CC BY
94
УДК 691.405.8
А.В. Страхов, Н.А. Иващенко, О.А. Кончакова
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДОБАВОК-МОДИФИКАТОРОВ
НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СИЛИКАТ-НАТРИЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Рассматривается возможность применения метода механохимической активации минеральных наполнителей на основе природного и техногенного сырья. Приводится сравнение характеристик различных установок-измельчителей для получения модификаторов направленного действия.
Механохимическая активация, наполнители, силикат-натриевая композиция, модифицирование
A.V. Strakhov, N.A. Ivaschenko, O.A. Konchakova
A PROCESS FOR PREPARATION OF FUNCTIONAL ADDITIVES WITH MODIFIER ACTIONS FOR MODIFYING SODIUM SILICATE COMPOSITIONS
The article considers the possibility for applying the method of mechanical activation of mineral fillers on the basis of natural and man-made materials. The characteristics of various plants, shredders for directional modifiers are compared.
Mechanochemical activation, fillers, sodium silicate composition, modification
Модифицирование композиционных материалов на основе жидкостекольного связующего более рационально производить за счёт введения в систему «химически активных» наполнителей -добавок-модификаторов направленного действия, которые будут способствовать повышению строительно-эксплуатационных характеристик готового композиционного материала. Особую роль наполнители-модификаторы играют при формировании структуры теплоизоляционных материалов, получаемых по принципам холодного или горячего вспенивания.
Одним из более эффективных способов создания активных минеральных наполнителей направленного действия является механохимическая активация.
Процессы измельчения и механохимической активации исходного сырья являются одной из важнейших стадий в производстве большинства композиционных материалов.
Под механохимической активацией понимают такую механическую обработку твердого вещества, при которой происходит изменение его физико-химических свойств: увеличение концентрации дефектов различной природы, ослабление и разрыв химических связей, изменение электронного состояния и координационного окружения элементов и т.д., приводящее к повышению реакционной способности твердого вещества [1].
Применение механохимической активации способствует повышению технико-экономических показателей для действующих в настоящее время производств, а также предлагает выход на более высокий уровень в разработке новых перспективных материалов. Механохимическая активация твердых тел изучает комплекс взаимосвязанных явлений и процессов, протекающих при механическом воздействии на твердое тело как в момент механической обработки, так и после его завершения [2].
В результате механоактивации повышается запас свободной энергии вещества, который возникает за счет увеличения поверхности и дефектности структуры обработанного твердого тела. Наивысшие значения свободной энергии возникают непосредственно в момент механического воздействия на твердое тело, что обусловливает термодинамически метастабильное состояние вещества. Затем происходит релаксация структуры в сторону менее энергоемких состояний. Однако часть энергии остается в твердом теле, что и обеспечивает повышение химической активности механически обработанных систем по окончании деформационных воздействий.
Установлено, что механоактивированные материалы могут аккумулировать до 10% затраченной на помол энергии. Тем самым, в результате измельчения высвобождается часть внутренней энергии вещества, реализуемой в последующих физических и химических превращениях.
Возникающие в измельчаемом материале упругие напряжения концентрируются на определенных участках, ими в основном являются микротрещины, поры, границы кристаллов и блоков.
На степень активации материала существенное влияние оказывает вид измельчителя. В ходе данной работы было установлено, что при получении многокомпонентных минеральных добавок-модификаторов ультрадисперсной размерности наибольшую эффективность имеет процесс механоактивации, проводимый на планетарной мельнице. Данный способ позволяет достичь размерности частиц добавки-модификатора до 10-7 м.
В качестве компонентов при получении добавки-модификатора направленного действия использовались следующие компоненты техногенного происхождения:
1) Фильтрационный осадок (дефекат) - отход сахарного производства соответствует ТУ 9112005-00008064-95 «Осадок фильтрационный». По степени дисперсности дефекат представляет собой разнородную массу от рыхло-дисперсной и почти несвязной до агрегатов с образовавшимися комками и достаточно прочной структурой. По водородному показателю дефекат имеет ярко выраженную щелочную характеристику - рН = 11,7-13,43. Химический состав дефеката преимущественно сложен
213
из СаСОз, Са(ОН)2, СаО, MgCOз и другими органическими и неорганическими компонентами. Дефекат использовался в виде тонко измельченного на планетарной мельнице порошка до удельной поверхности 8уд=350-390 м2/кг.
2) Пиролизная сажа - твердый остаток пиролиза образуется при пиролизе изношенных шин и резиновых отходов, соответствует требованиям ТУ 3723-005-0136353-2003 «Твердый остаток пиролиза шин». В результате рентгенофазового анализа было выявлено, что среди пиков наибольшее значение имеют пики, соответствующие ZnO и ZnS. Показатель кислотно-основных свойств рН=6-8.
3) Фосфогипс - побочный продукт производства экстракционной фосфорной кислоты, получаемой путем разложения апатитового концентрата серной кислотой ТУ 2141-677-00209438-2004 «Фосфогипс». По внешнему виду фосфогипс - твердое мелкокристаллическое вещество от светло-серого до темно-серого цвета с наличием агрегатов в виде комков. Влажность фосфогипса достигает 28-32%. Результаты рентгенофазового анализа показывает, что фосфогипс состоит в основном из частиц CaSO4•2H2O и CaSO4•0,5H2O - до 95%, покрытых пленками Р2О5 и Б, с включениями кварца.
Получение добавки-модификатора производилось путем совместного помола компонентов (портландцемент + дефекат / фосфогипс + алюминиевая паста) в равных долях с добавлением 10% пиролизной сажи. В данном случае пиролизная сажа выполняет роль пластификатора и расклинивающего компонента, который позволяет снизить энергозатраты на процесс механоактивации. Для определения наиболее эффективного измельчителя-активатора механоактивацию производили в 4 типах мельниц. Наибольший эффект показала планетарная мельница Zond-XW16, в которой при механоактивации в течение 7 минут при заданной нагрузке 6g дисперсность наполнителя-модификатора достигала 9х10-7-7х10-6 м, в то время как остальные мельницы при аналогичных условиях показали худшие результаты (таблица).
Сравнение энергетической эффективности различных мельниц
Тип мельницы Основной вид воздействия Количество актов воздействия Скорость соударения Подводимая энергия в пересчете на массу измельчаемого материала Дисперсность частиц наполнителя, м
Барабанная (шаровая) Удар (давление) N = т V = ^2д0 m1 Eth =—п^ т 10'6
Вибрационная Удар (трение) N = т V = 4ппа т 2 Eth =—— пг (4ппа) 2т2 10"4
Планетарная Удар (трение) N = т V = ^2Ь0 9 е "О II 10'7
Кольцевая (роликовая) Трение (давление) N = т V = ппй Ел =—^ тлО^(у) т2 10'5
Введение указанных компонентов добавок в силикат-натриевое связующее по отдельности приводило к увеличению средней плотности композиционного материала, неравномерному образованию и распределению пор в композиционном материале. При применении модификаторов направленного действия, полученных методом механоактивации, были получены теплоизоляционные материалы на основе силикат-натриевого связующего со следующими характеристиками: средняя плотностью 260-300 кг/м3, прочность при сжатии 0,8-0,95 МПа, коэффициент водостойкости Кв=0.75 и коэффициент теплопроводности 0,058 Вт/моС.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что механоактивация в технологии неорганических материалов является многовариантным методом управления процессами синтеза, фазовым составом, структурой и, соответственно, свойствами материалов, а изучение процессов, проходящих во время механоактивации, является актуальной задачей.
Рис. 1. Кривая распределения дисперсности частиц добавки-модификатора, полученная на планетарной мельнице
ЛИТЕРАТУРА
1. Механохимический синтез в неорганической химии: сб. науч. тр. / под ред.
Е.Г. Аввакумова. Новосибирск: Наука, 1991. С. 32-52.
2. Temuujin J. Mechanical treatment of solid mixtures - a promising way of synthesizing ceramic precursors / J. Temuujin // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. № 9. С. 589-595.
Страхов Александр Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Иващенко Наталья Александровна -
инженер кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Кончакова Ольга Александровна -
магистрант кафедры «Строительные материалы и технологии» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья пос
Alexander V. Strakhov -
Ph. D., Associate Professor Department of Construction Materials and Technologies
Gagarin Saratov State Technical University
Natalya A. Ivashchenko -
Engineer
Department of Construction Materials and Technologies
Gagarin Saratov State Technical University
Olga А. Konchakova-
Postgraduate
Department of Construction Materials and Technologies
Gagarin Saratov State Technical University
тила в редакцию 15.10.12, принята к опубликованию 06.11.12
