Введение к работе
Актуальность. В XXI веке в технике и строительстве будут преобладать композиционные материалы (КМ). Получение материалов высокого класса с экстремальными характеристиками возможно только с использованием армирующих ингредиентов. От применения асбеста часто отказываются, из-за развернутой антиасбестовой кампании, связанной с его био-лопгческой активностью. Однако многие другие волокнистые материалы гакже биологически не индифферентны. Заменители асбеста значительно дороже, а изделия на их основе уступают по своим эксплуатационным свойствам асбсстсодержащим материалам. В настоящее время в России не существует альтернатив, позволяющих отказаться от использования хри-зотилового асбеста.
Активная кампания против асбеста — пример конъюнктурной борьбы производителей искусственных волокнистых материалов. Экспорт асбеста в СССР был третьей статьей валютных поступлений, составлявших 1-1,2 млрд долларов США в год.
В 1998 г. в РФ произведено 0,7 млн т асбеста (около 30% мирового проігзводства), 1,3 млрд усл.плиток шифера и 7,5 тыс.км усл.труб. Асбест-содержащую продукцию в 1998 г. производили 3 асбестовых горнообогатительных и 24 асбестоцементных комбинатов, 9 асбестотехниче-ских заводов и 2 асбокартонные фабрики, на которых было занято 38,5 тыс.человек промышленно-производственного персонала. Значительная часть комбинатов является градообразующими предприятиями, с учетом этого фактора добыча асбеста и производство асбестсодержащих материалов и изделий затрагивает интересы более 400 тыс.человек. Общий объем произведенной продукции за 1998 г. составил 3 млрд руб. По итогам 1998 - 1999 гг. все виды продукции (асбест, шифер, асботрубы и асбестотехни-ческие изделия) являются рентабельными.
Добываемый асбест (50-60%) экспортируется в 45 стран дальнего и ближнего зарубежья на сумму более 100 млн USD (ежегодно). Основные потребители российского асбеста - Китай, Иран, Вьетнам, Таиланд, Япония, Турция, Испания, Украина, Беларусь, Узбекистан. В 2000 г. объем производства асбеста в Российской Федерации прогнозируется на уровне 620-650 тыс. т, на период 2001-2002 гг. - 700 тыс. т.
В настоящее время — во время пика антиасбестовой кампании -Россия продолжает оставаться самым крупным производителем асбеста, хотя по его экспорту первенство занимает Канада. Цены канадского хризотил-асбеста в два раза превышают цены российского, что объясняется
2 большим содержанием волокна в товарной продукции и более стабильными структурными и технологическими характеристиками.
Производство хризотил-асбеста со стабильными технологическими характеристиками из российского сырья возможно на основе его перекристаллизации, сопровождающейся получением продукта с улучшенными санитарно-гигиеническими характеристиками. Такой подход требует выявления закономерностей механизма зарождения и роста монокристаллов и параллельно-волокнистых агрегатов хризотил-асбеста и использования полученных данных для обоснования технологических параметров производства хризотил-асбеста с уменьшенной биологической активностью и производства КМ для современной техники и строительства.
Работа выполнялась в соответствии с целевыми программами АН СССР, АМН СССР, РАМН, Госкомитета по высшедгу образованию РФ, Госстроя и Миннауки России, в частности, "Конструкционные материалы со специальными свойствами", "Архитектура и строительство", "Эколого-гигиеническая оценка применения хризотилового асбеста в производстве строительных материалов, в строительстве жилых и общественных знаний" и направлена на реализацию Постановления Правительства Российской Федерации от 3 июля 1998 г. № 869 "О позиции Российской Федерации по вопросу использования хризотилового асбеста" и от 5 октября 1999 г. № 1127 "Об одобрении и вынесении на ратификацию в Государственную Думу Федерального Собрания Российской Федерации Конвенции № 162 об охране труда при использовании асбеста". Результаты диссертационной работы использованы при подготовке указанных постановлений Российской Федерации.
Цель работы: выявить закономерности образования и роста кристаллов, объемной и поверхностной трансформации кристаллической решетки хризотил-асбеста для разработки технологии его модифицирования и получения армированных им композиционных материалов с улучшенными свойствами.
Достижение указанной цели определило следующие задачи исследований:
— разработать теоретические основы производства экологически чистых КМ с использованием хризотил-асбеста в качестве армирующего компонента для новой техники и строительства;
— разработать новые КМ и технологические параметры ах производства для ракетостроения, авиакосмической и иной современной техники и строительства;
углубить знания о хризотил-асбесте, в том числе об условиях и механизмах образования его монокристаллов и параллельно-волокнистых агрегатов, о природе его биологической активности;
обосновать возможность и технологические параметры производства хризотил-асбеста с пониженной биоактивностью.
Научная новизна. Разработана кристалдохимическая модель зарождения элементарного хризотилового пакета по бруситу и форстериту, выяснен механизм зарождения и роста монокристаллов и параллельно-волокнистых агрегатов хризотил-асбеста, что позволяет управлять процессом его синтеза и модифицирования при получении материалов с заранее заданными, уникальными свойствами.
Установлены механизмы и условия образования конических и цилиндрических кристаллов хризотила и его изоморфных аналогов с частичной и полной заменой магния никелем в октаэдрических позициях, что позволило разработать механизм перекристаллизации и параметры обработки природного хризотил-асбеста с одновременным снижением его биологической активности при сохранении технологических свойств. Получены углубленные данные о природе биологической активности хризотил-асбеста: установлена роль тяжелых металлов, активных центров, морфологических и структурных характеристик.
Доказана возможность получения волокнистого материала, характеризующегося высокой однородностью структуры. Установлено, что обработка природного хризотил-асбеста уменьшает электрический заряд поверхности его волокон, число положительно заряженных активных центров и биологическую активность асбеста, сохраняя при этом его эксплуатационные свойства.
Определена скорость зарождения центров кристаллизации и линейного роста кристаллов форстерита по хризотил-асбесту в неизотермических и в изотермических условиях. Процессы термической деструкции синтетического и природного хризотила аналогичны.
Выявлено строение поверхностного слоя монокристаллов магниевых и Mg - Ni изоморфных аналогов хризотил-асбеста. Установлены условия и механизмы образования и роста параллельно-волокнистых агрегатов хризотилового асбеста, что позволяет управлять процессами производства КМ для авиакосмической техники, ракетостроения и других оборонных отраслей промышленности.
Практическая значимость. На основе модифицированного хризотил-асбеста созданы наполнители:
- электротехнического КМ для ракетостроения и авиакосмической техники;
4 - огнезащитного КМ для самолетостроения;
фрикционного КМ для автомобилестроения;
асбестоцементных изделий;
герметизирующей ленты;
- высокопрочных клеев
и технологии их производства.
Полученные наполнители позволили создать КМ и технологии производства КМ электротехнического и огнезащитного назначения для ракетостроения и авиакосмической техники.
Разработаны:
экологически безопасная технология производства компонента теплостойких покрытий космических кораблей;
технология производства экологически безопасных конструкционно-теплоизоляционных стеновых материалов на основе влажных отходов асбестоцементных предприятий;
способ очистки хризотил-асбеста от магнезиальных минералов: бру-сита, немалита и магнезита.
Установлено уменьшение биологической активности природного хризотил-асбеста в процессе его переработки, направленной на изменение поверхностного слоя кристаллов.
Проведенная работа свидетельствует о необходимости дифференцированного подхода к хризотил-асбесту, как основному материалу асбестовой, асбестоцементной и асбестотехнической отраслей промышленности.
Новизна решений подтверждена 14 патентами и авторскими свидетельствами. Годовой эффект от внедрения результатов работы в производство КМ технического и строительного назначения составил 9,87 млн рублей (в ценах декабря 1999 г.).
Разработанные технологии направлены на решение экологических проблем.
На защиту выносятся:
научно обоснованные технические решения и технология модифицирования слоистых силикатов с заданными свойствами;
зависимость параметров элементарной ячейки синтетического хризотила от РТ-условий образования;
механизмы зарождения, роста и перекристаллизации монокристаллов и параллельно-волокнистых агрегатов хризотил-асбеста;
закономерности трансформации морфологических и структурных характеристик хризотил-асбеста под влиянием условий его синтеза и обработки;
теоретические положения, состав и технология производства наполнителей и КМ электротехнического и огнезащитного назначения для авиакосмической техники;
экологически безопасная технология производства наполнителя теплостойких покрытий космических кораблей;
технология производства экологически безопасного стенового материала на основе отходов асбестоцементного производства;
технология обогащения хризотил-асбеста;
технология синтеза режикит-асбеста;
факторы, определяющие канцерогенное действие хризотил-асбеста;
теоретические положения и способ обработки природного хризотил-асбеста с целью снижения его биологической активности.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на 42 научных Международных и Всесоюзных конференциях и совещаниях, в том числе, в БелГТАСМ (Белгород, 1976, 1977, 1978, 1981, 1987, 1989, 1991, 1993, 1995, 1997, 1999), Всесоюзном совещании по термическому анализу (Рига, 1979; Куйбышев, 1982), IV Всесоюзном совещании по гидратации и твердению цементов (Львов, 1981), Теория и методология минералогии (Сыктывкар, 1985), Third International Symposivm hydrothermal reactions (Moskov, 1989), Проблемы химии и технологии прогрессивных лакокрасочных материалов (Ярославль, 1990), Sympozium Medycyna Pracy W Pvzemysla Cheraicznym (Lodz, 1991), Прогрессивные строительные материалы и изделия на основе использования природного и техногенного сырья (Санкт-Петербург, 1992), Powder Difiraction and Crystal Chemistiy (S.-Peterbyrg, 1994), Композиционные, керамические, порошковые материалы и покрытия (Москва, 1994), Наука и технология силикатных материалов в условиях рыночной экономики (Москва, 1995), Международное совещание по рентгенографии минерального сырья (Тбилиси, 1986; Белгород, 1995), а также на Пленуме Комитета по канцерогенным веществам при Минздраве СССР (Свердловск, 1990), на совещании Комиссии по канцерогенным факторам Госкомсанэпиднадзора России (Москва, 1993) и на совещании руководящих работников концерна "Цемент" (Жигулевск, 1990), "Укрцемент" (Балаклея, 1990, 1993), асбестотехнической промышленности (Ярославль, 1992, 1993) и Объединенном совещании ООО "Асбест", "Асбестоцемент", "Асботехника" и других потребителей асбеста (Москва, 1991, 1997, 1999; Асбест, 1992; Воскресенск, 1996; Белгород, 1997).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы, включающего 301 наименование, и приложе-
ний. Общий объем диссертации 357 с, в том числе 241 с. машинописного текста, 28 табл., 122 рис., 39 с. приложений.
