
пеностекольных материалов на основе нетрадиционного сырья 21
1.2.2 Особенности процессов образования пористой структуры
пеностекольных материалов в зависимости от вида порообразователя 23
1.3 Изделия на основе пеностекольных материалов 27
1.4 Направления исследований в области разработки технологий
пеностекольных материалов 28
1.5 Выводы по главе 1 31
1.6 Постановка цели и задач исследования 32
ГЛАВА 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1 Характеристика исходных материалов 34
2.2 Методы и методики исследований 35
2.3 Методология проведения исследований 38
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ
ПЕНОСТЕКЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСНОЙ ПОРООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ 39
3.1 Выбор компонентов и определение их оптимального соотношения в порообразующей смеси для получения пеностекла 39
3.2 Исследование поведения жидкого стекла и глицерина
при получении пеностекла 46
3.3 Исследование влияния воды на процесс вспенивания 52
3.4 Исследование физико-химических процессов вспенивания
при использовании комплексного порообразователя 56
3.5 Выводы по главе 3 60
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ И СОСТАВА ШИХТЫ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ
МИКРО- И МАКРОСТРУКТУРЫ ПЕНОСТЕКЛА 62
4.1 Влияние температуры и времени вспенивания 62
4.2 Влияние гранулометрического состава шихты 65
4.3 Влияние вида и состава боя стекла 66
4.4 Влияние шлаковых отходов ТЭС 67
4.5 Оптимизация составов и режимов производства
пеностеклокристаллического материала 71
4.6 Выводы по главе 4 77
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
И АНАЛИЗ ИХ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ 80
5.1 Разработка температурно-временных режимов производства
изделий из пеностеклокристаллического материала 80
5.1.1 Разработка режима производства плит 80
5.1.2 Разработка режима производства гранул 82
5.2 Разработка технологической схемы производства
пеностеклокристаллических изделий 83
5.3 Аппаратурно-технологическая схема производства
пеностеклокристаллических изделий 84
5.4 Физико-механические свойства пеностеклокристаллических
изделий 86
5.4.1 Свойства гранул на основе пеностеклокристаллического
материала 86
5.4.2 Свойства плит на основе пеностеклокристаллического материала ... 90
5.4.3 Результаты исследований свойств пеностеклокристаллических
изделий 94
5.5 Экономические показатели производства и оценка
конкурентоспособности пеностеклокристаллических изделий 96
5.6 Выводы по главе 5 99
ВЫВОДЫ 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
ПРИЛОЖЕНИЕ А 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 127
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СИЛИКАТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ 12
1.1 Современное состояние в области технологий теплоизоляционных
силикатных материалов 12
1.2 Влияние компонентов пеностекольной шихты на формирование
структуры пеностекла 19
1.2.1 Основные тенденции в области составов и технологии
пеностекольных материалов на основе нетрадиционного сырья 21
1.2.2 Особенности процессов образования пористой структуры
пеностекольных материалов в зависимости от вида порообразователя 23
1.3 Изделия на основе пеностекольных материалов 27
1.4 Направления исследований в области разработки технологий
пеностекольных материалов 28
1.5 Выводы по главе 1 31
1.6 Постановка цели и задач исследования 32
ГЛАВА 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1 Характеристика исходных материалов 34
2.2 Методы и методики исследований 35
2.3 Методология проведения исследований 38
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ
ПЕНОСТЕКЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЛЕКСНОЙ ПОРООБРАЗУЮЩЕЙ СМЕСИ 39
3.1 Выбор компонентов и определение их оптимального соотношения в порообразующей смеси для получения пеностекла 39
3.2 Исследование поведения жидкого стекла и глицерина
при получении пеностекла 46
3.3 Исследование влияния воды на процесс вспенивания 52
3.4 Исследование физико-химических процессов вспенивания
при использовании комплексного порообразователя 56
3.5 Выводы по главе 3 60
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ И СОСТАВА ШИХТЫ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ
МИКРО- И МАКРОСТРУКТУРЫ ПЕНОСТЕКЛА 62
4.1 Влияние температуры и времени вспенивания 62
4.2 Влияние гранулометрического состава шихты 65
4.3 Влияние вида и состава боя стекла 66
4.4 Влияние шлаковых отходов ТЭС 67
4.5 Оптимизация составов и режимов производства
пеностеклокристаллического материала 71
4.6 Выводы по главе 4 77
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЕНОСТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
И АНАЛИЗ ИХ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ 80
5.1 Разработка температурно-временных режимов производства
изделий из пеностеклокристаллического материала 80
5.1.1 Разработка режима производства плит 80
5.1.2 Разработка режима производства гранул 82
5.2 Разработка технологической схемы производства
пеностеклокристаллических изделий 83
5.3 Аппаратурно-технологическая схема производства
пеностеклокристаллических изделий 84
5.4 Физико-механические свойства пеностеклокристаллических
изделий 86
5.4.1 Свойства гранул на основе пеностеклокристаллического
материала 86
5.4.2 Свойства плит на основе пеностеклокристаллического материала ... 90
5.4.3 Результаты исследований свойств пеностеклокристаллических
изделий 94
5.5 Экономические показатели производства и оценка
конкурентоспособности пеностеклокристаллических изделий 96
5.6 Выводы по главе 5 99
ВЫВОДЫ 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105
ПРИЛОЖЕНИЕ А 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 127
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе разработаны составы и технология получения пеностеклокристаллических материалов на основе стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС с применением комплексной порообразующей смеси. Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания энергоэффективных, негорючих и экологичных теплоизоляционных материалов, а также проблемой утилизации промышленных отходов и высокой стоимостью традиционного пеностекла. Основные результаты заключаются в обосновании возможности замены до 25 мас.% стеклобоя шлаковыми отходами, что позволяет получать материал с плотностью около 210 кг/м³ и преобладающей рентгеноаморфной структурой. Установлены двухстадийный механизм вспенивания в интервале вязкости 10⁷–10⁴ Па·с и оптимальный температурный режим, предотвращающий коалесценцию пор при температурах выше 850 °C. Научная значимость работы заключается в развитии теории структурообразования пеностеклокристаллических систем на техногенном сырье, а практическая – в предложении конкретной технологии, снижающей себестоимость продукции и экологическую нагрузку. Исследование опирается на фундаментальные работы в области технологии теплоизоляционных материалов, такие как труды Ю.Л. Горлова и А.П. Меркина, учебные пособия О.А. Игнатовой, а также современные нормативные требования к энергоэффективности. Результаты работы рекомендованы для внедрения в промышленность и могут быть использованы в учебном процессе.
📖 Введение
Актуальность темы исследования. В связи с растущими темпами строительства, а также повышением требований к строительным материалам и конструкциям, особенно в области энергоэффективности, экологической и пожарной безопасности, актуальной становится разработка негорючих долговечных эффективных теплоизоляционных материалов, с широким диапазоном применения. К такому типу материалов, отвечающему перечисленным требованиям, относится пеностекло, обладающее как низкой теплопроводностью, так и высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе стойкостью к подавляющему большинству химических и биологических воздействий, высоким и низким температурам, а также длительным сроком службы.
Главная причина, сдерживающая широкое применение пеностекла - его сравнительно высокая стоимость, которая, в свою очередь, связана с дефицитностью основного сырьевого материала, в качестве которого используется стекольный бой. Перспективным путем устранения данного недостатка является применение в качестве сырьевых компонентов более дешевых материалов, в частности, вторичного техногенного сырья. За счет этого достигается уменьшение стоимости получаемой продукции, а также снижение экологической нагрузки за счет вовлечения промышленных отходов в производственный цикл. При этом особенно актуальна переработка материалов, практически не подверженных разложению, таких, как шлаковые отходы от сжигания угля на ТЭС. Применимость этих материалов для производства пеностекла объясняется их рентгеноаморфной структурой и химическим составом.
Актуальным является исследование физико-химических процессов вспенивания, формирования микро- и макроструктуры пеностекла из композиций стек- лопорошка со шлаком ТЭС с использованием комплексных порообразующих смесей.
Степень разработанности темы исследования. Исследования в области получения пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов проводятся научными группами: Национального исследовательского Томского политехнического университета (В.И. Верещагин, О.В. Казьмина) - синтез по двухстадийной технологии; Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (Н.И. Минько, В.С. Бессмертный, О.В. Пучка) - синтез пеностекол с защитно-декоративными покрытиями; Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления (Д.Р. Дамдинова) - синтез по технологии геополимеров; Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова (Е.А. Яценко) - синтез на основе спектра природного и техногенного сырья и другие коллективы. Исследований в области производства пеностекла с использованием комплексных порообразователей и вторичного сырья, включая шлаковые отходы ТЭС, для создания теплоизоляционных изделий ранее не проводилось.
Цель работы: разработка научных положений технологии пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов на основе стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС c использованием комплексной порообразующей смеси для изготовления теплоизоляционных изделий.
Задачи:
- исследование физико-химических процессов, происходящих при термической обработке комплексного порообразователя и пенообразования при получении пеностекла;
- исследование физико-химических процессов формирования микро и макроструктуры поностекольных и пеностеклокристаллических материалов;
- разработка составов и технологии пеностекольных материалов на основе стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС;
- разработка технологии изделий на основе пеностеклокристаллических материалов (плит, гранул), исследование их физико-механических свойств;
- анализ физико-механических характеристик разработанного пеностеклокристаллического материала и изделий на его основе в сравнении с современными аналогами.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что при использовании жидкофазной смеси органических (глицерин) и неорганических (жидкое стекло, вода) веществ формирование равномерной пористой структуры пеностекла с размером пор в пределах (600800) мкм происходит за счет реакций взаимодействия компонентов смеси и стек- лопорошка, а именно: разложение глицерина при температуре самовоспламенения 393 °С, капсуляция продуктов разложения и остаточного углерода внутри спёка за счет жидкого стекла, окислительно-востановительные реакции взаимодействия углерода с силикатным каркасом при температурах 700-900 °С. Установлено, что роль воды в составе порообразующей смеси заключается в снижении вязкости порообразуюшей смеси и формировании дополнительного объема газовой фазы.
2. Установлены закономерности термической обработки пеностекольных шихт, заключающиеся в интенсивном разложении порообразователя, его капсу- ляции и формировании микропор при 600-720 °С; объединении микропор и перераспределении давления в порах при вязкости 107-106 Па-с (период резкого вспенивания, 720-775 °С); вспенивании при снижении вязкости силикатной массы до 106-104 Па-с (период постепенного вспенивания, 775-850 °С); коалесценции пор и оседании пены при вязкости ниже 104 Па-с (температура выше 850 °С). Показано, что процесс коалесценции также интенсифицируется за счет увеличения времени изотермической выдержки более 10 минут.
3. Установлено, что замена 25 мас. % стеклобоя на шлаковый отход ТЭС обеспечивает повышение прочности пеностеклокристаллического материала без повышения плотности за счет формирования кристаллов а-кварца размером 550700 нм в количестве 12±2 %. Выявлены основные параметры пористой структуры, ведущие к повышению прочности, а именно: макроструктура - поры размером 1,0-1,4 мм, тип закрытый; микроструктура - межпоровые перегородки толщиной 30-60 мкм с микропорами размером 15-30 мкм.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых данных о физико-химических процессах, происходящих при вспенивании пеностекла при использовании комплексной порообразующей смеси «глицерин - жидкое стекло - вода» и процессах формирования микро- и макроструктуры пеностеклокристаллического материала при введении в исходную композицию до 25% шлака ТЭС, а также установлении влияния температурно-временного режима, вида и соотношения сырьевых компонентов (компоненты порообразующей смеси стеклобой различных марок, шлаковый отход) на структуру и свойства пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов.
Практическая значимость работы:
- разработан состав порообразующей смеси и шихты для производства пеностеклокристаллических материалов, мас. %: шлаковый отход ТЭС - 22 стеклобой БТ-1 - 34; стеклобой М4 - 34; порообразующая смесь - 10 (в том числе: жидкое стекло - 4; глицерин - 3; вода - 3), для получения материала с плотностью 210 кг/м3 при температуре вспенивания 840 °С;
- разработаны режимы изготовления изделий (гранул и плит) на основе пеностеклокристаллических материалов, экспериментально определены основные физико-механические свойства, в том числе: для гранул - насыпная плотность 199 кг/м3; водопоглощение 3,7 мас. %; предел прочности при сдавливании в цилиндре 1,7 МПа; коэффициент теплопроводности 0,06 Вт/(м-К); для плит - плотность 225 кг/м3; предел прочности при сжатии 2,99 МПа; коэффициент теплопроводности 0,063 Вт/(м-К); водопоглощение 2,3 об. %;
- разработаны основные этапы технологии и аппаратурно-технологическая схема производства пеностеклокристаллических изделий, проведена оценка экономической эффективности технологии, подтвердившая окупаемость и конкурентоспособность продукции.
Методология исследования. Методологической основой исследования является теория высокотемпературной поризации пластичных силикатных масс, описывающая последовательность физико-химических процессов при нагревании смесей, включающих силикатное сырье и порообразователь.
Методы исследования. Исследование процессов спекания, плавления и вспенивания пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов, а также изменения в их фазовом составе, макро-, микроструктуре и свойствах проводили с применением современных методов, в том числе: дифференциальная сканирующая калориметрия (установка STA 449 Jupiter фирмы NETZSCH), сканирующая электронная микроскопия (сканирующий ионно-электронный микроскоп Quanta 200 3D фирмы FEI Company), рентгенофазовый анализ (дифрактометр ARL X’TRA фирмы ThermoScientific»), а также испытания согласно соответствующим государственным стандартам.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о функциях компонентов комплексного порообразователя, заключающихся в формировании за счет глицерина порообразующих газов, повышении за счет жидкого стекла интенсивности их капсуляции и спекания шихты, повышении за счет воды равномерности распределения порообразователя и однородности пористой структуры с размером пор в пределах (600-800) мкм.
2. Положение о закономерностях влияния температурно-временного режима на вязкостные характеристики при вспенивании силикатных масс, заключающихся в выявлении этапа резкого вспенивания (резкое увеличение количества зародышей пор при вязкости 107-106 Па-с и температура 730-775 °С) и этапа постепенного вспенивания 800 °С (раздувания пор из зародышей при вязкости 106104 Па-с и температуре 775-850 °С).
3. Положение о граничном содержании шлакового отхода ТЭС в пеностеклокристаллическом материале не более 25 мас. %, обеспечивающем при температуре 825 °С кристаллизацию наночастиц а-кварца с размерами 550-700 нм в количестве 12±2 %, повышающими прочность материала. Пористая структура является закрытой, поры размером 1-1,4 мм разделены перегородками толщиной 3060 мкм.
Личный вклад автора заключается в участии в формулировании цели и задач исследования, планировании хода работы, в получении и анализе экспериментальных данных, изложение результатов, формулирование выводов и написание диссертации, подготовка материалов для публикации. Все экспериментальные данные получены автором лично.
Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается воспроизводимостью результатов экспериментов, а также комплексом современных физикохимических методов исследования и стандартных методик, регламентированных соответствующими государственными стандартами. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при непосредственном участии автора.
Апробация результатов исследования. Результаты научной работы представлены на ряде международных, всероссийских и региональных конференций: Международная конференция «Стеклопрогресс-XXI», г. Саратов, 2014 г., 2018 г.; Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и инновации (XXII научные чтения)», г. Белгород, 2016 г.; Международная научнопрактическая конференция «Проблемы и перспективы развития науки в России и мире», г. Уфа, 2016 г.; Международная научная конференция «Стекло: наука и практика» (GlasSP-2017), г. Санкт-Петербург, 2017 г.; региональная научнотехническая конференция (конкурс научно-технических работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна», г. Новочеркасск, 2017 г.; Международная научно-техническая конференция «Строительство, архитектура и техносферная безопасность», г. Челябинск, 2017 г.; XXII Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы экологии» г. Тула 2019 г.
По тематике исследований диссертационной работы выполнено Соглашение № 14.574.21.0124 от 27 ноября 2014 г. «Разработка ресурсосберегающей технологии многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов для строительства энергоэффективных зданий», в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнического комплекса России на 2014-2020 годы» Министерства образования и науки РФ.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ЮРГПУ(НПИ) при чтении курсов «Технологии современных силикатных материалов», «Теоретические основы моделирования новых материалов», «Специальные материалы будущего». Проведена опытно-промышленная апробация разработанной технологии пеностеклокристаллических гранул в условиях ООО ИТЦ «ДонЭнергоМаш».
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 14 работах, в том числе в 5 публикациях в журналах из списка, рекомендованного ВАК, включая 2 публикации в журналах, индексируемых в базах Scopus, WoS.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического описания литературных источников и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включающего 44 таблицы, 26 рисунков, список литературы из 155 наименований и 2 приложения.
Главная причина, сдерживающая широкое применение пеностекла - его сравнительно высокая стоимость, которая, в свою очередь, связана с дефицитностью основного сырьевого материала, в качестве которого используется стекольный бой. Перспективным путем устранения данного недостатка является применение в качестве сырьевых компонентов более дешевых материалов, в частности, вторичного техногенного сырья. За счет этого достигается уменьшение стоимости получаемой продукции, а также снижение экологической нагрузки за счет вовлечения промышленных отходов в производственный цикл. При этом особенно актуальна переработка материалов, практически не подверженных разложению, таких, как шлаковые отходы от сжигания угля на ТЭС. Применимость этих материалов для производства пеностекла объясняется их рентгеноаморфной структурой и химическим составом.
Актуальным является исследование физико-химических процессов вспенивания, формирования микро- и макроструктуры пеностекла из композиций стек- лопорошка со шлаком ТЭС с использованием комплексных порообразующих смесей.
Степень разработанности темы исследования. Исследования в области получения пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов проводятся научными группами: Национального исследовательского Томского политехнического университета (В.И. Верещагин, О.В. Казьмина) - синтез по двухстадийной технологии; Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (Н.И. Минько, В.С. Бессмертный, О.В. Пучка) - синтез пеностекол с защитно-декоративными покрытиями; Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления (Д.Р. Дамдинова) - синтез по технологии геополимеров; Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова (Е.А. Яценко) - синтез на основе спектра природного и техногенного сырья и другие коллективы. Исследований в области производства пеностекла с использованием комплексных порообразователей и вторичного сырья, включая шлаковые отходы ТЭС, для создания теплоизоляционных изделий ранее не проводилось.
Цель работы: разработка научных положений технологии пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов на основе стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС c использованием комплексной порообразующей смеси для изготовления теплоизоляционных изделий.
Задачи:
- исследование физико-химических процессов, происходящих при термической обработке комплексного порообразователя и пенообразования при получении пеностекла;
- исследование физико-химических процессов формирования микро и макроструктуры поностекольных и пеностеклокристаллических материалов;
- разработка составов и технологии пеностекольных материалов на основе стеклобоя и шлаковых отходов ТЭС;
- разработка технологии изделий на основе пеностеклокристаллических материалов (плит, гранул), исследование их физико-механических свойств;
- анализ физико-механических характеристик разработанного пеностеклокристаллического материала и изделий на его основе в сравнении с современными аналогами.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что при использовании жидкофазной смеси органических (глицерин) и неорганических (жидкое стекло, вода) веществ формирование равномерной пористой структуры пеностекла с размером пор в пределах (600800) мкм происходит за счет реакций взаимодействия компонентов смеси и стек- лопорошка, а именно: разложение глицерина при температуре самовоспламенения 393 °С, капсуляция продуктов разложения и остаточного углерода внутри спёка за счет жидкого стекла, окислительно-востановительные реакции взаимодействия углерода с силикатным каркасом при температурах 700-900 °С. Установлено, что роль воды в составе порообразующей смеси заключается в снижении вязкости порообразуюшей смеси и формировании дополнительного объема газовой фазы.
2. Установлены закономерности термической обработки пеностекольных шихт, заключающиеся в интенсивном разложении порообразователя, его капсу- ляции и формировании микропор при 600-720 °С; объединении микропор и перераспределении давления в порах при вязкости 107-106 Па-с (период резкого вспенивания, 720-775 °С); вспенивании при снижении вязкости силикатной массы до 106-104 Па-с (период постепенного вспенивания, 775-850 °С); коалесценции пор и оседании пены при вязкости ниже 104 Па-с (температура выше 850 °С). Показано, что процесс коалесценции также интенсифицируется за счет увеличения времени изотермической выдержки более 10 минут.
3. Установлено, что замена 25 мас. % стеклобоя на шлаковый отход ТЭС обеспечивает повышение прочности пеностеклокристаллического материала без повышения плотности за счет формирования кристаллов а-кварца размером 550700 нм в количестве 12±2 %. Выявлены основные параметры пористой структуры, ведущие к повышению прочности, а именно: макроструктура - поры размером 1,0-1,4 мм, тип закрытый; микроструктура - межпоровые перегородки толщиной 30-60 мкм с микропорами размером 15-30 мкм.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых данных о физико-химических процессах, происходящих при вспенивании пеностекла при использовании комплексной порообразующей смеси «глицерин - жидкое стекло - вода» и процессах формирования микро- и макроструктуры пеностеклокристаллического материала при введении в исходную композицию до 25% шлака ТЭС, а также установлении влияния температурно-временного режима, вида и соотношения сырьевых компонентов (компоненты порообразующей смеси стеклобой различных марок, шлаковый отход) на структуру и свойства пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов.
Практическая значимость работы:
- разработан состав порообразующей смеси и шихты для производства пеностеклокристаллических материалов, мас. %: шлаковый отход ТЭС - 22 стеклобой БТ-1 - 34; стеклобой М4 - 34; порообразующая смесь - 10 (в том числе: жидкое стекло - 4; глицерин - 3; вода - 3), для получения материала с плотностью 210 кг/м3 при температуре вспенивания 840 °С;
- разработаны режимы изготовления изделий (гранул и плит) на основе пеностеклокристаллических материалов, экспериментально определены основные физико-механические свойства, в том числе: для гранул - насыпная плотность 199 кг/м3; водопоглощение 3,7 мас. %; предел прочности при сдавливании в цилиндре 1,7 МПа; коэффициент теплопроводности 0,06 Вт/(м-К); для плит - плотность 225 кг/м3; предел прочности при сжатии 2,99 МПа; коэффициент теплопроводности 0,063 Вт/(м-К); водопоглощение 2,3 об. %;
- разработаны основные этапы технологии и аппаратурно-технологическая схема производства пеностеклокристаллических изделий, проведена оценка экономической эффективности технологии, подтвердившая окупаемость и конкурентоспособность продукции.
Методология исследования. Методологической основой исследования является теория высокотемпературной поризации пластичных силикатных масс, описывающая последовательность физико-химических процессов при нагревании смесей, включающих силикатное сырье и порообразователь.
Методы исследования. Исследование процессов спекания, плавления и вспенивания пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов, а также изменения в их фазовом составе, макро-, микроструктуре и свойствах проводили с применением современных методов, в том числе: дифференциальная сканирующая калориметрия (установка STA 449 Jupiter фирмы NETZSCH), сканирующая электронная микроскопия (сканирующий ионно-электронный микроскоп Quanta 200 3D фирмы FEI Company), рентгенофазовый анализ (дифрактометр ARL X’TRA фирмы ThermoScientific»), а также испытания согласно соответствующим государственным стандартам.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о функциях компонентов комплексного порообразователя, заключающихся в формировании за счет глицерина порообразующих газов, повышении за счет жидкого стекла интенсивности их капсуляции и спекания шихты, повышении за счет воды равномерности распределения порообразователя и однородности пористой структуры с размером пор в пределах (600-800) мкм.
2. Положение о закономерностях влияния температурно-временного режима на вязкостные характеристики при вспенивании силикатных масс, заключающихся в выявлении этапа резкого вспенивания (резкое увеличение количества зародышей пор при вязкости 107-106 Па-с и температура 730-775 °С) и этапа постепенного вспенивания 800 °С (раздувания пор из зародышей при вязкости 106104 Па-с и температуре 775-850 °С).
3. Положение о граничном содержании шлакового отхода ТЭС в пеностеклокристаллическом материале не более 25 мас. %, обеспечивающем при температуре 825 °С кристаллизацию наночастиц а-кварца с размерами 550-700 нм в количестве 12±2 %, повышающими прочность материала. Пористая структура является закрытой, поры размером 1-1,4 мм разделены перегородками толщиной 3060 мкм.
Личный вклад автора заключается в участии в формулировании цели и задач исследования, планировании хода работы, в получении и анализе экспериментальных данных, изложение результатов, формулирование выводов и написание диссертации, подготовка материалов для публикации. Все экспериментальные данные получены автором лично.
Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается воспроизводимостью результатов экспериментов, а также комплексом современных физикохимических методов исследования и стандартных методик, регламентированных соответствующими государственными стандартами. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при непосредственном участии автора.
Апробация результатов исследования. Результаты научной работы представлены на ряде международных, всероссийских и региональных конференций: Международная конференция «Стеклопрогресс-XXI», г. Саратов, 2014 г., 2018 г.; Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и инновации (XXII научные чтения)», г. Белгород, 2016 г.; Международная научнопрактическая конференция «Проблемы и перспективы развития науки в России и мире», г. Уфа, 2016 г.; Международная научная конференция «Стекло: наука и практика» (GlasSP-2017), г. Санкт-Петербург, 2017 г.; региональная научнотехническая конференция (конкурс научно-технических работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области «Студенческая научная весна», г. Новочеркасск, 2017 г.; Международная научно-техническая конференция «Строительство, архитектура и техносферная безопасность», г. Челябинск, 2017 г.; XXII Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы экологии» г. Тула 2019 г.
По тематике исследований диссертационной работы выполнено Соглашение № 14.574.21.0124 от 27 ноября 2014 г. «Разработка ресурсосберегающей технологии многослойных теплоизоляционно-декоративных стеклокомпозиционных материалов для строительства энергоэффективных зданий», в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнического комплекса России на 2014-2020 годы» Министерства образования и науки РФ.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс ЮРГПУ(НПИ) при чтении курсов «Технологии современных силикатных материалов», «Теоретические основы моделирования новых материалов», «Специальные материалы будущего». Проведена опытно-промышленная апробация разработанной технологии пеностеклокристаллических гранул в условиях ООО ИТЦ «ДонЭнергоМаш».
Публикации. Основные положения работы опубликованы в 14 работах, в том числе в 5 публикациях в журналах из списка, рекомендованного ВАК, включая 2 публикации в журналах, индексируемых в базах Scopus, WoS.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического описания литературных источников и приложений. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включающего 44 таблицы, 26 рисунков, список литературы из 155 наименований и 2 приложения.
✅ Заключение
стекла).
В качестве технологически доступного метода получения пеностекла предложен порошковый метод. Интенсивное спекание шихты в зоне высоких температур ведет к капсуляции порообразующих газов. Вспенивание протекает в два периода - резкое вспенивание в интервале вязкости 107-106 Па-с, и постепенное вспенивание в интервале 106-104 Па-с. При температурах выше 850 °С структура образца становится менее упорядоченной за счет процессов коалесценции.
Для расширения сырьевой базы и удешевления технологии было предложено применение шлаковых отходов ТЭС и стеклобоя в качестве основных сырьевых материалов. Введение в состав шлаковых отходов в количестве 25 мас. % позволяет при оптимальном температурно-временном режиме получить пеностеклокристаллический материал с плотностью 210 кг/м3 и преобладанием рентгеноаморфной структуры.
Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к внедрению в промышленности теплоизоляционных материалов, а также использованы в учебном процессе Исследование целесообразно продолжить в направлении изучения: возможности использования природного и техногенного алюмосиликатное сырье; анализа газового состава пор и моделирования процессов взаимодействия компонентов порообразующей смеси при вспенивании.
В качестве технологически доступного метода получения пеностекла предложен порошковый метод. Интенсивное спекание шихты в зоне высоких температур ведет к капсуляции порообразующих газов. Вспенивание протекает в два периода - резкое вспенивание в интервале вязкости 107-106 Па-с, и постепенное вспенивание в интервале 106-104 Па-с. При температурах выше 850 °С структура образца становится менее упорядоченной за счет процессов коалесценции.
Для расширения сырьевой базы и удешевления технологии было предложено применение шлаковых отходов ТЭС и стеклобоя в качестве основных сырьевых материалов. Введение в состав шлаковых отходов в количестве 25 мас. % позволяет при оптимальном температурно-временном режиме получить пеностеклокристаллический материал с плотностью 210 кг/м3 и преобладанием рентгеноаморфной структуры.
Результаты диссертационной работы могут быть рекомендованы к внедрению в промышленности теплоизоляционных материалов, а также использованы в учебном процессе Исследование целесообразно продолжить в направлении изучения: возможности использования природного и техногенного алюмосиликатное сырье; анализа газового состава пор и моделирования процессов взаимодействия компонентов порообразующей смеси при вспенивании.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.