Содержание к диссертации
Стр.
Введение 6
1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1 Состояние проблемы —
1.2. Коллоидно-химические представления о механизме действия 15 пластифицирующих добавок
1.2.1 Реологические свойства дисперсных систем с комплекс- —
ными добавками
1.2.2. Влияние пластификаторов на агрегативную устойчивость 19 дисперсных систем
Адсорбция пластифицирующих добавок на границе раз- 24 дела фаз
Влияние пластифицирующих добавок на электрокинетиче- 28 ские свойства частиц минеральных суспензий
1.3 Общие представления о механизме действия пластифици- 30
рующих добавок и перспективы получения новых пластификаторов
1.4. Технологические аспекты применения добавок в строитель- 33
ных материалах
Выводы 36
2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ И ME- 40
ТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Применяемые материалы —
Получение флороглюцинфурфурольного олигомера СБ-ФФ 42
Приборы, оборудование и методы исследований 43
3. КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТЫХ СУС- 49
ПЕНЗИЙ
3.1. Влияние отдельных компонентов и комплексных добавок на — реологические свойства глин разного состава
Влияние отдельных компонентов и комплексных добавок на 62 агрегативную устойчивость глинистых суспензий
Адсорбция добавок на глинистых материалах 67
Влияние отдельных компонентов и комплексных добавок на 74 электрокинетический потенциал глинистых частиц
Обсуждение механизма действия комплексных 80 добавок с СБ-ФФ
Выводы 91
4. КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ 93
ШЛИКЕРОВ
Влияние комплексных добавок на реологические свойства ке- — рамического шликера
Влияние отдельных компонентов и комплексных добавок на 96 агрегативную устойчивость керамических шликеров
Адсорбция суперпластификаторов на границе 98 твердое тело-раствор
Влияние отдельных компонентов и комплексных добавок на 100 электрокинетический потенциал частиц
Выводы 101
ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ ДОБАВОК НА ФИЗИКО- 103 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШЛИКЕРА И ГОТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 109 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ИЗ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115 ПРИЛОЖЕНИЯ 133
Условные обозначения
См - концентрация добавки по сухому веществу, % от массы дисперсной фазы;
Cv - объемная концентрация, %; С- массовая концентрация, моль/л (%); М- молекулярная масса, г; т- напряжение сдвига, Па;
то- предельное динамическое напряжение сдвига, Па; т)пл- пластическая вязкость, мПа-с; у - скорость деформации, с'1; г- радиус частицы, мкм; i^-электрокинетический потенциал, мВ; х- удельная электрическая проводимость, Om''-м'1; I- сила тока, А;
є- диэлектрическая проницаемость, Ф/м; R-универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж-К'^моль"1; NA- число Авагадро, 6,02-1023; Г- адсорбция, моль/м ;
Рдиф- дифференциальная функция распределения частиц по радиусам; 5- толщина адсорбционного слоя, нм; Ue- энергия электростатического отталкивания, Дж/м ; Us- энергия структурного взаимодействия, Дж/м ; UM- энергия молекулярного притяжения, Дж/м ; h- расстояние между частицами, нм; Х- обратная толщина диффузного слоя, м"1 Т- температура, К; t- время, с; р- плотность, кг/м3;
Буд- удельная поверхность, м / кг (м /г);
So- площадь, приходящаяся на одну молекулу в адсорбционном слое, нм В/Т- водотвёрдое отношение; G - общая электрическая проводимость раствора, mS; к - константа, характеризующая изменение эффективной вязкости;
n - константа, характеризующая степень тиксотропности системы;
Р- разрушающее усилие, кН;
Ясж- предел прочности на сжатие, МПа;
V - скорость набора керамической массы, г/см-мин;
П - пористость керамических образцов, %;
К3 - коэффициент загустевания керамического шликера;
Вп - водопоглощение, %;
L - усадка образцов, мм (%);
Со - себестоимость единицы продукции до внедрения, руб.;
Сі - себестоимость единицы продукции после внедрения, руб.;
Угод - годовой объем продукции, т (шт);
ЭГОд - годовой экономический эффект, тыс. руб.
Введение к работе
Актуальность
Регулирование агрегативнои устойчивости, процессов структурообразо-вания и течения водных минеральных суспензий относится к числу наиболее актуальных проблем коллоидной химии. В керамическом производстве для регулирования агрегативнои устойчивости и подвижности керамических шликеров широко применяют разжижающие химические добавки, как правило, органические или неорганические электролиты, обладающие поверхностной активностью на границе твердое тело-раствор, позволяющие целенаправленно изменять электроповерхностные и реологические свойства глинистых суспензий. В настоящее время разработано достаточно много пластифицирующих добавок на основе, как чистых веществ, так и отходов производства, однако потребность в них еще далеко не удовлетворена. Это связано с дефицитом исходного сырья, высокой стоимостью или недостаточной эффективностью ряда добавок, экологическими и другими проблемами.
Анализ литературных данных показывает, что использование индивидуальных пластифицирующих добавок в глинистых суспензиях, керамических шликерах и т.п., как правило, малоэффективно. Это связано с тем, что такие суспензии являются сложной многокомпонентной системой. Более эффективно применение комплексных добавок, однако выбор их достаточно ограничен, а механизм действия мало изучен.
Разработка новых эффективных комплексных добавок, способных модифицировать поверхность раздела фаз и изменять реологические свойства дисперсий, а также изучение механизма их действия в водных полиминеральных системах представляет большой научный и практический интерес.
Цель работы:
Разработка эффективной комплексной разжижающей добавки на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров (СБ-ФФ), позволяющей регулировать электроповерхностные и реологические свойства, агрегативную устойчивость глинистых суспензий и керамических шликеров.
В соответствии с этой целью для ее реализации были определены следующие задачи:
S установить зависимость между составом комплексной добавки и ее
эффективностью как разжижающей добавки; S исследовать влияние индивидуальных и комплексных добавок, содержащих олигомер СБ-ФФ, на формирование адсорбционного слоя, изменение электрокинетических свойств, а также на процессы течения и агрегативную устойчивость глинистых суспензий и керамических шликеров, изучить возможные явления синергизма и антагонизма и предложить схему действия комплексных добавок; S исследовать влияние комплексных добавок на физико-механические свойства шликеров и готовых изделий, оценить технико-экономическую эффективность применения комплексных добавок в керамическом производстве.
Научная новизна:
Установлены закономерности изменения коллоидно-химических свойств глинистых суспензий с комплексными добавками на основе флороглюцинфурфурольных олигомеров (СБ-ФФ), жидкого стекла и соды, найдены оптимальные соотношения компонентов в комплексных добавках для глин различного химического и минералогического состава. Установлено, что с уменьшением доли полуторных оксидов (AI2O3 и РегОз) в составе глин требуется меньшее содержание неорганической части в комплексной добавке, что связано с относительным уменьшением катионактивных центров адсорбции и содержания катионов в дисперсионной среде. Оптимальное содержа-
ниє органической части (СБ-ФФ) в глинистых суспензиях определяется в основном удельной поверхностью глин и мало зависит от химического и минералогического состава глин.
Показано, что сода и жидкое стекло, входящие в состав комплексной добавки активируют действие СБ-ФФ как разжижителя, предотвращая выпадение СБ-ФФ в осадок при взаимодействии с многовалентными катионами.
Получены новые данные об адсорбции флороглюцинфурфурольных олигомеров, в составе комплексных добавок, на глинистых минералах. Установлено, что адсорбция носит мономолекулярный характер. Емкость монослоя СБ-ФФ снижается по мере повышения в комплексной добавке доли неорганических компонентов, занимающих часть адсорбционных центров поверхности.
Установлено, что увеличение числа оксигрупп в ароматических кольцах олигомеров приводит к увеличению пластифицирующей активности добавки в глинистых суспензиях и керамических шликерах.
Доказано, что в результате адсорбции компонентов комплексной добавки на поверхности частиц наблюдается значительное увеличение одноименного заряда. При этом силы отталкивания начинают преобладать над молекулярными силами притяжения, что обусловлено совместным действием электростатического и адсорбционно-сольватного факторов агрегативной устойчивости. Характер течения суспензии меняется с тиксотропного на ньютоновский, а пластическая вязкость достигает своего минимального значения.
Найдены закономерности регулирования физико-механических свойств керамического материала с комплексными добавками на основе флороглю-цинфурфурольного олигомера СБ-ФФ, заключающиеся в значительном улучшении физико-механических свойств готовых изделий при условии получения предельно агрегативно устойчивых шликеров.
Практическое значение работы
Разработаны эффективные комплексные разжижающие добавки на основе соды, жидкого стекла и СБ-ФФ, позволяющие регулировать электроповерхностные, реологические свойства и агрегативную устойчивость глинистых суспензий и керамических шликеров.
Полученные закономерности действия комплексных добавок в зависимости от химического и минералогического состава глин дают возможность разработки комплексных добавок для глин различного генезиса.
Проведенные исследования показывают возможность замены дорогостоящей модифицированной английской глины Santon-L, входящей в состав многих шликеров, на глину каолинит-гидрослюдистого состава, модифицированную комплексной добавкой на основе СБ-ФФ. Это позволяет снизить водопоглощение готовых изделий на 10-15%, повысить прочность при сжатии на 10-13%, а на изгиб — 9-12%. Годовой экономический эффект только от изменения состава шликера составит 232,6 тыс. руб. на 1000т продукции в ценах 2007 г.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на конференциях: Международная научно-практическая конференция "Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии" (Белгород 2005г.); III Международная научно-практическая конференция "Проблемы экологии: наука, промышленность, образование" (Белгород 2006г.); Всероссийская научно-практическая конференция "Строительное материаловедение - теория и практика" (Москва 2006г.); Международная научно-практическая конференция "Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии" (Белгород 2007г.)
Публикации по теме диссертации Основные результаты работы изложены в 5 публикациях, в том числе 1 статья в центральном рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура диссертации Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 133 страницах основного машинописного текста, содержит 35 рисунков и 16 таблиц, список используемой литературы 180 наименований.
