Исследование механизмов взаимодействия частиц в концентрированных дисперсных системах и разработка технологии производства композитов на основе эффекта структурирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Юдин, Анатолий Юрьевич

• Юдин, Анатолий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юдин, Анатолий Юрьевич

Условные обозначения.

Введение.

Глава I. Литературный обзор и постановка задач исследования.

1.1. Современные представления о строении концентрированных газожидкостных систем. '

1.1.1. Общие сведения о газожидкостных системах.

1.1.2. Основные геометрические параметры пенной структуры.

1.1.3. Силовое взаимодействие элементов пенной структуры.

1.1.4. Расчетные зависимости для капиллярного давления и капиллярного разрежения.

1.1.5. Экспериментальное определение капиллярного разрежения.

1.2. Равновесные трехфазные структуры

1.2.1. Особенности строения тонких жидкостных пленок. Расклинивающее давление.

1.2.2. Молекулярное представление поверхностных явлений.

1.2.3. Классическое представление трехфазного равновесия.

1.2.4. Физико-химические основы получения высоконапол-ненных дисперсных материалов.

1.3. Выводы по главе и постановка задач исследования

Глава II. Теоретические исследования структурированных систем.

2.1. Гидростатическое равновесие слоя пены.

2.2. Определение капиллярного разрежения пены в области низких значений кратности.

2.3. Капиллярные эффекты в переходных межфазных слоях

2.3.1. Поверхностный слой жидкость-газ. Поверхностное натяжение жидкости. Плоская межфазная поверхность.

2.3.2. Сферическая межфазная поверхность.

2.3.3.Тонкие жидкостные слои на твердой подложке.

2.4.0бщие представления о структуре концентрированных дисперсных систем. Выводы по главе.

Глава III. Экспериментальное подтверждение эффектов структурирования в дисперсных системах

3.1. Равновесное распределение жидкости в системе твердое -жидкость в гравитационном поле.

3.1.1. Методика проведения эксперимента.

3.1.2. Анализ результатов эксперимента.

3.2.0сновы создания структурированных систем твердое - жидкость с использованием порошкообразных материалов.

3.2.1. Технологические особенности производства асфальтобетона.

3.2.2. Особенности использования минеральной составляющей в асфальтобетоне.

3.2.3. Разработка новой технологии производства асфальтобетона

3.2.4. Сопоставление свойств асфальтобетона, полученного традиционным и новым способом.

Глава IV. Промышленное использование результатов работы.

4.1, Структура типового асфальтобетонного завода.

4.2. Варианты использования новой технологии производства асфальтобетона

-44.2.1. Производство асфальтобетона на основе гранулированного асфальтовяжущего.

4.2.2. Создание оболочек асфальтовяжущего на крупных фракциях минеральной части асфальтобетонной смеси.

4.3. Перспективы использования новой технологии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование механизмов взаимодействия частиц в концентрированных дисперсных системах и разработка технологии производства композитов на основе эффекта структурирования»

Предлагаемая работа посвящается исследованию закономерностей строения и состояния дисперсных систем, которые имеют необычайно широкое распространение в природе. Достаточно отметить, что практически все живые организмы, встречающиеся в природе, имеют пористую структуру, т.е. любой организм состоит из огромного количества клеток различного вида, взаимодействующих друг с другом. Характер этого взаимодействия весьма сложен, а его результат определяет существование организма как единого целого. Аналогичная ситуация наблюдается и в неживой природе. Так, многие минералы состоят из большого количества частиц, связанных друг с другом, образуя практически монолитную систему. Причем, интегральные свойства такой системы могут существенным образом отличаться от свойств составляющих ее компонентов.Сказанное позволяет высказать предположение о том, что структура таких образований в большей мере обусловлена связями между компонентами системы, чем физическими свойствами самих компонентов. В качестве примера можно привести пенную структуру, которая кроме свойств жидкой и газовой фаз, составляющих ее, может в определенных условиях проявлять свойства твердого тела. В соответствии с этим представляет интерес выявление закономерностей взаимодействия частиц, составляющих дисперсную систему. Характер такого взаимодействия определяется эффектами молекулярного уровня. При этом определяющую роль имеют эффекты на граничных межфазных поверхностях.Научную новизну работы составляют: • полученные зависимости капиллярного разрежения пенной структуры от кратности пены в области низких значений кратности; • математическая модель равновесного распределения кратности по высоте пенного столба; • механическое представление поверхностного натяжения на границе раздела жидкость - газ; • математическая модель тонкого жидкостного слоя на твердой подложке; • результаты экспериментальных исследований равновесного распределения жидкости в пористом материале в гравитационном поле; • результаты экспериментальных исследований свойств асфальтобетона с использованием гранулированного асфальтовяжущего.Практическую ценность работы составляет: - технология производства композиционных материалов с использованием предварительно полученных гранул порошка со связующим, изготовленным способом окатывания. - 8 Структурирование частиц в дисперсных системах Системы жидкость - газ Зависимость капиллярного разрежения от кратности пены Трехфазные системы Равновесное распределение кратности по высопенного столба Поверхностное натяжение жидкостьгаз ^ Системы жидкостьтвердое газ Композиционные материалы Общие закономерности стректурированных систем Технология производства композиционных материалов Рис. 1. Схема диссертационных исследований. - 9 Целью настоящей работы является изучение эффектов структурирования в дисперсных системах с дальнейшей разработкой технологии производства высокопрочных, водостойких и долговечных композиционных материалов для дорожных покрытий и строительной индустрии.На защиту выносятся следующие положения работы: - зависимость капиллярного разрежения пенной структуры от кратности при низких значениях кратности; - математическая модель равновесного распределения кратности по высоте пенного столба; - механическая трактовка поверхностного натяжения с точки зрения тензора межфазных напряжений; - условия устойчивости тонкой жидкостной пленки на твердой поверхности; - технология производства структурированных дисперсных композиционных материалов с использованием полуфабриката в виде гранул порошкообразного материала со связующим, полученных способом окатывания.Работа выполнялась по инновационным программам: - Разработка научных основ опытных образцов оборудования для компактирования сыпучих материалов применительно к производству органоминеральных удобрений. ГРНТИ 01.13.23 ИНГП «Нефтехим», Гос. регистр. 01. 9.90.000855. - Разработка новой технологии получения органо-минеральных удобрений. ИНГП «Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы». Гос. регистр. 01. 9. 80 004598. - Разработка новой линии для приготовления торфоминеральных смесей и их упаковка. РШГП «Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы». Гос. регистр. 01.20.00 01633. - 10

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Юдин, Анатолий Юрьевич

Общие выводы и результаты работы

1. Установлено, что структурирование дисперсных систем обусловлено возникновением силового взаимодействия частиц системы, которое может привести к глобальным изменениям свойств композита в сравнении со свойствами образующих систему компонентов. В частности, структурированная газожидкостная система, называемая пеной, может обладать свойствами твердого тела, хотя ни одна из составляющих фаз такими свойствами не обладает.

2. Силовым фактором, обеспечивающим взаимное притяжение дисперсных частиц в структурированной системе, является капиллярное разрежение или расклинивающее давление, суть которых сводится к возникновению разрежения по отношению к внешнему давлению, приводящего к взаимному притяжению частиц системы.

3. Показано, что характер взаимодействия Частиц в структурированных дисперсных системах аналогичен, по крайней мере, для систем двух видов, рассмотренных в работе: жидкость-газ и жидкость-твердое. Взаимодействие дисперсных частиц в таких системах может носить как геометрический характер, обусловливающий их взаимную деформацию, так и силовой, приводящий к взаимному притяжению частиц. Силовое взаимодействие определяется эффектами в тонких межфазных слоях.

4. Определен смысл поверхностного натяжения межфазных поверхностей различного вида, как разница между шаровой и девиаторной частями тензора межфазных напряжений. Получены аналитические выражения для определения толщин межфазных слоев для систем жидкость-газ и твердое-жидкость. Сформулированы условия возникновения силового взаимодействия дисперсных частиц в таких системах. Найдены критические значения толщин жидкостных пленок на твердой поверхности из условия устойчивости пленки на твердой подложке.

5. Показано, что основными факторами, определяющими значение сил взаимодействия частиц в структурированной дисперсной системе, являются толщины жидкостных прослоек между частицами, размер частиц, а также величины поверхностных натяжений на межфазных поверхностях.

6. Разработан способ производства композиционных материалов, основанный на получении гранул порошка со связующим способом окатывания с последующим их прессованием. Полученный таким способом материал обладает повышенными показателями прочности, водостойкости и долговечности и может найти широкое практическое применение, в частности, в производстве строительных материалов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юдин, Анатолий Юрьевич, 2004 год

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1. - М.: Наука, 1987. - 464 с.

2. Канн К.Б. Каппиллярная гидродинамика пен. Новосибирск: Наука, 1989. -165 с.

3. Princen Н.М. // Langmuir. 1986. - Vol. 2, №4.-P. 519-526.

4. Кротов В.В. Теория синерезиса пен и концентрированных эмульсий. 1. Локальная кратность полиэдрических дисперсных систем.// Коллоидн. журн. 1980. - Т. 42, №6. - С. 1081 - 1091.

5. Кротов В.В. Теория синерезиса пен и концентрированных эмульсий. 2. Локальная гидропроводность полиэдрических дисперсных систем.// Коллоидн. журн. 1980. - Т. 42, №6. - С. 1092 - 1101.

6. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. - 568 с.

7. Marvin J.W.// Am. J. Botany. 1939. - Vol. 26, №5. - P. 280 - 287.

8. Schwarz H.W.// Rec. Trav. Chim. 1965. - Vol. 84, №5. - P. 771 - 781.

9. Дао Чонг Тхи, Фоменко А.Т. Минимальные поверхности и проблема Плато. М.: 1987. - 312 с.

10. Manegold Е.// Strassenbau, Chem. Techn. Verlag. 1953. - 512 p.

11. Кротов В.В. Структура, синерезис и кинетика разрушения полиэдрических систем// Вопросы термодинамики гетерогенных систем и теории поверхностных явлений: Сб. Л.: Наука, 1982. - Вып. 6. - С. 110190.

12. Канн К.Б. Капиллярное давление и структура пен.// Коллоидн. журн. -1984. Т. 46, №3. - С. 444 - 448.

13. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. -М.: Химия, 1983.-264 с.

14. Ребиндер П.А. Дисперсные системы. М.: Наука, 1979. - 269 с.

15. Ребиндер П.А. Исследование устойчивости монодисперсных пен // Коллоидн. журн. 1951. - Т. 13, №3. - С. 200 - 211.- 12016. Канн К.Б. Об устойчивости пен и ее критериях. 1. Структура пены.// Коллоида, журн. 1979, т. 41, №3.- С.435 - 438.

16. Кругляков П.М., Таубе П.Р. Измерение удельной поверхности пены.// Журн. прикл. химии, 1965, №38. С. 2258 - 2264.

17. Шароварников А.Ф., Цап В.П. Распределение жидкости в каналах и пленках пен, полученных различными способами.// Коллоидн. журн. — 1983, т. 45, №1.-С. 120- 126.

18. Шароварников А.Ф., Кокорев Е.В. Исследование вязко-упругих свойств высокократных пен.//Коллоидн. журн. 1981, т. 43, №2. - С. 389-391.

19. Кругляков П.М., Ексерова Д.Р. Пены и пенные пленки. М.: Химия, 1990.-426 с.

20. Дерягин Б.В. К вопросу определения понятия и величины расклинивающего давления и его роли в статике и кинематике тонких слоев// Коллоидн. журн. 1965, т. 27, №3. - С. 207 - 213.

21. Дерягин Б.В. Рсклинивающее давление и равновесие свободных пле-нок//Коллидн. журн. 1965, т.27, №5. - С. 674 - 680.

22. Шелудко А.Н. Новое в исследовании тонких слоев. В кн.: Успехи коллоидной химии. - М.: Наука, 1973. - С. 51 - 60.

23. Дерягин Б.В. Исследования в области поверхностных сил. М.: Наука, 1964.-363 с.

24. Кротов В.В., Русанов А.И. Вопросы термодинамики гетерогенных систем и теории поверхностных явлений. Л.: 1971. - вып. 1, 376 с.

25. Перцов А.В., Чернин В.Н., Чистяков Б.Е. Капиллярные эффекты и гидростатическая устойчивость пен // ДАН СССР. 1978, т. 238, №6. -С. 1395- 1399.

26. Кузнецова JI.JI., Кругляков П.М. Определение дисперсности пен на основе измерения давления в каналах Плато Гиббса./ЛСоллоидн. журн. - 1979, т. 41, №4. - С. 673 - 676.

27. Канн К.Б., Пустовалова О.В. Полидисперность пен и метод ее измере-ния.//Коллоидн. журн. 1990, т. 52, №5. - С. 970 - 973.

28. Ланцош К. Вариационные принципы механики. М.: Мир, 1965. —392 с.

29. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М.: Мир, 1986.-575 с.

30. Готовцев В.М. Методы расчета процессов обработки сыпучих материалов с использованием структурированных газожидкостных систем: Дис. .докт. техн. наук. М.: МГАХМ, 1997. - 334 с.

31. Готовцев В.М. Термодинамический метод определения капиллярного давления и капиллярного разрежения пенной структуры.//Теор. Основы хим. технол. 1999, т. 33, №6. - С. 656 - 660.

32. Кругляков П.М., Таубе П.Р. Измерение удельной поверхности пе-ны.//Журн. прикл. химии. 1965, т. 10, №38. - С. 2258 - 2264.

33. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986. - 205 с.

34. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Изд. 1. — М.: Мир, 1963. -386 с.

35. Левич В.Г. Физико химическая гидродинамика. - М.: Физматгиз, 1959.-394 с.

36. Адам Н.К. Физика и химия поверхностей. М.: ОГИЗ, 1947. - 346 с.

37. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Химия, 1977. - 352 с.

38. Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков. М.: Химия, 1976. - 430 с.

39. Москвитин Н.И. Физико-химические основы процессов склеивания и прилипания. М.: Лесная промышленность, 1974. - 191 с.

40. Щукин Е.Д., Андреева И.А. Смачиваемость и поверхностные свойства твердых тел. Киев: Наукова думка, 1972. - 421 с.

41. Чураев Н.В. Поверхностные силы в тонких пленках и устойчивость коллоидов. М.: Наука, 1974. - 356 с.

42. Метфессель С. Тонкие пленки, их изготовление и измерение. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 272 с.

43. Урьев Н.Б. Физико-химические основы технологии дисперсных сиетем и материалов.' М.: Химия, 1988. - 256 с.

44. Бартенев Г.М., Ермилова Н.В. Физико-химическая механика дисперсных структур. М.: Наука, 1966. - 371 с.

45. Яминский В.В. Коагуляционные контакты в дисперсных системах. -М.: Химия, 1982. 185 с.

46. Урьев Н.Б., Ахтеров В.М. Физико-химическая механика и лиофиль-ность дисперсных систем. Киев: Наукова думка, 1986. - 244 с.

47. Урьев Н.Б. Физико-химическая механика и технология дисперсных систем. М.: Знание, 1975. - 64 с.

48. Круглицкий Н.Н. Основы физико-химической механики. Киев: Вища школа, 1975. - 276 с.

49. Овчаренко Ф.Д. Исследования в области физико-химической механики дисперсий глинистых материалов. Киев: Наукова думка, 1965. - 206 с.

50. Клебанов Ю.Д., Привезенцева Т.В.//Порошковая металлургия. 1977, * №3.-с. 16-20.

51. Балынин М.Ю. Научные основы порошковой металлургии металлургии волокна. М.: Металлургия, 1977. - 336 с.

52. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол. М.: Госстройиздат, 1966. - 281 с.

53. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Me9таллургия, 1972. 528 с.

54. Полак А.Ф. Твердение мономинеральных вяжущих веществ. М.: Стройиздат, 1966.-208 с.

55. Васильев Е.М., Головина С.В., Яхнин Е.Д.//Коллоидн. журн. 1980, №2.-339-341.

56. Сегалова Е.Е., Ребиндер П.А. Исследование структурно-механических свойств и тиксотропии в олеколлоидных системах.//П.А. Ребиндер. Избр. труды, т.2. М.: Наука, 1979. - С. 4-8 - 66.

57. Лиштван И.И.//Успехи коллоидной химии. Ташкент: ФАН, 1987.- С. 278-289.

58. Владовец И.Н., Ребиндер П.А. Пористые материалы на основе конденсационных структур//П.А. Ребиндер. Избр. труды. Т.2. - М.: Наука, 1979.-С. 95- 104.

59. Кулезнев В.Н. //Коллоидн. журн. 1983, №4. - С. 627 - 635.

60. Чанг Дей Хан. Реология в процессах обработки полимеров. М.: Химия, 1979.-368 с.

61. Федоров Н.Ф., Кожевникова JI.B., Савицкая Р.К.//Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1978, №10. - С. 1895 - 1897.

62. Кайнарский И.С. Процессы технологии огнеупоров. М.: Металлургия, 1969.-350 с.

63. Princen H.M.//J. Colloid Interface Sci. 1990. - V. 134, P.188 - 196.

64. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т. 1- М.: Наука, 1970. 492 с.

65. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. JL: Химия, 1977. - 402 с.

66. Гухман А.А. Об основаниях термодинамики. М.: Энергоатомиздат, 1986.-383 с.

67. Булатов Н.К., Лундин А.Б. Термодинамика необратимых физико-химических процессов. М.: Химия, 1984. - 334 с.

68. Эткин В.А. Термодинамика неравновесных процессов переноса и преобразования энергии. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1991.• 167 с.

69. Василевский А.С., Мултановский В.В. Статистическая физика и термодинамика. М.: Просвещение, 1985. - 255 с.

70. Дьярматй И. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1974. - 304 с.

71. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. -М.: Изд-во иностр. лит., 1960. 356 с.

72. Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964.-347 с.

73. Хаазё Р. Термодинамика необратимых процессов. М.: Мир, 1967. -426 с.

74. Базаров И.П., Геворкян Э.В., Николаев П.Н. Неравновесная термодинамика и физическая кинетика. М.: Изд-во МГУ, 1989. - 240 с.

75. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Теория неравновесных систем. М.: Изд-во МГУ, 1987. - 559 с.

76. Прикладная механика ячеистых пластмасс. Под ред. Н.К. Хильярда. -М.: Мир, 1985.-360 с.

77. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976. -480 с.

78. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с.

79. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. -М.: Наука, 1988. Т. 6. - 733 с.

80. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1978. - 736 с.

81. Хан Ч.Д. Реология в процессах переработки полимеров. М.: Химия, 1979. - 363 с.

82. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М.: Химия, 1979. - 304 с.-12586. Мейз Дж. Теория и задачи механики сплошных сред. М.: Мир, 1974. -318с.

83. Астарита Дж., Марручи Дж. Основы механики неньютоновских жидкостей. М.: Мир, 1978. - 310 с.

84. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977.-438 с.

85. Эльсгольдц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. — М.: Наука, 1969. 424 с.

86. Корн Г.К., Корн Т.К. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. - 831 с.

87. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1976. - 576.

88. Mechanics of surface tension of liquids / Gotovtsev V.M., Iudin A.Iu., Baskakov D.V. International congress for particle technology, 2001,- P. 189.

89. Structurization of disperse particles in compact systems/ Gjtovtsev V.M., Iudin A. Iu., Baskakov D.V., Galitsky I.V. International congress for part-cle technology, 2001. - P. 208.

90. Дорожный асфальтобетон/ Под. ред. JI.Б. Гезенцвея. М.: Транспорт, 1985. 350 с.

91. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. -М.: Наука, 1979. 384 с.

92. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон.

93. Технические условия. ГОСТ 9128- 84.

94. Hill J. Economic use of Bituminous Materials. Highway Engineer. N 1, 1983, p. 3-16.

95. Рыбьев.И.А. Асфальтовые бетоны. -M.: Высшая школа, 1969. 247 с.

96. Андросов А.А. Асфальтобетонные заводы. М.: Транспорт, 1968.247с.- 126100. Тимофеев В.А., Васильев А.А. Технологическое оборудование асфальтобетонных заводов. М.: Транспорт, 1968. - 247с.•101. Пат. РФ №2056387 С04В 26/26 от 17.11.92 г.

97. Н.В.Медведев. Опыт использования гранулированного асфальтовяжущего в Мордовии. Труды СоюзДорНИИ, вып. 194. 1997, с.4

98. Афальтобетонные и цементобетонные заводы: Справочник / Колы-шев В.И., Костин П.П., Иванов М.И. и др. М.: Транспорт, 1982. -207 с.

99. Л.Б. Гезенцвей. Асфальтовый бетон из активированных минеральных материалов. М.: Изд-во по строительству, 1971. - 255 с.

100. В.М. Готовцев, В.Д. Сухов, А.Ю. Юдин, Д.В. Баскаков. Перспективы использования зольных отходов ТЭЦ в дорожном строительст-ве//Проблемы региональной экологии. Сборник научных сообщений. Ярославль, 2000, с. 19.

101. В.М. Готовцев, В.Д. Сухов, А.Ю. Юдин, Д.В. Баскаков. Технология получения водостойких строительных материалов на основе промышленных отходов// Проблемы региональной экологии. Сборник научных сообщений. Ярославль, 2000, с. 22.

102. В.М. Готовцев, В.Д. Сухов, А.Ю. Юдин, Д.В. Баскаков. Способы повышения качества строительных материалов на основе зольных отходов ТЭЦ// Проблемы региональной экологии. Сборник научных сообщений. Ярославль, 2001, с. 59.

103. В.М. Готовцев, В.Д. Сухов, А.Ю. Юдин, Д.В. Баскаков. Технология производства и свойства асфальтобетона на основе гранулированного асфальтовяжущего// Вестник ЯГТУ, Ярославль, 2000. Вып. 3, с. 96.