CC BY
17
УДК 338.3.01:542.913:549.642.41
МАНАНКОВ АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, докт. геол-мин. наук, профессор, mav.39@mail.ru
РАХМАНОВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА, ст. преподаватель,
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИННОВАЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КЛАССА «СИКАМ» И КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ЭТАП ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
В статье приведены результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований при создании новых полифункциональных материалов класса «сикам». Рассмотрены проблемы стратегического и инновационного менеджмента отрасли, связанной с материаловедением, в условиях новой экономики. Представлена классификация и дана характеристика стадий концептуального этапа инновационных синтетических материалов, начиная со стратегического маркетинга и заканчивая опытно-конструкторскими разработками.
Ключевые слова: новшество; стадии и этапы жизненного цикла инновации; стеклокристаллические материалы; синтетический Р-волластонит; промышленные отходы.
MANANKOV, ANATOLIY VASILJEVICH, Dr. of geolog.-mineral sc., prof., mav.39@mail.ru
RAKHMANOVA, IRINA ANATOLYEVNA,
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
INNOVATIVE BUILDING MATERIALS CLASS «SIKAM» AND CONCEPTUAL STAGE OF THEIR LIFE CYCLE
The article presents the results of theoretical, experimental and practical researches for creation of new class of multifunctional materials "Sikam". The problems of strategic and innovation management of industry related to materials science are considered. The classification and characteristics of the stages of the conceptual phase of innovative synthetic materials ranging from strategic marketing to the experimental - design development are presented.
Keywords: innovation; stages and phases of the life cycle of innovation, glass-crystalline materials, synthetic P-wollastonite, industrial waste.
В современном материаловедении реализация концепции «инновации для экономического развития - IFED» все сильнее сопрягается с проблемами комплексного безотходного использования природных ресурсов и вовлечения многотоннажных промышленных отходов в экологически чистые и безотходные инновационные технологии.
Количество промышленных отходов за последние сто лет растет по экспоненте. В мире ежегодно образуется только твердых техногенных отходов более 25 млрд т. Из этого количества почти третья часть - более 7 млрд т приходится на Россию. На территории РФ на начало 1996 г. накоплено в принадле-
© А.В. Мананков, И.А. Рахманова, 2G12
жащих предприятиям хранилищах, накопителях, складах, могильниках, полигонах, свалках и других объектах 1405 млн т отходов производства и потребления. Площадь, занимаемая местами организованного захоронения отходов, составила 200 тыс. га. В настоящее время широко распространена практика вывоза промышленных отходов в места неорганизованного складирования (несанкционированные свалки), что представляет особую опасность для окружающей среды. Трудно переоценить негативный экологический эффект от сложившейся ситуации. Так, по статистическим данным, показатель заболеваемости населения городов России имеет устойчивую тенденцию роста во всех возрастных группах.
Геоэкологические проблемы техногенных отходов связаны не только с охраной окружающей среды, но и непосредственно с экономическим развитием регионов. Образование отходов служит также показателем нерационального использования природных ресурсов, в то время как запасы многих из них находятся на грани истощения. Поэтому реабилитация промышленных отходов представляется актуальной природно-ресурсной, природоохранительной, геоэкологической и экономической задачей. Утилизация отходов является, с одной стороны, средством повышения эффективности производства и сбережения ресурсов, а с другой - естественным, обязательным условием восстановления равновесия в биосфере, поскольку позволяет снижать нагрузку на экосистемы и повышать их устойчивость.
В России в течение ряда лет действовала Федеральная целевая программа «Отходы» (первый этап с 1994 по 2000 и второй с 2001 по 2010 гг.), основной целью которой являлось обеспечение одного из базовых условий экологически безопасного устойчивого развития страны. В рамках ее реализации вскрылась необходимость: 1) создания нормативной, естественнонаучной и технологической базы, т. е. единой государственной политики в сфере обращения с отходами на всех уровнях, 2) обеспечения стабилизации, а в дальнейшем сокращения и ликвидации загрязнения окружающей среды отходами, 3) выхода на экономию природных ресурсов за счет максимального вторичного вовлечения отходов в хозяйственный оборот.
Одним из перспективных направлений инновационного процесса является полная переработка промышленных отходов в рамках региональных хозяйственных комплексов. Оно включает в себя извлечение из промышленных отходов дефицитных металлов (благородных, цветных, редких, радиоактивных и др.) и создание строительных и конструкционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами взамен природных, традиционных материалов и металлов. Реализация этой стратегии позволит существенно, более чем на 25 %, уменьшить потребление первичных природных ресурсов [1].
Разработка новых технологий извлечения металлов и производства ряда важных в практическом отношении минералов и материалов - подлинная революция в минералогии и материаловедении. К подобным минералам относится Р-волластонит, который интенсивно внедряется в ведущие отрасли промышленности. Британское общество по изучению керамики заявило, что «...если появится дешевый синтетический Р-волластонит, то в ближайшем будущем наступит “эпоха волластонита”» [2].
Для реализации наукоемких технологий получения инновационных материалов необходимо повышать уровень стратегического планирования. Как показывают исследования, на ранних стадиях жизненного цикла объектов формируются их стратегические параметры. Затраты на нормирование параметров в сотни - тысячи раз меньше трат на разработку, изготовление и эксплуатацию. То есть деньги, вложенные в прогнозирование и оптимизацию стратегических параметров объектов, на последующих стадиях жизненного цикла дают экономический эффект, в сотни-тысячи раз превышающий первоначальные вложения. Для оптимизации стратегических параметров необходимо применять научные подходы и принципы, современные методы и модели анализа, прогнозирования и экстраполяции.
Характеристика состава стадий и особенностей концептуального этапа
жизненного цикла инновационных синтетических материалов
Для достижения современного технологического уровня развития мате-риаловедческой отрасли экономики в нашей стране приоритет должен быть отдан развитию не на основе факторов производства и инвестиций, а на основе инноваций. Эта стратегия вытекает из анализа теории длинных волн в экономике страны. Для этого прогнозируется выработка и реализация механизмов быстрого превращения новых знаний в наукоемкие технологии и далее - в массовое производство. Ученые сходятся во мнении, что теперь инновации должны быть востребованы не отдельными предпринимателями или компаниями, а национальной экономикой в целом. Современный постиндустриальный этап отличается от предыдущего созданием базы для развития национальной инновационной системы (НИС) и, по логике, его нужно именовать «инновационной экономикой». Инновация есть конечный результат внедрения новшества с целью получения экономического, социального, научно-технического или других эффектов. При этом новшество - оформленный результат фундаментальных, прикладных исследований, разработок или экспериментальных работ в какой-либо сфере деятельности по повышению её эффективности.
Для разных новшеств состав первого (концептуального) этапа жизненного цикла инновации варьируется за счет количества стадий, необходимых для определения преимуществ новшества. Так, для внедрения новых механизмов и механизации строительства первый этап должен содержать ровно три стадии: фундаментальные научно-исследовательские работы, прикладные научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские разработки [3]. Для объектов потребления чаще используют следующие стадии: научные исследования по поверке возможности материализации нормативов конкурентоспособности, разработка принципиальных вопросов развития технологии, товаров, разработка проектно-конструкторской и нормативной документации на новый товар. Для объективной характеристики новшества предложено ввести в первый этап жизненного цикла стадию стратегического маркетинга, которая важна также для более точного определения необходимости данного товара на данном рынке [4]. Однако остаются переменными многие аспекты этой стадии инновационного менеджмента.
Учитывая значение концепции стратегического менеджмента и исходя из нашего многолетнего опыта, предлагаем следующую классификацию концептуального этапа жизненного цикла наукоемких материалов. Концептуальный этап содержит четыре логически связанные стадии: 1) стратегический маркетинг новшества, 2) фундаментальные исследования, 3) научно-прикладные исследования, 4) опытно-конструкторские разработки.
Стадия стратегического маркетинга объекта
Инновации справедливо считают залогом устойчивого экономического развития. Вместе с тем их относят к рисковому бизнесу. При участии государственных и региональных структур, обладающих необходимой компетентностью, появится возможность выявлять перспективные новшества на основе стратегического подхода и минимизировать эти риски.
Становление теории инновационного управления в его современном понимании ученые связывают с появлением научно-исследовательских лабораторий, первых подразделений НИОКР в крупных университетах и промышленных компаниях. Так, в ТГУ усилиями профессоров И. К. Баженова и В. В. Серебренникова в 1960-1966 гг. были созданы НИЛ «Природные изотопы», «Экспериментальная минералогия», а в 1985 г. профессор А. В. Мананков сформировал в ТГУ межвузовскую научно-техническую программу «Комплексное использование природных ресурсов» Минвуза РФ. В этой программе заметное место уделялось вопросам реабилитации промышленных отходов страны. Функционирование программы, как показало время, привело к осознанию необходимости создания программы стратегического развития, которая реализовала бы принцип: «будущее начинается сегодня».
Для разработки проектов новых комплексных инновационных технологий, включая производства синтетических материалов, в первую очередь проводят патентный поиск и изучают специальную литературу, детально осваивая физико-химические диаграммы состояния и условия полиморфных превращений. В частности для оценки конкурентоспособности синтетического Р-волластонита учитывают, что минерал волластонит имеет три полиморфных модификации. Две из них - а-волластонит и у-волластонит - представляют собой метастабильные модификации, и только Р-волластонит является стабильным. В случае пренебрежения детальным изучением теории создаются проекты без учета полиморфизма в этой очень сложной физико-химической системе. В результате получают никому не нужный метастабильный а- или у-волластонит.
В настоящее время общий годовой объем производства Р-волластонита в мире достигает 750 тыс. т, в том числе более одной трети составляет синтетический Р-волластонит. Расширение сфер использования синтетического Р-волластонита обусловлено тем, что у него есть целый ряд преимуществ перед природным: высокая степень чистоты, отсутствие засоряющих включений других минералов, однородность химического состава, реально достижимая низкая стоимость.
На Западе использование Р-волластонита в различных отраслях экономики распределяется следующим образом (%): керамическая промышленность -
6; литейное производство - 6; производство пластмасс, красок и отделочных материалов - 27; изоляционных керамических материалов для строительства -21; бумаги - 40. На мировом рынке минерал представлен 8 сортами, отличающимися габитусными характеристиками (отношением длины к толщине игольчатых кристаллов Р-волластонита) и составом. В США и других странах накоплен большой опыт по применению Р-волластонита. Минерал используется в производстве специальной радиокерамики, фаянса, фарфора, изоляторов с низкими диэлектрическими потерями, предметов санфаянса, облицовочных кирпичей, специальных цементов для керамики и абразивов, стекла; широко применяется в качестве наполнителя в производстве бумаги, красок, пластмасс, лаков, резины, изоляционных материалов, клейких веществ, сухой штукатурки, а также для обмазки кокилей в металлолитейном производстве и т. д.
Минерал все шире применяется в производстве наполненных термопластов: полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена. Благодаря лучшим механическим, электрическим и тепловым свойствам по сравнению с асбестом и тальком, волластонит может быть использован в больших количествах (до 30 %) от объема композиционных материалов. Полистирол, наполненный Р-волластонитом, становится матовым, что вызывает эффект большой массы. Из подобной смеси можно изготавливать запасные части станков и механизмов, автомобилей, стеновые плиты разнообразных цветов и оттенков. В полипропиленовых композитах Р-волластонит позволяет сочетать экономию затрат на производство с высоким качеством изделий; в поливинилхлоридных композитах благодаря его наличию отмечаются низкая влагоемкость, быстрая диспергируемость, малая усадка, а также возрастание прочности и повышение верхнего предела их температурной устойчивости.
Р-волластонит с органическим покрытием обеспечивает в качестве наполнителя улучшение механических свойств технических смол. Удлиненный кристалл Р-волластонита с покрытием, нанесенным химическим путем, имеет тенденцию ориентироваться в направлении потока смолы. Свободный углерод и водородные цепи, отходящие от частиц с покрытием, соединяются со свободными С-Н-цепями смолы и образуют химические связи между наполнителем и смолой.
Р-волластонит, обладающий рядом преимуществ перед другими минеральными наполнителями, широко применяется в производстве пластических масс для вулканизированных и термопластических (формованных и литых) резин, битумной и виниловой плитки, полиэфирных и эпоксидных смол. Композиты с Р-волластонитом в неотвердевшем состоянии характеризуются низким эффектом водяного поглощения, низкой диэлектрической постоянной и низкой вязкостью.
Важной областью использования Р-волластонита является лакокрасочная промышленность. Применение минерала в качестве наполнителя красок перспективно благодаря его цвету, иглообразной форме зерен и низкому поглощению масла. Материал обладает ярко-белым цветом, что позволяет получать высококачественные белые и яркие чистые цветные краски. Иглообразная форма зерен волластонита придает краске способность распределяться ровно по по-
верхности, а низкий коэффициент масляного поглощения (20-26 мл на 100 г) позволяет уменьшить расход связующего вещества и достичь высокой степени концентрированности пигмента. Сверхтонкий Р-волластонит мокрого помола применяется при изготовлении специальных латексных красок, которые используются для нанесения отметок на проезжей части дорог [5].
В России, несмотря на имеющиеся приоритетные научные результаты [9], до сих пор практически весь объем Р-волластонита закупается за рубежом, в основном в Финляндии и Германии. Необходимо создание центров производства синтетических материалов в России, особенно на территории Томской области и всего Сибирского региона, которые обладают значительными энергетическими ресурсами, уникальным местным минеральным сырьём и огромными запасами промышленных отходов.
Стадия фундаментальных исследований
Прогресс немыслим без участия минералов и наук, предметом изучения которых они являются. Общее количество установленных и изученных минералов в природе, по сравнению с 3 млрд органических видов, весьма ограниченно и едва превышает 8 тыс. К началу третьего тысячелетия пришло осознание физической ограниченности минеральных и других природных ресурсов планеты Земля. Поэтому разработка новых технологий производства ряда важных с нынешних позиций минералов - актуальная проблема. Природа создает запасы минералов в течение геологического времени, нередко в течение миллионов лет, а ученые сегодня способны осуществлять этот процесс за считанные часы.
Эпоха космических исследований также немыслима без достижений физической геохимии силикатных и алюмосиликатных систем, экспериментальной и технической минералогии и петрографии. Законы физической химии стали применяться в минералогии и петрографии с конца XIX в., но главные успехи, связанные с применением законов гетерогенных равновесий в минералогии, и особенно в минералогии силикатов, достигнуты во второй половине ХХ в. В настоящее время на технологических линиях производится более 75 искусственных минералов. Сегодня известно 435 минеральных видов силикатов, 30 типов конденсированного кремнезема, более 1500 отдельных силикатов, их разновидностей и аналогов, относящихся примерно к 900 системам с различным числом компонентов.
Бинарные силикатные системы изучены приблизительно на 90 %, для них установлены диаграммы состояния. Тройные силикатные системы, количество которых в 50 раз больше двойных, изучены на порядок слабее. В силикатах, как и других соединениях, максимальные величины температур плавления и изобарного потенциала понижаются с увеличением числа компонентов, вводимых в виде оксидов [6].
С увеличением в системах числа компонентов до 6-8 происходит скачкообразное увеличение числа силикатов (до 5,46), образуемых из 100 стабильных оксидных форм химических элементов и оксида кремния. Экспериментально установлено, что силикаты относятся к наиболее стабильным неорга-
ническим соединениям. Выявлены приближенные пределы их стабильности в координатах температура - давление (Т - Р). Высокая стабильность и широкое распространение силикатов в земной коре и мантии Земли, на Луне, в метеоритах, тектитах и других космических телах делают их перспективными для фундаментальных и прикладных исследований [7, 8].
Благодаря научной прозорливости основоположника сибирской школы минералогов и геохимиков профессора И.К. Баженова, в Томском госуниверси-тете, начиная с 1972 г., ведутся фундаментальные и практические исследования в области физической геохимии силикатных систем для создания научных основ минералогенеза, рудо- и петрогенеза и разработки новых мономинеральных материалов с заданными структурами и свойствами. В рамках этого научного направления в первую очередь решались такие задачи: 1) комплексное изучение физико-химических свойств расплавов (вязкости, теплопроводности, электропроводности и т. п.), нано- и микроструктурных превращений и морфокинетических особенностей фаз в зависимости от химического состава и парциального давления кислорода и температуры; 2) разработка петро-геохимической классификации промышленных отходов бывшего СССР как исходного сырья для синтетических минералов и материалов; 3) изучение энергетических эффектов, механизмов и кинетики фазовых превращений, включая жидкостную несмесимость, зародышеобразование и рост кристаллов; 4) разработка многофакторных кинетических моделей процессов кристаллизации и структурообразования; 5) создание нового класса мономинеральных стеклокристаллических материалов (класс «си-кам»), получивших правовую защиту в виде более 40 авторских свидетельств и патентов (включая международные).
Многолетние экспериментальные исследования условий образования минералов выявили ряд особенностей, не вписывающихся в ставшие уже традиционными рамки термодинамических закономерностей. Стало очевидно, что вероятностно-статистический подход не дает ключа к пониманию механизмов зарождения и развития кооперативной структуры минералов, он также мало пригоден для описания аномально высоких скоростей диффузии и кристаллизации, реально наблюдаемых в опытах. Кроме того, выявлены и значительные трудности в описании энергетического баланса процессов как высокотемпературных, включающих расплавную фазу, так и низкотемпературных, происходящих в природных гипергенных условиях. Именно поэтому в конце ХХ в. возник целый ряд новых научных направлений, ориентированных на решение возникших противоречий: неравновесная термодинамика, макрокинетика, синергетика. В 1996 г. сотрудниками Научно-исследовательской лаборатории кинетики минералообразования и кристаллофизики ТГУ предложен новый подход к исследованию проблем структурирования вещества, основанный на принципах волновой механики и интерференционных эффектов [5]. Благодаря ему удалось объяснить целый ряд явлений природного и техногенного минерагенеза, аномальных с традиционных точек зрения, и предложить ряд прогностических схем, по-новому раскрывающих механизмы природного и технического минерагенеза, в том числе применительно к принципиально новым способам и технологиям получения Р-волластонита и других силикатов с перспективными свойствами.
Стадия научно-прикладных исследований
В научно-исследовательской лаборатории кинетики минералообразования и кристаллофизики Томского государственного университета создан банк данных промышленных отходов предприятий бывшего СССР, учеными были предложены низкоэнергетические и экологически приемлемые способы и технологии полной переработки промышленных отходов с попутным извлечением из них благородных, редкоземельных и других металлов. Объекты техногенного минерального сырья, накопившиеся на промышленных предприятиях Томска, Новокузнецка, Красноярска, Барнаула, Ачинска, исследованы наиболее полно [10, 11]. По результатам изучения минерального и химического состава техногенного сырья разработана петро-геохимическая и технологическая классификация промышленных отходов. Так, шламы глиноземных и фосфорных предприятий могут найти применение для получения высококачественных наиболее чистых Р-волластонитовых сикамов с низким содержанием железа. Металлургические шламы с минимальными подшихтовками пригодны для производства износостойких геденбергитовых сикамов или еще более ценных диопсид-авгитовых сикамов. Составы после доизвлечения редких и других металлов в комбинациях друг с другом можно использовать для получения мономинеральных цепочечных как волластонитовых, так и пироксеновых материалов.
Первый петрохимический класс техногенного сырья представлен отвальными отходами химико-металлургических предприятий фосфорного, глиноземного и других производств. В него объединены весьма близкие по составу главных ингредиентов шламы Ачинского и Пикалевского глиноземных комбинатов, шлам Красноярского химического завода, а также шлаки и шламы фосфорного производства.
Второй петрохимический класс составляют ваграночные шлаки металлургических комбинатов и заводов. По химическому составу они соответствуют метасиликату кальция с заметным содержанием глинозема и оксидов железа. Количество оксида магния не превышает 2,0, а щелочей - 1,0 вес. %. В качестве элементов-примесей присутствуют в сверхкларковых количествах Н§, Т1, Сг, V, Ва, Со, N1, 8п, 8г, 2г, Си, Мо, Оа Н, Та, 8с и 8. Кроме того, в белитовых шламах содержатся лантаноиды и актиноиды (около 380,0 мг/кг). Присутствие такого спектра металлов определяет особую ценность шлама как объекта комплексного безотходного использования.
Третий петрохимический класс образуют доменные металлургические шлаки и отходы обогащения Железногорского месторождения. По соотношению основных литофилов они приближаются к недонасыщенным кремнеземом железосодержащим метасиликатам пироксенового состава (авгиту, ге-денбергиту и диопсиду). Геохимия этих сырьевых ресурсов отличается от предыдущего класса еще большим разнообразием.
Четвертый петрохимический класс вторичного минерального сырья составляют отходы переработки каменного угля в ТЭЦ и ГРЭС. Химический состав весьма напоминает предыдущий класс. Главное отличие заключается в повышенной концентрации глинозема (до 27,0 вес. %), для извлечения которого уже существует несколько известных технологий. Геохимия зол и шла-
ков от сгорания каменного угля настолько разнообразна и привлекательна, что по этому критерию они должны рассматриваться как суперконцентрат для комплексного извлечения черных, цветных, благородных и других металлов. Только содержание редкоземельных элементов в них составляет около 650,0 мг/кг. В США, Японии и других развитых странах эти элементы (преимущественно цериевой группы) извлекаются в промышленных масштабах во все возрастающих объемах. Освобожденная от металлических фаз силикатная фракция пригодна для получения экологически чистых многофункциональных материалов.
Пятый петрохимический класс включает в себя промышленные отходы обогащения и переработки уникальных нефелиновых руд месторождений Сибири, отходы обогащения ПО «Апатит» и промышленные отходы электролампового производства. Их общей особенностью является возрастание роли щелочных металлов и повышенное содержание оксидов железа, а также глинозема. Шестой петрохимический класс представлен промышленными отходами в виде пиритных огарков, которые почти на 80 вес. % состоят из оксидов железа с примесью кремнезема и глинозема.
Седьмой петрохимический класс техногенных месторождений включает многотоннажные отходы в виде формовочного кварцевого песка металлургических заводов и пыли уноса ферросплавного завода. В соответствии с названием в них доминирует кремнезем, сильно загрязненный оксидами железа. Другие литофильные элементы присутствуют в незначительных количествах.
Коррекция химического состава основного сырьевого компонента, которым в нашем случае являются силикатные промотходы или суглинок, может быть осуществлена с помощью одного или нескольких других природных минералов (или пород). Для модификации и корректировки могут быть использованы и промотходы своего регионально-хозяйственного комплекса. Например, хорошие материалы получаются из металлургических шлаков, коррекция которых осуществляется с помощью горелой формовочной земли, являющейся обычно отходом того же производства, что и шлаки.
После разработки оптимальных технологических параметров для каждого исходного состава были проведены серии высокотемпературных экспериментов с целью получения образцов для изучения эксплутационных свойств, выявления эстетических возможностей сикамов, отформованных и закристаллизованных различными способами, а также выбора оптимального способа получения тонкодисперсного порошка.
Выбор сырьевых композиций является в технологии стеклокристаллических материалов важным, но не исчерпывающим этапом. Большое значение имеет поиск оптимальных кинетических параметров приготовления и термообработки стекла. Поэтому получение материалов с удовлетворительными свойствами является в значительной мере результатом не только длительных экспериментов по подборке компонентов и их соотношений, но в какой-то степени - удачи и интуиции.
Кинетика кристаллизации стеклокристаллических материалов Р-волла-стонитового состава - сложный процесс, который характеризуется скоростью зародышеобразования и роста кристаллов. Оба эти процесса, а также структу-
ра зародышей и кристаллов зависят от ингредиентного состава, температур фазовых переходов и скоростей их достижения.
Полученные данные позволили оптимизировать технологические параметры синтеза волластонитовых сикамов с заданным химическим составом в восьмерной системе 8Ю2 - А1203 - Бе203 - БеО - MgO - СаО - №20 - К20 и требуемыми физико-химическими свойствами. Результаты исследований использованы для разработки новых (экстремальных) технологий производства синтетического Р-волластонита, которые отличаются от существующих тем, что скорость кристаллизации в них возрастает в 100-200 раз, т. е. упрощается, удешевляется и ускоряется технологический процесс в целом [10, 11].
Корректно составленная сырьевая композиция для производства кристаллизующихся силикатных стекол - не единственное условие успешной реализации материала. Не менее важным является правильный выбор кинетических параметров выработки (формования) стекла и последующей его термообработки [7]. Несмотря на наличие результатов дифференциально-термического анализа стекла, окончательный выбор параметров диктует технологическая практика. Поэтому представляет интерес разработка такой методики, которая бы максимально приближалась к производственным технологическим условиям.
В течение ряда лет нами используется методика определения кинетических параметров кристаллизации силикатных стекол, позволяющая вычленить в технологическом процессе кристаллизации изотермическую и нестационарную компоненты процесса [6]. Новый кинетический подход разработан на полупромышленной технологической линии, однако он, как показала практика, весьма эффективен и при модельных экспериментах.
Разработанная методика позволила не только с максимальной точностью моделировать и оптимизировать технологический процесс, но и открыть новый информационный канал в изучении механизмов структурообразования в силикатных стеклах. Благодаря применению разнообразных физических методов в изучении продуктов кристаллизации в кинетических сериях удалось выявить новый кристаллический полиморф волластонита, названный транс-волластонитом (Т-волластонитом), проследить ход инверсии в полиморфных модификациях, а также собрать значительный материал по механизмам кристаллизации минералов [7, 8].
В процессе плавления шихты не происходит полной диссоциации окислов, сохраняются структуры, имеющие генетическое значение для последующей эволюции вещества при фазовых переходах стекло - кристалл. Результаты изучения синтезированных стекол с помощью электронной микроскопии показывают широкие пределы их микрогетерогенности, обусловленные особенностями минерального состава исходных компонентов шихт [11].
В технологическом плане проведенные исследования являются научной основой для проектирования скоростных и весьма эффективных (даже при малых мощностях) промышленных технологических линий производства новых материалов класса сикамов (товарный знак № 92355).
Мономинеральные волластонитовые сикамы, по сравнению с известными полиминеральными шлакоситаллами, обладают более высокими физикомеханическими свойствами, т. к. в последних создаются в процессе термиче-
ской обработки дополнительные напряжения на границах фаз, приводящие к снижению прочности изделий. Другое преимущество связано с многофункциональностью мономинерального волластонитового сикама. В виде плиток он используется в качестве эффективного заменителя природного облицовочного камня. В тонкодисперсном состоянии, благодаря биологической инертности и игольчатому габитусу кристаллов, он применяется как модифицирующий наполнитель во всех отраслях современного материаловедения.
Вместе с тем разработанные на основе новых фундаментальных идей си-камы позволяют повысить в 100-200 раз скорость кристаллизации и тем самым сократить время технологического цикла, удешевить производство, сделать его более производительным и менее энергоемким по сравнению с существующими.
Стадия опытно-конструкторских разработок
Волластонитовые материалы и другие мономинеральные сикамы могут использоваться для производства изделий путем прямого формирования горячего стекла (литье, прессование) с последующей термообработкой, а также по порошковой (керамической) технологии, называемой технологией «грану-лят». В последнем случае приготавливают из стекла шликер, формуют изделия известным в керамической промышленности способом, затем спекают и кристаллизуют.
Для материалов Р-волластонитового состава характерны высокая прочность, стойкость к истиранию и растворению в кислотах и щелочах. По физико-механическим свойствам разработанные материалы в 4-5 раз превышают природные облицовочные камни типа мрамора, гранита и в 2 раза - зарубежные аналоги.
Плотность сикамов волластонитового состава меняется в пределах 2,06-2,95 г/см3. Прочность на изгиб в зависимости от исходного состава колеблется в весьма широких пределах - от 450 до 1700 кг/см3. Прочность на сжатие изменяется от 600-1600 до 5900 кг/см3, т. е. она выше, чем у природных облицовочных камней. Прочность на абразивный износ также характеризуется очень высокими показателями: от 0,01 до 0,024 г/см2. Химические свойства: водостойкость составляет от 0,22 до 0,61 см3/г, кислотостойкость -от 61 до 82 %.
В отличие от известных шлакоситаллов и сиграна, эти материалы являются экологически чистыми, не содержат добавок токсических элементов типа фтора и фосфора. В целом они соответствуют ГОСТ Р ИСО 14001-2007 [12].
Разработанные составы опробованы по технологии «гранулят»; изготовлено более 10 тыс. м2 художественно-декоративных материалов в виде облицовочных плит самых разнообразных цветов и рисунков размером 300x300x15 мм.
При обработке тонко измельченного волластонита (от 325 меш до 1 мкм) кислотой можно получить пену, застывающую при охлаждении. Приведем один из способов её получения. Волластонит с размером зерен 325 меш или меньше смешивают с легкой фракцией гидрооксида алюминия и фосфорной кислотой, затем эту смесь подвергают быстрому перемешиванию в ма-
шине пенообразования, аналогичной аппарату для приготовления полиуретана. До момента отвердевания пена обладает текучестью, достаточной для того, чтобы быть помещенной в сосуд, форму или плакировочную матрицу. Одновременно эта пена обладает достаточной вязкостью, для того чтобы удерживать пузырьки воздуха до момента отвердения. Процесс отвердения начинается через несколько минут после того, как пена готова, и в основном заканчивается в течение 60 мин. Хотя это не обязательно, можно применять подогрев вязкой массы до 200 °С, что ведет к упрочнению пены и повышению предела тугоплавкости и огнеупорности до 1093 °С.
Гранулированное стекло волластонитового состава может также найти широкое применение в качестве модификатора керамических масс либо их полного заменителя в традиционных технологиях.
Для получения ультрадисперсного порошка, пригодного в качестве модифицирующего биологически инертного наполнителя, использовали традиционные способы мокрого помола в фарфоровых барабанах с уралитовыми шарами, а также дезинтегратор ДЕЗИПМ-1Ф научно-производственного объединения «Дезинтегратор» (г. Таллин). Сравнительный анализ показал, что именно с помощью дезинтегратора можно получать более качественный игольчатый волластонит-наполнитель. Полученный с помощью дезинтегратора тонкодисперсный волластонит прошел успешные испытания в лабораторных и опытно-заводских условиях в качестве модифицирующего наполнителя резинотехнических изделий (кабельная резина, шины, обувь), линолеума, бетонов, растворов, полипропилена и т. п. [13-15].
Проведены опытно-заводские технологические испытания по производству из промышленных отходов многофункциональных конструкционных и строительных стеклокристаллических материалов. Полученные результаты послужили научно-технической основой становления научного направления и научной школы, что нашло выражение в системе Минвуза страны в организации двух научно-технических межвузовских программ: «Комплексное использование природных ресурсов - Природокомплекс» (1985) и «Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии человека» (1991).
Выводы
Представлена классификация концептуального этапа жизненного цикла синтетического волластонита с выделением четырех стадий: стратегический маркетинг, фундаментальные исследования, научно-прикладные исследования, опытно-конструкторские разработки.
Детально охарактеризованы все стадии, необходимые для обоснования новшества и его внедрения на рынок в сегмент мономинерального сикама Р-волластонитового состава.
Социальный, экономический и экологический эффекты от использования этих материалов в развивающейся инфраструктуре, в частности, Томской области и Западной Сибири более чем очевидны, особенно если учесть технологические особенности разработок, а также ускоренные темпы потребностей в современных материалах, удовлетворяющих требованиям ресурсосбережения.
При реализации стратегии в сфере инновационной экономики государство должно начать активно проводить политику в области регулирования направлений создания научных новшеств, а также рынка инноваций, оперативно реагируя на изменение текущих ситуаций. Необходимость подобных перемен рассмотрена на примере новшества - синтетического метасиликата, реализация которого имеет далеко идущие перспективы для экономики страны и который может занять надлежащий сегмент на мировом рынке.
Библиографический список
1. Report of Workshop on Country-Specific to Promote Cleaner Production // Industry and Environment Program Activity/ Center UNEP/ Paris, France. 17-19 September, 1991.
2. Петров, В.П. Волластонит / В.П. Петров. - М. : Наука, 1982. - 112 с.
3. Дероберти, С.С. Управление инновационными процессами при механизации строительства / С.С. Дероберти, Н.Б. Васильковская. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 1999. - 176 с.
4. Фатхутдинов, Р.А. Инновационный менеджмент / Р.А. Фатхутдинов. - СПб. : Питер, 2006. - 448 с.
5. Power, T. Wollastonite performance filler potential / T. Power // Industrial Minerals. - 1986. -V. 220. - P. 19-34.
6. Локтюшин, А.А. Кинетические особенности фазовых превращений в поле волластонита. Природокомплекс Томской области / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков. - Томск : Изд-во ТГУ, 1990. - С. 53-56.
7. Локтюшин, А.А. Стабильные и метастабильные структуры синтетического волластонита / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков // Матер. III совещ. «Минералогия Урала». - Миасс, 1998. - Т. 2. - С. 3-5.
8. Мананков, А.В. Кинетика фазовых переходов в базитовых расплавах и магмах /
A.В. Мананков, В.Н. Шарапов. - Новосибирск : Наука, 1985. - 199 с.
9. Мананков, А.В. Волластонитовые, пироксеновые и другие материалы из промышленных отходов и недефецитного природного сырья / А.В. Мананков, Е.Я. Горюхин, А.А. Локтюшин. - Томск : Изд-во ТГУ, 2002. - 166 с.
10. Мананков, А.В. Основы технической минералогии и петрографии / А.В. Мананков. -Томск : Изд-во ТГУ, 1979. - 193 с.
11. Минеральное сырье техногенных и природных месторождений для получения стеклокристаллических материалов / А.В. Мананков, В.М. Яковлев, В.С. Гудошникова [и др.]. - М., 1994. - 183 с. (Деп. ВИНИТИ. № 1514-В-94 от 17.06.94).
12. ГОСТ Р ИСО 14001-2007. Системы экологического менеджмента. Требование и руководство по применению. - 29 с.
13. Мананков, А. В. Нетрадиционные строительные материалы класса сикамов / А. В. Манан-ков, В.М. Яковлев // Строительные материалы. - 1995. - № 9. - С. 16-17.
14. А.с. 1331827 СССР. Способ получения волластонита / А.В. Мананков, Е.В. Горюхин,
B.В. Хахлов [и др.] ; заяв. 01.04.86 ; опубл. 23.08.87, Бюл. 1987. № 31.
15. А.с. 1705741 СССР. Способ определения параметров кристаллизации силикатных стекол / А.В. Мананков, А.А. Локтюшин ; заявл. 14.03.90 ; зарегистр. 15.09.91.
