авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


172 Вестник ТГАСУ № 2, 2012

УДК 338.3.01:542.913:549.642.41

МАНАНКОВ АНАТОЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, докт. геол.-мин. наук, профессор,

mav.39 РАХМАНОВА

ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА, ст. преподаватель,

Томский государственный архитектурно-строительный университет,

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

ИННОВАЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

КЛАССА «СИКАМ» И КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ЭТАП

ИХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

В статье приведены результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований при создании новых полифункциональных материалов класса «сикам».

Рассмотрены проблемы стратегического и инновационного менеджмента отрасли, свя занной с материаловедением, в условиях новой экономики. Представлена классифика ция и дана характеристика стадий концептуального этапа инновационных синтетиче ских материалов, начиная со стратегического маркетинга и заканчивая опытно-кон структорскими разработками.

Ключевые слова: новшество;

стадии и этапы жизненного цикла инновации;

стеклокристаллические материалы;

синтетический -волластонит;

промышлен ные отходы.

MANANKOV, ANATOLIY VASILJEVICH, Dr. of geolog.-mineral sc., prof., mav.39@mail.ru RAKHMANOVA, IRINA ANATOLYEVNA, Tomsk State University of Architecture and Building, 2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia INNOVATIVE BUILDING MATERIALS CLASS «SIKAM»

AND CONCEPTUAL STAGE OF THEIR LIFE CYCLE The article presents the results of theoretical, experimental and practical researches for crea tion of new class of multifunctional materials "Sikam". The problems of strategic and innova tion management of industry related to materials science are considered. The classification and characteristics of the stages of the conceptual phase of innovative synthetic materials ranging from strategic marketing to the experimental - design development are presented.

Keywords: innovation;

stages and phases of the life cycle of innovation, glass crystalline materials, synthetic -wollastonite, industrial waste.

В современном материаловедении реализация концепции «инновации для экономического развития – IFED» все сильнее сопрягается с проблемами комплексного безотходного использования природных ресурсов и вовлечения многотоннажных промышленных отходов в экологически чистые и безотход ные инновационные технологии.

Количество промышленных отходов за последние сто лет растет по экс поненте. В мире ежегодно образуется только твердых техногенных отходов бо лее 25 млрд т. Из этого количества почти третья часть – более 7 млрд т прихо дится на Россию. На территории РФ на начало 1996 г. накоплено в принадле А.В. Мананков, И.А. Рахманова, Инновационные строительные материалы класса «сикам»

жащих предприятиям хранилищах, накопителях, складах, могильниках, поли гонах, свалках и других объектах 1405 млн т отходов производства и потребле ния. Площадь, занимаемая местами организованного захоронения отходов, со ставила 200 тыс. га. В настоящее время широко распространена практика выво за промышленных отходов в места неорганизованного складирования (несанкционированные свалки), что представляет особую опасность для окру жающей среды. Трудно переоценить негативный экологический эффект от сложившейся ситуации. Так, по статистическим данным, показатель заболевае мости населения городов России имеет устойчивую тенденцию роста во всех возрастных группах.

Геоэкологические проблемы техногенных отходов связаны не только с охраной окружающей среды, но и непосредственно с экономическим разви тием регионов. Образование отходов служит также показателем нерациональ ного использования природных ресурсов, в то время как запасы многих из них находятся на грани истощения. Поэтому реабилитация промышленных отхо дов представляется актуальной природно-ресурсной, природоохранительной, геоэкологической и экономической задачей. Утилизация отходов является, с одной стороны, средством повышения эффективности производства и сбе режения ресурсов, а с другой – естественным, обязательным условием восста новления равновесия в биосфере, поскольку позволяет снижать нагрузку на экосистемы и повышать их устойчивость.

В России в течение ряда лет действовала Федеральная целевая про грамма «Отходы» (первый этап с 1994 по 2000 и второй с 2001 по 2010 гг.), основной целью которой являлось обеспечение одного из базовых условий экологически безопасного устойчивого развития страны. В рамках ее реализа ции вскрылась необходимость: 1) создания нормативной, естественнонаучной и технологической базы, т. е. единой государственной политики в сфере об ращения с отходами на всех уровнях, 2) обеспечения стабилизации, а в даль нейшем сокращения и ликвидации загрязнения окружающей среды отходами, 3) выхода на экономию природных ресурсов за счет максимального вторично го вовлечения отходов в хозяйственный оборот.

Одним из перспективных направлений инновационного процесса явля ется полная переработка промышленных отходов в рамках региональных хо зяйственных комплексов. Оно включает в себя извлечение из промышленных отходов дефицитных металлов (благородных, цветных, редких, радиоактив ных и др.) и создание строительных и конструкционных материалов с высо кими эксплуатационными свойствами взамен природных, традиционных ма териалов и металлов. Реализация этой стратегии позволит существенно, более чем на 25 %, уменьшить потребление первичных природных ресурсов [1].

Разработка новых технологий извлечения металлов и производства ряда важных в практическом отношении минералов и материалов – подлинная ре волюция в минералогии и материаловедении. К подобным минералам отно сится -волластонит, который интенсивно внедряется в ведущие отрасли про мышленности. Британское общество по изучению керамики заявило, что «…если появится дешевый синтетический -волластонит, то в ближайшем будущем наступит “эпоха волластонита”» [2].

174 А.В. Мананков, И.А. Рахманова Для реализации наукоемких технологий получения инновационных ма териалов необходимо повышать уровень стратегического планирования. Как показывают исследования, на ранних стадиях жизненного цикла объектов формируются их стратегические параметры. Затраты на нормирование пара метров в сотни – тысячи раз меньше трат на разработку, изготовление и экс плуатацию. То есть деньги, вложенные в прогнозирование и оптимизацию стратегических параметров объектов, на последующих стадиях жизненного цикла дают экономический эффект, в сотни-тысячи раз превышающий перво начальные вложения. Для оптимизации стратегических параметров необхо димо применять научные подходы и принципы, современные методы и моде ли анализа, прогнозирования и экстраполяции.

Характеристика состава стадий и особенностей концептуального этапа жизненного цикла инновационных синтетических материалов Для достижения современного технологического уровня развития матери аловедческой отрасли экономики в нашей стране приоритет должен быть отдан развитию не на основе факторов производства и инвестиций, а на основе иннова ций. Эта стратегия вытекает из анализа теории длинных волн в экономике стра ны. Для этого прогнозируется выработка и реализация механизмов быстрого пре вращения новых знаний в наукоемкие технологии и далее – в массовое производ ство. Ученые сходятся во мнении, что теперь инновации должны быть востребованы не отдельными предпринимателями или компаниями, а нацио нальной экономикой в целом. Современный постиндустриальный этап отличает ся от предыдущего созданием базы для развития национальной инновационной системы (НИС) и, по логике, его нужно именовать «инновационной экономи кой». Инновация есть конечный результат внедрения новшества с целью полу чения экономического, социального, научно-технического или других эффектов.

При этом новшество – оформленный результат фундаментальных, прикладных исследований, разработок или экспериментальных работ в какой-либо сфере дея тельности по повышению её эффективности.

Для разных новшеств состав первого (концептуального) этапа жизнен ного цикла инновации варьируется за счет количества стадий, необходимых для определения преимуществ новшества. Так, для внедрения новых меха низмов и механизации строительства первый этап должен содержать ровно три стадии: фундаментальные научно-исследовательские работы, прикладные научно-исследовательские работы, опытно-конструкторские разработки [3].

Для объектов потребления чаще используют следующие стадии: научные исследования по поверке возможности материализации нормативов конкурен тоспособности, разработка принципиальных вопросов развития технологии, товаров, разработка проектно-конструкторской и нормативной документации на новый товар. Для объективной характеристики новшества предложено вве сти в первый этап жизненного цикла стадию стратегического маркетинга, которая важна также для более точного определения необходимости данного товара на данном рынке [4]. Однако остаются переменными многие аспекты этой стадии инновационного менеджмента.

Инновационные строительные материалы класса «сикам»

Учитывая значение концепции стратегического менеджмента и исходя из нашего многолетнего опыта, предлагаем следующую классификацию кон цептуального этапа жизненного цикла наукоемких материалов. Концептуаль ный этап содержит четыре логически связанные стадии: 1) стратегический маркетинг новшества, 2) фундаментальные исследования, 3) научно-приклад ные исследования, 4) опытно-конструкторские разработки.

Стадия стратегического маркетинга объекта Инновации справедливо считают залогом устойчивого экономического развития. Вместе с тем их относят к рисковому бизнесу. При участии государ ственных и региональных структур, обладающих необходимой компетентно стью, появится возможность выявлять перспективные новшества на основе стратегического подхода и минимизировать эти риски.

Становление теории инновационного управления в его современном по нимании ученые связывают с появлением научно-исследовательских лаборато рий, первых подразделений НИОКР в крупных университетах и промышлен ных компаниях. Так, в ТГУ усилиями профессоров И.К. Баженова и В.В. Се ребренникова в 1960–1966 гг. были созданы НИЛ «Природные изотопы», «Экспериментальная минералогия», а в 1985 г. профессор А.В. Мананков сформировал в ТГУ межвузовскую научно-техническую программу «Ком плексное использование природных ресурсов» Минвуза РФ. В этой программе заметное место уделялось вопросам реабилитации промышленных отходов страны. Функционирование программы, как показало время, привело к осозна нию необходимости создания программы стратегического развития, которая реализовала бы принцип: «будущее начинается сегодня».

Для разработки проектов новых комплексных инновационных техноло гий, включая производства синтетических материалов, в первую очередь про водят патентный поиск и изучают специальную литературу, детально осваи вая физико-химические диаграммы состояния и условия полиморфных пре вращений. В частности для оценки конкурентоспособности синтетического -волластонита учитывают, что минерал волластонит имеет три полиморфных модификации. Две из них – -волластонит и -волластонит – представляют собой метастабильные модификации, и только -волластонит является ста бильным. В случае пренебрежения детальным изучением теории создаются проекты без учета полиморфизма в этой очень сложной физико-химической системе. В результате получают никому не нужный метастабильный - или -волластонит.

В настоящее время общий годовой объем производства -волластонита в мире достигает 750 тыс. т, в том числе более одной трети составляет синте тический -волластонит. Расширение сфер использования синтетического -волластонита обусловлено тем, что у него есть целый ряд преимуществ пе ред природным: высокая степень чистоты, отсутствие засоряющих включений других минералов, однородность химического состава, реально достижимая низкая стоимость.

На Западе использование -волластонита в различных отраслях экономи ки распределяется следующим образом (%): керамическая промышленность – 176 А.В. Мананков, И.А. Рахманова 6;

литейное производство – 6;

производство пластмасс, красок и отделочных материалов – 27;

изоляционных керамических материалов для строительства – 21;

бумаги – 40. На мировом рынке минерал представлен 8 сортами, отличаю щимися габитусными характеристиками (отношением длины к толщине иголь чатых кристаллов -волластонита) и составом. В США и других странах накоп лен большой опыт по применению -волластонита. Минерал используется в производстве специальной радиокерамики, фаянса, фарфора, изоляторов с низкими диэлектрическими потерями, предметов санфаянса, облицовочных кирпичей, специальных цементов для керамики и абразивов, стекла;

широко применяется в качестве наполнителя в производстве бумаги, красок, пластмасс, лаков, резины, изоляционных материалов, клейких веществ, сухой штукатурки, а также для обмазки кокилей в металлолитейном производстве и т. д.

Минерал все шире применяется в производстве наполненных термо пластов: полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена.

Благодаря лучшим механическим, электрическим и тепловым свойствам по сравнению с асбестом и тальком, волластонит может быть использован в больших количествах (до 30 %) от объема композиционных материалов.

Полистирол, наполненный -волластонитом, становится матовым, что вызы вает эффект большой массы. Из подобной смеси можно изготавливать за пасные части станков и механизмов, автомобилей, стеновые плиты разнооб разных цветов и оттенков. В полипропиленовых композитах -волластонит позволяет сочетать экономию затрат на производство с высоким качеством изделий;

в поливинилхлоридных композитах благодаря его наличию отме чаются низкая влагоемкость, быстрая диспергируемость, малая усадка, а также возрастание прочности и повышение верхнего предела их темпера турной устойчивости.

-волластонит с органическим покрытием обеспечивает в качестве наполнителя улучшение механических свойств технических смол. Удлинен ный кристалл -волластонита с покрытием, нанесенным химическим путем, имеет тенденцию ориентироваться в направлении потока смолы. Свободный углерод и водородные цепи, отходящие от частиц с покрытием, соединяются со свободными С–Н-цепями смолы и образуют химические связи между наполнителем и смолой.

-волластонит, обладающий рядом преимуществ перед другими мине ральными наполнителями, широко применяется в производстве пластических масс для вулканизированных и термопластических (формованных и литых) резин, битумной и виниловой плитки, полиэфирных и эпоксидных смол. Ком позиты с -волластонитом в неотвердевшем состоянии характеризуются низ ким эффектом водяного поглощения, низкой диэлектрической постоянной и низкой вязкостью.

Важной областью использования -волластонита является лакокрасочная промышленность. Применение минерала в качестве наполнителя красок пер спективно благодаря его цвету, иглообразной форме зерен и низкому поглоще нию масла. Материал обладает ярко-белым цветом, что позволяет получать вы сококачественные белые и яркие чистые цветные краски. Иглообразная форма зерен волластонита придает краске способность распределяться ровно по по Инновационные строительные материалы класса «сикам»

верхности, а низкий коэффициент масляного поглощения (20–26 мл на 100 г) позволяет уменьшить расход связующего вещества и достичь высокой степени концентрированности пигмента. Сверхтонкий -волластонит мокрого помола применяется при изготовлении специальных латексных красок, которые ис пользуются для нанесения отметок на проезжей части дорог [5].

В России, несмотря на имеющиеся приоритетные научные результаты [9], до сих пор практически весь объем -волластонита закупается за рубежом, в основном в Финляндии и Германии. Необходимо создание центров произ водства синтетических материалов в России, особенно на территории Том ской области и всего Сибирского региона, которые обладают значительными энергетическими ресурсами, уникальным местным минеральным сырьём и огромными запасами промышленных отходов.

Стадия фундаментальных исследований Прогресс немыслим без участия минералов и наук, предметом изучения которых они являются. Общее количество установленных и изученных мине ралов в природе, по сравнению с 3 млрд органических видов, весьма ограни ченно и едва превышает 8 тыс. К началу третьего тысячелетия пришло осо знание физической ограниченности минеральных и других природных ресур сов планеты Земля. Поэтому разработка новых технологий производства ряда важных с нынешних позиций минералов – актуальная проблема. Природа со здает запасы минералов в течение геологического времени, нередко в течение миллионов лет, а ученые сегодня способны осуществлять этот процесс за счи танные часы.

Эпоха космических исследований также немыслима без достижений физической геохимии силикатных и алюмосиликатных систем, эксперимен тальной и технической минералогии и петрографии. Законы физической хи мии стали применяться в минералогии и петрографии с конца XIX в., но глав ные успехи, связанные с применением законов гетерогенных равновесий в минералогии, и особенно в минералогии силикатов, достигнуты во второй половине ХХ в. В настоящее время на технологических линиях производится более 75 искусственных минералов. Сегодня известно 435 минеральных видов силикатов, 30 типов конденсированного кремнезема, более 1500 отдельных силикатов, их разновидностей и аналогов, относящихся примерно к 900 си стемам с различным числом компонентов.

Бинарные силикатные системы изучены приблизительно на 90 %, для них установлены диаграммы состояния. Тройные силикатные системы, коли чество которых в 50 раз больше двойных, изучены на порядок слабее. В сили катах, как и других соединениях, максимальные величины температур плав ления и изобарного потенциала понижаются с увеличением числа компонен тов, вводимых в виде оксидов [6].

С увеличением в системах числа компонентов до 6–8 происходит скач кообразное увеличение числа силикатов (до 5,46), образуемых из 100 стабиль ных оксидных форм химических элементов и оксида кремния. Эксперимен тально установлено, что силикаты относятся к наиболее стабильным неорга 178 А.В. Мананков, И.А. Рахманова ническим соединениям. Выявлены приближенные пределы их стабильности в координатах температура – давление (Т – Р). Высокая стабильность и широ кое распространение силикатов в земной коре и мантии Земли, на Луне, в ме теоритах, тектитах и других космических телах делают их перспективными для фундаментальных и прикладных исследований [7, 8].

Благодаря научной прозорливости основоположника сибирской школы минералогов и геохимиков профессора И.К. Баженова, в Томском госуниверси тете, начиная с 1972 г., ведутся фундаментальные и практические исследования в области физической геохимии силикатных систем для создания научных основ минералогенеза, рудо- и петрогенеза и разработки новых мономинеральных ма териалов с заданными структурами и свойствами. В рамках этого научного направления в первую очередь решались такие задачи: 1) комплексное изучение физико-химических свойств расплавов (вязкости, теплопроводности, электро проводности и т. п.), нано- и микроструктурных превращений и морфокинетиче ских особенностей фаз в зависимости от химического состава и парциального давления кислорода и температуры;

2) разработка петро-геохимической класси фикации промышленных отходов бывшего СССР как исходного сырья для син тетических минералов и материалов;

3) изучение энергетических эффектов, ме ханизмов и кинетики фазовых превращений, включая жидкостную несмесимость, зародышеобразование и рост кристаллов;

4) разработка многофакторных кинети ческих моделей процессов кристаллизации и структурообразования;

5) создание нового класса мономинеральных стеклокристаллических материалов (класс «си кам»), получивших правовую защиту в виде более 40 авторских свидетельств и патентов (включая международные).

Многолетние экспериментальные исследования условий образования минералов выявили ряд особенностей, не вписывающихся в ставшие уже тра диционными рамки термодинамических закономерностей. Стало очевидно, что вероятностно-статистический подход не дает ключа к пониманию меха низмов зарождения и развития кооперативной структуры минералов, он также мало пригоден для описания аномально высоких скоростей диффузии и кри сталлизации, реально наблюдаемых в опытах. Кроме того, выявлены и значи тельные трудности в описании энергетического баланса процессов как высо котемпературных, включающих расплавную фазу, так и низкотемпературных, происходящих в природных гипергенных условиях. Именно поэтому в конце ХХ в. возник целый ряд новых научных направлений, ориентированных на решение возникших противоречий: неравновесная термодинамика, макроки нетика, синергетика. В 1996 г. сотрудниками Научно-исследовательской ла боратории кинетики минералообразования и кристаллофизики ТГУ предло жен новый подход к исследованию проблем структурирования вещества, ос нованный на принципах волновой механики и интерференционных эффектов [5]. Благодаря ему удалось объяснить целый ряд явлений природного и техно генного минерагенеза, аномальных с традиционных точек зрения, и предло жить ряд прогностических схем, по-новому раскрывающих механизмы при родного и технического минерагенеза, в том числе применительно к принци пиально новым способам и технологиям получения -волластонита и других силикатов с перспективными свойствами.

Инновационные строительные материалы класса «сикам»

Стадия научно-прикладных исследований В научно-исследовательской лаборатории кинетики минералообразования и кристаллофизики Томского государственного университета создан банк дан ных промышленных отходов предприятий бывшего СССР, учеными были пред ложены низкоэнергетические и экологически приемлемые способы и технологии полной переработки промышленных отходов с попутным извлечением из них благородных, редкоземельных и других металлов. Объекты техногенного мине рального сырья, накопившиеся на промышленных предприятиях Томска, Ново кузнецка, Красноярска, Барнаула, Ачинска, исследованы наиболее полно [10, 11].

По результатам изучения минерального и химического состава техногенного сы рья разработана петро-геохимическая и технологическая классификация про мышленных отходов. Так, шламы глиноземных и фосфорных предприятий могут найти применение для получения высококачественных наиболее чистых -волластонитовых сикамов с низким содержанием железа. Металлургические шламы с минимальными подшихтовками пригодны для производства износо стойких геденбергитовых сикамов или еще более ценных диопсид-авгитовых сикамов. Составы после доизвлечения редких и других металлов в комбинациях друг с другом можно использовать для получения мономинеральных цепочечных как волластонитовых, так и пироксеновых материалов.

Первый петрохимический класс техногенного сырья представлен от вальными отходами химико-металлургических предприятий фосфорного, глиноземного и других производств. В него объединены весьма близкие по составу главных ингредиентов шламы Ачинского и Пикалевского глинозем ных комбинатов, шлам Красноярского химического завода, а также шлаки и шламы фосфорного производства.

Второй петрохимический класс составляют ваграночные шлаки метал лургических комбинатов и заводов. По химическому составу они соответ ствуют метасиликату кальция с заметным содержанием глинозема и оксидов железа. Количество оксида магния не превышает 2,0, а щелочей – 1,0 вес. %.

В качестве элементов-примесей присутствуют в сверхкларковых количествах Hg, Ti, Cr, V, Ва, Со, Ni, Sn, Sr, Zr, Cu, Mo, Ga, Hf, Та, Sc и S. Кроме того, в белитовых шламах содержатся лантаноиды и актиноиды (около 380,0 мг/кг).

Присутствие такого спектра металлов определяет особую ценность шлама как объекта комплексного безотходного использования.

Третий петрохимический класс образуют доменные металлургические шлаки и отходы обогащения Железногорского месторождения. По соотноше нию основных литофилов они приближаются к недонасыщенным кремнезе мом железосодержащим метасиликатам пироксенового состава (авгиту, ге денбергиту и диопсиду). Геохимия этих сырьевых ресурсов отличается от предыдущего класса еще большим разнообразием.

Четвертый петрохимический класс вторичного минерального сырья со ставляют отходы переработки каменного угля в ТЭЦ и ГРЭС. Химический состав весьма напоминает предыдущий класс. Главное отличие заключается в повышенной концентрации глинозема (до 27,0 вес. %), для извлечения кото рого уже существует несколько известных технологий. Геохимия зол и шла 180 А.В. Мананков, И.А. Рахманова ков от сгорания каменного угля настолько разнообразна и привлекательна, что по этому критерию они должны рассматриваться как суперконцентрат для комплексного извлечения черных, цветных, благородных и других металлов.

Только содержание редкоземельных элементов в них составляет около 650,0 мг/кг. В США, Японии и других развитых странах эти элементы (пре имущественно цериевой группы) извлекаются в промышленных масштабах во все возрастающих объемах. Освобожденная от металлических фаз силикатная фракция пригодна для получения экологически чистых многофункциональ ных материалов.

Пятый петрохимический класс включает в себя промышленные отходы обогащения и переработки уникальных нефелиновых руд месторождений Си бири, отходы обогащения ПО «Апатит» и промышленные отходы электро лампового производства. Их общей особенностью является возрастание роли щелочных металлов и повышенное содержание оксидов железа, а также гли нозема. Шестой петрохимический класс представлен промышленными отхо дами в виде пиритных огарков, которые почти на 80 вес. % состоят из оксидов железа с примесью кремнезема и глинозема.

Седьмой петрохимический класс техногенных месторождений включает многотоннажные отходы в виде формовочного кварцевого песка металлурги ческих заводов и пыли уноса ферросплавного завода. В соответствии с назва нием в них доминирует кремнезем, сильно загрязненный оксидами железа.

Другие литофильные элементы присутствуют в незначительных количествах.

Коррекция химического состава основного сырьевого компонента, ко торым в нашем случае являются силикатные промотходы или суглинок, мо жет быть осуществлена с помощью одного или нескольких других природных минералов (или пород). Для модификации и корректировки могут быть ис пользованы и промотходы своего регионально-хозяйственного комплекса.

Например, хорошие материалы получаются из металлургических шлаков, коррекция которых осуществляется с помощью горелой формовочной земли, являющейся обычно отходом того же производства, что и шлаки.

После разработки оптимальных технологических параметров для каждо го исходного состава были проведены серии высокотемпературных экспери ментов с целью получения образцов для изучения эксплутационных свойств, выявления эстетических возможностей сикамов, отформованных и закристал лизованных различными способами, а также выбора оптимального способа по лучения тонкодисперсного порошка.

Выбор сырьевых композиций является в технологии стеклокристалли ческих материалов важным, но не исчерпывающим этапом. Большое значение имеет поиск оптимальных кинетических параметров приготовления и термо обработки стекла. Поэтому получение материалов с удовлетворительными свойствами является в значительной мере результатом не только длительных экспериментов по подборке компонентов и их соотношений, но в какой-то степени – удачи и интуиции.

Кинетика кристаллизации стеклокристаллических материалов -волла стонитового состава – сложный процесс, который характеризуется скоростью зародышеобразования и роста кристаллов. Оба эти процесса, а также структу Инновационные строительные материалы класса «сикам»

ра зародышей и кристаллов зависят от ингредиентного состава, температур фазовых переходов и скоростей их достижения.

Полученные данные позволили оптимизировать технологические пара метры синтеза волластонитовых сикамов с заданным химическим составом в восьмерной системе SiO2 – Al2O3 – Fe2O3 – FeO – MgO – CaO – Na2O – K2O и требуемыми физико-химическими свойствами. Результаты исследований ис пользованы для разработки новых (экстремальных) технологий производства синтетического -волластонита, которые отличаются от существующих тем, что скорость кристаллизации в них возрастает в 100–200 раз, т. е. упрощается, удешевляется и ускоряется технологический процесс в целом [10, 11].

Корректно составленная сырьевая композиция для производства кристал лизующихся силикатных стекол – не единственное условие успешной реализа ции материала. Не менее важным является правильный выбор кинетических параметров выработки (формования) стекла и последующей его термообработ ки [7]. Несмотря на наличие результатов дифференциально-термического ана лиза стекла, окончательный выбор параметров диктует технологическая прак тика. Поэтому представляет интерес разработка такой методики, которая бы максимально приближалась к производственным технологическим условиям.

В течение ряда лет нами используется методика определения кинетиче ских параметров кристаллизации силикатных стекол, позволяющая вычленить в технологическом процессе кристаллизации изотермическую и нестационар ную компоненты процесса [6]. Новый кинетический подход разработан на по лупромышленной технологической линии, однако он, как показала практика, весьма эффективен и при модельных экспериментах.

Разработанная методика позволила не только с максимальной точно стью моделировать и оптимизировать технологический процесс, но и открыть новый информационный канал в изучении механизмов структурообразования в силикатных стеклах. Благодаря применению разнообразных физических ме тодов в изучении продуктов кристаллизации в кинетических сериях удалось выявить новый кристаллический полиморф волластонита, названный транс волластонитом (Т-волластонитом), проследить ход инверсии в полиморфных модификациях, а также собрать значительный материал по механизмам кри сталлизации минералов [7, 8].

В процессе плавления шихты не происходит полной диссоциации окис лов, сохраняются структуры, имеющие генетическое значение для последую щей эволюции вещества при фазовых переходах стекло – кристалл. Результаты изучения синтезированных стекол с помощью электронной микроскопии пока зывают широкие пределы их микрогетерогенности, обусловленные особенно стями минерального состава исходных компонентов шихт [11].

В технологическом плане проведенные исследования являются научной основой для проектирования скоростных и весьма эффективных (даже при малых мощностях) промышленных технологических линий производства но вых материалов класса сикамов (товарный знак № 92355).

Мономинеральные волластонитовые сикамы, по сравнению с известны ми полиминеральными шлакоситаллами, обладают более высокими физико механическими свойствами, т. к. в последних создаются в процессе термиче 182 А.В. Мананков, И.А. Рахманова ской обработки дополнительные напряжения на границах фаз, приводящие к снижению прочности изделий. Другое преимущество связано с многофунк циональностью мономинерального волластонитового сикама. В виде плиток он используется в качестве эффективного заменителя природного облицовоч ного камня. В тонкодисперсном состоянии, благодаря биологической инерт ности и игольчатому габитусу кристаллов, он применяется как модифициру ющий наполнитель во всех отраслях современного материаловедения.

Вместе с тем разработанные на основе новых фундаментальных идей си камы позволяют повысить в 100–200 раз скорость кристаллизации и тем самым сократить время технологического цикла, удешевить производство, сделать его более производительным и менее энергоемким по сравнению с существующими.

Стадия опытно-конструкторских разработок Волластонитовые материалы и другие мономинеральные сикамы могут использоваться для производства изделий путем прямого формирования горя чего стекла (литье, прессование) с последующей термообработкой, а также по порошковой (керамической) технологии, называемой технологией «грану лят». В последнем случае приготавливают из стекла шликер, формуют изде лия известным в керамической промышленности способом, затем спекают и кристаллизуют.

Для материалов -волластонитового состава характерны высокая проч ность, стойкость к истиранию и растворению в кислотах и щелочах. По физи ко-механическим свойствам разработанные материалы в 4–5 раз превышают природные облицовочные камни типа мрамора, гранита и в 2 раза – зарубеж ные аналоги.

Плотность сикамов волластонитового состава меняется в пределах 2,06–2,95 г/см3. Прочность на изгиб в зависимости от исходного состава ко леблется в весьма широких пределах – от 450 до 1700 кг/см3. Прочность на сжатие изменяется от 600–1600 до 5900 кг/см3, т. е. она выше, чем у природ ных облицовочных камней. Прочность на абразивный износ также характери зуется очень высокими показателями: от 0,01 до 0,024 г/см2. Химические свойства: водостойкость составляет от 0,22 до 0,61 см3/г, кислотостойкость – от 61 до 82 %.

В отличие от известных шлакоситаллов и сиграна, эти материалы явля ются экологически чистыми, не содержат добавок токсических элементов типа фтора и фосфора. В целом они соответствуют ГОСТ Р ИСО 14001–2007 [12].

Разработанные составы опробованы по технологии «гранулят»;

изго товлено более 10 тыс. м2 художественно-декоративных материалов в виде облицовочных плит самых разнообразных цветов и рисунков размером 30030015 мм.

При обработке тонко измельченного волластонита (от 325 меш до 1 мкм) кислотой можно получить пену, застывающую при охлаждении. При ведем один из способов её получения. Волластонит с размером зерен 325 меш или меньше смешивают с легкой фракцией гидрооксида алюминия и фосфор ной кислотой, затем эту смесь подвергают быстрому перемешиванию в ма Инновационные строительные материалы класса «сикам»

шине пенообразования, аналогичной аппарату для приготовления полиурета на. До момента отвердевания пена обладает текучестью, достаточной для то го, чтобы быть помещенной в сосуд, форму или плакировочную матрицу. Од новременно эта пена обладает достаточной вязкостью, для того чтобы удер живать пузырьки воздуха до момента отвердения. Процесс отвердения начинается через несколько минут после того, как пена готова, и в основном заканчивается в течение 60 мин. Хотя это не обязательно, можно применять подогрев вязкой массы до 200 °С, что ведет к упрочнению пены и повышению предела тугоплавкости и огнеупорности до 1093 °С.

Гранулированное стекло волластонитового состава может также найти широкое применение в качестве модификатора керамических масс либо их полного заменителя в традиционных технологиях.

Для получения ультрадисперсного порошка, пригодного в качестве мо дифицирующего биологически инертного наполнителя, использовали тради ционные способы мокрого помола в фарфоровых барабанах с уралитовыми шарами, а также дезинтегратор ДЕЗИПМ-1Ф научно-производственного объ единения «Дезинтегратор» (г. Таллин). Сравнительный анализ показал, что именно с помощью дезинтегратора можно получать более качественный игольчатый волластонит-наполнитель. Полученный с помощью дезинтеграто ра тонкодисперсный волластонит прошел успешные испытания в лаборатор ных и опытно-заводских условиях в качестве модифицирующего наполнителя резинотехнических изделий (кабельная резина, шины, обувь), линолеума, бе тонов, растворов, полипропилена и т. п. [13–15].

Проведены опытно-заводские технологические испытания по производ ству из промышленных отходов многофункциональных конструкционных и строительных стеклокристаллических материалов. Полученные результаты послужили научно-технической основой становления научного направления и научной школы, что нашло выражение в системе Минвуза страны в органи зации двух научно-технических межвузовских программ: «Комплексное ис пользование природных ресурсов – Природокомплекс» (1985) и «Фундамен тальные проблемы охраны окружающей среды и экологии человека» (1991).

Выводы Представлена классификация концептуального этапа жизненного цикла синтетического волластонита с выделением четырех стадий: стратегический маркетинг, фундаментальные исследования, научно-прикладные исследова ния, опытно-конструкторские разработки.

Детально охарактеризованы все стадии, необходимые для обоснования новшества и его внедрения на рынок в сегмент мономинерального сикама -волластонитового состава.

Социальный, экономический и экологический эффекты от использования этих материалов в развивающейся инфраструктуре, в частности, Томской обла сти и Западной Сибири более чем очевидны, особенно если учесть технологиче ские особенности разработок, а также ускоренные темпы потребностей в современных материалах, удовлетворяющих требованиям ресурсосбережения.

184 А.В. Мананков, И.А. Рахманова При реализации стратегии в сфере инновационной экономики государ ство должно начать активно проводить политику в области регулирования направлений создания научных новшеств, а также рынка инноваций, опера тивно реагируя на изменение текущих ситуаций. Необходимость подобных перемен рассмотрена на примере новшества – синтетического метасиликата, реализация которого имеет далеко идущие перспективы для экономики стра ны и который может занять надлежащий сегмент на мировом рынке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Report of Workshop on Country-Specific to Promote Cleaner Production // Industry and Envi ronment Program Activity/ Center UNEP/ Paris, France. 17–19 September, 1991.

2. Петров, В.П. Волластонит / В.П. Петров. – М. : Наука, 1982. – 112 с.

3. Дероберти, С.С. Управление инновационными процессами при механизации строитель ства / С.С. Дероберти, Н.Б. Васильковская. – Томск : Изд-во ТГАСУ, 1999. – 176 с.

4. Фатхутдинов, Р.А. Инновационный менеджмент / Р.А. Фатхутдинов. – СПб. : Питер, 2006. – 448 с.

5. Power, T. Wollastonite performance filler potential / T. Power // Industrial Minerals. – 1986. – V. 220. – P. 19–34.

6. Локтюшин, А.А. Кинетические особенности фазовых превращений в поле волластонита.

Природокомплекс Томской области / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков. – Томск : Изд-во ТГУ, 1990. – С. 53–56.

7. Локтюшин, А.А. Стабильные и метастабильные структуры синтетического волластони та / А.А. Локтюшин, А.В. Мананков // Матер. III совещ. «Минералогия Урала». – Миасс, 1998. – Т. 2. – С. 3–5.

8. Мананков, А.В. Кинетика фазовых переходов в базитовых расплавах и магмах / А.В. Мананков, В.Н. Шарапов. – Новосибирск : Наука, 1985. – 199 с.

9. Мананков, А.В. Волластонитовые, пироксеновые и другие материалы из промышленных отходов и недефецитного природного сырья / А.В. Мананков, Е.Я. Горюхин, А.А. Лок тюшин. – Томск : Изд-во ТГУ, 2002. – 166 с.

10. Мананков, А.В. Основы технической минералогии и петрографии / А.В. Мананков. – Томск : Изд-во ТГУ, 1979. – 193 с.

11. Минеральное сырье техногенных и природных месторождений для получения стекло кристаллических материалов / А.В. Мананков, В.М. Яковлев, В.С. Гудошникова [и др.]. – М., 1994. – 183 с. (Деп. ВИНИТИ. № 1514-В-94 от 17.06.94).

12. ГОСТ Р ИСО 14001–2007. Системы экологического менеджмента. Требование и руко водство по применению. – 29 с.

13. Мананков, А.В. Нетрадиционные строительные материалы класса сикамов / А.В. Манан ков, В.М. Яковлев // Строительные материалы. – 1995. – № 9. – С. 16–17.

14. А.с. 1331827 СССР. Способ получения волластонита / А.В. Мананков, Е.В. Горюхин, В.В. Хахлов [и др.] ;

заяв. 01.04.86 ;

опубл. 23.08.87, Бюл. 1987. № 31.

15. А.с. 1705741 СССР. Способ определения параметров кристаллизации силикатных сте кол / А.В. Мананков, А.А. Локтюшин ;

заявл. 14.03.90 ;

зарегистр. 15.09.91.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.