Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЗАЛЬТОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛИТ

Айдаралиев Ж.К. 1 Исманов Ю.Х. 1 Кайназаров А.Т. 1 Абдиев М.С. 1
1 Кыргызский государственный университет строительства транспорта и архитектуры им. Н. Исанова
Рассмотрена задача оптимизации состава и свойств базальтоволокнистых композиционных плит повышенной жесткости для теплоизоляции зданий и сооружений для усредненных климатических условий. 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. Подбор оптимального состава материала для формируемых плит проводился на первом этапе экспериментально, а на втором этапе, на основе полученных экспериментальных данных, подбирались статистические модели для исследования различных характеристик плит. Функции оптимизации в рассматриваемых модельных экспериментах зависели от четырех независимых переменных. В качестве таких переменных параметров брались значения процентного содержания огнеупорной глины и поливинилацетатной дисперсии в материале плит, значения температуры и времени тепловой обработки, прошедших предварительную сушку плит. Базовая матрица таких плит формировалась из волокон на основе базальта. В качестве функций оптимизации рассматривались значение плотности и степень сжимаемости материала плит. Полученные результаты позволили определить оптимальные рецептурно-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.
оптимизация
плиты из базальтового волокна
глина
поливинилацетатная дисперсия
плотность
сжимаемость
1. Ормонбеков Т.О. Технология базальтовых волокон и изделия на их основе. Бишкек: Технология, 2007. 122 с.
2. Ормонбеков Т.О., Ташполотов И.Т., Айдаралиев Ж.К., Бекболот кызы Б. Плиты базальтовые для теплоизоляции // Известия ВУЗов КР. 2010. № 1–2. С. 37–40.
3. Ормонбеков Т.О. Технология базальтовых волокон и изделия на их основе. Бишкек: Технология, 2009. 122 с.
4. Ормонбеков Т.О. Техника и технология производства базальтовых волокон. Бишкек: Илим, 2009. 252 с.
5. Ормонбеков Т.О., Байсалов Э.А., Дубинин Ю.Н. Технология, оборудование и производство базальтовых волокон электрическим плавлением пород. Бишкек: Илим, 2010. 96 с.
6. Попенко И.В., Шевченко О.Г. Волокна и теплоизоляционные материалы на их основе. Киев: Укр. НИИНТИ, 1985. 32 с.
7. Захарова Ю.В., Лохматова Л.Г. Моделирование напряженно-деформированного состояния композиционных оболочек с дефектами // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. № 11. С. 1–11.
8. Исманов Ю.Х., Исмаилов Д.А., Жумалиев К.М., Алымкулов С.А. Эффект саморепродуцирования в голографии // Материалы VI Международной конференции по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2017. С. 646–647.
9. Ismanov Y.Kh., Tynyshova T.D., Aidaraliev Z.K. Wide-range holographic interferometer. Optical Engineering. 2018. V. 57. No. 12. 124106. DOI: 10.1117/1.OE.57.12.124106.
10. Атырова Р.С. Оптимизация прочности базальтовых композиционных плит // Вестник Ошского государственного университета. 2015. № 1. С. 165–169.

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.


Библиографическая ссылка

Айдаралиев Ж.К., Исманов Ю.Х., Кайназаров А.Т., Абдиев М.С. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОСТАВА МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАЗАЛЬТОВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛИТ // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 3-2. – С. 115-119;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37450 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074