Россия
аспирант
Белгородская область, Россия
студент
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
В настоящее время в России все большее значение уделяется актуальным вопросам энергосбережения и энергетической эффективности при строительстве. Действующие нормативно-правовые акты требуют решения вопросов, связанных с повышением энергоэффективности зданий. Одним из направлений решения поставленных задач является разработка и изготовление новых видов эффективных теплоизоляционных материалов. В данной работе рассматривается использование промышленных отходов горно-обогатительных комбинатов как наполнитель пенополиуретана. В качестве исследуемого сырья были взяты пробы с поля фильтрации хвостов Стойленского ГОКа из различных участков, определены их гранулометрические и химические составы, а также определены гармонические диаметры частиц наполнителя. По результатам расчета определена зависимость коэффициента вспенивания от среднего гармонического диаметра наполнителя. Разработана матрица планирования эксперимента, по результатам которой были построены математические модели зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана, наполненного хвостами. Рассмотрены три зоны хвостов по результатам отбора проб. Анализируя полученные результаты, выведена количественная и качественная оценка влияния каждого фактора в отдельности, а также их совокупности на изменение системы «состав – свойства».
пенополиуретан, наполнитель, математическое моделирование, коэффициент вспенивания, отходы горнорудной промышленности, гармонический диаметр
В данной статье впервые предложен вариант наполнения пенополиуретана промышленными отходами горно-обогатительных комбинатов, а конкретно – отходами мокрой сепарации железистых кварцитов (далее хвосты) [1–6]. Схема поля фильтрации хвостов представлена на рис. 1, 2.
Рис. 1. Схема поля фильтрации хвостов: 1 – магистральный пульпопровод; 2 – дамба из водоупора;
3 – распределительный трубопровод; 4 – основное поле фильтрации; 5 – участок отложения иловых остатков хвостов; 6 – направления растекания пульпы
Рис. 2. Схема поля фильтрации хвостов в разрезе: 1 – магистральный пульпопровод; 2 – дамба из водоупора;
3 – распределительный трубопровод; 4 – основное поле фильтрации; 5 – участок отложения иловых остатков хвостов; 6 – хвосты, расположенные в воде; 7 – направления растекания пульпы
После отбора образцов с полей фильтрации хвостов определялся их химический (табл. 1) и гранулометрический (табл. 2) составы.
Таблица 1
Химический состав образцов материала
|
№ образца |
Химический состав, % |
||||||||
|
SiO2 |
Fe общ. |
Fe2O3 |
FeO |
CaO |
MgO |
Al2O3 |
Ост. |
||
|
Зона 1 |
1 |
66,3 |
12,2 |
9,1 |
5,6 |
2,3 |
2,5 |
0,8 |
1,2 |
|
2 |
65,4 |
11,8 |
9,5 |
5,9 |
2,6 |
2,8 |
0,5 |
1,5 |
|
|
3 |
66,8 |
12,6 |
9,7 |
4,8 |
2,1 |
2,1 |
0,48 |
1,42 |
|
|
4 |
66,3 |
13,1 |
8,6 |
4,9 |
2,9 |
2,8 |
0,53 |
1,07 |
|
|
5 |
65,8 |
12,8 |
9,4 |
5,2 |
2,5 |
2,3 |
0,59 |
1,4 |
|
|
Среднее значение |
66,12 |
12,5 |
9,26 |
5,28 |
2,48 |
2,5 |
0,58 |
1,318 |
|
|
Зона 2 |
6 |
67,7 |
10,8 |
10,3 |
5,3 |
1,8 |
1,6 |
0,9 |
1,6 |
|
7 |
68,3 |
10,3 |
11,5 |
4,4 |
1,7 |
1,9 |
1,2 |
0,7 |
|
|
8 |
66,9 |
11,1 |
10,8 |
5,6 |
2,1 |
1,7 |
0,7 |
1,1 |
|
|
9 |
68,1 |
10,8 |
11,3 |
4,7 |
1,5 |
2,1 |
0,8 |
0,7 |
|
|
10 |
66,8 |
11,2 |
10,9 |
5,1 |
1,9 |
1,8 |
1,1 |
1,2 |
|
|
Среднее значение |
67,56 |
10,84 |
10,96 |
5,02 |
1,8 |
1,82 |
0,94 |
1,06 |
|
|
Зона 3 |
11 |
68,7 |
9,6 |
12,2 |
5,1 |
1,3 |
1,2 |
1,2 |
0,7 |
|
12 |
69,3 |
8,1 |
12,1 |
4,8 |
1,8 |
1,5 |
1,3 |
1,1 |
|
|
13 |
67,8 |
9,3 |
12,8 |
4,5 |
1,5 |
1,3 |
0,9 |
1,9 |
|
|
14 |
69,7 |
9,1 |
11,1 |
4,2 |
1,9 |
1,8 |
1,4 |
0,8 |
|
|
15 |
68,7 |
8,8 |
12,1 |
4,8 |
1,7 |
1,7 |
1,1 |
1,1 |
|
|
Среднее значение |
68,84 |
8,98 |
12,06 |
4,68 |
1,64 |
1,5 |
1,18 |
1,12 |
|
Проведенные исследования показали, что по своему химическому составу образцы не имеют значительных отличий (табл. 1), но по гранулометрическому составу они отличаются (табл. 2). При воздействии гидравлической энергии водного потока происходит фракционирование частиц хвостов и их дифференциация по крупности и удельной массе различных минералов [7–11]. Самые крупные и тяжелые частицы выпадают вблизи места выпуска пульпы и формируют на хвостохранилищах так называемую зону слива или выпуска пульпы. Эта зона распространяется примерно на 50 м. от места сброса (зона 1). Средние по размерам и удельной массе частицы формируют промежуточные зоны общей шириной 120–170 м (зоны 2 и 3). Самые мелкие и легкие частицы сносятся в крайнюю зону покрываются водой и в последствии образую так называемые иловые осадки (зона 4). Схема расположения участков хвостов в зависимости от их гранулометрического состава приведена на рис.3. Такая структура расположения хвостов остается после завершения намыва поля фильтрации.
Рис. 3. Схема расположения участков хвостов в зависимости от их гранулометрического состава
(отбор проб материала по зонам)
Таблица 2
Гранулометрический состав лабораторных проб материала
|
№ Образца |
Содержание фракций, %, при крупности фракций, мм |
|||||
|
1-0,5 |
0,5-0,25 |
0,25-0,1 |
0,1-0,05 |
<0,05 |
||
|
Зона 1 |
1 |
18,5 |
28,6 |
39,3 |
8,8 |
4,8 |
|
2 |
21,3 |
28,7 |
36,2 |
10,5 |
3,3 |
|
|
3 |
20,7 |
27,4 |
38,8 |
9,4 |
3,7 |
|
|
4 |
22,4 |
29,3 |
37,2 |
8,3 |
2,8 |
|
|
5 |
20,3 |
26,7 |
40,5 |
9,3 |
3,2 |
|
|
Среднее значение |
20,64 |
28,14 |
38,4 |
9,26 |
3,56 |
|
|
Зона 2 |
6 |
10,6 |
18,3 |
47,1 |
14,4 |
9,6 |
|
7 |
8,1 |
19,6 |
47,8 |
13,7 |
10,8 |
|
|
8 |
9,9 |
18,8 |
46,1 |
12,4 |
12,8 |
|
|
9 |
9,2 |
20,1 |
48,2 |
13,3 |
9,2 |
|
|
10 |
8,3 |
18,9 |
46,8 |
13,5 |
12,4 |
|
|
Среднее значение |
9,22 |
19,14 |
47,2 |
13,46 |
10,96 |
|
|
Зона 3 |
11 |
4,1 |
9,7 |
53,6 |
16,4 |
16,2 |
|
12 |
3,8 |
8,6 |
56,1 |
15,2 |
16,3 |
|
|
13 |
4,7 |
7,8 |
55,8 |
17,1 |
14,6 |
|
|
14 |
5,1 |
8,4 |
56,2 |
18,2 |
12,1 |
|
|
15 |
3,4 |
8,1 |
54,6 |
16,6 |
17,3 |
|
|
Среднее значение |
4,22 |
8,52 |
55,26 |
16,7 |
15,3 |
|
Для дальнейших исследований рассчитывался показатель, характеризующий дисперсность хвостов одним числом – гармоническим диаметром [12–14]. Гармонический диаметр представляет собой диаметр частиц некоторого однородного грунта, имеющего те же свойства, что и данный разнозернистый грунт. Если предположить, что грунт состоит из n одинаковых шарообразных частиц с диаметром, который мы обозначим Dr, то поверхность скелета будет равна [15–17]:
а вес
gc
; (2)
где 
– удельный вес скелета грунта.
Рассмотрим теперь грунт, состоящий из смеси n1 частиц с диаметром Dr1, n2 частиц с диаметром Dr2 и так далее. Тогда их общая поверхность F и вес g будут соответственно равны:
; (3)
g = 
. (4)
Вес каждой i-й группы из ni частиц равен:
gi
(5)
Если вес пробы грунта принять за 1, то
∑
= 1 (6)
И тогда гармонический средний диаметр рассчитывается по формуле:
где gi – вес каждой i-ой группы частиц; Dri – диаметр одинаковых шарообразных частиц каждой i-ой группы частиц.
Учитывая тот факт, что для определения гранулометрических составов грунта мы использовали навески равные 100 г, формула примет следующий вид:
(8)
Определяем гармонический диаметр для зоны 1 по формуле (8):
,
Определяем гармонический диаметр для зоны 2 по формуле (8):
,
Определяем гармонический диаметр для зоны 3 по формуле (8):
На рис. 4. приведена зависимость коэффициента вспенивания наполнителя от его среднего гармонического диаметра.
Рис. 4. Зависимость коэффициента вспенивания наполнителя от его среднего гармонического
диаметра
Из рис. 4. и опытов, проведенных с различными минеральными наполнителями, имеющими различный гранулометрический состав следует, что при увеличении количества пылеватых частиц в составе наполнителя коэффициент вспенивания уменьшается, то же самое происходит при увеличении количества крупных частиц. Это связано с тем, что пылеватые частицы попадая во влажную среду компонентов ППУ растворяются и создают пленку, препятствующую попаданию воздуха внутрь состава при перемешивании и вспенивании. Крупные частицы (размером более 1 мм) являются достаточно объемными, что не позволяет им встраиваться в структуру пенополиуретана, а их вес значительно затрудняет сам процесс перемешивания компонентов и последующее вспенивание ППУ.
При планировании эксперимента в качестве варьируемых факторов были приняты: расход хвостов и соотношение между компонентами. Для обеспечения более точного описания математических моделей пенополиуретана в зависимости от варьируемых факторов в виде полиномов второй степени было применено ортогональное центральное планирование. Условия планирования с указанием натуральных значений кодируемых факторов представлены в табл. 3 [18].
Средний уровень расхода хвостов, глины и песка был принят 30 % от массы полиуретана с шагом варьирования 20 %. Соотношение компонентов полиизоцианата и полиола на среднем уровне было принято 1, т.к. рекомендуемое соотношение полиуретановых компонентов без наполнителя составляет 100 : 100. Интервал варьирования составляет 0,1.
Таблица 3
Условия планирования эксперимента
|
Фактор |
Уровень варьирования |
Интервал варьирования |
|||
|
Натуральный вид |
Кодированный вид |
+1 |
0 |
-1 |
|
|
Расход наполнителя, % |
Х1 |
50 |
30 |
10 |
20 |
|
Соотношение компонентов |
Х2 |
1,1 |
1,0 |
0,9 |
0,1 |
Сущность метода заключается в установлении математической зависимости между заданными свойствами материала и расходом, свойствами составляющих компонентов и технологическими факторами. Количество экспериментов, зависящее от числа факторов и условий решаемой задачи, проводилось по заданному соответствующему плану. Матрица планирования и экспериментальные данные представлены в табл. 4.
Результаты опытов обрабатывают с использованием методов математической статистики, получая при этом алгебраические уравнения, отражающие связь между исследуемыми свойствами и исходными факторами; с помощью уравнений регрессии можно строить графики и номограммы, что позволяет оперативно установить значение выходного параметра при изменении каждого фактора. При использовании номограмм можно поддерживать на заданном уровне выходной параметр, изменяя соответствующим образом факторы, входящие в уравнение регрессии.
Таблица 4
Матрица планирования
и экспериментальные данные
|
№ опыта |
Факторы |
Квсп образцов пенополиуретана, наполненного хвостами |
|||
|
|
Х1 |
Х2 |
хвосты зоны 1, ×1000 |
хвосты зоны 2, ×1000 |
хвосты зоны 3, ×1000 |
|
1 |
+1 |
+1 |
630 |
520 |
420 |
|
2 |
+1 |
-1 |
610 |
510 |
410 |
|
3 |
-1 |
+1 |
1070 |
680 |
480 |
|
4 |
-1 |
-1 |
1050 |
670 |
470 |
По результатам полученных уравнений были построены математические модели зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана от исследуемых факторов (рис. 5–7).
Рис. 5. Математическая модель зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана, наполненного хвостами 1 зоны
Рис. 6. Математическая модель зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана, наполненного хвостами 2 зоны
Рис. 7. Математическая модель зависимости коэффициента вспенивания лабораторных проб пенополиуретана, наполненного хвостами 3 зоны
При переходе от кодированных факторов к натуральным, найдено оптимальное соотношение компонентов, которое составляет 100:100.
Таким образом, выявленные закономерности изменения свойств пенополиуретанов и полученные математические зависимости позволяют дать количественную и качественную оценку влияния каждого фактора в отдельности, а также их совокупности на изменение системы «состав – свойства» и могут быть использованы для производственных рецептур наполненных пенополиуретанов и прогнозирования их физико-механических свойств.
1. Воробьев В.А., Андрианов P.A. Технология полимеров. М.: Высшая школа, 1980. 303 с.
2. Fukuhiro H., Genjiro H., Yoshio I. Hidrophilic polyurethane and application (II) (polyurethane - gypsum foam). Plastics Industry News. 1981. May. Pp. 71-74.
3. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989. 383 с.
4. Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В., Марушко М.В. Теплоизоляционный композит на основе местных неорганических наполнителей // В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и инновации». Белгород, 2016. С. 185-189.
5. Herrington R., Hock K. Flexible Polyurethane Foams - Dow Chemical Company 1997. 312 p.
6. Берлин A.A., Шутов Ф. А. Упрочненные газонаполненные пластмассы. М.: Химия. 1980. 224 с.
7. Воробьев В.А. Технология строительных материалов и изделий на основе пластмасс. М.: Высшая школа, 1974. 472 с.
8. Гильдебрант X. Полимерные материалы в строительстве. Пер. с нем. М.: Стройиздат, 1969. 272 с.
9. Годило П.В., Патуроев В.В., Романенков И.Г. Беспрессовые пенопласты в строительных конструкциях. М.: Стройиздат, 1969. 173 с.
10. Benning С.J. Plastics foams. Vol. 1. Ney York, London, Sydney, Toronto. John Wiley a. Sons. 1969. 620 p.
11. Швецов Г.А., Алимова Д.У., Барышникова М.Д. Технология переработки пластических масс. М.: Химия, 1988. 512 с.
12. Корнеев А.Д., Шулепов С.К. Структурообразование пенополимербетона на основе полиизоцианата // Эффективные строительные материалы для Нечерноземья: Тез. докл. науч.-техн. конф. Саранск: Рузаевский печатник. 1986. С. 18.
13. Сулейманова Л.А., Кочерженко А.В. Исследование влияния природных наполнителей на кратность вспенивания утеплителей на основе пенополиуретана // В сборнике докладов Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в строительстве» (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства). Белгород, 2017. С. 185-190.
14. Воробьев В.А., Андрианов P.A. Полимерные теплоизоляционные материалы М.: Стройиздат, 1972. 320 с.
15. Берлин A.A., Шутов Ф.А. Химия и технология газонаполненных высокополимеров. М.: Наука, 1979. 390 с.
16. Friedli H.R. In Reaction Polymers. Hansen Munich. 1992. 68 p.
17. Lovering E.G., Laidler K.J. Thermochemical studies of some alcohol - isocyanate reactions - Can. J. Chemical, 1962. pp. 30-31.
18. Сулейманова Л.А., Погорелова И.А. Компьютерное моделирование технолого-экономических задач. Белгород, 2009. 184 с.
