Введение к работе
Актуальность темы.
Одним из наиболее важных направлений современного материаловедения является создание экономически эффективных материалов с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами.
Стремительный рост объемов производства и сложившаяся на данный момент в России экономическая ситуация, характеризующаяся недостаточной динамичностью рынка строительных материалов, требуют выполнения переоценки сырьевой базы при производстве материалов. С целью снижения расходов при производстве предпочтительно использовать местные сырьевые ресурсы и отходы различных отраслей промышленности. Помимо снижения расходов на производство, утилизация крупнотоннажных отходов позволяет улучшить экологическую обстановку региона.
Экономический и экологический ущерб, наносимый коррозией строительных материалов, конструкций и технологического оборудования, весьма велик.
Росту экономических потерь, обусловленных физико-химической коррозией строительных материалов и конструкций, способствует развитие наиболее металлоемких отраслей промышленности, в том числе химической промышленности, а также ужесточение условий эксплуатации оборудования и строительных конструкций в промышленности. Это указывает на исключительную важность проблемы борьбы с коррозией строительных материалов, а следовательно, и на большую значимость развития научно-технических работ в данной области. Но главное, что определяет необходимость первоочередного решения проблемы научного подхода к поиску оптимальных путей противокоррозионной защиты материалов, связано с безвозвратностью затрат на борьбу с коррозией изделий и конструкций и невосполнимостью израсходованных при этом природных ресурсов.
Химическая промышленность РФ производит в настоящее время свыше 90 тысяч наименований разнообразных химических продуктов. Но лишь 1/5 от этого количества производится на основе всесторонних научных разработок. Технология производства около 80% из них не оптимизирована. Около 40–50% машин и сооружений работает в агрессивных средах, 30% – в слабо агрессивных, и только 10% не требует активной антикоррозионной защиты.
Воздействию агрессивных сред подвергается около м2 поверхности зданий и сооружений, из которых более половины приходится на железобетонные конструкции. Наибольшие потери от коррозии несут топливно-энергетический комплекс (ТЭК), сельское хозяйство, химия и нефтехимия. Так, потери металла от коррозии составляют: в ТЭК – 30%, химии и нефтехимии – 20%,сельском хозяйстве – 15%, металлообработке – 5%.
Проблема коррозии усугубляется резким старением основного металлофонда, физическим и моральным износом, совершенно недостаточной степенью возобновляемости и реновации. Несущие конструкции заводов эксплуатируются в условиях воздействия агрессивных коррозионных сред. Большая часть из 800 млн. тонн потенциально опасных сварных конструкций выработала свой ресурс на 50–70%.Значительная часть сооружений исчерпала свой плановый ресурс и вступает в период интенсификации отказов.
Анализ причин отказов и аварий сооружений свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора. В нефтедобывающей промышленности 70% отказов произошло по причине коррозионных повреждений. Характер технологической среды оказывает значительное влияние на закономерности коррозионных процессов и требует принятия различных решений для осуществления основной инженерной задачи– защите металлов от коррозии.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка эпоксидного дисперсно-армированных композиционных материалов, отличающихся повышенными значениями химического сопротивления водным растворам азотной кислоты, адгезионной и когезионнной прочности.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Разработать на основе вероятностной теории экстремальных экспериментов математическую модель эпоксидной композиции, позволяющую исследовать влияние параметров компонентов и технологических воздействий на свойства материала.
-
Изучить на основе ЭС-моделей зависимость свойств микроструктуры эпоксидных композиций (пределов прочности при растяжении, сжатии, адгезионной прочности) от вида и количественного соотношения компонентов. Оптимизировать состав эпоксидной композиции для получения заданных свойств на уровне микроструктуры.
-
Изучить закономерности изменения химического сопротивления микроструктуры эпоксидных композиций в зависимости от вида и количественного содержания бинарных наполнителей и пластификаторов.
-
Обосновать экспериментальную статистическую модель макростуктуры эпоксидного композита, отличающегося повышенным химическим сопротивлением действию воды и водных растворов азотной кислоты. Установить закономерности влияния компонентов композиций на прочностные и химические свойства эпоксидного раствора.
-
Методом многокритериальной оптимизации разработать составы эпоксидных композиций, отвечающих требованиям эксплуатации по показателям прочности, химического сопротивления в водных растворах азотной кислоты.
Научная новизна работы.
1. На основе вероятностной теории экстремальных экспериментов методом многокритериальной оптимизации разработаны статистические модели микро- и макроструктуры эпоксидных композиций, позволившие создать материал с повышенным химическим сопротивлением действию водных растворов азотной кислоты.
2. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования волокнистых отходов химической промышленности в качестве дисперсной фазы для изготовления эпоксидных композиционных материалов, стойких в растворах азотной кислоты.
3. Установлены закономерности изменения физико-механических и эксплуатационных свойств ЭКМ при варьировании выбранных рецептурных факторов.
4. Разработан метод проектирования составов эпоксидных компаундов и эпоксидных полимерных растворов.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в создании материала, стойкого в условиях воздействия азотнокислой среды. Предложены составы защитных полимерных покрытий и композиционных материалов с повышенными прочностными и эксплуатационными характеристиками. Эпоксидные компаунды характеризуются пределом прочности при сжатии до 180 МПа, пределом прочности при изгибе до 40 МПа, пределом прочности при разрыве до 22 МПа, коэффициентом водостойкости до 0,99, коэффициентом химической стойкости до 0,9.
Определены оптимальные технологические режимы изготовления эпоксидных композиционных материалов, стойких в растворах азотной кислоты.
Разработанные химически стойкие эпоксидные композиционные материалы получили промышленную проверку и опытное внедрение в
ООО «Волговятстрой».
На защиту выносятся:
– научное обоснование использования эпоксидной смолы, кварцевого песка, аморфного углерода, волокнистых отходов химической промышленности (ВОХП) для изготовления композиционных материалов, стойких в водных растворах азотной кислоты;
– методика проектирования составов эпоксидных композиционных материалов с применением вероятностных моделей;
– данные экспериментальных исследований свойств эпоксидных композиционных материалов от рецептурных факторов.
– результаты многокритериальной оптимизации рецептур ЭК и ЭПР.
Аппробация работы. По результатам исследований сделаны доклады и сообщения: на Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001), III международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2004), III международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика (Пенза, 2004), III международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика (Пенза,2004), международной научной – технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства. Строительные материалы и конструкции» (Пенза, 2005), студенческой научно-технической конференции «Студенческая наука -интеллектуальный потенциал ХХI века (Пенза, 2005), международной научно-технической конференции молодых ученых и исследователей «Наука молодых–интеллектуальный потенциал XXI века» (Пенза, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 6 статей, включенных в перечень ВАК, 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов и списка литературы. Содержит 222 страниц текста, 96рисунков, 23 таблицы. Список литературы состоит из 140 работ российских и зарубежных авторов.
