Дисертації (ХТКМ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Перегляд Дисертації (ХТКМ) за Ключові слова "aluminosilicate"
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Наукові основи створення висококонцентрованих композиційних матеріалів поліфункціонального призначення(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Мельник, Любов ІванівнаМельник Л.І. НАУКОВІ ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ВИСОКОКОНЦЕНТРОВАНИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ ПОЛІФУНКЦІОНАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.11 «Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2025. Дисертація присвячена науковим засадам створення висококонцентрованих полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) багатофункціонального призначення із використанням відходів промисловості як техногенної сировини. Об’єктом дослідження стали композиційні матеріали на основі системи полімерна матриця – дисперсний наповнювач підвищеної концентрації. Вибір об’єкта зумовлений висунутою гіпотезою про можливість регулювання структурних характеристик і властивостей композитів шляхом варіювання різновидів і концентрації мінеральних наповнювачів та полімерної матриці різного складу й енергетичного стану поверхні. Як наповнювачі використані мінеральні компоненти – відсіви видобутку вулканічних порід, відходи теплоенергетики та кольорової металургії, що відрізняються за генезисом, фізичним станом, структурою та, відповідно, енергетичним станом поверхні. Полімерною матрицею слугують водні дисперсії, що забезпечують об’ємну гомогенізацію та максимальну площу контактів при взаємодії з частинками наповнювача в процесі формування композицій. Перший розділ дисертації присвячений питанням використанню наповнювачів у полімерних композитах. У ньому розглядаються основні типи наповнювачів, їхній вплив на фізико-хімічні та механічні властивості композитів. Описується роль дисперсних і волокнистих наповнювачів, зокрема відходів промисловості як мінеральних компонентів. Аналізуються механізми їх взаємодії з полімерною матрицею, параметри, що впливають на структуроутворення та характеристики ПКМ. Окремо розглядається екологічний аспект утилізації відходів промисловості у складі полімерних композитів. Розділ містить посилання на численні дослідження щодо взаємодії полімерних матриць із різними видами наповнювачів як фактору впливу на експлуатаційні характеристики композитів. Другий розділ дисертації присвячений об’єктам та фізико-хімічним методам дослідження. У ньому обґрунтовано вибір матеріалів для створення полімерних композиційних матеріалів, зокрема різних типів полімерних матриць (стирол-акрилові, акрилові, стирол-бутадієнові водні дисперсії так і органорозчинний поліакрилат та гліфталева смола) та наповнювачів як природного, так і техногенного походження. Докладно розглянуто фізико-хімічні властивості обраних компонентів, включаючи їх хімічний склад, морфологію, гранулометричний склад, енергетичний стан поверхні, пористість та змочуваність. Окремо проаналізовано використання органорозчинного полімеру Pliolite AC-4 на початкових етапах дослідження та причини переходу до водних дисперсій з огляду на екологічні, економічні та технологічні переваги. Розділ містить опис методів дослідження, зокрема рентгенофазового аналізу, інфрачервоної спектроскопії, термогравіметричного аналізу, електронної мікроскопії, визначення питомої поверхні та крайового кута змочування. Також розглянуто методи оцінки термічних і механічних характеристик ПКМ, що є критичними для розробки матеріалів із заданими експлуатаційними властивостями. Запропоновані технології виготовлення ПКМ об’ємної форми (таблетки) методом холодного пресування та приведені їх характеристики, а також технологія виготовлення композитів іn situ при максимальному наповненні 56 мас.% наповнювача. Третій розділ дисертації присвячений аналізу особливостей процесів взаємодії в системі «наповнювач – водна дисперсія полімеру». У ньому розглядаються механізми взаємодії між полімерною матрицею та мінеральними наповнювачами різного генезису. Докладно проаналізовано фізико-хімічні характеристики наповнювачів, включаючи їхню структуру, енергетичний стан поверхні, змочуваність, гранулометричний склад та морфологічні особливості. Окремо вивчено їхній вплив на адгезію до полімерної матриці та механізми структуроутворення у композитах. Розділ містить результати ІЧ-спектроскопічного аналізу, який дозволив оцінити структуротвірні хімічні зв’язки та функціональні групи наповнювачів та зв’язуючого. По зміні інтенсивності характеристичних смуг за по їх зміщенні вдалося простежити взаємодію між компонентами системи наповнювач – полімер. Також застосовано термогравіметричний аналіз для визначення термічної стабільності композицій та встановлення робочих температурних діапазонів дослідних матеріалів. Четвертий розділ дисертації присвячений дослідженню порової структури розроблених ПКМ. Основна увага зосереджена на аналізі впливу природи наповнювача та його концентрації на формування порової структури композиту. Оцінено зміну параметрів відкритої та загальної пористості, густини та водопоглинання в залежності від концентрації наповнювача (65-90 мас.%), а також вплив різних полімерних зв’язуючих (Policril 590, Latex 2012, Latex DC 640) на структуру ПКМ. Дослідження включали визначення водопоглинання, БЕТ-аналіз сорбції азоту, оптичну мікроскопію та аналіз розподілу пор за розміром. Виявлено, що збільшення концентрації наповнювача є суттєвим фактором зміни макроструктури, причому характер пор залежить від типу та гранулометричного складу наповнювача, а також властивостей полімерної матриці. Окремо проаналізовано вплив гранулометричного складу наповнювачів (відсівів андезиту) на щільність упаковки частинок у композитах та їхню здатність до утворення мікро- і мезопор. Показано, що поліфракційний склад наповнювачів сприяє зменшенню загальної пористості, тоді як використання дисперсних наповнювачів дозволяє формувати матеріали з вищими теплоізоляційними властивостями. Отримані результати дозволяють керовано регулювати пористість ПКМ та оптимізувати їхній склад для конкретних галузей застосування, таких як теплоізоляційні або конструкційні матеріали. П’ятий розділ дисертації присвячений дослідженню теплофізичних характеристик композитів. Основна увага зосереджена на визначенні закономірностей змін теплопровідності в залежності від типу полімерної матриці, концентрації наповнювачів та температурних умов експлуатації. Досліджено структурні характеристики наповнювачів, зокрема середній розмір кристалітів та енергетичний стан поверхні, та їхній вплив на процеси теплопередачі. Встановлено, що розмір кристалітів і пористість наповнювачів мають вирішальний вплив на коефіцієнт теплопровідності композитів: більші кристаліти сприяють кращій передачі тепла, тоді як висока пористість зменшує теплопровідність за рахунок підвищеного розсіювання фононів. Розглянуто вплив концентрації наповнювачів на теплопровідність ПКМ. Виявлено, що збільшення вмісту теплопровідного наповнювача формує ефективні шляхи теплопередачі, що підвищує теплопровідність матеріалу, проте водночас пористість може компенсувати цей ефект. Окремо проаналізовано температурний фактор впливу на теплопровідність композитів. Встановлено, що теплопровідність зростає зі збільшенням температури для більшості систем, однак в деяких випадках (наприклад, з цеолітом) спостерігається аномальна поведінка через можливі фазові переходи або особливості адсорбції вологи. Проведено порівняльний аналіз ефективності різних наповнювачів та встановлено, що андезит забезпечує найвищу теплопровідність, тоді як перліт і цеоліт дозволяють регулювати теплофізичні властивості матеріалів. Використання акрилової матриці (Policril 590) сприяє рівномірному розподілу наповнювачів у полімерній фазі за рахунок кращої змочуваності, що забезпечує стабільність теплопровідності. Проведено моделювання теплопровідності дослідних полімерних композитів у відповідності до класичних теоретичних моделей (Максвелла, Ландау-Ліфшиця, Брюггемана). Проте встановлено, що жодна з цих моделей не враховує комплексного впливу структурних особливостей композиту, таких як нерівномірний розподіл наповнювача, морфологія порового простору та специфічні адгезійні взаємодії між фазами. Аналіз експериментальних даних виявив значну невідповідність між теоретичними й реальними значеннями для композитів із наповнювачами з високою питомою поверхнею (червоний шлам, шамот), що вказує на необхідність модифікації моделей із врахуванням мікроструктурних параметрів. Розроблена модифікована модель, яка враховує вплив пористості, густини, морфології наповнювача та ефективної контактної площі між фазами, продемонструвала високу точність у прогнозуванні теплопровідності композитів у широкому діапазоні концентрацій і температур. Це відкриває можливості для створення матеріалів із прогнозованими теплофізичними властивостями, оптимізованими під конкретні технологічні умови. Шостий розділ дисертації присвячений дослідженню механічних властивостей ПКМ. Основну увагу приділено оцінці жорсткості, міцності та пластичності матеріалів, а також впливу виду і концентрації наповнювачів на їх механічні характеристики. Аналіз показав, що зі збільшенням концентрації наповнювача загалом підвищується жорсткість і міцність матеріалів, проте надлишок наповнювача може знижувати структурну цілісність композитів, що особливо помітно у зразках із цеолітом та андезитом. Встановлено, що тип полімерної матриці здійснює вагомий вплив на механічні властивості. Так для зразків із Latex 2012 спостерігається суттєве зростання модуля пружності, що пояснюється високою адгезійною взаємодією цього полімеру з наповнювачами. Це дозволяє формувати жорсткіші та міцніші структури порівняно з Policril 590. Окрему увагу приділено моделюванню механічних характеристик, що дозволило встановити закономірності змін параметрів та розробити оптимальну математичну модель для прогнозування жорсткості та міцності ПКМ. Виявлено, що класичні теоретичні моделі (Halpin-Tsai, Mori-Tanaka, Rule of Mixtures) не враховують комплексного впливу мікроструктурних параметрів та взаємодій у системі «полімер – наповнювач», тому запропонована модифікована модель, яка враховує змочуваність, питому поверхню, густину та морфологію наповнювачів. Сьомий розділ дисертації присвячений дослідженню впливу способу отримання полімерних композиційних матеріалів на їхні властивості. Особливу увагу приділено порівнянню двох методів введення червоного шламу до полімерної матриці: механічного змішування та синтезу in situ. Слід зазначити , що дослідження проводили на системах гліфталева смола – червоний шлам. Результати досліджень підтвердили, що синтез in situ забезпечує кращу взаємодію між полімерною матрицею та наповнювачем на молекулярному рівні, що підтверджено даними інфрачервоної спектроскопії. Оцінка вологопоглинання показала, що метод in situ дозволяє зменшити здатність ПКМ до адсорбції вологи порівняно з механічним змішуванням. Це пояснюється більш рівномірним розподілом частинок наповнювача та покращеною сумісністю з полімерною матрицею, що обмежує доступ молекул води до гідрофільних груп. Проведено порівняльний аналіз ударної міцності композитів залежно від часу синтезу та концентрації наповнювача. Встановлено, що метод in situ дозволяє отримати матеріали з вищою ударною міцністю (на 6,67-12,5 % у порівнянні з механічним змішуванням), що пояснюється більш ефективним міжфазним зчепленням. Аналіз міцності на згин показав, що оптимальним вмістом червоного шламу є 36 мас. %, при якому досягається максимальне армування без втрати цілісності матеріалу. Подальше збільшення концентрації наповнювача призводить до зниження механічних характеристик через агломерацію частинок і формування мікропор. Додатково проведено мультикритеріальне моделювання, яке дозволило визначити оптимальну концентрацію червоного шламу – 31,7 мас. %. Саме при цьому значенні композити демонструють збалансовані фізико-механічні властивості, що робить їх придатними для застосування в умовах підвищеної вологості та механічних навантажень. Зокрема, встановлено, що при такій концентрації забезпечується найкращий баланс між високою ударною міцністю та низьким вологопоглинанням. Сформульовані в процесі виконання дисертаційної роботи наукові положення, математичні моделі та експериментальні підходи використано як складові частини курсу «Спеціальні розділи хімічної технології переробки полімерів» при підготовці здобувачів другого (магістерського) рівня вищої освіти за освітньо-професійною програмою «Хімічні технології неорганічних в’яжучих речовин, кераміки, скла та полімерних і композиційних матеріалів» за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» та «Основи технології композитів та переробки полімерів» першого (бакалаврського) рівня вищої освіти спеціальності 161 «Хімічні технології та інженерія». Розроблено проєкт Технічних умов на виробництво полімерних композиційних матеріалів із високим вмістом мінеральних наповнювачів, який успішно пройшов дослідно-промислову перевірку на ТОВ «Компанія «ПОЛІГОН»» (м. Київ) та ТОВ «АЙПІТІ ПРОДАКШН» (м. Київ). В результаті промислових досліджень одержані позитивні результати, які підтверджені актами випуску і досліджень дослідно-промислової партії полімерних композиційних матеріалів.