Содержание к диссертации
Введение 7 Глава 1. Коллоидно-химические свойства электропроводящих
дисперсных систем 12
Электропроводная фаза 22 1.3 Коллоидно-химические свойства углеродных материалов 23
Строение и структура углеродных материалов 23
Поверхностные свойства углеродных материалов 27 1.4. Физико-химические основы получения электропроводящих
Электропроводность углеродных материалов 34 1.5 Закономерности структурообразования в дисперсных системах на
основе различных форм углерода и минеральных вяжущих 36
Электрокинетические свойства цементных систем 42
Определение физико-механических характеристик электропроводящих композиционных материалов 68 Глава 3. Реологические свойства дисперсий на основе цементных
паст и углеродных материалов 70
Выводы 84 Глава 4. Электрокинетические свойства электропроводящих
дисперсных систем 86
Выводы 93 Глава 5. Электрические и физико-механические свойства электропроводящих композиционных материалов 95
Выводы 109
Глава 6. Технологический регламент на производство низкотемпературных нагревательных элементов на основе цемента и различных
форм углерода 111
Технологическая схема производства 114
Аппаратурная схема производства 115
Изложение технологического процесса 117
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:
Ф — массовая доля дисперсной фазы; фу — объемная доля дисперсной фазы; г\ - вязкость дисперсионной среды, Па-с; Г|11Л — пластическая вязкость, Па-с; т - напряжение сдвига, Па;
т0 — предельное динамическое напряжение сдвига, Па; у— градиент скорости деформации, с-1; /— сила тока, А; и - напряжение, В;
С, — электрокинетический потенциал частиц, мВ;
с — относительная диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды, Ф/м;
со = 8,854-10"12 Ф/м;
V— объемная скорость движения дисперсионной среды, м /с;
и — общая энергия взаимодействия частиц, Дж/м ;
Иэ - энергия электростатического отталкивания частиц, Дж/м2;
Им - энергия молекулярного притяжения частиц, Дж/м ;
величина, обратная толщине диффузного слоя, м"1; фб — потенциал диффузного слоя, принимаемый равным ^-потенциалу; г — радиус частиц, м; А* — константа Гамакера, Дж; к - расстояние между частицами, м; % — удельная электропроводность, Ом_1-м-1; %о— собственная электропроводность, Ом~1-м_1; XI — примесная электропроводность Ом_|,м_1; АЕ — энергия активации собственной проводимости, кДж/моль; АЕ\ - энергия активации примесной проводимости, кДж/моль; к — константа Больцмана, 1,38*10 Дж/К;
Т— абсолютная температура, К;
р — истинная плотность, кг/м3;
В/Ц - водоцементное отношение;
В/К — водокомпозиционное отношение;
Р — разрушающее усилие, кН;
Ясж - предел прочности на сжатие, МПа;
Введение к работе
Актуальность работы. Создание и развитие технологии дисперсных композиционных материалов и изделий с заданными функциональными свойствами является одной из актуальных задач материаловедения и основывается на принципах физико-химической механики и теории поверхностных явлений дисперсных систем. Большой интерес представляют электропроводящие композиционные дисперсные системы и материалы на основе силикатных связующих и углеродных электропроводящих наполнителей, так как они обладают набором характеристик (электропроводность, теплопроводность, механическая прочность), обусловливающих их применение в различных областях промышленности. На основе портландцемента и различных форм углерода возможно создание электропроводящих композиционных материалов для эффективных энергосберегающих нагревательных систем.
.Электропроводящие композиционные материалы являются сложными многокомпонентными дисперсными системами. Основной проблемой в технологии данных систем является регулирование структурообразования в формовочных смесях и обеспечение равномерного распределения электропроводной фазы по объему для получения композитов со стабильными электрофизическими характеристиками. Решение указанной задачи позволяет управлять физико-химическими процессами взаимодействия между частицами, в частности, с помощью адсорбирующихся на их поверхности добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров.
Диссертационная работа выполнялась в рамках инновационного проекта «Разработка технологии производства электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных элементов» по государственному контракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на 2010-2012 гг.
Цель работы: разработка способов регулирования реологических и электрических свойств дисперсий на основе цементных паст и углеродных материалов для получения на их основе электропроводящих композиционных материалов и создания энергосберегающих низкотемпературных нагревательных систем.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
изучение и анализ особенностей структурообразования в дисперсных системах цемент - углеродный наполнитель;
исследование процессов агрегации частиц вяжущего и электропроводного наполнителя с учетом их поверхностных свойств;
разработка составов электропроводящих композиционных материалов на основе цемента и углеродных материалов для получения стабильных в эксплуатации нагревательных систем;
определение физико-механических и электрических свойств полученных материалов;
разработка технологии получения низкотемпературных композиционных электронагревательных элементов (опытно-промышленный регламент);
оценка экономической эффективности использования полученных электропроводящих композиционных материалов в качестве нагревательных элементов в системах электрического отопления.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы современные методы исследований: реометрия, электрокинетические методы (электроосмос), кондуктометрия, растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, математическое моделирование.
Достоверность работы. Достоверность результатов работы обеспечена использованием стандартных методов исследований, математической обработкой результатов с использованием статистических методов, разработкой и апробацией технологического регламента производства электропроводящих композиционных материалов.
Научная новизна работы.
Выявлены закономерности структурообразования дисперсных систем на основе углеродных материалов (графит) и цементных паст, заключающиеся в том, что при массовой доле графита 0,15-0,2 происходит агрегация частиц углерода, увеличивается предельное динамическое напряжение сдвига, пластическая вязкость суспензий, изменяется электроосмотический перенос жидкости и электрическая проводимость цементного камня, полученного на основе дисперсий.
Установлено, что в дисперсиях цемент - графит с добавками эфиров поликарбоксилатов происходит снижение пластической вязкости с 0,6 до 0,01 Па-с и предельного динамического напряжения сдвига с 6 до 0,12-0,68 Па, что позволяет снизить количество воды в формовочной смеси на 25—30 % и получить электропроводящий композиционный материал с повышенными плотностью, прочностью, стабильными электрическими характеристиками при длительной эксплуатации.
Установлены закономерности изменения скорости электроосмотического потока в электролитах хлорида калия для систем цементная паста - графит, оксид алюминия — графит, песок - графит в зависимости от содержания дисперсной фазы, проводящей электрический ток, обусловленные изменениями величины и знака электрокинетического потенциала. Увеличение массовой доли графита до 0,15 в исследованных модельных системах при отрицательных зарядах поверхности приводит к перезарядке композиционной мембраны и изменению направления электроосмотического переноса жидкости.
Исследованы температурные зависимости электропроводности систем цементный камень - графит от массовой доли графита и полимерных добавок - карбоксиметилцеллюлозы и поливинилового спирта. Установлено, что снижение энергии активации проводимости с 16,35 до 6,37 кДж/моль в цементном камне без добавок полимеров при увеличении массовой доли графита от 0,2 до 0,4 обусловлено увеличением числа контактов между частицами токопроводящей фазы и образованием цепочечных структур по линиям тока. В присутствии полимеров наблюдали увеличение значений энергии активации проводимости вследствие образования плотных адсорбционных слоев вокруг частиц токопроводящей фазы.
Практическая значимость.
Разработаны составы электропроводящих композиционных материалов на основе цементного вяжущего и углеродных наполнителей (графит, технический углерод) для нагревательных элементов в строительных конструкциях, обладающих сравнительно низкой стоимостью и стабильностью свойств при длительной эксплуатации.
На основе проведенных исследований разработаны низкотемпературные композиционные электронагревательные элементы для создания систем отопления в помещениях бытового и сельскохозяйственного назначения.
Разработан технологический регламент по производству низкотемпературных композиционных электронагревательных элементов на основе электропроводящих композиционных материалов.
Внедрение результатов работы. Разработанные составы материалов и технология их изготовления приняты к внедрению в производстве низкотемпературных нагревательных элементов на ОАО Завод «Электромашина» (г. Белгород).
Основные положения работы, выносимые на защиту:
закономерности изменения реологических свойств в дисперсных системах цемент - графит;
закономерности изменения электроповерхностных свойств в указанных электропроводящих дисперсных системах;
температурные закономерности электрической проводимости в системах цемент - графит в присутствии полимерных добавок;
составы электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных систем;
взаимосвязь между физико-механическими и электрическими свойствами электропроводящих композиционных материалов;
технология производства стабильных в эксплуатации низкотемпературных нагревательных элементов для нагревательных систем.
Апробация результатов работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на конференциях:
Всероссийской конференции инновационных проектов студентов и аспирантов «Индустрия наносистем и материалы» (Зеленоград, 2006); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2007, 2009); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008, 2009); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-21» (Саратов, 2008); III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008); Всероссийской научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи» (Москва, 2008); IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (диплом I степени, Москва, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Строительство-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), III Международной выставке — Интернет конференции «Энергообеспечение и строительство» (Орел, 2009).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 11 научных публикациях, в том числе в одной статье в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 164 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, включающего 58 таблиц, 38 рисунков и фотографий.
