Базальтопластики – полимерные композиционные материалы ХХI века

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Строительство. Архитектура


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 678. 046. 3
С. Е. Артеменко, Ю. А. Кадыкова, О.Г. Васильева
БАЗАЛЬТОПЛАСТИКИ — ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ ХХ! ВЕКА
Отражены механические и физико-химические характеристики разработанных по интеркаляционной технологии базальтопластиков и перспективность организации их производства в Саратовской области.
C.E. Artemenko, Y.A. Kadikova, O.G. Vasilieva
BASALT PLASTICS — POLYMER COMPOSITIONAL MATERIALS OF THE ХХI SENTURY
The work presents mechanical and physical-chemical characteristics of basalt plastics developed by intercalation technology and perspective of their production in Saratov region.
Базальтопластики (БП) обладают уникальными характеристиками, сочетая в себе высокую прочность, термо- и хемостойкость, экологическую чистоту, долговечность и пожаробезопасность.
Применяют их в качестве строительных (в том числе звуко- и теплоизоляционных) материалов, арматуры и конструкций, ответственных изделий в машино- и авиастроении, кровельных рулонированных материалов, магистральных трубопроводов и др.
В качестве армирующей основы в БП служат базальтовые нити (БН), ровинги, ткани, холсты, маты, а связующей матрицей — органические и неорганические полимеры.
Температурный интервал применения базальтовых волокон (БВ) составляет от -270 до +900оС, а близких им по химическому составу стеклянных волокон — от -60 до +450оС. Гигроскопичность Б В менее 1%, стеклянных — до 10−20%, по кислото-, щелоче- и пароустой-чивости БВ также превосходят стеклянные.
По своему химическому составу БН — это многокомпонентная система, содержащая (в % по массе): SiOi — 48−52, AI2O3 — 12−16,5, ТЮ2 — 2,5−3,0, FeiO3- 4,0−7,5, FeO — 7,5−10, MnO — 0,2−0,3, CaO — 8,0−12,0, MgO — 4,0−7,0, K2O — 0,3−0,6, NaiO — 2,4−2,6, SO3~0,2, P2O5 -0,3−0,5, различных примесей — 1,0−2,6.
Базальтовые нити характеризуются развитой активной поверхностью и являются эффективными сорбентами. Они обладают специфической гетероструктурой: пористостью с размером
о
пор d=7,8A, которые при нагреве расширяются, содержанием реакционноспособных окислов металлов более 36%, кристалличностью, шероховатой (кластерной) поверхностью.
Кафедрой химической технологии СГТУ разработана интеркаляционная технология ба-зальтопластиков, которая базируется на пропитке БН не готовой смолой, как предусматривает традиционный способ формирования полимерного композиционного материала, а исходными мономерами. Использовали отечественные, выпускаемые в крупном масштабе мономеры — фенол и формальдегид в соотношении 1: 1,4, и 2% №ОН в качестве катализатора [1−6].
Схема включает 4 стадии: пропитка БН смесью мономеров, синтез фенолформальде-гидного олигомера при 90оС в течение 30 мин., сушка пресс-материала для удаления летучих и формование прямым способом изделий различного функционального назначения.
Благодаря высокой сорбционной способности и активности к химико-физическому взаимодействию с полимерным связующим формируется структура, придающая базальтопластикам значительно более высокие характеристики по сравнению с традиционными стеклопластиками (рис. 1).
Нами разработаны различные методы модификации БП, которые еще в большей степени усиливают взаимодействие базальтовой нити с полимерным связующим. Так, введение в смесь мономеров активной низкомолекулярной добавки — 2%-го лапрола обеспечивает повышение прочности БП при изгибе (31 на 20%, удельной ударной вязкости на 25% и снижение водопоглощения при 2-часовом кипячении на 35%. При этом повышается и термостойкость материала — потеря массы при воздействии 800 °C составляет всего 19%, в то время как термостойкость эпоксидного стеклопластика не превышает 3000С.
Весьма эффективно применение гибридной волокнистой системы для армирования БП. Например, при сочетании углеродных с 40% базальтовых нитей прочность при изгибе гибридного материала несколько снижается (с 840 до 700 МПа), зато стоимость материала уменьшается в несколько раз.
В повышении термостойкости разработанного БП важную роль играет не только высокая термостойкость базальтовой нити, но и углеродообразующая фенолформальдегидная матрица. Именно фенолформальдегидная смола, в отличие от эпоксидной, относится к такому классу смол, которые при температуре ~8000С превращаются в коксовую прослойку между нитями, обеспечивая тем самым «запас прочности» базальтопластикам.
2030
1650
— Базальтопластики
— Стеклопластики
700−740
420
26−30
45
206
15
15
355
0,21
0,38
Плотность, Оизг., МПа Ссд., МПа Модуль упругости Твердость № при 2-часовом
кг/м при изгибе, ГПа по Бринеллю, кипении, %
МПа
Рис. 1. Сравнительные характеристики разработанного базальтопластика с традиционными стеклопластиками
В настоящее время базальтопластики находятся на начальной стадии развития, т.к. еще недостаточно сформированы мощности производств нити, ровинга и тканей, и не сложилась научно-техническая база БП. Доминирующее положение в нашей стране занимает выпуск базальтоволокнистой теплоизоляции — объем 100 тыс. м3 в год, производство которой стремительно развивается [7]. География размещения производств базальтовой ваты ориентирована на приближение их к источникам сырья — габбро-базальтовым магматическим горным породам (рис. 2), месторождения которых в России неограниченны. Наиболее разведанные запасы этих пород сосредоточены на севере европейской части России, на Урале, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Саратовская область богата доломитом — проектная мощность двух Иргизских и Ершовского карьеров составляет более 2 млн. м3 в год. Доломит относится к местным материалам, крупные карьеры которого находятся во всех областях Поволжья, в том числе в Тверской, Самарской, Саратовской, Волгоградской и других областях. Его добавляют в качестве компонента в количестве 10−20% в базальтовую шихту.
Рис. 2. Массивы магматических горных пород — базальтов
Базальтовая вата характеризуется высоким коэффициентом звукопоглощения —
0,9−0,99, низкой теплопроводностью — А=0,02−0,045 Вт/м-К, пожаробезопасностью, неток-сичностью, широко применяется для энергосбережения в различных отраслях промышленности, строительстве, транспортных системах, теплотрассах и др.
Современное производство базальтовой ваты (например, в г. Волгограде фирмы «Термостепс») компактно, практически полностью автоматизировано, экономически эффективно.
Важное значение имеет организация производства базальтовых волокон и на их основе базальтопластиков, учитывая острую необходимость наращивания производственного потенциала в Саратовской области.
Для условий области, где имеются сырьевые и энергоресурсы, производственная база, квалифицированные рабочие и инженерные кадры, организация выпуска базальтовой ваты, нитей и базальтопластиков является в высшей степени прогрессивной и экономически выгодной, особенно с учетом будущего эффекта от применения базальтовой продукции. Создание производств и использование базальтовых волокон и базальтопластиков превращается в одно из важнейших направлений технического прогресса.
Развитие производств базальтовых волокон и на их основе базальтопластиков обусловлено сочетанием следующих определяющих факторов:
— высокий комплекс механических свойств, термостойкость, био- и хемостойкость, биоинертность, негорючесть и другие эксплуатационные характеристики обеспечивают им приоритет по сравнению со стеклянными и химическими волокнами, выпуск которых в России ограничен-
— базальтовые нити, благодаря высокой активности к взаимодействию с полимерным связующим, обеспечивают формирование структуры и свойств базальтопластиков широкого функционального назначения-
— наличие в разных регионах России неограниченных запасов сырья создает возможность выпуска и прогресса самой разнообразной конкурентоспособной продукции строительного и технического назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Полимерные композиционные материалы на основе волокон различной химиче-
ской природы / Ю. А. Кадыкова, А. Н. Леонтьев, О. Г. Васильева, С. Е. Артеменко // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. № 6.
С. 10−11.
2. Сравнительные характеристики базальто-, стекло- и углепластиков, сформованных методом поликонденсационного наполнения / Ю. А. Кадыкова, О. Г. Васильева, С.Е. Арте-менко, А. Н. Леонтьев // Пластические массы. 2003. № 5. С. 37−38.
3. Артеменко С. Е. Базальтопластики. Структура и свойства / С. Е. Артеменко, О. Г. Васильева, Ю. А. Кадыкова, Ю. А. Соколова // Современные материалы и технологии в строительстве: материалы юбилейного 25-го Междунар. сб. науч. тр. Новосибирск, 2003. С. 161−164.
4. Структура и свойства базальто-, стекло- и углепластиков, сформированных по интеркаляционной технологии / С. Е. Артеменко, О. Г. Васильева, Ю. А. Кадыкова, А. Н. Леонтьев // Полимеры-2004: III Всерос. Каргинская конф. М., 2004. Т. 2. С. 162.
5. Кадыкова Ю. А. Физико-химические основы интеркаляционной технологии ба-зальто-, стекло- и углепластиков: дис. … канд. техн. наук / Ю. А. Кадыкова. Саратов, 2003. 127 с.
6. Леонтьев А. Н. Физико-химические закономерности интеркаляционной технологии базальто- и стеклопластиков: дис. канд. техн. наук / А. Н. Леонтьев. Саратов, 2004. 131 с.
7. Габбро-базальтовое сырье для производства минерального волокна // Промышленность строительных материалов: аналитический обзор. Москва — Пермь, 2003. 95 с.
Артеменко Серафима Ефимовна —
доктор химических наук, профессор кафедры «Химическая технология»
Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета
Кадыкова Юлия Александровна —
кандидат технических наук, ассистент кафедры «Химическая технология»
Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета
Васильева Ольга Германовна —
кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные материалы»
Московского института архитектуры и строительства

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой