Реферат: Теория структурообразования и оптимизация структуры ИСК

Передача теплоты на расстояние осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией, излучением. Эти способы теплопередачи описываются соответственно законами Фурье, Ньютона и Стефана – Больцмана. В реальных условиях теплота чаще всего передается комбинированным способом, однако один из них все же будет преобладающим.

На стадии подготовительных работ производят нередко также физико-химическую или химическую обработку сырьевых материалов. Она повышает активность подготавливаемых компонентов смеси, облегчает и ускоряет основную технологическую операцию, благоприятствует получению лучших качественных характеристик ИСК. Такая обработка заключается обычно в добавлении в смесь специальных веществ, имеющих различные или комплексные функции: уплотняющие, минерализующие, порообразующие, гидрофобизирующие, коагулирующие и т.п. Она может быть совмещена с механической обработкой, например, путем помола сырья в смеси с добавкой. Тогда свежеобразующаяся поверхность измельчаемых частиц поглощает добавочное вещество с образованием на поверхности молекулярных пленок или новых химических соединений, повышая активность порошкообразного материала.

Некоторые сырьевые компоненты находятся в жидком состоянии и вступают во взаимодействие с твердыми компонентами смеси. Поэтому, чтобы усилить их индивидуальные особенности, их, подобно твердым, подвергают нагреванию, рафинированию, электромагнитному воздействию, обогащению с введением добавочных веществ, например поверхностно-активных ингибиторов, электролитов и др.

Подготовленные сырьевые материалы транспортируют к местам временного накопления для последующих операций. При прогрессивной технологии транспортирование является не только перемещением, но используется так же, как дополнительный фактор, положительно влияющий на структурообразовательный процесс. В этих целях предусматриваются не только конструктивно-технологические мероприятия по защите материалов в пути, но и дальнейшая активизация материалов с помощью соответствующих агентов.

В емкостях временного накопления и хранения подготовленных сыпучих материалов возможны заторы при их перемещении с образованием устойчивых сводов. Для борьбы с образованием сводов в толще сыпучего материала используют специальные устройства.

На качество смеси изготовляемого строительного материала может сильно влиять точность дозирования. Если под влиянием внешних или внутренних причин нарушается точность дозирования или ритмичность перемещения отдозированных компонентов к смесительному аппарату, то в процессе перемешивания возможно снижение качества получаемой смеси и готового материала.

Для большинства технологий перемешивание отдозированных материалов является главной операцией, предопределяющей качество смеси и готовой отформованной продукции. В смесительных аппаратах, особенно при производстве безобжиговых конгломератов, возникают, развиваются, а иногда и почти полностью завершаются основные процессы структурообразования вяжущей части, в частности микрослоев. Но возможно, что перемешивание – это всего лишь обычная разновидность подготовительной работы, например, при изготовлении шихты с последующим нагреванием ее до расплава при производстве обжиговых изделий.

Наибольшее распространение получил способ перемешивания с введением в смесь механической энергии от внешнего источника, а среди типов смесителей – роторные принудительного действия. Механическое перемешивание осуществляется в две стадии: 1) предварительное смешение сухих компонентов; 2) смешение с жидкостью, принятой как обязательный компонент изготовляемой смеси безобжиговых ИСК или как возникающей из легкоплавких веществ при изготовлении обжиговых ИСК.

При введении в смесь жидкого компонента дальнейший процесс механического перемешивания основывается на закономерности обтекания твердых дисперсных частиц потоком жидкости. В зависимости от скорости движения частиц фазы в среде возникают ламинарные потоки или турбулентные завихрения. В последнем случае происходит отрыв пограничных слоев среды от поверхности твердых частиц. При ламинарном режиме перемешиваются в основном только те слои, которые непосредственно примыкают к лопастям и участвуют во вращении вместе с ними. При турбулентном режиме происходит более интенсивное перемешивание слоев жидкости с отрывом их от лопастей мешалки. При высокоразвитой турбулентности часто затраты на дополнительную мощность для увеличения частоты вращения вала мешалки не соответствуют получаемому эффекту перемешивания, например по значениям коэффициентов тепло- и массоотдачи.

При перемешивании в один этап жидкую среду подают в смесительный аппарат одновременно с твердыми компонентами смеси. Поверхность твердых частиц смачивается, а температура смеси выравнивается по всему объему, так как компоненты были приняты с неодинаковой температурой и, кроме того, процесс смачивания – экзотермический. Количество выделяемой теплоты смачивания может быть измерено микрокалориметрами или другими аналогичными приборами в лабораторных условиях. Оно характеризует степень интенсивности взаимодействия компонентов. Если, например, в поверхностном слое преобладают отрицательные гидроксильные ионы, то смачиваемость водой полная, количество выделяемой теплоты большое, а поверхность частиц относится к гидрофильной.

Если превалируют положительные ионы тяжелых' металлов то высокая смачиваемость обеспечивается при контакте с маслом, и тогда поверхность твердых частиц относится к олеофильной. При полном смачивании в других жидкостях частицы характеризуются как лиофилъные, причем независимо от разновидное™ жидкой среды полное смачивание указывает на способность твердых частиц к растворимости в ней с образованием истинных растворов как гомогенных систем. Следовательно, лиофильность связана с малым межфазным натяжением, устойчивостью поверхностей к взаимному слипанию и растворимости.

Более характерным процессом при перемешивании компонентов является формирование гетерогенной системы, которая отличается от гомогенной наличием двух или большего количества фаз, контактирующих между собой по поверхностям раздела.

Характер поверхности твердых тел можно существенно изменить добавлением поверхностно-активных веществ, когда, например, гидрофильная поверхность может стать гидрофобной или гидрофобная поверхность – гидрофильной. Вводимые в жидкую среду поверхностно-активные вещества широко используют для повышения смачиваемости поверхности твердых тел, что основано на снижении разности полярностей между поверхностью частиц твердого тела и жидкостью.

С увеличением интенсивности принудительного перемешивания уменьшается толщина диффузионного слоя, в пределах которого протекают процессы самопроизвольного выравнивания концентраций, ускоряется образование гетерогенной системы в целом. Эта скорость возрастает при непрерывном обновлении поверхности контакта и при возрастании поверхности твердой или жидкой фазы, например, при перемешивании по принципу противотока, к тому же нередко совмещаемого с дополнительной диспергацией твердого компонента или «кипящем слое».

Гетерогенный процесс часто сопровождается возникновением и накапливанием в смеси новой фазы в результате выделения растворенного вещества из пересыщенного раствора, протекания химических реакций, в частности в твердой фазе, с образованием соответствующих соединений, формирования пузырьков газа или пара и др. Наибольшее количество новообразований возникает под влиянием вводимых в смесь катализаторов. Для замедления реакций пользуются не положительными катализаторами, ускоряющими реакцию, а отрицательными – ингибиторами.

Среди гетерогенных процессов немалое значение в структурообразовании конгломератов имеют физическое поглощение и химическое – хемосорбция. Из окружающей среды сорбируются те вещества, которые способны уменьшить поверхностную энергию, что соответствует так называемой адсорбции. Возможен и обратный процесс – увеличение энергии, например величины поверхностного натяжения, за счет частичной десорбции, что означает отрицательную адсорбцию. Повышение температуры и понижение давления, а также снижение концентрации адсорбируемого вещества способствуют десорбции ингредиента, ранее физически поглощенного адсорбентом.

Структурообразование с участием поверхностно-активных веществ происходит с предварительным образованием на поверхности моно- и полимолекулярных слоев. Прочность фиксации адсорбционного слоя обусловлена величиной поверхностной энергии, природой адсорбента, но не величиной его поверхности. Последняя же предопределяет количество вещества, адсорбируемого из раствора. Но поверхность может не полностью покрываться адсорбционным слоем. Степень насыщения ее адсорбатом при данной температуре зависит от концентрации адсорбируемого вещества в окружающей среде.

Свежеприготовленная смесь обладает определенной удобообрабатываемостью, что выражается в ее реальной способности воспринимать технологические операции по формованию и уплотнению изделий.

Смеси с весьма малой вязкостью пракически не требуют уплотнения при формовании изделий или покрытий, что составляет значительное технологическое удобство. Для воспроизведения литьевой технологии в смесь вводят нередко соответствующие пластификаторы или даже суперпластификаторы. Введенные даже в малых количествах они способствуют резкому понижению вязкости смеси, облегчая формование изделий и в том случае, когда их очертания отличаются повышенной сложностью. Той же цели достигают дополнительным увеличением количества жидкостной среды в смеси, что должно быть каждый раз обосновано с общих позиций оптимизации структуры и требований к конкретным видам оптимальных структур.

При использовании смесей с повышенной вязкостью, обладающих на реологической кривой условным динамическим пределом текучести и предельным напряжением сдвига, важно не допустить при формовании напряжений, способных разрушить сплошность изделия. Так, например, в некоторых случаях отмечается образование дефектов структуры, если допустить

напряжение в массе, превышающее Р₂ . Опыт показывает, что для хорошо формующихся смесей величина отношения должна быть не ниже 10-⁶ . Конкретные и точные пределы реологических характеристик зависят от разновидности смеси и технологического способа формования – пластичного, вибрационного без пригруза или с пригрузом и т.п.

Формование изделий сопряжено, как правило, с плотной укладкой смеси, зернистых или другого вида заполнителей.

В зависимости от разновидности смеси формование производится с использованием укладчиков, прессов, экструдеров, каландров и других машин. Выбор оптимального способа формования и уплотнения зависит от характера исходного сырья и массовости производства, требуемых свойств и вида изделий. Но при всех способах важно обеспечить связность и начальную прочность изделий с последующим упрочнением их на других стадиях обработки.

Во многих технологиях формование и уплотнение смеси совмещаются в одну операцию, в результате чего химические и физико-химические процессы, обеспечивающие структурообразование на микро- и макроуровнях, протекают также одновременно. К ним относятся тиксотропное разжижение и упрочнение, массо- и теплообмен, перемещение заполняющей и вяжущей частей относительно друг друга с образованием плотной структуры к концу выполнения такой совмещенной операции. Естественно, что в этот период не прекращаются главные структурообразующие процессы – сорбционные, растворения и другие процессы, которые, подобно тому как это было на стадии перемешивания смеси, завершаются возникновением новых соединений и фаз, хотя и в сравнительно ограниченных количествах. Гораздо в больших размерах они выделяются на последующих стадиях технологии, например при тепловой обработке отформованных и уплотненных изделий.

К весьма значительному технологическому переделу, влияющему на структурообразование ИСК, как и других материалов, относится специальная обработка отформованных и уплотненных изделий с помощью одного, двух или большего числа внешних воздействий на материал в некотором последовательном или комбинированном порядке. Обработка может быть тепловой, тепло-влажностной, химической, электрофизической, автоклавной, вакуум-пропиточной, радиационной и др. Основная цель обработок – обеспечить развитие процессов микро- и макроструктурообразования с возможно более полным переводом систем из устойчивого состояния в термодинамически устойчивое. И хотя соответствующие процессы могут продолжаться и после произведенной обработки, в том числе в эксплуатационный период работы конструкции, однако большинство их протекает на стадии обработки, реже – на стадии выдерживания изделий в обычных, «нормальных» условиях.

Эффективность обработки характеризуется постепенным или быстрым упрочнением структуры свежеизготовленных изделий с переходом ее в твердое или твердообразное состояние. Отвердевает в основном вяжущая часть, поскольку другая заполняющая часть конгломерата состоит из смеси уже твердых компонентов. В вяжущей части формируется либо одна новая фаза, либо их может быть несколько. Новая фаза в виде химических соединений, возникающих под влиянием хемосорбционных реакций на поверхности твердых частиц или в растворе, вначале появляется в виде скопления микрозародышей как центров реакции и их развития с увеличением в размерах до мельчайших кристалликов. Затем продукты химических реакций выделяются в самостоятельную фазу, концентрация которой со временем нарастает.

Кроме химических реакций к образованию новой фазы приводит кристаллизация растворенного вещества из пересыщенного раствора.

Пересыщенный раствор обладает сравнительно небольшой термодинамической устойчивостью. В соответствии с современными взглядами сначала появляются зародыши новой фазы в виде скопления малого числа молекул, образования ассоциаций частиц при столкновениях в растворе отдельных ионов растворенного вещества.

На определенном этапе частицы-зародыши достигают критического размера, при котором каждая обладает достаточной поверхностной энергией, чтобы вызвать дополнительное адсорбирование частиц растворенного вещества. Увлекаются и мельчайшие твердые частицы других веществ, находящихся в системе, в том числе частиц новообразований. Зародыши становятся, таким образом, центрами кристаллизации. Последние выделяются сначала в виде аморфных частичек, которые обычно с большой скоростью переходят в кристаллическое состояние с укрупнением за счет наслоения вещества на гранях кристалликов. Большое влияние на свойства оказывает характер установившегося контакта и связей между отдельными кристаллами, особенно когда они состоят не из одного, а из двух, трех и большего числа их видов, например, в твердых сплавах или в продуктах кристаллизации из сложных растворов. Значительное влияние на прочность, деформативность и другие свойства оказывает контактирование кристаллов или их обломков через тонкие прослойки инородного вещества, нередко находящегося в стеклообразном состоянии.