CC BY
11
УДК 621.742
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ НОВЫХ СВЯЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКИХ
ЛИГНОСУЛЬФОНАТОВ Свинороев Юрий Алексеевич, к.т.н., доцент, (e-mail: desna.us@yandex.ru) Луганский государственный университет имени Владимира Даля,
г. Луганск, Украина Гутько Юрий Иванович, д.т.н., профессор, первый проректор
(e-mail: unigutko@yandex.ru) Луганский государственный университет имени Владимира Даля,
г. Луганск, Украина Семенов Константин Геннадьевич, к.т.н., доцент, (e-mail: kgslpmgvmi@mail.ru) Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, г. Москва, Россия
Разработаны новые методологические подходы инжиниринга связующих, на основе использования более экологически чистых и замены дорогостоящих и потенциально токсичных материалов и компонентов связующих композиций для повышения экономической эффективности производства и улучшения его экологического состояния.
Ключевые слова: методология материалов, литейные связующие материалы, инжиниринг, технические лигносульфонаты, эффективность, модифицирование, высокоэнергетическая обработка.
В условиях нарастающего ресурсного кризиса, вызванного ограничением возможностей наращивания добычи и переработки углеводородного сырья (нефти и газа), актуальна проблема поиска новых альтернативных решений, которые бы обеспечивали сокращение потребностей в использовании традиционных материалов, производимых, как правило, на основе нефтепереработки. В промышленном производстве, где в структуре технологического цикла, например для изготовления отливок, применяются связующие материалы, подобной альтернативой может стать расширение использования продуктов переработки растительного сырья.
Типичным представителем подобного класса материалов являются технические лигносульфонаты (ЛСТ). Их положительной отличительной особенностью является экологическая чистота [1], относительно низкая стоимость, высокая технологичность, и неограниченный ресурсный потенциал, поскольку они производятся из возобновляемого источника сырья - древесины [2]. Однако имеются и отрицательные аспекты, существенно сдерживающие их применение - это низкая связующая способность и нестабильность свойств.
В этой связи, ЛСТ необходимо рассматривать как исходное сырьё для разработки новых связующих материалов с высокими прочностными характеристиками и стабильными свойствами. Такой подход, схематично можно представить в виде схемы показанной на рисунке 1.
Целью данного исследования является выработка системы требований и условий, реализация которых позволит разрабатывать новые связующие материалы с наперед заданными свойствами, которые бы включали все положительные аспекты присущие лигносульфонатам, и в тоже время исключали бы те негативные моменты, которые у них имеются, но при этом были бы предельно адаптированы к условиям конкретной технологии. Системное представление о способах и условиях перевода ЛСТ в требуемое, но иное по уровню качества состояние и будет представлять методологическую концепцию разработки новых связующих материалов на основе технических лигносульфонатов.
Требования к качеству литейной формы (стержня), обеспечиваемые состоянием свойств связующего материала: по прочности, по технологичности в процессе смесеприготовления, формования и использования.
Методы модифицирования, высокоэнергетическая механическая обработка, термоактивация
Рисунок 1 - Методологический подход при разработке новых литейных связующих на основе технических лигносульфонатов, отвечающих современному уровню требований
Учитывая физическую природу ЛСТ, полифункциональность присущую их макромолекуле, а значит потенциальную предрасположенность этого материала к всевозможным трансформациям, можно предположить наличие такого состояния, которому бы соответствовал максимум прочности и стабильность свойств. Известно, что такой комплекс свойств соответствует
трехмерной полимерной сетчатой структуре. По видимому, синтез таких структур на основе олигомерных цепей ЛСТ и будет основой для реализации максимума прочности у создаваемых связующих композиций, а условия их формирования определят конкретные технологические параметры проведения процесса.
Предпосылками получения таких состояний и структур могут быть [3,4]:
Во-первых, создание центров инициирования процессов обеспечивающих поперечную сшивку олигомерных цепей ЛСТ, как объекта связи.
Во-вторых, введение в состав ЛСТ компонентов обеспечивающих создание поперечных связей, своеобразного «отвердителя».
В-третьих, обеспечение оптимальных режимов проведения всего процесса создания связующего материала, начиная с предварительной обработки ЛСТ и заканчивая процессами структурообразования при его отверждении.
Реализация сформулированных предпосылок требует анализа методологических подходов к разработке новых связующих материалов. В свою очередь, понимание этой задачи обуславливает необходимость в четкости определения понятия «новый связующий материал».
Существует огромное количество технических решений направленных на изменение, улучшение, модифицирование свойств существующих связующих материалов. Во избежание двусмысленности и путаницы в этих моментах исследований целесообразно, в контексте рассмотрения данной задачи определить понятийный аппарат.
Примем, что мерой отделяющей видоизмененный материал от принципиально нового, будет уровень и масштаб достигаемых изменений свойств по ключевым критериям, определяющим его качественное состояние. Переход свойств обрабатываемого материала в новое качество и есть констатация факта появления нового материала. Так например, если интегральным критерием оценки качества связующего материала является связующая способность, оцениваемая по прочности стандартных образцов, то достижение определенного уровня по этому показателю, отличающегося от исходного на порядок будет означать разработку принципиально нового связующего материала.
Применительно к рассматриваемой проблеме, будем считать, что все методы целенаправленного воздействия на стабилизацию свойств и повышение связующей способности ЛСТ, приводящие к получению устойчивых и постоянно повторяющихся результатов, по уровню соизмеримых с аналогичными показателями наиболее эффективных материалов этого класса будут означать создание нового материала.
Под эффективными связующими будем понимать широко применяемые в реальных технологических процессах литья материалы, обладающие высокими прочностными и технологическими свойствами. В данном случае они будут выступать в роли своеобразных эталонов для оценки достигаемых результатов. В качестве таких материалов целесообразно взять те, ко-
торые могли бы быть вытеснены полностью или частично связующими композициями на основе ЛСТ. К таковым можно отнести материалы из класса синтетических смол - карбомидо-формальдегидные смолы, из класса масляных - КО, УСК, СКТ, уровень качества которых примерно одинаков. Показатели связующей способности этих материалов колеблется в пределах от 0,5 до 1,2 МПа/%, для сравнения у ЛСТ от 0,03 до 0,08 МПа %. Примем такие показатели за эталонные и в дальнейшем будем ориентироваться на них.
Как показывает практика не существует абсолютно универсальных связующих материалов, которые были бы пригодны если не для любых, то для достаточно большого количества технологий. Внедрение какого-либо нового материала в реально работающие технологические процессы предполагает проведение серий адаптивных экспериментов, сначала на лабораторном уровне, затем виде опытно-промышленных партий. Однако для этого требуется связующий материал со стабильными свойствами и потенциально высокими прочностными характеристиками. В данном случае, поскольку нынешний уровень состояния свойств ЛСТ требует изменений, то методология разработки новых связующих материалов на лигносульфо-натной основе будет состоять из решения двух задач. Во-первых, исследование возможностей улучшения свойств; формализация условий их реализации, и обеспечение таких установленных режимов на практике. Во-вторых, при получении значимых результатов, их адаптация к условиям требований конкретного технологического процесса.
Решение первой задачи состоит в определении условий, обеспечивающих протекание процессов структурообразования ЛСТ, и поиске инструментов управления ими. Именно эти процессы ведут к формированию трехмерного сетчатого полимера, а такая структура соответствует максимальной прочности литейного стержня или формы. Это предполагает проведение комплекса исследований изменения физико-химических характеристик материала. Для понимания строения внутренней структуры необходимо изучение молекулярной массы и молекулярно-массового распределения. Для понимания процессов обеспечения прочностных свойств - закономерности формирования структуры пленок, адгезии связующего к наполнителю, изменения краевого угла смачивания.
В сою очередь, проведение адаптивных экспериментов предполагает комплексную оценку возможностей связующего материала, по всему спектру технологических требований. Для того необходимо проведение анализа жизненного цикла связующего на производстве, начиная с момента поступления материала на предприятие и заканчивая вопросами утилизации отработанных стержневых и формовочных смесей. Практика применения связующих материалов показывает, что исходные показатели качества могут быть лишь необходимыми, но еще не достаточными для использования данного материала в конкретно взятой технологии. Это объясняется сложностью и многофакторностью реального производства. Рабочие со-
ставы стержневых и формовочных смесей включают не один связующий материал, а целый комплекс связующих, который призван обеспечивать технологичность смеси на всех этапах производственного цикла. Такие требования обуславливают необходимость проведения детального анализа всех технологических операций и процессов со связующим материалом, протекающих в ходе их осуществления.
Совокупность всех операций и процессов, происходящих со связующим на производстве с момента его поставки туда, и до момента утилизации назовем жизненным циклом связующего материала. В общем, виде жизненный цикл включает: перекачку из цистерн, в которых, как правило, эти материалы приходят на завод, в емкости для хранения; не посредственно хранение связующего, его транспортировка на смесеприготовительные участки, предварительная обработка (нагрев, модифицирование), подача в дозаторы, дозировка в смесь, перемешивание смеси (продолжительность, тип агрегата), выгрузка на транспортер уже готовой формовочной или стержневой смеси, подача ее в бункера на формовочные машины, формовка, протяжка, транспортировка по конвейеру изготовленных форм или стержней, отверждение (сушка), сборка и транспортировка уже собранных форм к месту заливки (в некоторых случаях к месту хранения), непосредственно заливка, остывание, выбивка, сепарация, регенерация, утилизация. Каждый из этапов жизненного цикла требует соблюдения определенных условий, которые накладывают свой отпечаток на требования к свойствам связующего материала.
Таким образом, установили основные концептуальные положения:
1. В методологическом плане разработка новых связующих материалов на основе ЛСТ состоит из нескольких взаимосвязанных этапов:
• определения и создания условий, обеспечивающих протекание процессов структурообразования, ведущих к формированию трехмерного сетчатого полимера;
• их реализацию, с получением связующей композиции, характеризующегося высоким уровнем связующей способности;
• проведения комплекса адаптивных экспериментов направленных на приведение свойств разработанного связующего к требованиям конкретного технологического процесса.
2. Факт разработки нового связующего материала на основе ЛСТ можно констатировать при условии достижения принципиально иного уровня свойств получаемой композиции (показатель удельной связующей способности, стабильность свойств, скорость отверждения).
3. Определение условий, обеспечивающих протекание процессов структурообразования, ведущих к формированию трехмерного сетчатого полимера, предполагает комплекс исследований изменения физико-химических характеристик материала (молекулярная масса, структура пленок, адгезия, краевой угол смачивания).
4. Проведение адаптивных экспериментов предполагает проведение анализа жизненного цикла связующего на производстве, начиная с момента поступления материала на предприятие и заканчивая вопросами утилизации отработанных стержневых и формовочных смесей.
Реализация сформулированной методологии действий позволяет получать связующие композиции на основе ЛСТ с высокими прочностными характеристиками и стабильными свойствами.
Список литературы
1. Литейные связующие в массовом производстве. Каталог // В.Л. Суворов, Р.И. Ог-лоблина, Е.С. Короваева и др.- Свердловск: ВНИИ ОТ ВЦСПС. -1987. - 36с.
2. Инженерная экология литейного производства: Учебное пособие / [А. Н. Болдин, А. И. Яковлев, С. Д. Тепляков] ; под общ. ред. А.Н. Болдина. - М.: Машиностроение, 2010. - 352 с.
3. Свинороев Ю.А. Теоретические предпосылки разработки новых экологически чистых связующих на основе технических лигносульфонатов для фасонного литья в производстве деталей машин пищевой промышленности//Вестник Восточноукраин-ского национального университета имени Владимира Даля. 2005. № 11 (93). - с. 186189.
4. Дiагностика безпеки розвитку потенщалу тдприемства: монографiя / О.В. Родю-нов, Ю.С. Свинороев та ш. - Луганськ: Вид-во «Ноулщж», 2012.- 292 с.
Svinoroev Yuri Alekseevich, PhD., Associate Professor, (E-mail: desna.us@yandex.ru) Lugansk State University named after Vladimir Dal, Lugansk, Ukraine Gutko YuriIvanovich, Prof., First Vice-Rector (E-mail: unigutko@yandex.ru) Lugansk State University named after Vladimir Dal, Lugansk, Ukraine Semenov Konstantin Gennadievich, PhD., associate professor,
(e-mail: kgslpmgvmi@mail.ru) Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
METHODOLOGICAL APPROACH TO THE DEVELOPMENT OF NEW COMMUNICATION MATERIALS BASED ON TECHNICAL LIGNOSULFONATES
Novel methodological approaches engineering binders, based on the use of cleaner and replacement of expensive and potentially toxic materials and components binder compositions to increase production efficiency and improve its ecological condition.
Keywords: methodology materials, foundry binders, engineering, technical lignosulfonates, effectiveness, modification, high-energy treatment
