Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ АСБЕСТОВЫХ ВОЛОКОН В ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕРМОСТОЙКИХ КОМПОЗИТОВ

Черкашина Н.И. 1 Наумова Л.Н. 1 Павленко В.И. 1 Ястребинская А.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Авторами рассмотрена возможность получения новых термостойких композитов с использованием модифицированных волокон хризотил-асбеста. Установлен механизм интенсификации распушки параллельно  – волокнистых агрегатов хризотил-асбеста под действием жидкого стекла за счет хемосорбции кремнекислородных анионов на поверхности волокон хризотил-асбеста и диффузионных процессов, протекающих внутри расщепленных пучков между волокнами, что обуславливает возможность увеличения сорбции катионов кальция, образующихся при твердении портландцемента и увеличении адгезии продуктов гидратации к волокнам асбеста. Выявлен механизм модифицирования хризотил-асбеста, приводящий к улучшению эксплуатационных характеристик асбестоцементных изделий, который заключается во взаимодействии жидкого стекла с волокнами и выделении гидрогеля кремнезема, способствующего уплотнению асбестоцементного слоя при обезвоживании, повышению водоотделения, увеличению плотности и долговечности асбестоцементных изделий.
хризотил-асбест
модифицирование
жидкое стекло
термостойкие композиты
свойства
Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В., Ястребинская А.В. Нанонаполненные полимерные композиционные радиационно-защитные материалы авиационно-космического назначения // Современные проблемы науки и образования.  – 2012.  – № 6.  – С. 128.
Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2012.  – № 2.  – С. 25–27.
Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 2.  – С. 27–29.
Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Композиционный материал для радиационной защиты // Патент РФ №2470395, 20.12.2010.
Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология.  – 2005.  – Т. 48.  – № 4.  – С. 140.
Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана // Строительные материалы.  – 2005.  – № 9.  – С. 82–87.
Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В. Структурообразование и свойства легированных эпоксидных композитов // Строительные материалы.  – 2004.  – № 8.  – С. 48–49.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Полимерные радиационно-защитные композиты / Монография.  – Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009.  – 199 с.
Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский  Р.Н., Куприева О.В. Термопластичные конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты // Перспективные материалы.  – 2010.  – № 6.  – С. 22–28.
Павленко В.И., Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 3.  – С. 113–116.
Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки.  – 2010.  – № 2.  – С. 99–103.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская  А.В. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2009.  – № 3.  – С. 62–66.
Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский Р.Н. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит // Инженерно-физический журнал.  – 2004.  – Т. 77, № 1.  – С. 12–15.
Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский  Р.Н. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы.  – 2006.  – № 3.  – С. 22.
Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья // Известия высших учебных заведений. Строительство.  – 2007.  – № 4.  – С. 40–42.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Смоликов А.А., Дегтярев С.В., Воронов Д.В. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы.  – 2006.  – № 2.  – С. 47–50.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений // Строительные материалы.  – 2007.  – № 8.  – С. 48–49.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением // Инженерно-физический журнал.  – 2008.  – Т. 81.  – № 4.  – С. 661–665.
Павленко В.И., Смоликов А.А., Ястребинский Р.Н., Дегтярев С.В., Панкратьев Ю.В., Орлов Ю.В. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2004.  – № 8.  – С. 66.
Павленко В.И., Куприева О.В., Черкашина Н.И., Ястребинский Р.Н. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015.  – Т. 58, № 5.  – С. 125–129.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Куприева О.В., Самойлова Ю.М. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области.  – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015.  – С. 320–330.
Соколенко И.В., Ястребинский Р.Н., Крайний А.А., Матюхин П.В., Тарасов Д.Г. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2013.  – № 6.  – С. 145–148.
Ястребинская А.В., Огрель Л.Ю. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики // Современные наукоемкие технологии.  – 2004.  – № 2.  – С. 173.
Ястребинская А.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства // Перспективы развития строительного комплекса.  – 2012.  – Т. 1.  – С. 243–247.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Ястребинская  А.В., Матюхин П.В. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2012.  – № 2.  – С. 121–123.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В., Павленко З.В., Самойлова Ю.М. Конструкционные радиационно-защитные композиционные материалы на основе модифицированных железорудных пород КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области.  – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. –С. 491–499.
Ястребинская А.В., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2009.  – № 3.  – С. 74–77.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Четвериков Н.А. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 3.  – С. 17–20.
Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004.  – 19 с.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Ястребинская А.В., Черкашина Н.И. Модифицированные железооксидные системы  – эффективные сорбенты радионуклидов // Перспективные материалы.  – 2013.  – № 5.  – С. 39–43.
Ястребинский Р.Н., Бондаренко Г.Г., Павленко В.И. Транспортный упаковочный комплект для радиоактивных отходов на основе радиационно-защитной полимерной матрицы / Перспективные материалы.  – 2015.  – № 6.  – С. 25–31.
Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Kuprieva O.V., Epifanovskii I.S. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection // Inorganic Materials: Applied Research.  – 2011.  – Т. 2, № 2.  – Р. 136–141.
Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Lipkanskii V.M. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste // Russian Physics Journal.  – 2003.  – Т. 46, № 10.  – Р. 1062–1065.
Pavlenko V.I., Yastrebinskij R.N., Degtyarev S.V. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites // Электромагнитные волны и электронные системы.  – 2005.  – Т. 10, № 1–2.  – Р. 46–51.

В настоящее время одной из важных проблем является индустриализация наиболее сложной области строительства  – футеровки тепловых агрегатов. В основном здесь используется мелкоштучная кирпичная огнеупорная кладка, трудоемкая в изготовлении и эксплуатации. Одним из путей решения данной проблемы является разработка технологии приготовления и применения жаростойких бетонов, и совершенствование составов керамических огнеупорных материалов. В отличие от штучных огнеупоров жаростойкие бетоны являются безобжиговыми материалами, их огневая обработка осуществляется в тепловом агрегате в процессе его пуска. Жаростойкие бетоны как эффективный футеровочный материал можно использовать в виде крупных блоков, что сокращает количество швов, а также в монолитном варианте [1-15].

Основными компонентами для производства жаростойких бетонов являются портландцемент, гидравлический портландцемент, шлакопортландцемент, глиноземистый и высокоглиноземистый цемент, натриевое жидкое стекло, ортофосфорная кислота. В качестве тонкомолотых добавок и заполнителей  – могут быть использованы шамотные, муллитокорундовые, корундовые, керамзитовые материалы, а также волокна асбеста (содержание SiO2 не менее 38 %) и обожженные отходы обогащения асбеста [16-22].

В современных условиях особое значение приобретает дальнейшее повышение качества композиционных асбестоцементных материалов и изделий, в частности, кровельных асбестоцементных листов, совершенствование технологии их производства, увеличение производительности труда и улучшение их экологической безопасности. Это достигается за счет модифицирования сырьевых компонентов (цемента, асбеста) с помощью добавок, изменения их структуры и свойств. Многолетний опыт производства и применения асбестосодержащих материалов позволяют сделать вывод о том, что в настоящее и ближайшее время в России не существует экономических и технических альтернатив для отказа от использования хризотилового асбеста. С одной стороны, Российская Федерация обладает крупнейшей в мире сырьевой базой хризотил-асбеста и продолжает оставаться ведущей асбестодобывающей страной. С другой, наличие у асбеста комплекса уникальных свойств позволяет использовать его в производстве более трех тысяч видов изделий. Предлагаемые взамен асбеста другие волокна не обеспечивают требуемые свойства большинству изделий. Поэтому вопросы повышения эффективности производства асбестсодержащих материалов и изделий за счет модифицирования волокон хризотил-асбеста и обеспечения экологической безопасности использования композиционных асбестсодержащих материалов является актуальным [23-34].

На основании вышеизложенного представляет интерес возможности получения новых жаростойких бетонов с использованием модифицированных волокон хризотил-асбеста.

Цель исследования

Установить механизмы модифицирования хризотил-асбеста силикатными материалами, с целью улучшения эксплуатационных характеристик термостойких асбестоцементных изделий.

Материалы и методы исследования

Технологические и химические свойства хризотил-асбеста оценивали по знаку и величине электрокинетического потенциала асбестовых волокон и их активности по способности поглощать CaO, щелочестойкость  – по потерям массы в результате растворения волокон в 25 % растворе КОН (после четырехчасового кипячения), кислотостойкость хризотил-асбеста определяли по растворению (четырехчасовому кипячению) составляющих хризотил-асбеста в насыщенном растворе HCl (d = 1,19 г/см3), предел прочности при изгибе осуществляли на образцах-балочках размером 10х10х30 мм. Теплостойкость образцов оценивали на основании средне арифметического значения предела прочности при изгибе испытуемых образцов, помещенных в муфельную печь при температуре 600 °С и выдержке в течение 15 мин, к пределу прочности контрольных образцов. Испытания на атмосферостойкость проводили в естественных условиях в течение 28 сут.

В качестве модификатора использовали натриевое жидкое стекло с модулем 3,5 и плотностью 1,36 г/см3 и разные способы их введения.

Результаты исследования и их обсуждение

Одной из важнейших операций в производстве композиционных хризотилцементных изделий, определяющих производительность технологических линий и качество выпускаемых изделий, является распушка хризотила.

 Таблица 1

Степень распушки хризотила

Наименование

объекта

исследования

Влажность, масс. %

Степень распушки хризотила, %

Хризотил

контрольный

64,8–67,6

75,8–76,3

Хризотил

модифицированный

66,4–70,6

94,7–98,0

Хризотиловая

шихта контрольная

63,5–68,0

73,4–76,6

Хризотиловая

шихта

модифицированная

68,0–70,2

91,0–95,0

 Введение добавки натриевого жидкого стекла в количестве 0,1-0,5 мл/10 г хризотила осуществляли на стадии распушки хризотила марки А-5-65  – 100 % и хризотиловой шихты состава А-4-30 (15 масс. %), А-5-65 (55 масс. %), А-6-45  – (30 масс. %) Баженовского месторождения. Свойства хризотила и хризотиловой шихты представлены в табл. 1.

Таблица 2

Предел прочности при изгибе хризотилцемента

Способ введения добавки

Объект исследования

Предел прочности при изгибе, МПа

При распушке хризотила в гидропушителе

Метод полусухого прессования

Товарный (К1)

Модифицированный (Э1)

13,0

18,5

Метод фильтрации

Товарный (К2)

Модифицированный (Э2)

10,4

12,1

При водонасыщении в увлажнителе

Модифицированный (Э3)

Модифицированный (Э4)

Модифицированный (Э5)

13,0

15,7

16,8

Введение жидкого стекла способствует увеличению степени распушки хризотила и хризотиловой шихты на 18-22 %, что важно для получения изделий с требуемыми свойствами.

Технологические испытания хризотилцементной суспензии и хризотилцемента на модифицированном хризотиле показали, что унос цемента при фильтрации хризотилцементной суспензии в ваннах сетчатых цилиндров уменьшился на 0,6036 г/л, что объясняется увеличением степени распушки хризотила, а значит, большей поверхностью сцепления волокон хризотила с частицами цемента, что способствует увеличению плотности хризотилцемента на 200 кг/м3, уменьшению, соответственно, водопоглощения на 0,6 масс. % и пористости на 5,2 об. %.

Основные свойства хризотилцементных изделий изучали на образцах, изготовленных на хризотиле, модифицированном жидким стеклом (индекс образцов  – Э1, Э2). Также изучали свойства образцов, твердеющих в растворе жидкого стекла с различной концентрацией: 0,5; 1,0 и 1,5 масс. % от общего объема воды (Э3, Э4, Э5, табл. 2).

Экспериментально показано, что при введении добавки жидкого стекла прочность хризотилцементных образцов, испытанных в 7  – суточном возрасте, возросла по сравнению с хризотилцементными образцами на товарном хризотиле в среднем в 1,3 раза. Возрастание прочности при изгибе хризотилцементных образцов на модифицированном хризотиле объясняется лучшими адгезионными свойствами распушенных волокон хризотила, способствующих прочному сцеплению с цементным камнем.

Анализ результатов испытаний на тепло- и морозостойкость позволил установить, что потеря прочности при изгибе для хризотилцементных образцов, изготовленных на товарном и модифицированном хризотиле составила, соответственно, 9,6 и 7,6 % и 7,4 и 5,7 %. Таким образом, потеря прочности не превысила 10 %, что соответствует требованиям физико-механических испытаний. В ходе определения атмосферостойкости наблюдалось не снижение прочности хризотилцементных изделий, а наоборот, ее нарастание, которое составило 32,6 и 33,8 %, соответственно, для хризотилцементных изделий на товарном и модифицированном хризотиле. При этом трещинообразования и видимого расслоения не наблюдалось. Рост прочности объясняется тем, что в течение 28 суток твердения увеличивается степень гидратации цемента. Повышение прочности хризотилцементных изделий связано не только с увеличением удельной поверхности распушенного хризотилового асбеста, но и качественным изменением состава его поверхности за счет хемосорбции кремнекислородных анионов и катионов кальция, а также диффузионных процессов, протекающих в межфибриллярном пространстве пучков волокон. Модифицирование поверхности волокна хризотил-асбеста позволяет говорить и об уменьшении его канцерогенных свойств.

Заключение

Таким образом, авторами выявлен механизм модифицирования хризотил-асбеста, приводящий к улучшению эксплуатационных характеристик асбестоцементных изделий, который заключается во взаимодействии жидкого стекла с волокнами и выделении гидрогеля кремнезема, способствующего уплотнению асбестоцементного слоя при обезвоживании, повышению водоотделения, увеличению плотности и долговечности асбестоцементных изделий. Имеющийся научный задел позволяет высказать предположение о возможности использования модифицированных волокон хризотил-асбеста в получении термостойких композитов с усовершенствованными характеристиками и расширенным спектром области применения.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект № 14-41-08067.


Библиографическая ссылка

Черкашина Н.И., Наумова Л.Н., Павленко В.И., Ястребинская А.В. О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ АСБЕСТОВЫХ ВОЛОКОН В ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕРМОСТОЙКИХ КОМПОЗИТОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-6. – С. 995-998;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8069 (дата обращения: 05.10.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074