[
На правах рукописи
Семейкин Александр Юрьевич
РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ДИСПЕРСИЙ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТНЫХ ПАСТ
И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Специальность 02.00.11 – «Коллоидная химия»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Белгород – 2010 2
Работа выполнена в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Лопанов Александр Николаевич
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Брыков Алексей Сергеевич кандидат химических наук, доцент Ломаченко Владислав Александрович
Ведущая организация – Белгородский государственный университет
Защита состоится «30» июня 2010 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.014.05 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова) по адресу:
308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГТУ им. В.Г. Шухова.
Автореферат разослан «27» мая 2010 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета Л.Ю. Матвеева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Создание и развитие технологии дисперсных композиционных материалов и изделий с заданными функциональными свойствами является одной из актуальных задач материаловедения и основывается на принципах физико-химической механики и теории поверхностных явлений дисперсных систем. Большой интерес представляют электропроводящие композиционные дисперсные системы и материалы на основе силикатных связующих и углеродных электропроводящих наполнителей, так как они обладают набором характеристик (электропроводность, теплопроводность, механическая прочность), обусловливающих их применение в различных областях промышленности. На основе портландцемента и различных форм углерода возможно создание электропроводящих композиционных материалов для эффективных энергосберегающих нагревательных систем.
Электропроводящие композиционные материалы являются сложными многокомпонентными дисперсными системами. Основной проблемой в технологии данных систем является регулирование структурообразования в формовочных смесях и обеспечение равномерного распределения электропроводной фазы по объему для получения композитов со стабильными электрофизическими характеристиками. Решение указанной задачи позволяет управлять физико-химическими процессами взаимодействия между частицами, в частности, с помощью адсорбирующихся на их поверхности добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров.
Диссертационная работа выполнялась в рамках инновационного проекта «Разработка технологии производства электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных элементов» по государственному контракту с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на 2010–2012 гг.
Цель работы: разработка способов регулирования реологических и электрических свойств дисперсий на основе цементных паст и углеродных материалов для получения на их основе электропроводящих композиционных материалов и создания энергосберегающих низкотемпературных нагревательных систем.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
– изучение и анализ особенностей структурообразования в дисперсных системах цемент – углеродный наполнитель;
– исследование процессов агрегации частиц вяжущего и электропроводного наполнителя с учетом их поверхностных свойств;
– разработка составов электропроводящих композиционных материалов на основе цемента и углеродных материалов для получения стабильных в эксплуатации нагревательных систем;
– определение физико-механических и электрических свойств полученных материалов;
– разработка технологии получения низкотемпературных композиционных электронагревательных элементов (опытно-промышленный регламент);
– оценка экономической эффективности использования полученных электропроводящих композиционных материалов в качестве нагревательных элементов в системах электрического отопления.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были использованы современные методы исследований: реометрия, электрокинетические методы (электроосмос), кондуктометрия, растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, математическое моделирование.
Достоверность работы. Достоверность результатов работы обеспечена использованием стандартных методов исследований, математической обработкой результатов с использованием статистических методов, разработкой и апробацией технологического регламента производства электропроводящих композиционных материалов.
Научная новизна работы.
1. Выявлены закономерности структурообразования дисперсных систем на основе углеродных материалов (графит) и цементных паст, заключающиеся в том, что при массовой доле графита 0,15–0,2 происходит агрегация частиц углерода, увеличивается предельное динамическое напряжение сдвига, пластическая вязкость суспензий, изменяется электроосмотический перенос жидкости и электрическая проводимость цементного камня, полученного на основе дисперсий.
2. Установлено, что в дисперсиях цемент – графит с добавками эфиров поликарбоксилатов происходит снижение пластической вязкости с 0,6 до 0,01 Па·с и предельного динамического напряжения сдвига с 6 до 0,12–0,68 Па, что позволяет снизить количество воды в формовочной смеси на 25–30 % и получить электропроводящий композиционный материал с повышенными плотностью, прочностью, стабильными электрическими характеристиками при длительной эксплуатации.
3. Установлены закономерности изменения скорости электроосмотического потока в электролитах хлорида калия для систем цементная паста – графит, оксид алюминия – графит, песок – графит в зависимости от содержания дисперсной фазы, проводящей электрический ток, обусловленные изменениями величины и знака электрокинетического потенциала. Увеличение массовой доли графита до 0,15 в исследованных модельных системах при отрицательных зарядах поверхности приводит к перезарядке композиционной мембраны и изменению направления электроосмотического переноса жидкости.
4. Исследованы температурные зависимости электропроводности систем цементный камень – графит от массовой доли графита и полимерных добавок – карбоксиметилцеллюлозы и поливинилового спирта. Установлено, что снижение энергии активации проводимости с 16,35 до 6,37 кДж/моль в цементном камне без добавок полимеров при увеличении массовой доли графита от 0,2 до 0,4 обусловлено увеличением числа контактов между частицами токопроводящей фазы и образованием цепочечных структур по линиям тока. В присутствии полимеров наблюдали увеличение значений энергии активации проводимости вследствие образования плотных адсорбционных слоев вокруг частиц токопроводящей фазы.
Практическая значимость.
1. Разработаны составы электропроводящих композиционных материалов на основе цементного вяжущего и углеродных наполнителей (графит, технический углерод) для нагревательных элементов в строительных конструкциях, обладающих сравнительно низкой стоимостью и стабильностью свойств при длительной эксплуатации.
низкотемпературные композиционные электронагревательные элементы для создания систем отопления в помещениях различного назначения.
3. Разработан технологический регламент по производству низкотемпературных композиционных электронагревательных элементов на основе электропроводящих композиционных материалов.
Внедрение результатов работы. Разработанные составы материалов и технология их изготовления приняты к внедрению в производстве низкотемпературных нагревательных элементов на ОАО Завод «Электромашина» (Белгород).
Основные положения работы, выносимые на защиту:
– закономерности изменения реологических свойств в дисперсных системах цемент – графит;
– закономерности изменения электроповерхностных свойств в указанных электропроводящих дисперсных системах;
– температурные закономерности электрической проводимости в системах цемент – графит в присутствии полимерных добавок;
– составы электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных систем;
– взаимосвязь между физико-механическими и электрическими свойствами электропроводящих композиционных материалов;
низкотемпературных нагревательных элементов для нагревательных систем.
Апробация результатов работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на конференциях:
Всероссийской конференции инновационных проектов студентов и аспирантов «Индустрия наносистем и материалы» (Зеленоград, 2006);
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (г. Губкин, 2007, 2009); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008, 2009); XXI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-21» (Саратов, 2008); III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 2008); Всероссийской научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи» (Москва, 2008); IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2009 (диплом I степени, Москва, 2009);
Всероссийской научно-практической конференции «Строительство-2009»
(Ростов-на-Дону, 2009), III Международной выставке – Интернет конференции «Энергообеспечение и строительство» (Орел, 2009).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 11 научных публикациях, в том числе в одной статье в рецензируемом издании, рекомендованном ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 164 наименований и шести приложений.
Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, включающего таблиц, 38 рисунков и фотографий.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Регулируемая электрическая проводимость композитов на основе портландцемента и углеродных материалов и их способность поглощать и рассеивать электрическую и магнитную энергию являются основаниями для получения эффективных материалов для нагревательных элементов и систем защиты от электромагнитного излучения.
Особенность этих наполненных твердой фазой дисперсных материалов заключается в том, что на начальной стадии их получения из дисперсных систем вследствие развитой межфазной поверхности и высокой концентрации дисперсных фаз в жидкой дисперсионной среде самопроизвольно возникают термодинамически устойчивые пространственные коагуляционные структуры, образуемые частицами твердой фазы, разделенными равновесными прослойками жидкой дисперсионной среды. Использование пластификаторов и полимерных добавок дает возможность обеспечивать равномерное распределение частиц токопроводящей фазы, регулировать процессы структурообразования в смеси, электрические и физико-механические свойства композита.
В качестве объектов исследования использовали системы дисперсий графита в цементных пастах. Вяжущий компонент системы – портландцемент CEM I 42,5N (ГОСТ 31108–2003) ЗАО «Белгородский цемент» со средней удельной поверхностью 0,31 м2/г (табл. 1). В качестве электропроводящего компонента использовали графиты марок ГЛ-1, ГСМ-2, ГТ-1 Завальевского месторождения, соответствующие ГОСТ 17022–81, а также технический углерод марки П803 (ГОСТ 7885–86) (табл. 2, 3).
Химический и минералогический состав цемента CEM I 42,5 N Массовая доля, %, не более:
Тонина помола:
Физико-химические параметры технического углерода В качестве пластифицирующих добавок использовали пластификаторы на основе эфиров поликарбоксилатов Muraplast FK 69 (производства MC Bauchemie Russia, ТУ 5745-020-51552155-2007), Хидетал ГП-9 (производства ОАО «СКТ-Стандарт», ТУ 5745-009-57013360-2007). В качестве полимерных добавок использовали Na-карбоксиметилцеллюлозу и поливиниловый спирт. В качестве наполнителя при получении электропроводящих композиционных материалов использовали кварцевый песок НижнеОльшанского месторождения с Мкр = 1,4, соответствующий ГОСТ 8736– (2001).
Реологические свойства дисперсий графита в цементных пастах Исследование реологических свойств суспензий цемент – графит проводили с помощью ротационного вискозиметра Rheotest 2.1 при однородном сдвиге исследуемых систем в узком зазоре между коаксиальными цилиндрами в интервале скоростей сдвига от 0 до 145 с–1 (12 уровней). Получали зависимости напряжения сдвига и вязкости от скорости деформации, имеющие вид, представленный на рис. 1.
В работе использовали модель, согласно которой в электропроводящих цементных пастах существует коагуляционная структура из частиц углерода и коагуляционно-кристаллизационная структура твердеющего цемента.
Реологические кривые течения суспензий цемент – графит (соотношение жидкой и твердой фаз 0,32–0,6) интерполировали методом наименьших Рис. 1. Реологические кривые течения в коордеформации = 1 с–1; – скодинатах – и суспензий цемент – графит с 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,3 соответственно течения идеального вязкопластического тела Бингама.
Модель Гершеля – Балкли адекватно описывает экспериментальные реологические кривые для исследуемых систем (коэффициент корреляции составляет 0,97–0,99), что позволяет говорить о вязкопластичном характере их течения. При этом суспензии цемент – графит без добавок проявляют отклонения от вязкопластичного характера течения (индекс течения n составляет 0,39–0,76). В присутствии пластифицирующих добавок значения параметра n становятся равными 0,73–1,025, т.е. характер течения суспензий приближается к течению по модели Бингама – Шведова (HB 0, kHB пл).
Наличие пластифицирующих добавок обусловливает высокую степень обратимого разрушения коагуляционных структур – в исследуемых суспензиях происходит снижение величины предельного напряжения сдвига и пластической вязкости (рис. 2, 3).
В области массовых долей графита 0,15–0,2 наблюдали увеличение напряжения сдвига 0 и пластической вязкости пл соответственно до 7,79 Па и 0,196 Па·с (рис. 3). Вероятно, в суспензии с содержанием массовой доли графита, равной 0,15–0,2 происходит образование сплошной трехмерной пространственной структуры из контактирующих частиц графита. Это подтверждается данными по измерению электрической проводимости образцов затвердевшего цементного камня с различной массовой долей графита (измерения проводили на 28 сутки твердения в нормальных условиях) (рис. 4).
0, 0, 0, 0, 0, Рис. 2. Зависимость пластической вязко- Рис. 3. Зависимость предельного династи цементно-графитовых паст от массо- мического напряжения сдвига цементновой доли графита: 1 – без добавок; графитовых паст от массовой доли грас добавкой Muraplast FK69; фита: 1 – без добавок; 2 – с добавкой Muraс добавкой Хидетал ГП 9 plast FK69; 3 – с добавкой Хидетал ГП Установлена критическая массовая концентрация графита в цементных пастах, равная 0,15, при которой образуется сплошная трехмерная сетка из контактирующих частиц графита. Это подтверждается увеличением соответствующих реологических параметров паст (предельное динамическое напряжение сдвига и пластическая вязкость), а также данными по измерению электрической проводимости композитов с различной массовой долей графита. Введение пластифицирующей добавки в систему цемент – графит снижает пластическую вязкость суспензий. Изменение пластической вязкости суспензий позволяет снизить количество воды в формовочной смеси на 25–30 % и получить композиционный материал, проводящий электрический ток.
Композит обладает повышенными плотностью, прочностью, стабильными электрическими характеристиками по сравнению с бездобавочным.
Рис. 4. Зависимость удельной электропро- взаимодействия частиц графита водности цементных паст (1) и образцов затвердевшего цементного камня (2) от масдоли в суспензии рассчитывали совой доли графита теории ДЛФО для плоских пластин (табл. 4).
Энергия взаимодействия между частицами графита Изменение усредненной толщины прослойки жидкости между частицами от объемной доли графита указывает на то, что частицы графита коагулируют во вторичном минимуме. Сольватные оболочки вокруг частиц графита создают потенциальный барьер, препятствующий коагуляции частиц в первичном минимуме. Величина потенциального барьера определяется величиной заряда поверхности. Согласно расчету величины расстояний между частицами, при объемной доле графита в суспензии, равной 0,143, частицы сближаются на расстояние около 50 нм, что соответствует величине вторичного потенциального минимума, вследствие чего происходит агрегация частиц. Таким образом, объемная доля графита 0,143 (массовая 0,15) соответствует концентрационному порогу, при котором образуется устойчивая структура из агрегатов частиц, обеспечивающая протекание электрического тока в объеме системы.
Электрокинетические свойства электропроводящих Исследованы зависимости изменения электрокинетических свойств (электроосмотического переноса жидкости и электрокинетического потенциала) композиционных мембран от массовой доли электропроводящего наполнителя (графита). Расчет значений -потенциала проводили по уравнению Гельмгольца – Смолуховского для электроосмоса. Для исследования использовали систему цемент – графит, а также модельные системы Аl2O3 – графит и кварцевый песок – графит (рис. 5, 6). На модельных системах установлено, что вблизи массовых долей графита, соответствующих величине концентрационного порога протекания электрического тока имеет место увеличение значения электрокинетического потенциала системы. Это связано, вероятно, с тем, что суммарный заряд композиционной мембраны при концентрации графита выше концентрационного порога протекания электрического тока определяется зарядом частиц токопроводящего компонента.
Рис. 5. Зависимость -потенциала сис- Рис. 6. Зависимость -потенциала систем тем цемент – графит (1) и молотый квар- Al2O3 – графит в растворах KCl цевый песок – графит (2) от массовой (1 – в 0,01 н.; 2 – в 0,001 н.) и молотый доли графита в 0,01 н. растворе KCl кварцевый песок – графит (3) в 0,001 н.
Исследование электроповерхностных свойств цементных систем затруднено тем, что в результате гидратации частиц цемента состав дисперсной фазы и дисперсионной среды непрерывно изменяется, поэтому перед измерением проводили отмывку поверхности цемента. Установлено, что исследуемый цемент имеет слабый положительный заряд поверхности (+3,4 мВ), обусловленный наличием в поверхностном слое ионов Са2+, образующихся при диссоциации Са(ОН)2, который является одним из основных продуктов гидратации в начальный период. В системах цемент – графит наблюдали увеличение -потенциала композиционных мембран в 0,01 н. растворе хлорида калия с максимумом в области массовых долей графита 0,15.
На модельных системах оксид алюминия – графит и кварцевый песок – графит в области массовых долей графита, соответствующих концентрационному порогу протекания электрического тока в 0,001 н. растворе хлорида калия наблюдали перезарядку композиционных мембран; в 0,01 н. растворе хлорида калия наблюдали увеличение -потенциала в области массовых долей графита 0,15.
Температурные зависимости электрической проводимости систем Температурная зависимость электрической проводимости является важным параметром, характеризующим стабильность электрофизических свойств композиционных материалов на основе систем цемент – графит.
Рассчитаны величины энергии активации проводимости в модельных системах цемент – графит в зависимости от массовой доли электропроводящей фазы. Энергию активации проводимости рассчитывали по уравнению (2). Для этого получали температурные зависимости электропроводности системы цемент – графит в виде графика: на оси абсцисс – 1000/Т, на оси ординат – соответствующие значения ln. По тангенсу угла наклона, образованного горизонтальной координатной осью с прямой линией, находили значение энергии активации проводимости.
где – удельная электропроводность, Ом м ; 0 – собственная электропроводность; 1 – примесная электропроводность; Е – энергия активации собственной проводимости; Е1 – энергия активации примесной проводимости;
k – константа Больцмана, 1,3810–23 Дж/К; Т – абсолютная температура, К.
моль Рис. 7. Зависимость энергии активации Рис. 8. Зависимость энергии активации проводимости от массовой доли графита: проводимости от массовой доли графита Установили, что значения энергии активации проводимости находятся в пределах 6,26–16,42 кДж/моль (рис. 7–9). С увеличением концентрации электропроводной фазы наблюдали снижение энергии активации, вследствие возрастания числа контактов между частицами и образования сплошных цепочечных агрегатов по линии тока. В образцах на основе графитов марок ГТ-1 и ГЛ-1 происходит снижение энергии активации с 16,42 до 6,26 кДж/моль в диапазоне массовых долей от 0,2 до 0,4, а в образцах на основе графита марки ГСМ-2 существует максимум энергии активации при Для определения влияния по- кДж/ лимерных добавок на энергию акти- моль вации проводимости в системы цемент – графит вводили водораство- римые полимеры – натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) Введение в систему добавок водорастворимых полимеров в коли- честве 0,5 % от массы цемента изменяет величину энергии активации 0,20 0,25 0,30 0,35 0, проводимости. Вероятно, вокруг частиц токопроводящей фазы образуется Рис. 9. Зависимость энергии активаадсорбционный слой полимера, кото- ции проводимости от массовой доли фазной границы графит – цементный камень. Электропроводность полимеров практически отсутствует, зависит от подвижности ионов, обусловленной физико-химическими свойствами звеньев полимера, поэтому полимерная цепь в переносе электрических зарядов не участвует.
Рис. 10. Микрофотографии частиц графита в цементном камне (150):
Образование адсорбционных слоев полимера вокруг частиц графита способствует разрушению агрегатов и равномерному распределению частиц токопроводящей фазы, что подтверждается микроскопическими исследованиями (рис. 10). Равномерное распределение частиц токопроводящей фазы приводит к увеличению электрической проводимости системы и, как следствие, снижению энергии активации (рис. 8 и 9).
Более высокая величина энергии активации проводимости в образцах с добавкой поливинилового спирта при массовой доле графита 0,2 объясняется наличием вблизи поверхности частиц графита плотной гелеобразной пленки поливинилового спирта. Карбоксиметилцеллюлоза не образует на поверхности частиц графита плотной пленки, переходящей в стеклообразное состояние, величина энергии активации проводимости в образцах с Na-КМЦ становится сопоставимой со значениями энергии активации проводимости образцов без добавок.
Физико-механические и электрические свойства композиционных электропроводящих материалов на основе цемента и углеродных Для получения электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных систем использовали следующие материалы: вяжущее – портландцемент СЕM I 42,5 N, диэлектрический заполнитель – кварцевый песок Мкр=1,4, электропроводный компонент – графит марки ГЛ-1 и технический углерод. В качестве модификаторов использовали пластифицирующие добавки на основе эфиров поликарбоксилатов (Хидетал ГП-9 и Muraplast FK69). При введении пластифицирующих добавок водокомпозиционное отношение (В/К) формовочных смесей уменьшали на 25 %.
Физико-механические и электрофизические свойства полученных материалов изучали на образцах-кубиках размером 222 см. Образцы твердели в воздушно-сухих условиях при температуре 22±5 °С.
Установили, что при увеличении массовой доли технического углерода в композиционном материале от 0,05 до 0,125 удельная электропроводность увеличивается с 0,04 до 1,27 Ом–1м–1, прочность при сжатии снижается с 10,18 до 5,97 МПа (рис.11 и 13).
При увеличении массовой доли графита от 0,1 до 0,4 удельная электропроводность материала увеличивается с 0,04 до 1,2 Ом–1·м– (рис. 12). При этом в области массовых долей графита до 0,1 удельная электропроводность материала изменяется незначительно. При массовой доле графита выше 0,15 наблюдали увеличение электропроводности материала.
Это связано с увеличением в структуре материала количества проводящих цепочек, состоящих из контактирующих частиц графита, которые обеспечивают проводимость системы.
Oм ·м– ского углерода: 1 – без добавок; 2 – с добавFK 69; 3 – с добавкой Хидетал ГП- кой Muraplast FK 69; 3 – с добавкой Хидетал ГП- Предел прочности на сжатие, МПа песка: 1 – без добавок; 2 – с добавкой ХидеГП-9; 3 – с добавкой Muraplast FK тал ГП-9; 3 – с добавкой Muraplast FK Используя матрицу планирования эксперимента, были получены уравнения регрессии и построены номограммы зависимости прочности образцов на сжатие от массового содержания электропроводящего и диэлектрического наполнителей в композиционном материале (рис. 13, 14). Пластифицирующие добавки обусловливают увеличение прочности композитов при осевом сжатии. При введении добавки Muraplast FK69 (0,65 %) прирост прочности для образцов составляет от 14 до 47 % (при массовых долях технического углерода 0,125 и 0,05 соответственно) и от 45 до 75 % (при массовых долях графита 0,4 и 0,1 соответственно). Введение добавки Хидетал ГП-9 в количестве 0,75 % приводит к повышению прочности образцов на величину от до 68 % (при массовых долях технического углерода 0,125 и 0,05 соответственно) и от 32 до 68 % (при массовых долях графита 0,4 и 0,1 соответственно). Применение пластификаторов дает возможность снизить количество воды в формовочных смесях и получить материал с повышенной плотностью и прочностью по сравнению с материалом без добавок.
Оптимальные составы электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных элементов приведены в табл. 5.
Оптимальные составы электропроводящих композиционных материалов для низкотемпературных нагревательных элементов Состав На основе проведенных экспериментов и исследований разработаны низкотемпературные композиционные электронагревательные элементы для создания систем лучистого отопления (табл. 6).
Технические характеристики нагревательных элементов Температурный коэффициент сопротивления тепловыделяющего слоя, К–1 – 410– Механическая прочность, МПа Годовой экономический эффект от использования системы электрического отопления на основе разработанных низкотемпературных электронагревательных элементов в помещениях сельскохозяйственного назначения и индивидуального жилья по сравнению с системами пароводяного отопления может достигать порядка 800 руб./м2 и выше, в зависимости от действующих тарифов на тепловую и электрическую энергию и отапливаемой площади помещений. Экономический эффект от использования разработанных нагревательных систем обусловлен их высоким коэффициентом полезного действия, отсутствием необходимости использования промежуточного теплоносителя, низким энергопотреблением и мощностью, низкими затратами на эксплуатацию.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Выявлены закономерности изменения реологических и электрических свойств систем цемент – углерод – вода. При массовой доле графита в суспензии, равной 0,15–0,2 наблюдали увеличение предельного динамического напряжения сдвига с 0,1 до 7,79 Па и пластической вязкости с 0,01 до 0, 196 Па·с, вследствие образования сплошной трехмерной структуры из контактирующих частиц графита, что подтверждается данными измерения электрической проводимости цементно-графитовых суспензий и затвердевшего цементного камня с различной массовой долей графита.2. Разработан метод регулирования структурообразования в электропроводящих дисперсных системах с помощью пластифицирующих добавок.
При введении в систему цемент – графит – вода эфиров поликарбоксилатов в количестве 0,5–0,75 % происходит обратимое разрушение коагуляционных структур и уменьшается величина пластической вязкости и предельного динамического напряжения сдвига до 0,12–0,68 Па, что дает возможность снизить водокомпозиционное отношение формовочной смеси на 25–30 % и получить электропроводящий композит с повышенной плотностью, прочностью, стабильными электрическими характеристиками.
3. Выявлена закономерность изменения электроосмоса в модельных системах цемент – графит, оксид алюминия – графит и кварцевый песок – графит, заключающаяся в том, что в области массовых долей графита, соответствующих концентрационному порогу протекания электрического тока в 0,001 н. растворе хлорида калия наблюдается перезарядка композиционных мембран; в 0,01 н. растворе хлорида калия наблюдается увеличение -потенциала в области массовых долей графита 0,15.
4. Рассчитаны энергии активации проводимости систем цемент – графит при различной массовой доле графита. Снижение величины энергии активации проводимости с 16,35 до 6,37 кДж/моль с увеличением массовой доли графита от 0,2 до 0,4 связано с увеличением числа контактов между частицами токопроводящей фазы и образованием цепочечных структур по линии тока.
5. Установлено влияние полимерных добавок карбоксиметилцеллюлозы и поливинилового спирта на величину энергии активации проводимости систем цемент – графит. При введении поливинилового спирта в количестве 0,5 % величина энергии активации проводимости увеличивается с 17,3 до 41,8 кДж/моль, вероятно, вследствие образования вокруг частиц токопроводящей фазы плотных адсорбционных слоев, изменяющих проводимость межфазной границы цементный камень – графит.
6. Исследованы электрические свойства электропроводящих композиционных материалов. Установлено, что увеличение электропроводности системы цемент – углерод при массовых долях, более 0,075 для технического углерода и 0,15 для графита обусловлено превышением концентрационного порога протекания электрического тока, минимального значения концентрации электропроводной фазы в системе, начиная с которого возможно образование коагуляционной структуры из дискретных контактирующих частиц и обеспечение стабильной воспроизводимости электрической проводимости композиции.
7. Разработан опытно-промышленный технологический регламент производства низкотемпературных нагревательных элементов на основе разработанных электропроводящих композиционных материалов.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Лопанов, А.Н. Реология электропроводящих цементных паст и дисперсий графита [Текст] / А.Н. Лопанов, А.Ю. Семейкин, Е.А. Фанина // Цемент и его применение. – 2009. –№5. – С. 110–112.2. Семейкин, А.Ю. Композиционные электропроводящие силикаты на основе наночастиц титаната бария и серебра [Текст] / А.Ю. Семейкин, Ю.В. Марченко // «Индустрия наносистем и материалы»: материалы Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов. – М.: МИЭТ, 2006. – С. 191–192.
3. Алтынник, Н.И. Токопроводящий силикатный композиционный материал с использованием графита и титаната бария [Электронный ресурс] / Н.И. Алтынник, Е.А. Фанина, А.Ю. Семейкин // «Ломоносов–2008»: материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых; отв. ред. И. А. Алешковский, П.Н. Костылев, А. И. Андреев. – М.:
МГУ; СП МЫСЛЬ, 2008. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – ISBN 978-5Семейкин, А.Ю. Моделирование электрических свойств токопроводящих композиционных материалов [Электронный ресурс] / А.Ю. Семейкин, Е.А. Фанина // «Ломоносов–2008»: материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых; отв. ред. И. А. Алешковский, П.Н. Костылев, А. И. Андреев. – М.: МГУ; СП МЫСЛЬ, 2008. – электрон. опт. диск (CD-ROM). – ISBN 978-5-91579-003-1.
5. Лопанов, А.Н. Моделирование топологических свойств электрической проводимости гетерогенной системы [Текст] / А.Н. Лопанов, Е.А. Фанина, А.Ю. Семейкин // «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ–21»: сб. трудов XXI Международной науч. конф.: в 10 т. Секции 9, 14; под общ. ред. В.С. Балакирева. – Саратов: Саратовский гос. технич. ун-т, 2008. – Т. 7. – С. 200–201. – ISBN 978-5-7433-1928-2.
6. Lopanov, A.N. Elektrosurface characteristics of carbon dispersion in electrolyte solutions [Text] / A.N. Lopanov, E.A. Fanina, A.Y. Semeykin: book of abstracts of III International conference on colloid chemistry and physicochemical mechanics. – Moscow: Lenand, 2008. – P. 30. – ISBN 978-5-9710-0219-2.
7. Семейкин, А.Ю. Композиционные токопроводящие силикатные материалы [Текст] / А.Ю. Семейкин, Н.И. Алтынник, М.И. Кожухова // «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях (НТТМ-2008)»: сб. науч. докладов Всероссийской научнопрактической конференции. – М.: МГСУ, 2008. – С. 42–44. – ISBN 5-7264Фанина, Е.А. Температурные закономерности электрической проводимости гетерогенных систем на основе дисперсий графита [Текст] / Е.А. Фанина, А.Ю. Семейкин // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. – 2008. – №3. – С. 15–17.
9. Семейкин, А.Ю. Структурно-реологические свойства электропроводных цементных паст и бетонов на их основе [Электронный ресурс] / А.Ю. Семейкин, Е.А. Фанина // «Ломоносов–2009»: материалы XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых; отв. ред.
И. А. Алешковский, П.Н. Костылев, А. И. Андреев. – М.: МГУ; МАКС Пресс, 2009. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – ISBN 978-5-317-02774-2.
10. Лопанов, А.Н. Энергосберегающая система регулирования параметров микроклимата на основе низкотемпературных композиционных нагревателей [Текст] / А.Н. Лопанов, А.Ю. Семейкин // «Строительство-2009»:
материалы международной научно-практической конференции. – Ростов н/Д:
Рост. гос. строит. ун-т, 2009. – С. 200–202.
11. Семейкин, А.Ю. Энергосберегающие нагревательные системы на основе электропроводящих композиционных материалов [Текст] / А.Ю. Семейкин, Е.А. Фанина // «Энергообеспечение и строительство»: сб.
материалов III Международной выставки – Интернет конференции: в 2 ч.
Ч. 2. – Орел: Изд-во ООО ПФ «Картуш», 2009. – С. 112–115.
Регулирование реологических и электрических свойств дисперсий на основе цементных паст и углеродных материалов Специальность 02.00.11 – «Коллоидная химия»
«