CC BY
12DOI: 10.34031/article_5ce292c9837090.54164650 1 *Сулейманова Л.А., 1Кочерженко А.В., 1Рябчевский И. С.
1 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 *E-mail: ludmilasuleimanova@yandex.ru
ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ВСПЕНИВАНИЯ ОТ СРЕДНЕГО ГАРМОНИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА ПЕНОПОЛИУРЕТАНА
Аннотация. В настоящее время в России все большее значение уделяется актуальным вопросам энергосбережения и энергетической эффективности при строительстве. Действующие нормативно-правовые акты требуют решения вопросов, связанных с повышением энергоэффективности зданий. Одним из направлений решения поставленных задач является разработка и изготовление новых видов эффективных теплоизоляционных материалов. В данной работе рассматривается использование промышленных отходов горно-обогатительных комбинатов как наполнитель пенополиуретана. В качестве исследуемого сырья были взяты пробы с поля фильтрации хвостов Стойленского ГОКа из различных участков, определены их гранулометрические и химические составы, а также определены гармонические диаметры частиц наполнителя. По результатам расчета определена зависимость коэффициента вспенивания от среднего гармонического диаметра наполнителя. Разработана матрица планирования эксперимента, по результатам которой были построены математические модели зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана, наполненного хвостами. Рассмотрены три зоны хвостов по результатам отбора проб. Анализируя полученные результаты, выведена количественная и качественная оценка влияния каждого фактора в отдельности, а также их совокупности на изменение системы «состав - свойства».
Ключевые слова: пенополиуретан, наполнитель, математическое моделирование, коэффициент вспенивания, отходы горнорудной промышленности, гармонический диаметр.
В данной статье впервые предложен вариант конкретно - отходами мокрой сепарации желези-наполнения пенополиуретана промышленными стых кварцитов (далее хвосты) [1-6]. Схема поля отходами горно-обогатительных комбинатов, а фильтрации хвостов представлена на рис. 1, 2.
/ / --------------
t
-
_ водоупор обезвоженные -_-_-_-_------_-_-_-_-.
хвосты -----вода -----
у-
Рис. 1. Схема поля фильтрации хвостов: 1 - магистральный пульпопровод; 2 - дамба из водоупора; 3 - распределительный трубопровод; 4 - основное поле фильтрации; 5 - участок отложения иловых остатков
хвостов; 6 - направления растекания пульпы
13 2 7
Рис. 2. Схема поля фильтрации хвостов в разрезе: 1 - магистральный пульпопровод; 2 - дамба из водоупора; 3 - распределительный трубопровод; 4 - основное поле фильтрации; 5 - участок отложения иловых остатков хвостов; 6 - хвосты, расположенные в воде; 7 - направления растекания пульпы
После отбора образцов с полей фильтрации хвостов определялся их химический (табл. 1) и гранулометрический (табл. 2) составы.
Таблица 1
Химический состав образцов материала
№ образца Химический состав, %
8102 Fe общ. Ре20э БеО СаО МяО АЪОэ Ост.
1 66,3 12,2 9,1 5,6 2,3 2,5 0,8 1,2
2 65,4 11,8 9,5 5,9 2,6 2,8 0,5 1,5
03 К 3 66,8 12,6 9,7 4,8 2,1 2,1 0,48 1,42
СП 4 66,3 13,1 8,6 4,9 2,9 2,8 0,53 1,07
5 65,8 12,8 9,4 5,2 2,5 2,3 0,59 1,4
Среднее значение 66,12 12,5 9,26 5,28 2,48 2,5 0,58 1,318
6 67,7 10,8 10,3 5,3 1,8 1,6 0,9 1,6
<м 7 68,3 10,3 11,5 4,4 1,7 1,9 1,2 0,7
03 и 8 66,9 11,1 10,8 5,6 2,1 1,7 0,7 1,1
СП 9 68,1 10,8 11,3 4,7 1,5 2,1 0,8 0,7
10 66,8 11,2 10,9 5,1 1,9 1,8 1,1 1,2
Среднее значение 67,56 10,84 10,96 5,02 1,8 1,82 0,94 1,06
11 68,7 9,6 12,2 5,1 1,3 1,2 1,2 0,7
СП 12 69,3 8,1 12,1 4,8 1,8 1,5 1,3 1,1
03 И 13 67,8 9,3 12,8 4,5 1,5 1,3 0,9 1,9
СП 14 69,7 9,1 11,1 4,2 1,9 1,8 1,4 0,8
15 68,7 8,8 12,1 4,8 1,7 1,7 1,1 1,1
Среднее значение 68,84 8,98 12,06 4,68 1,64 1,5 1,18 1,12
Проведенные исследования показали, что по своему химическому составу образцы не имеют значительных отличий (табл. 1), но по гранулометрическому составу они отличаются (табл. 2). При воздействии гидравлической энергии водного потока происходит фракционирование частиц хвостов и их дифференциация по крупности и удельной массе различных минералов [7-11]. Самые крупные и тяжелые частицы выпадают вблизи места выпуска пульпы и формируют на хвостохранилищах так называемую зону слива или выпуска пульпы. Эта зона распространяется
примерно на 50 м. от места сброса (зона 1). Средние по размерам и удельной массе частицы формируют промежуточные зоны общей шириной 120-170 м (зоны 2 и 3). Самые мелкие и легкие частицы сносятся в крайнюю зону покрываются водой и в последствии образую так называемые иловые осадки (зона 4). Схема расположения участков хвостов в зависимости от их гранулометрического состава приведена на рис.3. Такая структура расположения хвостов остается после завершения намыва поля фильтрации.
Рис. 3. Схема расположения участков хвостов в зависимости от их гранулометрического состава
(отбор проб материала по зонам)
Таблица 2
Гранулометрический состав лабораторных проб материала
№ Образца Содержание фракций, %, при крупности фракций, мм
1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 <0,05
1 18,5 28,6 39,3 8,8 4,8
2 21,3 28,7 36,2 10,5 3,3
cd И 3 20,7 27,4 38,8 9,4 3,7
ГО 4 22,4 29,3 37,2 8,3 2,8
5 20,3 26,7 40,5 9,3 3,2
Среднее значение 20,64 28,14 38,4 9,26 3,56
6 10,6 18,3 47,1 14,4 9,6
(N 7 8,1 19,6 47,8 13,7 10,8
cd И 8 9,9 18,8 46,1 12,4 12,8
ГО 9 9,2 20,1 48,2 13,3 9,2
10 8,3 18,9 46,8 13,5 12,4
Среднее значение 9,22 19,14 47,2 13,46 10,96
11 4,1 9,7 53,6 16,4 16,2
m 12 3,8 8,6 56,1 15,2 16,3
cd И 13 4,7 7,8 55,8 17,1 14,6
ГО 14 5,1 8,4 56,2 18,2 12,1
15 3,4 8,1 54,6 16,6 17,3
Среднее значение 4,22 8,52 55,26 16,7 15,3
Для дальнейших исследований рассчитывался показатель, характеризующий дисперсность хвостов одним числом - гармоническим диаметром [12-14]. Гармонический диаметр представляет собой диаметр частиц некоторого однородного грунта, имеющего те же свойства, что и данный разнозернистый грунт. Если предположить, что грунт состоит из п одинаковых шарообразных частиц с диаметром, который мы обозначим Вт, то поверхность скелета будет равна [15-17]:
а вес
Fe = nnD2
п тлЗ
gc = n-D?Yy;
(1)
(2)
где уу - удельный вес скелета грунта.
Рассмотрим теперь грунт, состоящий из смеси П1 частиц с диаметром В1, П2 частиц с диаметром Бт2 и так далее. Тогда их общая поверхность ^ и вес g будут соответственно равны:
F = пУпЮ^;
g = . Вес каждой 1-й группы из п частиц равен:
п г>3 g7 = Щ-0&у.
(3)
(4)
(5)
Если вес пробы грунта принять за 1, то
l£i = 1 (6)
И тогда гармонический средний диаметр рассчитывается по формуле:
1
Dr =
Y.-—
Dri
(7)
где gi - вес каждой 7-ой группы частиц; - диаметр одинаковых шарообразных частиц каждой 7-ой группы частиц.
Учитывая тот факт, что для определения гранулометрических составов грунта мы использовали навески равные 100 г, формула примет следующий вид:
Ог = 101 (8)
УБг1
Определяем гармонический диаметр для зоны 1 по формуле (8):
п 1 100 Dr1 = тгг = 0,17,
Lп .
Определяем гармонический диаметр для зоны 2 по формуле (8):
п 2 1°0 ли
°г2 = уЖ1 = 0,11,
Определяем гармонический диаметр для зоны 3 по формуле (8):
100
Иг3 =-тт = 0,086
У —
На рис. 4. приведена зависимость коэффициента вспенивания наполнителя от его среднего гармонического диаметра.
о" о о сГ о о" о' о" о" о" о" О о" О е>|
Рис. 4. Зависимость коэффициента вспенивания наполнителя от его среднего гармонического диаметра
Из рис. 4. и опытов, проведенных с различными минеральными наполнителями, имеющими различный гранулометрический состав следует, что при увеличении количества пылева-тых частиц в составе наполнителя коэффициент вспенивания уменьшается, то же самое происходит при увеличении количества крупных частиц.
Условия
Это связано с тем, что пылеватые частицы попадая во влажную среду компонентов ППУ растворяются и создают пленку, препятствующую попаданию воздуха внутрь состава при перемешивании и вспенивании. Крупные частицы (размером более 1 мм) являются достаточно объемными, что не позволяет им встраиваться в структуру пенополиуретана, а их вес значительно затрудняет сам процесс перемешивания компонентов и последующее вспенивание ППУ.
При планировании эксперимента в качестве варьируемых факторов были приняты: расход хвостов и соотношение между компонентами. Для обеспечения более точного описания математических моделей пенополиуретана в зависимости от варьируемых факторов в виде полиномов второй степени было применено ортогональное центральное планирование. Условия планирования с указанием натуральных значений кодируемых факторов представлены в табл. 3 [18].
Средний уровень расхода хвостов, глины и песка был принят 30 % от массы полиуретана с шагом варьирования 20 %. Соотношение компонентов полиизоцианата и полиола на среднем уровне было принято 1, т.к. рекомендуемое соотношение полиуретановых компонентов без наполнителя составляет 100 : 100. Интервал варьирования составляет 0,1.
Таблица 3
шя эксперимента
Фактор Уровень варьирования Интервал варьирования
Натуральный вид Кодированный вид +1 0 -1
Расход наполнителя, % Х1 50 30 10 20
Соотношение компонентов Х2 1,1 1,0 0,9 0,1
Сущность метода заключается в установлении математической зависимости между заданными свойствами материала и расходом, свойствами составляющих компонентов и технологическими факторами. Количество экспериментов, зависящее от числа факторов и условий решаемой задачи, проводилось по заданному соответствующему плану. Матрица планирования и экспериментальные данные представлены в табл. 4.
Результаты опытов обрабатывают с использованием методов математической статистики, получая при этом алгебраические уравнения, отражающие связь между исследуемыми свойствами и исходными факторами; с помощью уравнений регрессии можно строить графики и номограммы, что позволяет оперативно установить значение выходного параметра при изменении каждого фактора. При использовании номограмм можно поддерживать на заданном уровне выходной параметр, изменяя соответствующим образом факторы, входящие в уравнение регрессии.
Таблица 4
Матрица планирования и экспериментальные данные
№ Фак- Квсп образцов пенополиуретана,
опыта торы наполненного хвостами
хвосты хвосты хвосты
Х1 Х2 зоны 1, зоны 2, зоны 3,
Х1000 х1000 Х1000
1 +1 +1 630 520 420
2 +1 -1 610 510 410
3 -1 +1 1070 680 480
4 -1 -1 1050 670 470
По результатам полученных уравнений были построены математические модели зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана от исследуемых факторов (рис. 5-7).
Рис. 5. Математическая модель зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана,
наполненного хвостами 1 зоны
Рис. 6. Математическая модель зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана,
наполненного хвостами 2 зоны
Рис. 7. Математическая модель зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана,
наполненного хвостами 3 зоны
При переходе от кодированных факторов к натуральным, найдено оптимальное соотношение компонентов, которое составляет 100:100.
Таким образом, выявленные закономерности изменения свойств пенополиуретанов и полученные математические зависимости позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности, а также их совокупности на изменение системы «состав -
свойства» и могут быть использованы для производственных рецептур наполненных пенополиуретанов и прогнозирования их физико-механических свойств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воробьев В.А., Андрианов P.A. Технология полимеров. М.: Высшая школа, 1980. 303 с.
2. Fukuhiro H., Genjiro H., Yoshio I. Hidro-philic polyurethane and application (II) (polyurethane - gypsum foam). Plastics Industry News. 1981. May. Pp. 71-74.
3. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989. 383 с.
4. Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В., Ма-рушко М.В. Теплоизоляционный композит на основе местных неорганических наполнителей // В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и инновации». Белгород, 2016. С. 185-189.
5. Herrington R., Hock K. Flexible Polyurethane Foams - Dow Chemical Company 1997. 312 p.
6. Берлин A.A., Шутов Ф. А. Упрочненные газонаполненные пластмассы. М.: Химия. 1980. 224 с.
7. Воробьев В.А. Технология строительных материалов и изделий на основе пластмасс. М.: Высшая школа, 1974. 472 с.
8. Гильдебрант X. Полимерные материалы в строительстве. Пер. с нем. М.: Стройиздат, 1969. 272 с.
9. Годило П.В., Патуроев В.В., Романенков И.Г. Беспрессовые пенопласты в строительных конструкциях. М.: Стройиздат, 1969. 173 с.
10. Benning C.J. Plastics foams. Vol. 1. Ney York, London, Sydney, Toronto. John Wiley a. Sons. 1969. 620 p.
11. Швецов Г. А., Алимова Д.У., Барышникова М. Д. Технология переработки пластических масс. М.: Химия, 1988. 512 с.
12. Корнеев А.Д., Шулепов С.К. Структуро-образование пенополимербетона на основе поли-изоцианата // Эффективные строительные материалы для Нечерноземья: Тез. докл. науч.-техн. конф. Саранск: Рузаевский печатник. 1986. С. 18.
13. Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В. Исследование влияния природных наполнителей на кратность вспенивания утеплителей на основе пенополиуретана // В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в строительстве» (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства). Белгород, 2017. С. 185-190.
14. Воробьев В.А., Андрианов P.A. Полимерные теплоизоляционные материалы М.: Стройиздат, 1972. 320 с.
15. Берлин A.A., Шутов Ф.А. Химия и технология газонаполненных высокополимеров. М.: Наука, 1979. 390 с.
16. Friedli H.R. In Reaction Polymers. Hansen Munich. 1992. 68 p.
17. Lovering E.G., Laidler K.J. Thermochemi-cal studies of some alcohol - isocyanate reactions -Can. J. Chemical, 1962. pp. 30-31.
18. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А. Компьютерное моделирование технолого-эконо-мических задач. Белгород, 2009. 184 с.
Информация об авторах
Сулейманова Людмила Александровна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедры строительства и городского хозяйства. E-mail: ludmilasuleimanova@yandex.ru. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Кочерженко Андрей Владимирович, аспирант кафедры строительства и городского хозяйства. E-mail: Ksinon3@yandex.ru. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Рябчевский Игорь Сергеевич, магистрант кафедры строительства и городского хозяйства. E-mail: kloud09@mail.ru. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46.
Поступила в марте 2019 г.
© Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В., Рябчевский И.С., 2019
1 *Suleymanova L.A., 1Kocherzhenko A. V., 1Ryabchevskiy I.S.
1Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46 *E-mail: ludmilasuleimanova@yandex.ru
DEPENDENCE OF FOAMING COEFFICIENT ON THE AVERAGE HARMONIC DIAMETER OF POLYURETHANE FOAM
Abstract. Currently in Russia, great importance is attached to actual issues of energy saving and energy efficiency in construction. Valid regulations require addressing issues related to improving the energy efficiency of buildings. The development and manufacture of new types of effective thermal insulation materials
is one of the ways to solve assigned tasks. The use of industrial waste from mining and processing plants as a filler for polyurethane foam is considered in this paper. Samples from the filtration field of the tailings of Stoilensky GOKfrom various sites are taken as the studied raw materials; their granulometric, chemical compositions and harmonic diameters of the filler particles are determined. According to the calculation results, the dependence of the foaming coefficient on the average harmonic diameter of the filler is determined. The experiment-planning matrix is developed; according to its results, mathematical models are constructed for the dependence of the foaming coefficient of laboratory samples ofpolyurethane foam filled with tails. Three tail zones based on the results of sampling are considered. Analyzing the obtained results, a quantitative and qualitative assessment of the influence of each factor individually and their combination on the change in the "composition - properties " system is derived.
Keywords: polyurethane foam, filler, mathematical modeling, foaming coefficient, mining waste, harmonic diameter.
REFERENCES
1. Vorobiev V.A., Andrianov P.A. Polymer technology [Tekhnologiya polimerov]. M.: Higher School. 1980. 303 p. (rus)
2. Fukuhiro H., Genjiro H., Yoshio I. Hidro-philic polyurethane and application (II) (polyurethane - gypsum foam). Plastics Industry News. 1981. May. Pp. 71-74.
3. Gorlov Yu.P. Technology of thermal insulation materials and products [Tekhnologiya teploizol-yacionnyh materialov i izdelij]. Moscow: Higher School. 1989. 383 p. (rus)
4. Suleymanova L.A., Kocherzhenko A.V. Study of the influence of natural fillers on the multiplicity of foaming of insulators based on polyurethane foam [Teploizolyacionnyj kompozit na osnove mestnyh neorganicheskih napolnitelej]. V sbornike dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Naukoemkie tekhnologii i innovacii». Belgorod, 2017. Pp. 185-190. (rus)
5. Herrington R., Hock K. Flexible Polyurethane Foams - Dow Chemical Company 1997. 312 p.
6. Berlin A.A., Shutov F.A. Strengthened gas-filled plastics [Uprochnennye gazonapolnennye plastmassy]. M.: Chemistry. 1980. 224 p. (rus)
7. Vorobiev V.A. Technology of building materials and products based on plastics [Tekhnologiya stroitel'nyh materialov i izdelij na osnove plast-mass]. M.: Higher School, 1974. 472 p. (rus)
8. Hildebrant X. Polymer materials in construction [Polimernye materialy v stroitel'stve]. Trans. with Ger. M.: Build a building, 1969. 272 p.
9. Godilo P.V., Paturoev V.V., Romanenkov I.G. Unpressly foam in building structures [Be-spressovye penoplasty v stroitel'nyh konstrukciyah]. M.: Stroiizdat, 1969. 173 p. (rus)
10. Benning C.J. Plastics foams. Vol. 1 - Ney York, London, Sydney, Toronto. John Wiley a. Sons. 1969.620 p.
11. Shvetsov G.A., Alimova D.U., Baryshni-kova M.D. Plastics processing technology [Tekhnologiya pererabotki plasticheskih mass]. M.: Chemistry, 1988. 512 p. (rus)
12. Korneev A.D., Shulepov S.K. Polyisocya-nate-based foam polymer concrete structure formation [Strukturoobrazovanie penopolimerbetona na osnove poliizocianata]. Effektivnye stroitel'nye materialy dlya Nechernozem'ya: Tez. dokl. nauch.-tekhn. konf. Saransk: Ruzaevsky printer. 1986. p. 18. (rus)
13. Suleymanova L.A., Kocherzhenko A.V., Marushko M.V. Thermal insulation composite based on local inorganic fillers [Issledovanie vliyaniya pri-rodnyh napolnitelej na kratnost' vspenivaniya utep-litelej na osnove penopoliuretana]. V sbornike dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Nauka i innovacii v stroitel'stve» (k 45-letiyu kafedry stroitel'stva i gorodskogo hozyajstva). Belgorod. 2016. Pp. 185-189. (rus)
14. Vorobiev V.A., Andrianov P.A. Polymeric insulation materials [Polimernye teploizolyacionnye materialy]. M.: Build a building, 1972. 320 p. (rus)
15. Berlin A.A., Shutov F.A. Gas-filled high polymer chemistry and technology [Himiya i tekhnologiya gazonapolnennyh vysokopolimerov]. M.: Science. 1979. 390 p. (rus)
16. Friedli H.R. In Reaction Polymers - Hansen Munich. 1992. 68 p.
17. Lovering E.G., Laidler K.J. Thermochemi-cal studies of some alcohol - isocyanate reactions -Can. J. Chemical, 1962. Pp. 30-31.
18. Suleimanova L.A., Pogorelova I.A. Computer simulation of technological and economic problems [Komp'yuternoe modelirovanie tekhnologo-ehkonomicheskih zadach]. Belgorod, 2009. 184 p. (rus)
Information about the authors
Suleymanova, Lyudmila A. DSc, Professor. E-mail: ludmilasuleimanova@yandex.ru. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.
Kocherzhenko, Andrey V. Postgraduate student. E-mail: Ksinon3@yandex.ru. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.
Ryabchevskiy, Igor S. Master student. E-mail: kloud09@mail.ru. Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. Russia, 308012, Belgorod, st. Kostyukova, 46.
Received in March 2019 Для цитирования:
Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В., Рябчевский И.С. Зависимость коэффициента вспенивания от среднего гармонического диаметра пенополиуретана // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2019. №5. С. 28-35. DOI: 10.34031/article_5ce292c9837090.54164650
For citation:
Suleymanova L.A., Kocherzhenko A.V., Ryabchevskiy I.S. Dependence of foaming coefficient on the average harmonic diameter of polyurethane foam. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2019. No. 5. Pp. 2835. DOI: 10.34031/article 5ce292c9837090.54164650
