Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ БОРОСИЛИКАТНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭМАЛЕЙ С ДОБАВКАМИ ОКСИДА ЦИНКА
|
Оглавление ВВЕДЕНИЕ 4
1 НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ СОСТАВОВ И
ТЕХНОЛОГИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭМАЛЕЙ 10
1.1 Составы, структура, свойства и области применения функциональных
стекловидных эмалей 10
1.1.1 Составы и структура боросиликатных эмалей 10
1.1.2 Функциональные свойства и области применения эмалей системы R2O - RO
- AI2O3 - T1O2 - B2O3 - S1O2 13
1.2 Влияние оксида цинка на структуру и свойства силикатных и боросиликатных
стекол 22
1.3 Антибактериальные свойства стекол и эмалей 26
1.4 Возможности совершенствования технологии силикатных эмалей и
особенности эмалирования черных металлов 32
1.5 Постановка цели и задач исследования 43
2 ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 45
2.1 Характеристика сырьевых материалов 45
2.1.1 Сырьевые материалы для получения функциональной боросиликатной
эмали 45
2.1.2 Характеристика и подготовка металлической подложки 50
2.2 Методы исследования 55
2.2.1 Методы исследования технологических свойств фритты и физикохимических характеристик эмалевого покрытия 55
2.3 Методология работы и структурно-методическая схема исследований 64
3 РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ БЕЛОЙ ХИМИЧЕСКИ СТОЙКОЙ БОРОСИЛИКАТНОЙ ЭМАЛИ ДЛЯ ЧУГУННОЙ ПОДЛОЖКИ 66
3.1 Влияние химического состава фритты в системе Na2O-B2O3-TiO2-SiO2 на
физико-химические свойства эмали 66
3.2 Разработка состава фритты повышенной химически стойкости и повышенной
растекаемости 74
3.3 Исследование влияния оксида цинка на растекаемость и химическую стойкость
эмали 81
3.4 Влияние термоактивации фритты на коэффициент диффузного отражения
эмалевого покрытия 85
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 91
4 ИНДУКЦИОННАЯ ВАРКА ФРИТТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОКРАШЕННОЙ
БОРОСИЛИКАТНОЙ ЭМАЛИ ДЛЯ СТАЛЬНОЙ ПОДЛОЖКИ 92
4.1 Разработка состава химически стойкой боросиликатной фритты для эмалевого
покрытия стальных труб 92
4.2 Интенсификация процесса стеклообразования боросиликатной фритты
способом индукционного нагрева 101
4.3 Сравнительный анализ физико-химических свойств эмали на основе фритт,
полученных разными способами 107
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 111
5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БОРОСИЛИКАТНОЙ ЭМАЛИ С АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ СТАЛЬНОЙ
ПОДЛОЖКИ 112
5.1 Состав и технология получения белой боросиликатной эмали с добавкой
наноразмерных частиц оксида цинка 112
5.2 Оценка антибактериальных свойств эмалевого покрытия 118
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
1 НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ СОСТАВОВ И
ТЕХНОЛОГИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭМАЛЕЙ 10
1.1 Составы, структура, свойства и области применения функциональных
стекловидных эмалей 10
1.1.1 Составы и структура боросиликатных эмалей 10
1.1.2 Функциональные свойства и области применения эмалей системы R2O - RO
- AI2O3 - T1O2 - B2O3 - S1O2 13
1.2 Влияние оксида цинка на структуру и свойства силикатных и боросиликатных
стекол 22
1.3 Антибактериальные свойства стекол и эмалей 26
1.4 Возможности совершенствования технологии силикатных эмалей и
особенности эмалирования черных металлов 32
1.5 Постановка цели и задач исследования 43
2 ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 45
2.1 Характеристика сырьевых материалов 45
2.1.1 Сырьевые материалы для получения функциональной боросиликатной
эмали 45
2.1.2 Характеристика и подготовка металлической подложки 50
2.2 Методы исследования 55
2.2.1 Методы исследования технологических свойств фритты и физикохимических характеристик эмалевого покрытия 55
2.3 Методология работы и структурно-методическая схема исследований 64
3 РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИИ БЕЛОЙ ХИМИЧЕСКИ СТОЙКОЙ БОРОСИЛИКАТНОЙ ЭМАЛИ ДЛЯ ЧУГУННОЙ ПОДЛОЖКИ 66
3.1 Влияние химического состава фритты в системе Na2O-B2O3-TiO2-SiO2 на
физико-химические свойства эмали 66
3.2 Разработка состава фритты повышенной химически стойкости и повышенной
растекаемости 74
3.3 Исследование влияния оксида цинка на растекаемость и химическую стойкость
эмали 81
3.4 Влияние термоактивации фритты на коэффициент диффузного отражения
эмалевого покрытия 85
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 91
4 ИНДУКЦИОННАЯ ВАРКА ФРИТТЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОКРАШЕННОЙ
БОРОСИЛИКАТНОЙ ЭМАЛИ ДЛЯ СТАЛЬНОЙ ПОДЛОЖКИ 92
4.1 Разработка состава химически стойкой боросиликатной фритты для эмалевого
покрытия стальных труб 92
4.2 Интенсификация процесса стеклообразования боросиликатной фритты
способом индукционного нагрева 101
4.3 Сравнительный анализ физико-химических свойств эмали на основе фритт,
полученных разными способами 107
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 111
5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БОРОСИЛИКАТНОЙ ЭМАЛИ С АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ СТАЛЬНОЙ
ПОДЛОЖКИ 112
5.1 Состав и технология получения белой боросиликатной эмали с добавкой
наноразмерных частиц оксида цинка 112
5.2 Оценка антибактериальных свойств эмалевого покрытия 118
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
Актуальность исследования.
Широко распространенная проблема коррозии металлов остается серьезной проблемой в различных отраслях промышленности, оказывая существенное влияние как на научные исследования, так и на бытовое применение. Эмалевые покрытие, относящиеся к системе RrO-RO-AhOs-TiOi-BiQs-SiOi, имеют хорошие декоративные свойства, относительно низкую вязкость при температурах обжига, что делает их пригодными для широкого применений.
В тоже время повышение эксплуатационных характеристик эмалей, особенно для черных металлов, таких как чугун, остается актуальной задачей. Эмали для чугуна, который имеет более высокую пористость и более низкую теплопроводность по сравнению со сталью, должны не только обеспечивать химическую и термическую стойкость, но и обладать высокой растекаемостью. Поэтому исследования по разработке составов и технологий боросиликатных эмалей для черных металлов c улучшенными свойствами являются актуальными. Разработка новых видов силикатных эмалей с антибактериальными свойствами относится к решению актуальных проблем.
Учитывая энергоемкий характер производства эмалей, разработка энергосберегающих методов получения фритты также имеет важное значение. Один из многообещающих подходов к снижению энергопотребления при получении силикатного расплава является варка фритты в индукционной печи . Таким образом, как с научной, так и с практической точек зрения, разработка боросиликатных функциональных эмалей для изделий из черных металлов является актуальной областью исследований.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение силикатных эмалей внесли ученые научных школ НПИ (г. Новочеркасск), РХТУ (г. Москва), СПБГУПТД (г. Санкт-Петербург), представители концерна ООО Эмаль - Ставан (г. Екатеринбург), БГТУ (г. Минск) и др.. Несмотря на многочисленные исследования по эмалям, в том числе с применением оксида цинка, его влияние на свойства эмалей такие как растекаемость, белизна изучены мало и практически отсутствуют данные по антибактериальным свойствам эмалевых покрытий.
Объект исследования - силикатная эмаль на основе RrO-RO-AhOs-TiOi- B2O3-S1O2 системы с добавками оксида цинка для черных металлов.
Предмет исследования - физико-химические процессы, протекающие при получении фритты, и процессы растекания фритты различных составов на металлической подложке.
Цель работы - разработка составов и технологии боросиликатных эмалей, обладающих улучшенными свойствами и антибактериальной способностью, в зависимости от количества введенного в состав оксида цинка и дисперсности его частиц.
Задачи для достижения поставленной цели:
1. Исследовать влияния оксида цинка на свойства фритт и эмалей для черных металлов;
2. Разработка составов фритт и технологии получения эмали, обладающей повышенной белизной, растекаемостью, химической стойкостью для чугунной подложки;
3. Исследование процесса варки фритты методом индукционного нагрева;
4. Разработать состав эмали для стальной подложки, обладающий антибактериальными свойствами.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что введение в состав фритты системы Na2O-B2O3-TiO2-SiO2 оксида цинка до 4 мас. % приводит к повышению растекаемости фритты на 13 % за счет снижения вязкости, обеспечивает достаточную химическую стойкость покрытия (класс А+), усиливает склонность эмали к кристаллизации, снижая температуру кристаллизации на 33 оС, что повышает белизну покрытия на 5 % при предварительной термоактивации фритты (500 оС).
2. Установлено, что использование индукционной варки фритты системы Na2O-B2O3-TiO2-SiO2 ускоряет процесс стеклообразования, что уменьшает продолжительность варки в среднем в два раза, по сравнению с варкой в фритты в электрической печи, за счет интенсивной электродинамической циркуляции расплава в тигле, обеспечивающей быстрое плавление и выравнивание температуры по всему объему расплава.
3. Установлено, что введение в состав покровной фритты исследуемого состава эмали наноразмерных частиц ZnO (~ 50 нм) в количестве 0,5 % увеличивает значение показателя антибактериальной активности образца эмали по отношению к кишечной палочке (E. ссй) в среднем в пять раз, по отношению к золотистому стафилококку (St. aureus ) в шесть раз, по сравнению с образцом без ZnO, что обусловлено кратковременным обжигом эмали в течение 3 минут и высвобождением ионов цинка, генерирующих активные формы кислорода, губительные для бактерий.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых данных по составам и способам получения боросиликатных эмалей с оксидом цинка по энергоэффективной технологии и придания покрытию антибактериальных свойств путем введения с состав шликера покровной эмали наночастиц ZnO c дополнительной обработкой ультразвуком.
Практическая значимость работы:
1. Разработка составов белого эмалевого покрытия для чугуна с улучшенным комплексом свойств по химической стойкости, растекаемости и белизне.
2. Предложен способ получения фритты более энергоэффективным методом индукционного нагрева за счет сокращения продолжительности процесса тигельной варки в лабораторной печи в два раза и снижения потребления энергии в четыре раза по сравнению с тигельной варкой в лабораторной печи электрического нагрева.
3. Разработан состав, содержащий 44 % - S1O2, 16 % - T1O2, 15 % - Na2O, 12% - B2O3, 4 % - K2O, 4 % - P2O5. 3 % - AI2O3, 2% - MgO, с дополнительно введенным в состав покровной эмали 0,5 % наноразмерного ZnO, для получения белой эмали на стальных изделиях с антибактериальным действием по отношению к грамположительным (St. Aureus) и грамотрицательным (E. Coli) бактериям.
Методология работы построена на гипотезе о возможности регулирования свойствами силикатных эмалей путем введения в их состав добавок оксида цинка с учетом количества и размера его частиц. Этапы работы представляют собой комплексное исследование компонентов и процессов формирования базовых составов с введением оксида цинка. В состав фритты для эмалирования чугуна оксид цинка вводился непосредственно в шихту для получения заданных свойств. В случае получения антибактериальной эмали для стали наноразмерный оксид цинка вводился в покровный шликер.
Методы исследования. Для исследования свойств разрабатываемых эмалей использован комплекс современных физико-химических методов анализа, таких как рентгенофазовый анализ, метод лазерной дифракции, растровая электронная микроскопия, дифференциальный термический анализ, дилатометрия и программа «SciGlass» для расчета свойства стекол. Физико-механические свойства силикатных эмалей оценивались согласно общепринятым методикам действующих ГОСТов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о границах содержания ZnO (3,5±0,5%) в титано- боросиликатной эмали, обеспечивающие растекаемостъ фритты (до 53 мм), химическую стойкость (класс А+), коэффициент диффузного отражения покрытия (до 83 %).
2. Положение об интенсификации процесса варки боросиликатной фритты способом индукционного нагрева, позволяющего уменьшить продолжительность варки и повысить ее эффективность.
3. Положение о влиянии наноразмерных частиц ZnO, введенных в состав покровного шликера боросиликатной эмали в количестве 0,5 %, на увеличение значения показателя антибактериальной активности эмали по отношению к кишечной палочке в пять раз (E. coil), по отношению к золотистому стафилококку (St. aureus) в шесть раз, в сравнении с контрольным образцом без добавки.
Личный вклад автора - автор принимал непосредственное участие в исследовательской работы, выполнении экспериментов по получению боросиликатных эмалевых покрытий с добавками оксида цинка, исследовании их физико-химических свойств и разработки технологии их получения. Разработана технология получения фритты методом индукционной варки. По результатам исследования автором подготовлены публикации, принято участие в апробации научных результатов работы.
Степень достоверности результатов работы подтверждается тем, что все исследования проведены в аттестованных лабораториях на сертифицированном оборудовании; с использованием современных стандартных методик, приборов ( дилатометр Dil 402 PC, дифференциально-термический анализатор ДТА/ДСК STA 449 Jupiter, дифрактометр ДРОН-3М, микроскоп JEOL JSM-6000, дифракционный анализатор частиц SALD-7101, микроскоп JEOLJSM - 7500FA, блескомер ФБ-2) и технических средств; количеством полученных образцов и проведенных измерений.
Апробация работы: основные результаты исследования были доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Материалы Международной научнотехнический конференции» (г. Минск, 2020); Сборник трудов международного научного симпозиума имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2020); Сборник материалов II Всероссийской научнометодической конференции, (г. Томск, 2020); «Материалы XXII, XXIII, XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулева и Н.М. Кижнера» (г. Томск, 2021, 2022, 2023 гг.); «Материалы XXII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». (г. Москва, 2021); «Сборник тезисов научной школы - конференции с международным участием для молодых учёных «Функциональные стекла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства» (г. С-Петербург, 2022); «Сборник научных трудов IX Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее». (г. Томск, 2022); «Сборник научных трудов X Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых» (г. Томск, 2022); Материалы Международная научно-практическая конференция. Производственные системы будущего: опыт внедрения lean и экологических решений (г. Кемерово, 2022 г).
Публикации: Результаты работы представлены в 16 работах, из них 3 публикации из списка, рекомендованного ВАК, в том числе 3 публикации, индексированных в базах Scopus и (или) WoS.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 139 наименований. Работа изложена на 143 листах машинописного текста содержит 46 таблиц и 65 рисунков.
Широко распространенная проблема коррозии металлов остается серьезной проблемой в различных отраслях промышленности, оказывая существенное влияние как на научные исследования, так и на бытовое применение. Эмалевые покрытие, относящиеся к системе RrO-RO-AhOs-TiOi-BiQs-SiOi, имеют хорошие декоративные свойства, относительно низкую вязкость при температурах обжига, что делает их пригодными для широкого применений.
В тоже время повышение эксплуатационных характеристик эмалей, особенно для черных металлов, таких как чугун, остается актуальной задачей. Эмали для чугуна, который имеет более высокую пористость и более низкую теплопроводность по сравнению со сталью, должны не только обеспечивать химическую и термическую стойкость, но и обладать высокой растекаемостью. Поэтому исследования по разработке составов и технологий боросиликатных эмалей для черных металлов c улучшенными свойствами являются актуальными. Разработка новых видов силикатных эмалей с антибактериальными свойствами относится к решению актуальных проблем.
Учитывая энергоемкий характер производства эмалей, разработка энергосберегающих методов получения фритты также имеет важное значение. Один из многообещающих подходов к снижению энергопотребления при получении силикатного расплава является варка фритты в индукционной печи . Таким образом, как с научной, так и с практической точек зрения, разработка боросиликатных функциональных эмалей для изделий из черных металлов является актуальной областью исследований.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение силикатных эмалей внесли ученые научных школ НПИ (г. Новочеркасск), РХТУ (г. Москва), СПБГУПТД (г. Санкт-Петербург), представители концерна ООО Эмаль - Ставан (г. Екатеринбург), БГТУ (г. Минск) и др.. Несмотря на многочисленные исследования по эмалям, в том числе с применением оксида цинка, его влияние на свойства эмалей такие как растекаемость, белизна изучены мало и практически отсутствуют данные по антибактериальным свойствам эмалевых покрытий.
Объект исследования - силикатная эмаль на основе RrO-RO-AhOs-TiOi- B2O3-S1O2 системы с добавками оксида цинка для черных металлов.
Предмет исследования - физико-химические процессы, протекающие при получении фритты, и процессы растекания фритты различных составов на металлической подложке.
Цель работы - разработка составов и технологии боросиликатных эмалей, обладающих улучшенными свойствами и антибактериальной способностью, в зависимости от количества введенного в состав оксида цинка и дисперсности его частиц.
Задачи для достижения поставленной цели:
1. Исследовать влияния оксида цинка на свойства фритт и эмалей для черных металлов;
2. Разработка составов фритт и технологии получения эмали, обладающей повышенной белизной, растекаемостью, химической стойкостью для чугунной подложки;
3. Исследование процесса варки фритты методом индукционного нагрева;
4. Разработать состав эмали для стальной подложки, обладающий антибактериальными свойствами.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что введение в состав фритты системы Na2O-B2O3-TiO2-SiO2 оксида цинка до 4 мас. % приводит к повышению растекаемости фритты на 13 % за счет снижения вязкости, обеспечивает достаточную химическую стойкость покрытия (класс А+), усиливает склонность эмали к кристаллизации, снижая температуру кристаллизации на 33 оС, что повышает белизну покрытия на 5 % при предварительной термоактивации фритты (500 оС).
2. Установлено, что использование индукционной варки фритты системы Na2O-B2O3-TiO2-SiO2 ускоряет процесс стеклообразования, что уменьшает продолжительность варки в среднем в два раза, по сравнению с варкой в фритты в электрической печи, за счет интенсивной электродинамической циркуляции расплава в тигле, обеспечивающей быстрое плавление и выравнивание температуры по всему объему расплава.
3. Установлено, что введение в состав покровной фритты исследуемого состава эмали наноразмерных частиц ZnO (~ 50 нм) в количестве 0,5 % увеличивает значение показателя антибактериальной активности образца эмали по отношению к кишечной палочке (E. ссй) в среднем в пять раз, по отношению к золотистому стафилококку (St. aureus ) в шесть раз, по сравнению с образцом без ZnO, что обусловлено кратковременным обжигом эмали в течение 3 минут и высвобождением ионов цинка, генерирующих активные формы кислорода, губительные для бактерий.
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых данных по составам и способам получения боросиликатных эмалей с оксидом цинка по энергоэффективной технологии и придания покрытию антибактериальных свойств путем введения с состав шликера покровной эмали наночастиц ZnO c дополнительной обработкой ультразвуком.
Практическая значимость работы:
1. Разработка составов белого эмалевого покрытия для чугуна с улучшенным комплексом свойств по химической стойкости, растекаемости и белизне.
2. Предложен способ получения фритты более энергоэффективным методом индукционного нагрева за счет сокращения продолжительности процесса тигельной варки в лабораторной печи в два раза и снижения потребления энергии в четыре раза по сравнению с тигельной варкой в лабораторной печи электрического нагрева.
3. Разработан состав, содержащий 44 % - S1O2, 16 % - T1O2, 15 % - Na2O, 12% - B2O3, 4 % - K2O, 4 % - P2O5. 3 % - AI2O3, 2% - MgO, с дополнительно введенным в состав покровной эмали 0,5 % наноразмерного ZnO, для получения белой эмали на стальных изделиях с антибактериальным действием по отношению к грамположительным (St. Aureus) и грамотрицательным (E. Coli) бактериям.
Методология работы построена на гипотезе о возможности регулирования свойствами силикатных эмалей путем введения в их состав добавок оксида цинка с учетом количества и размера его частиц. Этапы работы представляют собой комплексное исследование компонентов и процессов формирования базовых составов с введением оксида цинка. В состав фритты для эмалирования чугуна оксид цинка вводился непосредственно в шихту для получения заданных свойств. В случае получения антибактериальной эмали для стали наноразмерный оксид цинка вводился в покровный шликер.
Методы исследования. Для исследования свойств разрабатываемых эмалей использован комплекс современных физико-химических методов анализа, таких как рентгенофазовый анализ, метод лазерной дифракции, растровая электронная микроскопия, дифференциальный термический анализ, дилатометрия и программа «SciGlass» для расчета свойства стекол. Физико-механические свойства силикатных эмалей оценивались согласно общепринятым методикам действующих ГОСТов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Положение о границах содержания ZnO (3,5±0,5%) в титано- боросиликатной эмали, обеспечивающие растекаемостъ фритты (до 53 мм), химическую стойкость (класс А+), коэффициент диффузного отражения покрытия (до 83 %).
2. Положение об интенсификации процесса варки боросиликатной фритты способом индукционного нагрева, позволяющего уменьшить продолжительность варки и повысить ее эффективность.
3. Положение о влиянии наноразмерных частиц ZnO, введенных в состав покровного шликера боросиликатной эмали в количестве 0,5 %, на увеличение значения показателя антибактериальной активности эмали по отношению к кишечной палочке в пять раз (E. coil), по отношению к золотистому стафилококку (St. aureus) в шесть раз, в сравнении с контрольным образцом без добавки.
Личный вклад автора - автор принимал непосредственное участие в исследовательской работы, выполнении экспериментов по получению боросиликатных эмалевых покрытий с добавками оксида цинка, исследовании их физико-химических свойств и разработки технологии их получения. Разработана технология получения фритты методом индукционной варки. По результатам исследования автором подготовлены публикации, принято участие в апробации научных результатов работы.
Степень достоверности результатов работы подтверждается тем, что все исследования проведены в аттестованных лабораториях на сертифицированном оборудовании; с использованием современных стандартных методик, приборов ( дилатометр Dil 402 PC, дифференциально-термический анализатор ДТА/ДСК STA 449 Jupiter, дифрактометр ДРОН-3М, микроскоп JEOL JSM-6000, дифракционный анализатор частиц SALD-7101, микроскоп JEOLJSM - 7500FA, блескомер ФБ-2) и технических средств; количеством полученных образцов и проведенных измерений.
Апробация работы: основные результаты исследования были доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Материалы Международной научнотехнический конференции» (г. Минск, 2020); Сборник трудов международного научного симпозиума имени академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2020); Сборник материалов II Всероссийской научнометодической конференции, (г. Томск, 2020); «Материалы XXII, XXIII, XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулева и Н.М. Кижнера» (г. Томск, 2021, 2022, 2023 гг.); «Материалы XXII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». (г. Москва, 2021); «Сборник тезисов научной школы - конференции с международным участием для молодых учёных «Функциональные стекла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства» (г. С-Петербург, 2022); «Сборник научных трудов IX Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее». (г. Томск, 2022); «Сборник научных трудов X Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых» (г. Томск, 2022); Материалы Международная научно-практическая конференция. Производственные системы будущего: опыт внедрения lean и экологических решений (г. Кемерово, 2022 г).
Публикации: Результаты работы представлены в 16 работах, из них 3 публикации из списка, рекомендованного ВАК, в том числе 3 публикации, индексированных в базах Scopus и (или) WoS.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 139 наименований. Работа изложена на 143 листах машинописного текста содержит 46 таблиц и 65 рисунков.
В результате научного исследования были выявлены следующие закономерности:
1. Разработан состав фритты для получения эмалевого покрытия на черных металлах (чугун) включает оксиды, в следующем количестве, в мас.%: S1O2 - 43; B2O3 - 12; P2O5 - 4; T1O2 - 15; AI2O3 - 2; MgO - 2; Na2O - 12; К2О - 6; ZnO - 4, F - 4 сверх 100 %. Данный состав фритты обеспечивает получение эмали с заданным комплексом свойств: класс химической стойкости А+, коэффициент термического расширения 110-10-7 оС-1, коэффициент диффузного отражения - 83 %, растекаемость фритты - 53 мм.
2. При замене одного процента B2O3, T1O2 и AI2O3 в составе покровной
эмали, содержащей в мас.%: S1O2 - 43; B2O3 - 15; P2O5 - 2; T1O2 - 17; AhO3 - 3; MgO - 2; Na2O - 12; K2O - 6, на 3 % ZnO растекаемость фритты увеличивается с 47 до 50 мм, химическая стойкость снижается с класса АА до класса А+. Дальнейший рост количества ZnO до 5 % увеличивает
растекаемость фритты до 56 мм и снижает класс стойкости до А.
3. Предварительная термическая активация фритты с оксидом цинка до 4 мас. % при температуре 500 оС (30 мин) увеличивает коэффициент диффузного отражения белой эмали до 83 %, снижает температуру кристаллизации эмали с 614 оС до 581 оС по данным дифференциальнотермического анализа, что обеспечивает более полную кристаллизацию эмалевого покрытия для чугуна.
4. Разработанный состав фритты содержит S1O2 - 51,7 %; ABO3 - 2,6%; B2O3 - 10,8%; Na2O - 12,1%; K2O - 2,6%; ZnO - 5%; CaO - 3,8%; MgO - 0,6%; T1O2 - 4,7%; MnO2 - 2,6%; NiO -1,1%; CuO - 0,8%; CoO - 0,8%, имеет повышенную кислостойкость и щелочестойкость, отвечает требованиям фритт, предназначенным для получения покрытий стальных труб (ГОСТ Р 52569-2006): растекаемость 45 мм, ТКЛР 112-10-7оС-1, сцепление эмали со стальной подложкой 4 балла.
5. Эффективность тигельной варки фритты в лабораторной печи индукционного нагрева в четыре раза выше по сравнению с тигельной варкой в лабораторной печи электрического нагрева, что обусловлено сокращением продолжительности процесса варки в два раза и снижением потребления энергии в четыре раза. Фритта, полученная способом индукционного нагрева, отвечает стандартным требованиям по растекаемости, коэффициенту термического расширения и химической стойкости, что указывает на возможность ее применения для эмалирования стальных труб.
6. Установлено, что введение в состав покровной фритты исследуемого состава эмали наноразмерных частиц ZnO в количестве 0,5 % увеличивает значение показателя антибактериальной активности образца эмали по отношению к кишечной палочке (E. сеК) до 0,25, по отношению к золотистому стафилококку (St. aureus) до 0,41, что в среднем выше в пять раз для E. coli и в шесть раз для St. aureus по сравнению с образцом без ZnO.
7. Количество колониеобразующих единиц в питательной среде с бактериями, инкубированными методом смыва с поверхности образца, содержащего 0,5 % наноразмерного ZnO, после инокуляции через 24 ч. уменьшается в среднем в три раза по отношению к E. coli и в четыре раза по отношению к St. aureus по сравнению с контрольным образцом.
Научными результатами работы являются разработанные положения по получению белого эмалевого покрытия с улучшенным комплексом свойств по химической стойкости, растекаемости и белизне для чугуна. Получена фритта более энергоэффективным способом, по сравнению с классическим стекловарением, методом индукционного нагрева. Разработан состав и технология получения белой эмали для стальных изделий с антибактериальным действием по отношению к грамположительным (St. Aureus) и грамотрицательным (E. Coli) бактериям.
1. Разработан состав фритты для получения эмалевого покрытия на черных металлах (чугун) включает оксиды, в следующем количестве, в мас.%: S1O2 - 43; B2O3 - 12; P2O5 - 4; T1O2 - 15; AI2O3 - 2; MgO - 2; Na2O - 12; К2О - 6; ZnO - 4, F - 4 сверх 100 %. Данный состав фритты обеспечивает получение эмали с заданным комплексом свойств: класс химической стойкости А+, коэффициент термического расширения 110-10-7 оС-1, коэффициент диффузного отражения - 83 %, растекаемость фритты - 53 мм.
2. При замене одного процента B2O3, T1O2 и AI2O3 в составе покровной
эмали, содержащей в мас.%: S1O2 - 43; B2O3 - 15; P2O5 - 2; T1O2 - 17; AhO3 - 3; MgO - 2; Na2O - 12; K2O - 6, на 3 % ZnO растекаемость фритты увеличивается с 47 до 50 мм, химическая стойкость снижается с класса АА до класса А+. Дальнейший рост количества ZnO до 5 % увеличивает
растекаемость фритты до 56 мм и снижает класс стойкости до А.
3. Предварительная термическая активация фритты с оксидом цинка до 4 мас. % при температуре 500 оС (30 мин) увеличивает коэффициент диффузного отражения белой эмали до 83 %, снижает температуру кристаллизации эмали с 614 оС до 581 оС по данным дифференциальнотермического анализа, что обеспечивает более полную кристаллизацию эмалевого покрытия для чугуна.
4. Разработанный состав фритты содержит S1O2 - 51,7 %; ABO3 - 2,6%; B2O3 - 10,8%; Na2O - 12,1%; K2O - 2,6%; ZnO - 5%; CaO - 3,8%; MgO - 0,6%; T1O2 - 4,7%; MnO2 - 2,6%; NiO -1,1%; CuO - 0,8%; CoO - 0,8%, имеет повышенную кислостойкость и щелочестойкость, отвечает требованиям фритт, предназначенным для получения покрытий стальных труб (ГОСТ Р 52569-2006): растекаемость 45 мм, ТКЛР 112-10-7оС-1, сцепление эмали со стальной подложкой 4 балла.
5. Эффективность тигельной варки фритты в лабораторной печи индукционного нагрева в четыре раза выше по сравнению с тигельной варкой в лабораторной печи электрического нагрева, что обусловлено сокращением продолжительности процесса варки в два раза и снижением потребления энергии в четыре раза. Фритта, полученная способом индукционного нагрева, отвечает стандартным требованиям по растекаемости, коэффициенту термического расширения и химической стойкости, что указывает на возможность ее применения для эмалирования стальных труб.
6. Установлено, что введение в состав покровной фритты исследуемого состава эмали наноразмерных частиц ZnO в количестве 0,5 % увеличивает значение показателя антибактериальной активности образца эмали по отношению к кишечной палочке (E. сеК) до 0,25, по отношению к золотистому стафилококку (St. aureus) до 0,41, что в среднем выше в пять раз для E. coli и в шесть раз для St. aureus по сравнению с образцом без ZnO.
7. Количество колониеобразующих единиц в питательной среде с бактериями, инкубированными методом смыва с поверхности образца, содержащего 0,5 % наноразмерного ZnO, после инокуляции через 24 ч. уменьшается в среднем в три раза по отношению к E. coli и в четыре раза по отношению к St. aureus по сравнению с контрольным образцом.
Научными результатами работы являются разработанные положения по получению белого эмалевого покрытия с улучшенным комплексом свойств по химической стойкости, растекаемости и белизне для чугуна. Получена фритта более энергоэффективным способом, по сравнению с классическим стекловарением, методом индукционного нагрева. Разработан состав и технология получения белой эмали для стальных изделий с антибактериальным действием по отношению к грамположительным (St. Aureus) и грамотрицательным (E. Coli) бактериям.
