Исследование процессов получения наноматериалов на основе серы, ракушечника с добавкой дициклопентадиена. Параметры технологии и эксплуатационные свойства серной композиции. Разработка составов серного вяжущего, модифицированного сополимерной серой.
Аннотация к работе
Уникальные свойства серы, способность к быстрому набору прочности при остывании расплава определяют возможность создания энергосберегающих технологий серных строительных материалов, производство которых в настоящее время интенсивно развивается. Однако в настоящее время во многих промышленно развитых странах в связи с высоким выходом серы как побочного продукта ряда производств наблюдается устойчивая тенденция к снижению ее стоимости (в течение последних лет стоимость серы снизилась в 4-6 раз). Особенно широкие перспективы использования серы для технических нужд открываются в Западном Казахстане в связи с освоением Тенгизского и других нефтегазоконденсатных месторождений, где сера вырабатывается как попутный продукт и практически не используется. Перспективно применение материалов на серном вяжущем, характеризующихся высокими физико-механическими свойствами и долговечностью, в производстве тротуарных и облицовочных плит, бордюров и изделий для подземного строительства и др. Пористость ракушечника обусловливает глубокое объемное проникновение в него расплава серы, хорошую адгезию, образование прочных и плотных структур и высокие физико-механические свойства материалов.При приготовлении серобетона на основе модифицированной сополимерной серы и серы с модифицирующими добавками учитывалась отличительная особенность серы при повышенной температуре вступать в реакции с насыщенными углеводородами, ненасыщенными соединениями различного строения, с соединениями, содержащими галоиды. Модифицирующая добавка на основе серы и дициклопентадиена отличается хорошей смачиваемостью, придающей смесям хорошую пластичность и как следствие обеспечивающей повышенную конечную прочность серным бетонам, за счет резкого снижения усадочных деформаций. В состав серного вяжущего вводили модифицирующие добавки с целью увеличения прочности и устранения трещинообразования в процессе кристаллизации серы. При этом происходит изменение кристаллической структуры серы, она аморфизуется с образованием сополимера серы и проявляется в виде зависимости уширения рентгеновских дифракционных линий и появлением аморфного гало. термическая обработка приводит к полимеризации ультратонкой пленки серы на поверхности заполнителя, образуется матричная многофазная структура серы от атомов и молекул (до 1 нм) до крупных кристаллов (до 50 мкм)Установлено, что на серу положительное модифицирующее влияние оказывает аморфный полимер, а кристаллические полимеры не вступают во взаимодействие с серой. Изучены процессы образования сополимера серы при совместном помоле серы и ракушечника с добавкой дициклопентадиена (механоактивация). Изучено влияние сополимеров серы на свойства серосодержащих материалов, придающих смесям хорошую пластичность. Показано, что важным резервом повышения качества серных материалов является введение дисперсных пористых фаз, которые будут способствовать более равномерному охлаждению в связи с повышением активной поверхности материала и формированию надмолекулярных образований макромолекул сополимера и полимера серы. В результате проведенных исследований были решены следующие научные и практические задачи: исследовано влияние активации при совместном помоле серы и ракушечника сополимерной серой (стабилизатор), технологические и эксплуатационные характеристики серосодержащих композиционных материалов во взаимосвязи со структурой; разработаны составы серного вяжущего, модифицированного сополимерной серой, композиционных материалов на его основе и технологическая схема их производства; показана технико-экономическая целесообразность использования Тенгизской серы и Жетыбайского ракушечника для получения серосодержащих композиционных материалов, а также для производства серного вяжущего и серных плиток для отделочных работ.
Вывод
1. Установлено, что на серу положительное модифицирующее влияние оказывает аморфный полимер, а кристаллические полимеры не вступают во взаимодействие с серой. Модифицирующее влияние аморфного полимера связано с образованием твердых растворов макромолекул серы и полимера.
2. Изучены процессы образования сополимера серы при совместном помоле серы и ракушечника с добавкой дициклопентадиена (механоактивация).
3. Исследован переход кристаллической ромбической серы в полимерную и влияние сополимерной серы на ее стабильность на макромолекулярном и надмолекулярном уровнях. Показано образование твердых растворов макромолекул сополимера в полимере серы.
4. Изучено влияние сополимеров серы на свойства серосодержащих материалов, придающих смесям хорошую пластичность. Они отличаются хорошей смачиваемостью, сополимеры способствуют увеличению прочности и резкому снижению усадочных деформаций.
5. Разработаны составы серного вяжущего, модифицированного сополимерной серой. Комплексная добавка пирофосфата натрия и дициклопентадиена способствует увеличению прочности серных образцов. Оптимальным количеством добавок является 1% дициклопентадиена и 4% пирофосфата натрия от массы серы. Для стабилизации полимерной серы применен дициклопентадиен.
6. Показано, что важным резервом повышения качества серных материалов является введение дисперсных пористых фаз, которые будут способствовать более равномерному охлаждению в связи с повышением активной поверхности материала и формированию надмолекулярных образований макромолекул сополимера и полимера серы. Поэтому в качестве заполнителя применен известняк ракушечник.
7. Разработаны составы серных композиционных материалов, модифицированных сополимерной серой. Состав серобетона следующий: сера техническая - 38%; известняк-ракушечник фракции 1,25 мм - 28%; известняк-ракушечник фракции до 0,63 мм - 29%; пирофосфат натрия - 4%; дициклопентадиен - 1%.
8. Получены серные плитки для отделочных работ. Облицовочные плитки с гладкой поверхностью предназначаются для внутренней и наружной облицовки стен различного назначения, подвергающихся воздействиям агрессивных сред (газовая или жидкостная) и имеют следующие свойства: прочность на сжатие - 48 МПА, прочность на изгиб - 16 МПА, водопоглощение - 0,9%, средняя плотность - 1700 г/см3.
9. Разработаны схемы и технологические параметры производства серных композиционных материалов. Применение серы в производстве отделочных материалов экономически эффективно. Экономический эффект при внедрении изделий в производстве составляет 25%.
10. Исследованы эксплуатационные характеристики серных композиционных материалов: деформативные свойства композиции при кратковременном нагружении по модулю упругости (Ев=4·104 МПА) предельной растяжимости (Е=60?10-5, Епрод = 210·10-5 мм/мм) коэффициенту Пуассона (?=0,2) материалы близки к высокопрочным цементным бетонам.
Величина коэффициента линейного температурного расширения композиции в интервале температур ( 20°- 60°С) изменяется от 9,3 до 10,8·10-6 м/град.; сопротивление удару составляет 1,6-1,7 кг?см/см3), истираемость - 0,48-0,49 г/см2; величина деформации серных бетонов от водопоглощения композиции равна 1,4-1,5·10-3мм/мм.
При выдерживании в воде прочность снижается за 1 год на 38-42%, причем наиболее интенсивно в начальный период (до 60 сут), а далее носит затухающий характер. При годовом хранении композиций в 10%-ных растворах NACL и Na2SO4, потеря прочности составила от 20 до 30%.
После воздействия агрессивной среды и высыхания восстанавливается прочность композиции на 85-88%.
Циклическое замораживание-оттаивание в воде и солевой среде композиций выявило, их высокую (не менее 300 циклов) морозостойкость и могут эксплуатироваться при постоянном, длительном (10 лет) воздействии различных агрессивных сред, за исключением кислых.
Оценка полноты решения поставленных задач. В результате проведенных исследований были решены следующие научные и практические задачи: исследовано влияние активации при совместном помоле серы и ракушечника сополимерной серой (стабилизатор), технологические и эксплуатационные характеристики серосодержащих композиционных материалов во взаимосвязи со структурой; разработаны составы серного вяжущего, модифицированного сополимерной серой, композиционных материалов на его основе и технологическая схема их производства; показана технико-экономическая целесообразность использования Тенгизской серы и Жетыбайского ракушечника для получения серосодержащих композиционных материалов, а также для производства серного вяжущего и серных плиток для отделочных работ.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Научные результаты работы применены при промышленном выпуске серного вяжущего и серных плиток для отделочных работ в условиях ТОО « Даулпаз».
Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Результаты исследований нашли применение в промышленности строительных материалов, в частности для отделочных работ. Оценка технико-экономической эффективности предложенных решений подтверждена актами внедрения.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Научная новизна диссертационнной работы, аналитический обзор, научно-практические результаты исследований свидетельствуют о соответствии выполненной работы современному уровню.
Список литературы
1 Даленова Н.А., Есенбаева А.А., Шашпан Ж.А. Изучение химической стойкости серных композиционных материалов // Вестник НИИСТРОМПРОЕКТА.- 2009.- № 5-6.- С. 108-110.
3 Даленова Н.А., Шашпан Ж.А.О долговечности серных композиционных материалов // Современные научные достижения - 2010: материалы Междунар. научно-практ. конф. - Прага, 2010.-67-69.
4 Даленова Н.А., Есенбаева А.А., Шашпан Ж.А.Химическая стойкость композиционных материалов на основе попутно добываемой серы // Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Алматы: КАЗГАСА, 2010.- С.81-83.
5 Есенбаева А.А., Чердабаев Е.А., Чердабаев Б.А., Даленова Н.А. Нанопо- ристая структура силикатных камней // Инновационные и наукоемкие технологии в строительной индустрии: материалы Междунар. научно-практ. конф.- Алматы: КАЗГАСА, 2010.- С. 72-74.
6 Есенбаева А.А., Чердабаев Е.А., Чердабаев Б.А., Даленова Н.А. Физико-химические методы исследования структуры материалов // Вестник АИНГ.-2009.-№ 2(17).-С.295-297.
7 Чердабаев Б.А., Есенбаева А.А., Даленова Н.А. О структуре материалов строительного назначения // Вестник АИНГ.-2009.-№ 2(17).-С.298-300.
8 Шарипов С.М., Даленова Н.А. Стойкость серных композиционных материалов к воздействиям агрессивных сред // Вестник НИИСТРОМПРОЕКТА.-2010.-№ 1-2(21).-С.135-138.
9 Шарипов С.М., Даленова Н.А. Организация производства серных плиток с использованием местных сырьевых материалов // Сборник трудов КАРГТУ. - Караганда, 2010. - №2. -С.59 - 61.
10 Шарипов С.М., Даленова Н.А. Серные плитки на основе серы Тенгизского месторождения // Наука и образование - ведущий фактор стратегии Казахстан-2030: материалы Междунар. научно-практ. конф. - Караганда, 2010. - С.381- 384.