Композиційний полімерний матеріал

Винахід, що передбачається, відноситься до виробництва композиційних матеріалів, що засновано на використанні продуктів реакції горіння твердого палива в паливоспалювальних обладнаннях. Може бути використане в енергетиці, металургії, хімічної промисловості, виробництві теплоізоляційних матеріалів. Значного поширення набуло збільшення бази сировини шляхом утилізації відходів виробництва. На теплоелектростанціях (ТЕС), що спалюють тверде паливо, щорічно утворюється близько 40млн.т золошлаковых відходів (ЗШО), що складаються з породообразующих мінералів, що пройшли високотемпературну обробку (85-90%); оксидів заліза - продуктів термічного розкладання й окислювання залізовмісних мінералів (310%); ангідриту CaSO4(0,8-2,5%); вуглецю (0,8-2,5%). Ці домішки ЗШО не є небезпечними, токсичні лише мікроелементи, зміст яких у таких відходах коливається в межах 0,1-0,15%. По висновку Регіонального токсиколого-гігіеничного центру Кемеровської області. Московського НДІ ім. Ф.Ф.Ерісмана, Інституту токсикології (м. Санкт-Петербург) і інших організацій, що проводили в 1996-1998 p. дослідження токсичності золи на тварин, ЗШО не токсичні. Таким чином, використання ЗШО в різних галузях економіки з метою ресурсозбереження екологічно безпечно. До дійсного часу розроблено і впроваджено більш 100 технологій виготовлення бетону на основі зол, шлаків і золошлакових сумішей. У 1998p. утилізовано 1900тис. т ЗШО, у тому числі 800тис. т підприємствами галузі. Ці відходи використовуються для обвалування дамб золоотвалыв, будівництва і ремонту доріг, планування територій, виробництва керамзиту (Верхнетагильская ГРЭС) і шлакоблоків (ТЕС на Уралі і в Сибіру). Однак через відсутність споживача потужності по доборі сухої золи на ТЕС завантажені тільки на 14%. Існує найбільш ресурсномісткий вид людської діяльності у світі виробництво залізобетону (Соломатов В.И. и др. Высокопрочный бетон с активированным минеральным наполнителем. Бетон и железобетон, 1986, № 12, с.10-11.). Його виробництво набагато перевершує виробництво інших видів будівельних матеріалів, тільки для виробництва бетону можуть у широких масштабах використовуватися крупнотонажні промислові відходи енергетики, металургії й інших галузей. Але поки нагромадження цих відходів із усіма несприятливими наслідками в даний час істотно випереджає обсяги їхньої переробки. Недолік виробництва залізобетону складається у вилученні природних ресурсів, зокрема піску, щебеню. Вапно, що не реагувало, яке міститься в бетоні вступає в реакцію з вуглекислим газом , бетон утрачає свою основність і стає нейтральним, утворяться пори через що виникають тріщини. Вода і кисень атакують сталеву арматуру, вона іржавіє. Щільність іржі менше щільності бетону, тому виникають нові тріщини. Є „Способ приготовления бетонной смеси" (RU, № 2060240, кл. С04В40/00, від 1990.09.10). Ціль винаходу підвищення міцності бетону при стиску, зменшення витрати в'язкого й утилізація значної кількості відходів ливарного виробництва. Склад бетонної суміші цемент, суперпластифікатор і формувальна суміш (відходи ливарного виробництва). Хімічний склад формувальної суміші - кварцовий пісок, рідке скло, оксид хрому. Недолік цього способу виробництва залізобетону складається в тривалому процесі зв'язування, кінцева міцність досягається тільки після закінчення декількох місяців. Існує "Формовочная смесь для изготовления легких полистиролбетонных изделий" (RU, № 97102891 от 20.03.1999, кл. С04В28/08), для виготовлення будівельних виробів. Суміш у якості в'язкого містить золошлаколужне в'язке, що включає шлак з питомою поверхнею 350-450мУкг із модулем основності рівному чи більше одиниці, золу двох фракцій з питомою поверхнею 80-150м2/кг і 450-600м2/кг при їхньому масовому співвідношенні 1:(1,5-2,1), рідке скло з модулем основности рівному чи більше одиниці, причому необхідний силікатний модуль рідкого скла встановлений додатковим уведенням гидроксида натрію при масовому співвідношенні рідке скло: гидроксид натрію рівному 1:(0,06-0,09), а в якості армиючого компоненту вона містить лужностійке скловолокно у вигляді джгуту чи індивідуальних волокон довжиною 15-25мм. Основне механічне навантаження несуть волокна і вони, головним чином, визначають міцність і твердість матеріалу (модуль пружності). Недолік у тім, що скляні волокна мають порівняно велику щільність і низький модуль пружності. Це технічне рішення може бути прототипом. В основу винаходу, що передбачається, поставлено задачу - розробити композиційні полімерні матеріали шляхом використання як заповнювача та зв'язуючогопродуктів реакцій паління твердого палива, а саме тверді частки золи, тверді частки сажі і летучі речовини при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: тверді частки золи 86,5-93,2 тверді частки сажі 5,0-6,3 летучі речовини решта Щоб забезпечити створення "Композиційних полімерних матеріалів". Аналіз відомих технічних рішень у галузі виробництва будівельних матеріалів дозволяє зробити висновок про відсутність ознак, що схожі з суттєвими відмінними ознаками композиції, що заявляється, та признати це рішення, відповідним критерію „суттєві ознаки". Порівняльний аналіз із прототипом дозволяє зробити висновок, про те, що «Композиційні полімерні матеріали» відрізняються від існуючого «Формовочная смесь для изготовления легких полистиролбетонных изделий», більш вираженим ефектом, що відповідає критерію „новизна". Технологія та виробництво полімерних композиційних матеріалів. Технологія заснована на використанні дуже ефективного фізико-хімічного згущення неоднорідних газоподібних-твердих часток у реакційному обсязі з утворенням полімерних композиційних матеріалів. Потік димових газів, що містить саджу і частки летучої золи, направляють у реактор-агломератор і піддають впливу струменя газового полум'я, спрямованої тангенціальне до осі потоку з концентрацією електронів близько 1.108 часток (см3 і енергією 0,5еВ), але з більш високою температурою іонів і нейтральних часток. Під впливом струменя розпечених газів з температурою (1800-2100°С), що переміщаються з великою швидкістю (90-100м/с) тверді частки в польоті розм'якшуючи, розтягуючи і розриваючи, утворять волокна. Турбулентність потоку енергоносія викликає обертання і періодичний відрив волокон. Що утворилися в результаті розриву волокнообразного найтоншого струменя розплаву витягаються під впливом різних по швидкості і масі мікропотоків енергоносія. Спільна дія кінетичної енергії газового струменя і низькотемпературної плазми, при згорянні додаткового углеводородного палива в камері згоряння, приводить до хімічних реакцій у потоці і тим самим забезпечує перетворення низькомолекулярних з'єднань - мономерів у високомолекулярні з'єднання полімери. Спільне ініціювання теплом і плазмою забезпечує більш високий ступінь порушення молекул, що обумовлює їхню підвищену реакційно-здатність, приводить до збільшення швидкості реакцій і дає можливість приводити реакції при більш низьких температурах. У результаті фізико-хімічних впливів у реакційному обсязі реактора виникає дійсний механізм багатьох реакцій, що протікають швидше і легше в процесі утворення проміжних активних продуктів, що володіють невеликою енергією активації, а не в результаті прямих зіткнень між молекулами вихідних речовин, що мають велику енергію активації. Такими активними проміжними продуктами виявляються вільні радикали. Це активні частки, що мають неспарений електрон, чи атоми, що і реагують з вихідними речовинами, даючи кінцеві продукти, а одночасно ще один чи кілька нових активних речовин, що забезпечує ланцюгову реакцію. Вільні радикали виникають у результаті дії на систему фізичних факторів, а також чисто хімічним шляхом при гомолитическом розпаді з'єднань з відносно невисокими енергіями чи зв'язку в результаті протікання окислювально-відновних процесів. Ланцюгова реакція супроводжується полімеризацією, у ході якої молекули мономера послідовно приєднуються до активного центра, що знаходиться на кінці зростаючої ланцюга. Ланцюгова реакція породжує довжину кінетичного ланцюга, рівної числу хімічних актів, збуджених однією вихідною активною часткою. При полімеризації розвиток кінетичного ланцюга, тобто послідовності актів приєднання мономера до активного центра, супроводжується рос і ом матеріальної ланцюга-макромолекули, що утворяться в результаті ненасичених чи зв'язків циклів мономерів. Полімеризація включає чотири елементарні реакції - ініціювання, ріст, передачу й обривши ланцюга. Важливою особливістю молекул і макромолекул полімерів є ланцюгова будівля - перевищення довжини молекули над її поперечним розміром. Ланцюгова будівля макромолекул є причиною виникнення в полімерів властивостей, принципово відмінних від властивостей низькомолекулярних з'єднань. Ланцюгова будівля макромолекул визначає підвищену міцність зчеплень між ними, що додає полімерам волокно- і плівкоутворювальні властивості, обумовлює наявність у полімеру еластичності. Для полімерів характерно значна зміна властивостей при малих добавках інших з'єднань. Існує залежність реакційної здатності функціональних груп ланцюга від природи сусідніх ланок. Відзначені особливості будівлі і властивостей полімерів дають підставу розглядати полімерний стан як особливий стан речовини. У результаті зшивок макромолекул твердого полімеру утвориться тривимірна структура хімічних зв'язків. Зшивка молекул рідкого полімеру приводить до втрати плинності системи і реакції отвердіння. Будівля основного ланцюга макромолекули може бути лінійної, розгалуженої і зшитий. Вплив на поверхню полімеру плазми, що містить кислоту приводить до підвищення здатності до адгезивному зв'язування, створенню активних центрів для приєднання хімічними зв'язками інших молекул; підвищенню швидкості деструкції. При впливі плазми, що містить азот, відбувається руйнування органічних сполук, прискорена рекомбінація вільних радикалів, а також впровадження азоту в поверхню з утворенням азот-вуглецевих чи координаційних зв'язків. Плазма містить у своєму складі хоча б один тип мономера, що може бути перетворений у полімер. При подальшому проведенні синтезу і зміни напряму руху газового потоку вниз, настає укрупнення, ущільнення часток і перехід їх в агрегатний стан, у виді гранул і волокон з інтенсивним утворенням полімерного шару, як в обсязі так і на твердих поверхнях, шляхом конформації і сильної паралелізації гнучких макромолекулярних ланцюгів, що містять "стержнеподобные" молекули. При русі, молекули вибудовуються паралельно один одному в напрямку потоку. Вони зберігають свою орієнтацію до осадження й утворення агрегатної пористої маси необхідної товщини з забезпеченням фільтрації потоку і висновку синтезованої речовини з реактора при температурі стеклоообразования, для одержання матеріалів різного призначення, а саме каталітичних, теплоізоляційних і будівельних багатотоннажних конструкцій. За цією технологією формування волокон і утворення полімерного сполучного здійснюється в реакційному обсязі реактора одночасно. А значить немає третього компонента матеріалу - границі фаз між волокном і матрицею. Дуже часто це найбільш слабке місце матриала, і саме тут починається руйнування під впливом зовнішнього середовища, навантажень і інших впливів. Хімічний зв'язок між волокном і матрицею підсилює міцність нашою композиційного матеріалу. Полімерні композиційні матеріали забезпечують зниження маси виробів, збільшують термін експлуатації в екстремальних умовах, мають низьку щільність, а значить тим менше матеріалу потрібно для виготовлення виробів. Приклад. Вихідна суміш з температурою 600-650°С, що містить мономолекулярно-дисперсний компонент, наприклад димові гази при згорянні вугіль, що містять тверді частки золи, палива, сажі і летучі речовини в діапазоні дисперсності 1-1000мкм, щільність 2,5г/см3, швидкість подачі 2-2,5м/с. У результаті взаємодії низькотемпературної плазми продукту реакції горіння вуглеводневого палива, що дисоціює в компоненти, і продукту реакції горіння вугілля відбувається каталітичне перетворення вихідної речовини в більш високомолекулярний стан. При цьому відбувається догорання палива і плавлення часток, що підвищує теплоенергетичний рівень і реакційність об'єму, а наявність оксидів металу і чистого вуглецю, що є адсорбентами, сприяє ефективному проведенню процесу синтезу. Використання даного способу дозволяє виключити фільтруючу систему, знизити витрати на установку і повністю використовувати продукти реакції горіння вугілля і забезпечити очищення димових газів. Ця технологія дозволяє для одержання полімерних матеріалів використовувати всі продукти реакції горіння твердого палива і робити на їхній основі багато матеріалів, а саме, багатотоннажні будівельні конструкції безпосередньо на теплових електростанціях. Завдяки цій унікальній технології скорочуються втрати палива, підвищується коефіцієнт корисної дії електростанцій, скорочуються витрати на транспортування відходів, з'являється можливість одержання виробів великого розміру при мінімальних капіталовкладеннях в устаткуванні. Таким чином вирішується задача по ліквідації відходів, не забруднюється навколишнє середовище, виключається розсіювання викидів через висотні димарі, ефективно використовується шлак і димові гази. Технічний результат - поліпшення екологічної ситуації за рахунок використання техногенних відходів виробництва, поліпшення фізико-механічних властивостей готових виробів і скорочення енерговитрат на їхнє виробництво.