Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

DETERMINATION OF THE OPTIMAL COMPOSITION OF THE MATERIAL FOR THE MANUFACTURE OF BASALT FIBER COMPOSITION PLATES

Aydaraliev Zh.K. 1 Ismanov Yu.Kh. 1 Kaynazarov A.T. 1 Abdiev M.S. 1
1 Kyrgyz State University of Construction Transport and Architecture named after N. Isanov
The task of optimizing of the composition and properties of basalt fiber-reinforced composite plates of increased rigidity for thermal insulation of buildings and structures for average climatic conditions was considered. The matrix of composite heat-insulating plates was formed with the help of fine fibers obtained from basalt. The base filler for the resulting fiber matrices was a mixture of clay and a polyvinyl acetate dispersion. The selection of the optimal composition of the material for the formed plates was carried out at the first stage experimentally, and at the second stage, on the basis of the experimental data obtained, statistical models were selected to study various characteristics of the plates. The optimization functions in the model experiments under consideration depended on four independent variables. As such variables, we took the values of the percentage of refractory clay and of the polyvinyl acetate dispersion in the plate material , the values of temperature and the time of heat treatment of plates, which were preliminary dried. The base matrix of such slabs was formed from basalt-based fibers. The functions of density and degree of compressibility of the plate material were considered as optimization functions. The results obtained allowed us to determine the optimal technological parameters for the manufacture of plates based on basalt fibers. The basalt fiber plates for heat insulation, made for use in the temperature range from –100 to + 250 °С, were made from a material with an optimized composition.
optimization
basalt fiber plates
clay
polyvinyl acetate dispersion
density
compressibility

Широкомасштабные исследования в области материаловедения и механики материалов позволили создать широкий спектр материалов различного назначения. Важное место в этих исследованиях занимают теоретические и экспериментальные результаты, полученные при разработке композиционных материалов, или композитов. Одним из важных направлений исследований в области создания композиционных материалов являются работы по теоретическому обоснованию и производству материалов волоконного типа.

Материалы, представляющие собой соединение матрицы из базальтовых волокон и наполнителей, можно, без сомнений, отнести к классу композитных материалов [1–3]. Матрицей таких материалов всегда являются волокна из базальта. Поэтому изменять характеристики таких материалов можно только за счет регулирования свойств и содержания наполнителей, температурной обработки смеси, формирующей плиты из этих материалов [4–6].

Цель исследования: разработка методики подбора оптимального состава материалов на основе базальтового волокна с целью улучшения характеристик плит, изготовленных из этого материала.

Материалы и методы исследования

Матрица композиционных теплоизоляционных плит формировалась с помощью тонких волокон, полученных из базальта. Базовым наполнителем для полученных матриц из волокна служила смесь глины и поливинилацетатной дисперсии.

Тестовые плиты из базальтового волокна и наполнителей получали в специальных формах, размеры которых подбирали в соответствии с требованиями ГОСТа для теплоизоляционных плит. Давление, при котором происходило производство плит, подбиралось экспериментально, так же как и концентрации компонентов наполнительной смеси [7].

Формы с волоконной матрицей и наполнителями подвергались тепловой обработке при температурах не меньше 110 °С и времени обработки от четырех до пяти часов. После контроля полученных плит на однородность структуры они подвергались дальнейшей тепловой обработке уже при более высоких температурах в диапазоне от 150 до 210 °С, причем длительность такой обработки значительно уменьшалась, от значения 20 минут до одного часа. Непрерывное контролирование температурного режима осуществлялось дистанционно, посредством методов голографической интерферометрии [8, 9].

Подбор оптимального состава материала для формируемых плит проводился на первом этапе экспериментально, а затем, на основе полученных экспериментальных данных, подбирались статистические модели для исследования различных характеристик плит.

Модельный эксперимент проводился на базе четырех параметров [10] (табл. 1 и 2). В качестве таких переменных параметров брались: Х1 – огнеупорная глина, %; Х2 – поливинилацетатная дисперсия, %; Х3 – значение температуры тепловой обработки, °С; Х4 – значение времени тепловой обработки, мин. Базовая матрица формировалась из волокон на основе базальта.

Таблица 1

Уровни варьирования факторов

Уровни

факторов

Значение факторов

Х1 – глина, %

Х2 – ПВАД, %

Х3 – температура

термообработки, °С

Х4 – время термообработки, мин

–1

0

0

100

20

0

10

5

150

40

1

20

10

200

60

Таблица 2

План и результаты эксперимента

п/п

Нормализованные

переменные

Натуральные переменные

Результаты эксперимента

 

x1

x2

x3

x4

X1 – огнеупорная глина, %

Х2 – ПВАД, %

Х3 – температура термообработки, °С

Х4 – время термообработки, мин м

Y1 – значение плотности, кг/м3

Y2 – величина сжимаемости, %

1

+

+

+

+

20

10

200

60

117

3,45

2

+

+

+

20

10

200

20

107

58

3

+

+

+

20

10

100

60

127

1,3

4

+

+

20

10

100

20

138

10,2

5

+

+

+

20

0

200

60

97

27,41

6

+

+

20

0

200

20

78

24,36

7

+

+

20

0

100

60

67

30,76

8

+

20

0

100

20

77

23,36

9

+

+

+

0

10

200

60

83

15,66

10

+

+

0

10

200

20

95

15,56

И

+

+

0

10

100

60

95

9,4

12

+

0

10

100

20

93

14,93

13

+

+

0

0

200

60

62

26,46

14

+

0

0

200

20

59

23,43

15

+

0

0

100

60

56

21,6

16

0

0

100

20

73

0,63

17

+

0

0

0

20

10

150

40

177

5,0

18

0

0

0

0

5

150

40

106

2,4

19

0

+

0

0

10

10

150

40

116

24,53

20

0

0

0

10

0

150

40

98

5,76

21

0

0

+

0

10

5

200

40

119

5,76

22

0

0

0

10

5

100

40

100

0,26

23

0

0

0

+

10

5

150

60

119

2,73

24

0

0

0

10

5

150

20

119

3,49

Уровни варьирования четырех факторов представлены в табл. 1. В качестве параметров оптимизации брали: Y1 – значение плотности, кг/м3, и Y2 – величина сжимаемости, %.

Экспериментальные результаты, обработанные методами статистики, позволили разработать две математические модели:

1. Для плотности материала плит:

Y1(кг/м2) = ajd01.wmf

ajd02.wmf (1)

Модель (1) показала, что плотность базальтовых плит увеличивается с увеличением содержания глины (b1 = 17,944). Содержание ПВАД (b2 = 13,556) также повышает плотность, но его содержание должно быть оптимальным из-за наличия отрицательного значения b22 = –23,583. Факторы х3 и х4 существенного влияния на плотность не оказывают.

2. Для характеристик, определяющих степень сжатия материала плит:

ajd03.wmf (2)

Вывод, который можно сделать исходя из модели (2) – ПВАД сильно снижает возможность сжатия плит из базальтовых волокон (b2 = –4,609), а рост значения температуры термической обработки способствует увеличению способности к сжатию.

Результаты исследования и их обсуждение

Исследование характеристик плит из базальтового волокна проводилось на произвольных девяти координатных положениях пространства факторов Х2 Х4. Также учитывалось влияние изменения содержания ПВАД – х2 и глины – x1 в материале плиты (рис. 1). Рис. 1 показывает, что при увеличении содержания глины до максимума, равного 20 %, а добавки ПВАД до оптимального значения, равного 5–10 %, плотность материала увеличивается от значения 6 кг/м3 до 160 кг/м3 (точка 5). Сравнение точек для всех номограмм от 1 до 9 (рис. 1) показывает, что плотность для х1 = 1 увеличивается при росте температуры до 150 °С, а при значении температуры вблизи 200 °С плотность слегка уменьшается. Из номограммы также видно, что максимальная плотность в 160 кг/м3 достигается в точке 5 – вблизи центра факторного пространства. Номограммы 7–9 (рис. 1) показывают закономерности изменения плотности плит из базальтового волокна, при условии, что температура нарастает от 110 до 210 °С, а время тепловой обработки минимально и равно 19 мин. Из номограмм видно, что наибольшее значение плотности в 145 кг/м3 получается при значении температуры термической обработки равном 155 °С. При этом оптимальное значение содержания ПВАД в материале лежит в пределах от 3,75 до 10 %. Содержание глины при этом находится на максимуме, т.е. равно 20 %. Дальнейшее повышение температуры тепловой обработки приводит к небольшому снижению значения плотности в этой области до 120 кг/м3. Анализ плотности плит из базальтового волокна, выдержка которых равна 40 мин (номограммы 4–6 на рис. 1), показывает, что наибольшее значение плотности материала, равное ρ = 160 кг/м3, достигается при том же составе материала плиты – ПВАД 5–10 % и глины 20 %. Если повысить значение температуры тепловой обработки до 210 °С, то происходит понижение плотности плит из базальта до значения ρ = 145 кг/м3, при условии, что состав материала остается неизменным.

ajdar1.tif

Рис. 1. Номограммы плотности плит из базальтового волокна в девяти координатных положениях пространства факторов X3X4

ajdar2.tif

Рис. 2. Номограммы сжимаемости плит из базальтового волокна в девяти координатных положениях пространства факторов X3X4

Номограммы 1–3 (рис. 1) для плотности плит из базальта, которые подвергаются тепловой обработке в течение 60 мин, показывают, что происходит небольшое снижение плотности по сравнению с тем, что имелось при длительности тепловой обработки материала плит в течение 40 мин. Для показателя сжимаемости плит из базальтового волокна (рис. 2) характерно то, что для всех 9 координатных положений пространства факторов х3 и x4 присутствует оптимальная зона, в которой сжимаемость наименьшая, и она равна 3 мм. Для этой зоны содержание ПВАД изменяется в пределах от 6 % до 8 %, а глины от 11 % до 21 %.

Выводы

Исследованы характеристики композиционных материалов на базе базальтовых волокон. Подбор оптимального состава базальтоволокнистых композиционных плит проводился с помощью моделирования, использующего экспериментальные результаты и методы статистики. Анализ состояния плит проводился по плотности, сжимаемости и прочности на разрыв. Полученные результаты позволили определить оптимальные технологические параметры изготовления плит на базе волокон из базальта. Из материала с оптимизированным составом изготовлялись теплозащитные плиты из базальтового волокна, предназначенные для использования в температурном диапазоне от –100 до +250 °С.