автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Интенсификация пропитки кровельного картона битумом

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

1.1. Анализ методов интенсификации пропитки картона битумом

1.2. Постановка задач диссертации.

ГЛАВА П. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

ПЛ. Исследование пропитки картона.

П.2. Определение плотности кровельного картона.

П.З. Исследование нагревания картона битумом.

П.4. Исследование диффузионных процессов в рубероиде ядерно-физическими методами

П.4.1. Рентгенорадиометрический метод

П.4.3. Метод радиоактивных индикаторов

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОПИТКИ КАРТОНА.

Ш.1. Исследование пропитки картона при погружении в объем битума.

Ш.1.1. Кинетика теплообмена

Ш.1.2. Кинетика массообмена

Ш.2. Исследование пропитки картона при контакте с пленкой битума

Ш.2.1. Особенности течения пленки битума

Ш.2.2. Кинетика тепломассообмена

ШВА ГУ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА РУБЕРОИДА

НА ПРОПИТКУ КАРТОНА БИТУМАМИ.

1У.1. Взаимодействие пергавлина и покровного битума

1У.2. Исследование взаимодиффузии пропиточного и покровного битумов радиоактивными индикаторами . . . ¿.

1У.2.1. Взаимодиффузия при изготовлении рубероида.

IV.2.2. Взаимодиффузия при эксплуатации рубероида

ГЛАВА У. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

УЛ. Исследование влияния технологических режимов производства на некоторые физико-механические характеристики пергамина

V.2. Совершенствование технологии производства рубероида.

У.З. Методика инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата •••••••

ВЫВОДЫ.

Актуальность, Высокие темпы роста промышленного и гражданского строительства, а также необходимость снижения трудоемкости и материалоемкости строительных работ - подчеркивалось на ХХУ1 съезде КПСС, обусловили постановку перед промышленностью кровельных и гидроизоляционных материалов задачи улучшения качества материалов без снижения объемов производства при экономии тошшвно-энергети-ческих ресурсов Щ .

Базовым кровельным материалом, выпускаемым в СССР в объеме 1,8 млрд.м2, является рубероид. По своей структуре он относится к целлюлозным композиционным материалам ^3,93] . Технология производства рубероида, основанная на пропитке кровельного картона легкоплавким битумом с последующим нанесением защитного покровного слоя наполненного тугоплавкого битума и минеральной посыпки, представляет собой комплекс совмещенных тепломассообменных процессов, осложненных фазовыми и агрегатными переходами [25,59,71] и характеризуется значительными энергетическими затратами. Так например, при использовании наиболее распространенных агрегатов типа СМ-486Б для выпуска 1000 и? рубероида расходуется 105.10^ кДк тепловой и 55 кВтч электрической энергии, поэтому их снижение представляет собой важную народно-хозяйственную задачу.

Данная работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте кровельных гидроизоляционных материалов и изделий (ВНИИкровля) в соответствии с планом научно-исследовательских работ Минстройматериалов СССР (отраслевая проблема 2.03,02.02, "Разработать и освоить усовершенствованный технологический процесс производства рубероида с повышенным содержанием наполнителя").

Целью настоящего исследования является разработка методов интенсификации пропитки кровельного картона битумом.

В работе решались следующие основные задачи:

- исследование особенностей тепломассопереноса при погружении картона в объем битума и при его контактировании с пленкой битума;

- исследование влияния условий и параметров режима пропитки на качество пергамина и рубероида;

- разработка методики инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата, практических предложений по интенсификации и конструктивному оформлению пропитки при снижении энергетических затрат.

Научная новизна. Получена новая обобщенная информация о кинематике тепломассопереноса при погружении картона в объем битума и при его контактировании с пленкой битума, в т.ч. для производственных условий. Обоснована возможность интенсификации пропитки картона битумом за счет снижения сопротивления пограничного слоя переносу теплоты и массы, так и создания неизотермического течения битума в объеме картона при формировании покровного слоя рубероида.

Впервые изучена взаимодиффузия пропиточного и пощювного битумов при изготовлении и эксплуатации рубероида. Установлены зависимости, описывающие влияние тепло-технологических параметров на показатели пропитки картона битумом и основные характеристики рубероида, проведена оптимизация параметров. Разработана методика инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата.

Новизна исследований подтверждается авторскими свидетельствами.

Практическая ценность. На основании результатов исследований разработана и внедрена в производство новая пленочная технология высокоинтенсивной пропитки кровельного картона битумом, обеспечивающая экономию тепловой и электрической энергии, получение высококачественного рубероида. Разработана новая конструкция пропиточного блока, прошедшего опытно-промышленное внедрение и реализующего пленочную технологию пропитки картона битумом (а.с. № 1000502). Предложена и апробирована новая технология изготовления рубероида, использующая оптимальные значения тепло-технологических параметров процесса (а.с. № 912797). Экономический эффект составляет 53 тыс.руб/год по одному рубероидному агрегату.

Автор защищает:

- результаты комплексного исследования тепломассопереноса при погружении картона в объем битума и при его контактировании с пленкой битума;

- результаты исследования влияния тепло-технологических параметров процесса производства рубероида на пропитку кровельного картона битумами и физико-механические характеристики материала;

- устройство для пропитки кровельного картона битумом и способ изготовления кровельных основных материалов (а.с. № 912797, а.с. № 1000502);

- методику инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата;

- результаты и рекомендации по рациональной организации пропитки кровельного картона битумами при производстве рубероида.

За ценные советы и заинтересованное обсуждение наиболее сложных вопросов работы приношу благодарность научному консультанту к.т.н. В.Н.Бородину, а также профессорам П.А.Жучкову, Э.Л.Акиму и к.т.н. Г.Г.Макаренко.

П. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

П.1. Анализ методов интенсификации пропитки картона битумом

Пропитка - один из общих технологических процессов производства целлюлозных композиционных материалов [3,4,12,53,73,78,112,

• Вместе с тем, специфические условия рассматриваемой системы "кровельный картон-битум" - композиционность кровельного картона на базе вторичных ресурсов (трепья, макулатуры), особенности состава и свойств битумов, высокотемпературные режимы проведения технологических операций обусловили необходимость разработки специальных методов интенсификации пропитки. При этом должно обеспечиваться предельное насыщение пор картона битумом и максимальное смачивание им волокон картонной основы, а также эффективная адгезия покровного слоя к пергамину (пропитанному картону) [3,101,112] .

Увеличение скорости пропитки и повышение количества пропиточной жидкости в картоне являлись, начиная с 40-х годов, основными направлениями интенсификации рубероидного производства. Начало комплексных исследований методов пропитки относится лишь к 70-м годам. Целесообразно подробно рассмотреть применяемые ранее способы и методы интенсификации, представленные в табл.2.I, с целью обобщения информации и выбора направления дальнейших исследований.

Методы интенсификации пропитки

Таблица 2.1

IÜМетодн Ь^Жгс [Источник

1. Физико-химические:

- введение ПАВ в картон и битум; опытная 86-88,127

- модификация картона растворами опытная 86 солеи;

- изменение краевого угла смачива- опытная 88 ния;

2. Механические:

- пропитка на нарезных валиках; опытно-про- 18 мыпшенная

- принудительная деформация картона; опытная 40

- перфорирование картона; опытная 83

3. Физические:

- создание перепада давления на опытно-про- 34,37-39, пропиточную жидкость мышленная 74,81,82,88

- акустическое воздействие; опытная 98,99,114

- предварительная эвакуация газов опытная 88 из перового пространства;

- предварительная термическая обра- опытно-про- 75,89,98 оотка картона; мышенная

- пропитка в неизотермических цромыпшен- 10,33,98 условиях ная

Физико-химические методы Работы по интенсификации пропитки кровельного картона физико-химическими методами выполнялись институтом "ВНЙИпроектполи-мор1фовляп в I97I-I973 годах [86-88] . Для интенсификации процесса цропитки картона использовались ПАВ, вводимые в картон и битум. Введение ПАВ цредусматривало изменение едаевого угла смай чивания, повышение скорости пропитки, достижение коэффициента насыщения пор картона битумом, близкого к единице и, в конечном счете, повышение долговечности рубероида.

Теоретической основой для выбора физико-химических методов интенсификации пропитки картона битумом служили известные исследования по модификации поверхности минеральных материалов ПАВ, заимствованные из опыта производства битумно-минеральных композиций для

На первом этапе работы исследование системы "картон-битум"

- для пропитки использовалась фильтровальная бумага (целлюлоза) и шерсть;

- в качестве пропитывающей жидкости применялись: бензол, керосин, толуол, ксилол, н-октан.

Модельное тело перед пропиткой обрабатывалось различными водными растворами солей и ПАВ [вб] • После предварительной обработки фильтровальной бумаги водными растворами ПАВ и кремне органическими жидкостями наблюдались значительные изменения привеса пропитки, Это было отмечено и при экспериментах с шерстью. Однако, чид в дальнейшем экспериментального подтверждения, т.к. в опытах не учитывалось изменение структуры картона вследствие набухания волокон в водной среде.

На втором этапе исследования в области интенсификации пропитки с помощью ПАВ были продолжены в натурных условиях, поэтому рассмотрим их результаты более подробно. Работа проводилась в нескольких направлениях:

- обработка поверхности картона растворами солей хлоридов (цинка, меди, железа и растворами гидроокиси кальция);

- введение в битум ПАВ (асидола, кубовых остатков СЕК и комплексного ПАВ - асидола с триэтаноламином);

- одновременное воздействие ПАВ и добавок битумной эмульсии. проводилось на модельных телах вывод о перспективности метода, сделанный авторами

В работе использовались отливки картона, полученные на лабораторном листоотливном аппарате.

Для изучения влияния солей хлоридов (цинка, меди, железа) на привес пропитки проводилась поверхностная обработка отливок картона водными растворами этих солей. После обработки образцы картона * высушивались при 378-383К и определялись их показатели - прочность, капиллярность, впитываемость, число двойных перегибов.

Картон, обработанный солями хлоридов, имел низкие показатели двойных перегибов (приобрел ломкость) и низкое сопротивление разрыву. Показатель прочности снизился с 23-25 кг до 2-8 кг. Особенно резкое падение механической прочности замечено после обработки образцов раствором хлорного железа (ГеС^д.&^О). Впитываемость увеличилась (по сравнению с контрольными образцами) на 10-20%, капиллярность улучшилась на 2-3 с. [вб] .

На основании описанных данных авторами работы [вб] сделаны выводы, что обработка картона растворами хлоридов цинка, меди и железа придает гидрофобность волокнам, улучшая их смачиваемость битумом, ускоряет процесс пропитки и увеличивает значение показателя привеса пропитки.

Однако, при постановке этих экспериментов были допущены методические неточности: испытаниям подвергались (и впоследствии сравнивались между собой) образцы картона разной плотности. Очевидно, что при обработке картона водными растворами солей происходило набухание волокон картона и его расслоение, которые не учитывались. Значительный разброс показателей картона (удельной массы и впиты-ваемости) в группах испытываемых образцов не дает оснований сделать выводы о закономерностях процесса пропитки.

В работах по изысканию физико-химических методов интенсификации пропитки была применена также модификация битума ПАВ (асидол, кубовые остатки СЕК и комплексное ШВ-асидол 0 триэтаноламином)

87] • Авторы этой работы стремились интенсифицировать пропитку за счет снижения вязкости битума (в два раза), предполагая, что при этом происходит лучшее смачивание картона и возрастает скорость пропитки, В результате пропитки лабораторных отливок картона модифицированными битумами сделан вывод об увеличении (по сравнению с контрольным) показателя привеса на 8-10%, а разрывного груза на 5-6 кг. При одновременном воздействии ПАВ на битум и картон привес пропитки возрастал на 8-21%, сопротивление разрыву - на 10 кг. Снижение вязкости ЕНК-2 в два раза при введении кубовых остатков обеспечило почти полное насыщение картона. Из-за значительного разброса исходных характеристик отливок картона анализ результатов работы [87] затруднен. Необходимо отметить, что работы в области интенсификации пропитки картона физико-химическими методами носят предварительный характер, так как выполнены с большим количеством допущений.

Известен способ интенсификации пропитки за счет введения в композицию картона пленочно-волокнистого связующего [127] . Однако в настоящее время отсутствуют данные о технико-экономической эффективности этого способа.

Механические методы

В 1974 г. в "ЕНИИпроектполимеркровля" создана система элементов лентопроводников пропиточной ванны, имеющая на своей поо верхности канавки шириной 7.10 м, глубина которых колеблется от 2,0-4,0.ПГ3 м [18] .

Испытания системы нарезных валиков на агрегате Муромского картонно-рубероидного завода выявили возможность увеличения показателей привеса пропитки битума в картоне. Испытания проводились при разной скорости движения и заправке полотна в ванне на картоне с различными впитывающими свойствами.

Увеличение привеса пропитки отмечено при высокой скорости работы агрегата, когда вторая рама пропиточной ванны была поднята над уровнем битума. При полностью заправленном полотне картона на рамах пропиточной ванны показатели дривеса пропитки увеличились - на 5% (по сравнению с работой агрегата без нарезных валиков). Отмечено существенное влияние на показатель привеса величины зазора в тянульно-калибровочных вальцах [18] .

Интенсификация пропитки картона с помощью нарезных валиков может быть объяснена деформацией и расслаиванием картона, приводящим к снижению его плотности.

Механические способы интенсификации пропитки, объяснение которых основывалось на эффекте "губки", целесообразно рассмотреть на примере авторского свидетельства № 365415, СССР, И.В.Провинте-ева и др. На этом эффекте основан способ интенсификации пропитки с помощью "мятия" картона на зубчатых валах. Эксперименты, црово-дившиеся на опытно-промышленной установке, показали увеличение содержания битума в картоне при изгибах полотна.

Теоретический анализ явлений, происходящих при "мятии" картона (с использованием предположения с "распушке" картона под влиянием изгибов), проведен С.Я.Бонштейном [40] • Принималось, что все капилляры картона изменяются по толщине. При этом изменение безразмерной скорости ( )/*= Ч/ Уо ) капиллярного впитывания от доли изменения (о£ ) радиуса пор (/? ) при числе изгибов (/77 ), описывается формулой,

Из формулы (2.1) следует, что даже при небольших изменениях радиуса пор (ОС = 0,1) и малом числе изгибов (/77 = 3) скорость пропитки должна увеличиваться на 10% и более.

Эксперименты, проведенные на лабораторной установке (рис. 2.1), показали, что при давлении изгиба 50,0 МПа, /77 = 5 и скорости движения полотна V =0,5 м/с капиллярность картона повышается на 2С$. С увеличением скорости движения полотна более V =0,5 м/с значение капиллярности снижалось на 6-12%. Рост числа деформаций до ГП =10 не изменяет показатель капиллярности [40] . Впи-тываемость и механическая прочность картона оставались практически неизменными. Стабилизация свойств картона при достижении некоторого предельного числа изгибов (для принятых условий опыта) является наиболее информативным результатом опытов С.Я.Вокштейна. Этот вывод свидетельствует о расслоении картона - факте, широко известном в бумажной промышленности [ю^ . При отливе картонной массы на сетке картоноделательной машины волокна ориентируются в одной плоскости. Поэтому картон представляет собой слоистую структуру, в которой связи между слоями малы и легко разрушаются при изгибе [юэ] . Расслоение картона приводит к повышению пористости и, следовательно, к более высоким показателям привеса пропитки. Расслоением картона объясняются все известные механические способы интенсификации пропитки.

Несколько обособлено от описанных механических методов интенсификации пропитки стоит метод проколов картона (I прокол на 1см^) [83] . Проколы картона являются крупными искусственными порами, облегчающими выход паров влаги из полотна при его движении в горячем битуме. Вместе с тем снижается не только капиллярное давление в крупных порах, но и уменьшается избыточное давление пара в его внутренних слоях, которое является движущей силой молярного массопереноса газовой фазы. Поэтому возможность интенсификации пропит

Рис.2 Л. Схема лабораторной установки для мятия картона: I - устройство для мятия картона; 2 - груз; 3 - полотно картона; 4 - размоточный станок ки таким методом требует экспериментальной проверки,

В настоящее время принято считать, что долговечность рубероида зависит от величины привеса пропитки битума в картоне [бз] . В то же время степень пропитки пор картона битумом часто не принимают во внимание, хотя именно этот показатель определяет истин* ную гидроизоляцию волокон и число дефектов (воздушных включений) в картонной основе рубероида. Поэтому реально наблюдаемое повышение привеса пропитки при механических способах интенсификации еще не гарантирует улучшения эксплуатационных свойств.

Механические методы интенсификации пропитки мозтут принести положительные результаты при переработке кровельного картона повышенной плотности, изготовленного преимущественно из макулатурного сырья.

Физические методы

Физическим методам интенсификации пропитки на протяжении последних десяти лет уделялось наибольшее внимание [43,84-88, 9б]и др. . Особенно это относится к пропитке картона под действием перепада давлений. Пропитка картона под действием перепада давления мажет осуществляться двумя способами - созданием вакуумп или избыточного давления. Первый способ интенсификации пропитки картона был признан наиболее перспективным [37,114] и доведен до создания опытно-промышленного вакуум-пропиточного устройства (19721976 годы).

Учитывая, что при сопоставлении всех возможных методов интенсификации пропитки вакуумирование признано наиболее эффективным, целесообразно рассмотреть этот метод подробнее.

Интенсификация процесса пропитки при вакуумировании достигается за счет принудительной фильтрации битума через полотно картона путем создания вакуума с одной из его сторон. Очевидно, что с физической точки зрения "вакуум-пропитка" является обычным фильтрационным массопереносом и не имеет ничего общего с предварите льным вакуумированием материала перед контактом с жидкостью. "Вакуум-пропитка" - исторически сложившийся термин, который сохранен в дальнейшем изложении.

Работы по вакуум-пропитке кровельного картона битумом начаты в 50-х годах "ЦНШНкровля" под руководством И.В.Провинтеева [34, 81,82] . Полотно картона по этому способу проводилось по перфорированному барабану и прижималось к нему металлической сеткой. Внутри барабана создавался вакуум. При подаче битума на сетку наблюдалась интенсивная пропитка полотна картона.

В 1958-60 годах работы по вакуум-пропитке продолжены отделом мягких кровельных материалов "НИИАсбестцемента". Было установлено, что при воздействии вакуума скорость пропитки (по сравнению с капиллярной пропиткой) увеличивается примерно в 20 раз. Коэффициент насыщения картона битумом достигает 100/£ [74] .

На основе перечисленных поисковых работ выполнены проекты двух опытных "вакуум-пропиточных" устройств валикового и барабанного типа [74] .

В 1965-66 годах институтом "ВНИИстроммаш" продолжены исследования пропитки картона битумом на лабораторной "вакуум-пропиточной" установке [98] . По результатам этих работ определена оптимальная величина вакуума 10^ Па и установлено, что погружение полотна в битум после вакуумирования не увеличивает привес битума в картоне [98] .

В 1970 году были проведены испытания двух опытно-промышленных "вакуум-пропиточных" устройств (конструкция ПКБ "Асбошифер" и "НИВДсбестоцемент"), отличавшихся исполнением лентопротяжного транспортера вакуумной камеры. Испытания выявили недостатки обеих конструкций, но была установлена возможность работы устройства без предварительного нагрева и подсушки картона [П4] •

Экспериментальные исследования "вакуум-пропитки" проводились на опытно-промышленной установке [37] , схема которой приведена в приложении I. После "вакуум-пропиточной" ванны полотно направлялось на отжимные вальцы. Зазор на вальцах поддерживался постоянным, После снятия пленки битума с полотна отбирались пробы пергамина для определения показателя привеса пропитки,

В опытах использовался картон различной толщины, впитываемос-ти, влажности. Однако, цри проведении экспериментов был сделан ряд допущений, отразившихся на результатах опытов:

- не учитывалось время пребывания картона в воздушной среде с момента выхода полотна из пропиточной ванны до снятия пленки битума с поверхности полотна отжимными вальцами;

- картон различной толщины пропускался через устройство при постоянном зазоре вальцев, поэтому содержал на своей поверхности пленку битума разной толщины.

Известно, что при охлаждении пропитанного полотна происходит его дополнительная пропитка (допропитка)х, составляющая 10,0,,,

15,0% от общей массы впитывающей жидкости [10,43] , В каждом из опытов на "вакуум-пропиточной" установке эффект допропитки вносил различный вклад в общий показатель привеса (в силу отмеченных недостатков методики исследования). Поэтому оценить отдельно роль фильтрации и допропитки в увеличении показателя привеса по х Далее нами вместе с термином "дополнительная пропитка" используется сокращение "допропитка". имеющимся данным не представляется возможным. Кроме того, при исследовании "вакуум-пропиточного" способа интенсификации преобладал механистический подход, вследствие чего несколько важных вопросов было оставлено исследователями без внимания:

- не проводились эксперименты по определению времени удаления воздуха из картона;

- не рассматривалось влияние начальной температуры картона, хотя вязкость битума, впитавшегося в поры картона, выше вязкости битума, находящегося в объеме пропиточной ванны. Поэтому вытеснение битума из пор картона затруднено особенно в первые 30 с, когда охлажденный битум обладает неньютоновскими свойствами и для его движения необходимо приложить некоторое начальное напряжение сдвига [9,44^ ;

- не учитывались особенности механизма высокотемпературной пропитки £зз] , приводящие вследствие анизотропии структуры картона к дефектам полотна в местах пониженной плотности, а, следовательно, и к потере прочности.

Отсутствие вышеперечисленной информации о "вакуум-пропитке", а также неучет некоторых методических факторов привели к не вполне корректной трактовке результатов проводившихся опытов. Поэтому выводы о низкой эффективности вакуум-пропиточных устройств, касающиеся кошфетно рассмотренной конструкции, не могут быть расцро-странены на сам принцип пропитки под вакуумом. Исследования по "вакуум-пропитке" должны быть направлены на изучение механизма и кинетики этого процесса, однако, им должно предшествовать решение ряда конструктивных и технологических задач, в том числе центровка полотна картона, сохранение его целостности, компенсация потерь вакуума. Кроме того, до сих пор не сделано технико-экономическое обоснование этого капиталоемкого метода интенсификации.

Пршитка картона под воздействием избыточного давления изучалась на лабораторной установке, представленной в приложении I.

Пропитанный картон проводился с помощью сетки в зазоре между плитами. Битум под давлением подавался в нижнюю напорную коробку и продавливался сквозь картон. Обогрев картона перед пропиткой ' осуществлялся инфракрасными нагревателями. Показатели привеса битума в картоне измерялись при различных скоростях движения полотна, величинах давлений и начальных температурах картона. Наиболее важные результаты опытов приведены на рисунках 2.2, 2.3.

Учитывая, что предельное насыщение картона однозначно зависит от его плотности, полученные результаты свидетельствуют об изменении плотности картона при воздействии избыточного давления битума. Расслаивание картона было тем больше, чем выше величина давления битума и время его воздействия на картон. При постоянном времени пропитки ( Тп ) величина привеса пропитки определяется параметрами картона*(начальной температурой, влажностью).

Таким образом, выводы об ускорении пропитки картона в 20 раз при воздействии перепада давления и получении коэффициента насыщения, равного единице, сделанные в работе [вв] , требуют корректировки. Здесь, как и в случае "вакуум-пропитки" или при механических способах воздействия на полотно, происходят структурные изменения картона [128,129] , а степень пропитки определяется объемом защемленной в картоне паро-воздушной смеси.

К физическому методу можно отнести также и способ создания избыточного давления с помощью струи битума, направленной на полотно картона, и образование "битумного клина" в различных зазорах.

Однако, надежные экспериментальные данные, подтверждающие эффективность этих способов интенсификации пропитки, пока отсут

0,6 а,8 ГО 1.2 ЪСо]

Рис.2.2. Кинетика пропитки картона при разных скоростях движения материала [вв] Ц

1.9 и

1.0 0,9 о,а ао Ао бо во то г с

Рис.2.3. Зависимость привеса пропитки картона от его начальной температуры [88] с тв уют,

В 1959-1960 годах в НИИАсбестоцемент проводились работы по изысканию новых способов пропитки картона, в том числе в акустическом поле.

Экспериментальные исследования по интенсификации пропитки с < помощью ультразвуковых гидродинамических излучателей проводились в 1969-70 годах в НШСтроммаш [99] на лабораторной пропиточной установке (приложение I). Полотно картона со скоростью 0,23 м/с время пропитки - 12 с) проводилось около ультразвуковых излучате-р лей (-10 м), генерирующих частоту излучения около 5 кгц. Результаты опытов не показали заметного увеличения привеса битума в картоне.

В дальнейшем в ВНИИНСМ были продолжены исследования по пропитке картона в ультразвуковом поле, созданном магнитострикцион-ными излучателями [вв] . Для исследования была создана специальная установка, состоящая из пропиточной ванны, дном которой являлась диафрагма магнитострикционного излучателя. Скорость движения полотна составляла 0,16 м/с; расстояние от полотна картона до дир афрагмы изменялось от I до 4.10 м.

Как и в первом случае привес пропитки битума в картоне практически не зависел от ультразвуковых воздействий.

Разрабатывая ультразвуковой способ интенсификации пропитки авторы исходили из известного факта увеличения скорости капиллярного проникновения жидкостей в пористых телах и их моделях [вв] . Однако, ими не учитывались процессы нагревания и сушки картона битутлом, сопровождающие пропитку, тогда как избыточное давление водяного пара в картоне препятствует продвижению битума и, по существу, определяет кинетику процесса пропитки.

С позиций теории высокотемпературной пропитки [ю,17,33,43,

58-61] эффективным физическим способом воздействия на процесс пропитки является нагревание картона перед погружением в битум. Картон, нагретый до температуры битума Т<э =413К, пропитывается за 3-5 с (на порядок быстрее, чем в пропиточной ванне рубероидного агрегата).

За рубежом предложены и используются методы нагревания картона перед погружением в пропиточную ванну: радиационный нагрев инфракрасными лучами, просос горячего воздуха и продуктов сгорания через полотно, кондуктивный метод нагревания на цилиндрах и т.д. Сравнительная эффективность различных методов представлена в табл.2.2.

Таблица 2.2

Время нагревания картона от 293К до 393К различными способами [ю,75,89,98]

Способ нагревания : Время (с)

1. Ж - лучи на расстоянии источника от картона 8.10-2 м: односторонний нагрев 20 двусторонний нагрев 10.12

2. Контакт с металлической поверхностью цилиндров, обогреваемых маслом цил.=

493К 6.7

3. Контакт картона с горячим битумом . (бит = 413К): односторонний нагрев 10.12 двусторонний нагрев 6.7

Вместе с тем, ни один из рассмешенных ранее методов интенсификации пропитки картона не может обеспечить полное насыщение его пор битумом. Это связано с защемлением битумом перегретого водяного пара или воздуха в структуре картона при любом описанном методе пропитки. Увеличение степени пропитки картона возможно при использовании метода "горяче-холодной пропитки", получившего широкое применение при сушке-пропитке древесины [ю, 17,33,110, 111,121,124] .

В результате исследований кинетики и механизма пропитки кровельного картона битумом (Б.И.Леончиком, В.Н.Бородиным и др.) разработан способ ее интенсификации под действием температурных перепадов [ю] . Сущность заключается в том, что картон погружается в битум и нагревается до температуры, обеспечивающей необходимое удаление влаги из картона для его последующей допропитки. В условиях существующей технологии производства рубероида для нагревания картона в битуме достаточно 30-40 с, а для его последующего охлаждения 15 с (без снятия пленки битума с поверхности полотна). Перепад температуры материала при этом составляет 2030 градусов.

Эффективность метода пропитки картона под действием температурных перепадов подтверждена его использованием в промышленных технологических линиях. В настоящее время предложено несколько схем производства рубероида с применением этого способа пропитки (рис.2.4).

Нами проанализирован также патентный поиск способов интенсификации пропитки [юб] . Несмотря на значительное количество иностранных патентов, технические решения которых направлены на интенсификацию пропитки, практического применения они не получили. Так, изучение схем рубероидных агрегатов ведущих фирм, производящих рубероид в ОДА, ФРГ, Финляндии, СФРЮ показало, что в основе их работы лежит принцип температурных воздействий на процесс насыщения кровельного картона вяжущим. Схемы американских рубероидных агрегатов приведены в приложении I. Однако, окончательные

Уогпано&ка СИД-152

Полиёндц тру5опро , . ----

Н^Ч^Ц^к I 1ванны вант

Рис.2.4. Варианты применения способа "температурных перепадов" при пропитке кровельного картона битумом в условиях производства ю]. выводы о зарубежном опыте сделать не представляется возможным, так как информации о параметрах технологического процесса, а также видов сырья и полуфабрикатов, использующихся при производстве 1фовельных материалов, в литературе нами не обнаружено.

П.2. Постановка задач диссертации

Несмотря на наличие большого количества устройств и способов, описанных в патентно-информационной литературе, а также методов интенсификации пропитки, описанных выше, их использование не нашло применение в промышленности*. Одной из причин такого положения является недостаток информации о самих процессах, происходящих при пропитке картона битумом в естественных условиях (без интенсифицирующего воздействия)•

В начале 70-х годов эти вопросы начали разрабатываться д.т.н. проф. Б;И.Леончиком, к.т.н. Д.Д.Сурмели и к.т.н. В.Н.Бородиным [ю] • Работы были посвящены изучению впитывающих свойств кровельного картона, а также механизму взаимодействия кровельного картона и битума.

Первой задачей^ настоящей диссертации является исследование особенностей тепломассопереноса при погружении в объем битума и при его контактировании с пленкой битума.

Рассматривая особенности работы оборудования и технологических операций производства рубероида, необходимо отметить, что при выходе из строя регулятора уровня битума в пропиточной ванне поу

Подразумеваются все вышеописанные методы, кроме использования способа "температурных перепадов". у у

Учитывая, что постановка задач диссертации базируется на уже выполненном анализе современного состояния технологии пропитки, его проведение в задачи не включено. лотно картона продолжает пропитываться из объема пленки битума, присутствующей на его поверхности. Пленка формируется при выходе картона из объема битума в воздушную среду. Рассмотрим несколько подробнее возможность пропитки материала при взаимодействии с поверхностной пленкой битума;

В первом приближении толщина пленки битума, увлекаемой полотном, определяется известным уравнением [бб] ф

Полученные значения толщины пленки соответствуют Т^=453К и У= 1.0 м/с.

В начале процесса теплота, воспринятая картоном от пленки битума, будет расходоваться на нагревание картона и испарение содержащейся в нем влаги. В расчете на петлю полотна в рубероидном агрегате дяиной 2,5 м (общий путь I =5 м), при скорости движения полотна V =1 м/с' ( Т- €/ V ), получим: + (2.2) где А/м - скорость сушки картона, определяемая из кинетической кривой сушки. р

Количество теплоты, аккумулированное I м пленки равно: = 0,5.180.103.103 = 90 ккал м2 = 376 Дк м2 (2.3)

Учитывая, что пленка находится с двух сторон полотна, затраты теплоты на нагревание и сушку картона в одной петле составят 8% от его общего количества в пленке.

Таким образом, даже для начального периода пропитки картона

Шкаср предварительного полиса полотна.

Шкаср до пропитки полотна I I

Рис.2.5. Схема тепломассообменной части рубероидного агрегата

0,95 0,90 0,85 0,80

О 5/0 /5 20 25 30 Т[С]

Рис.2.6. Кинетика вытеснения битума из пергамина при его повторном нагревании в пленочном режиме охлаждение пленки будет незначительным и составляет 5-10 градусов. Кроме того, при повторном погружении полотна с поверхностной пленкой в объем битума произойдет захват полотном новой порции "горючего" битума. Расход же энергии на нагревание картона во второй петле будет составлять значительно меньшую часть, чем в первой. И так далее.

Второй задачей является исследование влияния условий и параметров режима пропитки на качестве пергамина и рубероида.

Принятая технология производства рубероида цредполагает про-ховдение пергамином после выхода материала из зоны тянульно-ка-либровочных вальце в (рис.2.5) устройства (камеры) доцропитки

25,71] . Назначение этого устройства состоит в осуществлении доцропитки основы из объема пленки битума, оставшейся на ее поверхности в термостатированном объеме. Значительные колебания толщены щювельного картона (+ 10ОД и выполнение вальцами протягивающих функций цриводят к тому, что полотно пергамина после цро-ховдения вальцев выходит црактически "сухим"х (отмечается даже некоторый отжим битума из пор картона вальцами), то есть устройство доцропитки свою основную функцию выполнить не в состоянии. Остается открытым воцрос о целесообразности термостатирования пергамина перед нанесением покровного слоя.

Таким образом, в рубероидном агрегате существует зона, технологическое оборудование которой не оказывает необходимого влияния на технологический цроцесс. Поэтому, целесообразно рассмотреть влияние этой зоны, а также возможности ее использования для улучшения качества материала. х Без визуально наблюдаемых участков битума на поверхности.

Интенсивность и направление массообменных процессов, происходящих при изготовлении материала, зависят от температурных режимов технологического процесса.

К моменту нанесения покровного слоя на пергамин его температура понижается на 10-15 градусов по сравнению с температурой в пропиточной ванне. При этом, если температура покровного битума больше, чем пропиточного^, наблюдается вытеснение пропиточного битума из пор картона вследствие его повторного нагревания в поповной ванне (рис.2.6), что препятствует формированию надежного адгезионного контакта между пергамином и покровным слоем и снижает гидроизоляционные свойства материала. На практике это проявляется в виде отслаивания покровного слоя у материала при раскатке рулонов для производства кровельных работ и появления вздутий на кровельном ковре при его эксплуатации.

В случае, если температура покровного битума ниже пропиточного, наблюдается допропитка пергамина покровным битумом. Этот факт неоднократно отмечался при определении привеса пропитки кар

ЗГУ тона , проведенного до и после нанесения покровного слоя на пергамин. Причем после нанесения покровного слоя привес пропитки увеличивался на 10-15$.

Формированию надежного адгезионного контакта покровного слоя и пергамина препятствует также охлаждение материала тальковой суспензией, наносимой на материал с одной стороны сразу после прохождения полотна покровной ванны. Увеличение вязкости битума х Этот случай довольно часто встречается в производственных условиях, так как битум, подаваемый в смесительную трубу прямо из системы окисления не успевает охладиться за время его наполнения. хх Привес пропитки битумом определялся в соответствии с фГОСТ 2678-65. при охлаждении замедляет диффузионное взаимодействие покровного и пропиточного битумов.

Нами отмечено, что при препарировании покровного слоя рубероида на срезы с последующим испытанием битума на приборе "Кольцо и шар" в нем существует зона, в которой показатели КиШ° битума отличны от показателей исходных битумов. Этот факт неоднократно проверялся на материалах, выпускаемых на Папском и Краснодарском заводах. Для исключения влияния судативных реакций [э] определение КиШ° проводили сразу после изготовления материала в соответствии с требованиями действующего ГОСТ 2678-65.

Кроме того, при взаимодействии кровельного картона и битума происходит частичная термодеструкция его волокон.

Вышеперечисленная информация указывает на прямую связь параметров технологического процесса с тепловыми и массообменными явлениями в материале, протекающими при его изготовлении, а также на дефекты его структуры, обусловленные несовершенством технологии изготовления рубероида.

Третьей задачей являются разработка методики инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата и разработка практических предложений по интенсификации и конструктивному оформлению пропитки при снижении энергетических затрат.

ГЛАВА Ш. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Ш.1. Исследование пропитки картона

Рассмотрим кратко принцип гидростатического взвешивания с учетом особенностей процессов, сопровождающих высокотемпературную пропитку картона битумом. На холодный образец картона, погруженный в горячую пропиточную жидкость, действует выталкивающая сила / (рис.3.1), значение которой изменяется во времени и зависит от интенсивности процессов нагревания, сушки и пропитки образца. Жидкость, проникая в поры картона, отдает теплоту волокнам и охлаждается, что приводит к увеличению ее плотности. Волокна расширяются при нагревании и одновременно сокращаются в объеме вследствие усадки при испарении из них влаги. Удаленная паровоздушная смесь создает дополнительную подъемную силу, стремящуюся вытолкнуть картон на поверхность жидкости. По мере пропитки выталкивающая сила / уменьшается пропорционально объему пропитанных пор картона. Принцип гидростатического взвешивания основан на непрерывной регистрации во времени равнодействующей сил ( /?г ) действующих на образец (рис.3.1). Тогда количество жидкости, впитавшейся в картон за время Т ( Мт ) определится:

Мг = Рг-В-Р° (3.1) где Д0 - начальное показание весов, определяемое гидростатическим взвешиванием груза перед опытами;

В - постоянная величина, определяемая структурными характеристиками картона

5)

Рис.3,1. Схема сил, действующих на пропитываемый образец (а) и техника исследования пропитки методом гидростатического взвешивания (б): I - весы; 2 - плечо весов; 3 - недеформируемый подвес; 4 - пропитываемый образец; 5 - дополнительный груз.

- 36

При этом степень цропитки картона определится:

Мг'Ммакс

Ммакс ~ Ср§

3.2) где Ммакс - максимально возможное массосодержание жидкости в картоне.

Приведенные соотношения позволяют определить количество жидкости в картоне, не извлекая его из ее объема.

Следует отметить, что расчет кинетики цропитки по приведенным формулам справедлив для случая, когда волокна не поглотают пропиточную жидкость и объем материала не изменяется.

Для определения погрешности метода гидростатического взвешивания проводились опыты по измерению толщины (массы) пленки на поверхности образца картона, извлеченного из трансформаторного масла. Скорость извлечения образца выбиралась так, чтобы вся пленка при охлаждении впитывалась в картон. Тогда количество жидкости в картоне, определенное методом гидростатического взвешивания, отличалось от количества жидкости в извлеченном образце на величину массы пленки (Мпл. ) [19,55] :

Сравнение значений толщины пленки, определенных экспериментально методом взвешивания и аналитически по формуле (3.3) показало, что они различаются не более чем на 10% (рис.3.2); это может быть объяснено неучетом шероховатости поверхности картона.

В относительно широком интервале скоростей извлечения неполностью пропитанного картона из трансформаторного масла изменение массосодержания имеет сложный характер (рис.3.3). При понижении

3.3) извлечения:

I - экспериментальная; 2 - теоретическая. скорости извлечения скорости извлечения картона из масла показатели дривеса пропитки ( I/ ) закономерно уменьшаются. Однако при скорости меньше 0,5.10"^ м/с величина привеса пропитки вновь увеличивается и наблюдается движение пленки масла из зоны мениска вверх по образцу. Причиной этому может быть термодиффузия в пленке [бб] . Термокапиллярное движение пленки возможно под действием поверхностных тангенциальных напряжений, возникающих под влиянием переменного поверхностного натяжения, вызванного изменением температуры жидкости в области мениска и пленки [19,55,123] . Зная объем жидкости, находящийся на поверхности образца в пленке (С?/"* ), суммарный объем жидкости, находящейся в картоне (), можно рассчитать объем жидкости в образце до его извлечения из пропитывающей массы ( IX"бГ ). Таким образом, погрешность метода гидростатического взвешивания, обусловленная вышеописанными явлениями, определяется по формуле: л = !

3.4) и

Вместе с тем необходимо учитывать, что при длительном нахождении картона в горячей жидкости происходит усадка волокон и их деструкция, вследствие чего плотность его возрастает. Проведено исследование изменения плотности образцов картона после выдерживания в трансформаторном масле в течение Т7 = 60 с и Тг = - 360 с. Значение плотности определялось как среднее из шести опытов и соответственно равно:

Изменение плотности йр^ = 10 кг/м3 приведет к изменению привеса пропитки картона на величину: или лп , гг. с/(РеРк'-РэР»1)

1ц/>;гАри = 40 где Цмамс. - максимальное значение привеса пропитки, рассчитанное для условия, когда образец картона погружен в жидкость, вычислялось по формуле: и*а«с.уф;'-0,66) =0,88(424'-0,66) {3.6)

Как следует из приведенных расчетов, в условиях данного опыта усадка картона несущественно влияет на показатель привеса пропитки. Плотность картона можно усреднить: = ~ркг) =429-5 % (3.7) и считать, что

Лмакс. = 1,47 ± 0.02

Используя зависимость г СУ) рис.3.2), можно определить величину термического сжатия пропиточной жидкости и ее количество, дополнительно впитавшееся в полностью насыщенный образец*- ( дМ ) из объема поверхностной пленки СМпл.). Слех Полностью насыщенный образец получали методом "горячей - холодной" пропитки с последующим выдерживанием в пропиточной жидкости в течение 48 часов. довательно, после охлаждения масса полностью насыщенного образца равна:

Ммакс.= Ммакс~ Мпл. (3.8) где МГма«с- величина максимального насыщения картона в горячей жидкости;

Ммакс. - величина максимального насыщения охлажденного картона.

Вместе с тем, масса не полностью насыщенного образца, извлеченного с такой же скоростью после охлаждения и дополнительной пропитки, равна:

М*~ МГ~ Мпл (3.9) р где М - величина насыщения картона в горячей жидкости.

Следовательно, разница в массах пропитанных образцов, вычисляемая из равенства аМ=Ммакс-М = МХ- Мпл (ЗЛ0) определяется их взвешиванием после извлечения. Максимальное значение привеса пропитки при полном охлаждении образца (JJg = 880 кг/м3), вычисленное по формуле (3.6), составит ÜMOKC. =1,49±0,02, что находится в пределах ошибки опыта ( Циане. = 1,51+0,01).

Таким образом, увеличение содержания трансформаторного масла в картоне, обусловленное его термическим сжатием при охлаждении и соответствующей дополнительной пропиткой образца из массы пленки, составит АU =0,12, что соответствует расчетам:

Ар = Щ.дрц = (р;4-0,66)üj)S=/3" (зли

Приведенные здесь результаты измерения и вычисления позволяют сделать заключение о достоверности метода гидростатического взвешивания и возможности его использования при определении показателей привеса пропитки с погрешностью до 3%•

111.2. Определение плотности кровельного картона

Определение плотности капиллярно-пористых тел связано с трудностью измерения истинного объема тела. Как правило, объем вычисляют по измеренным геометрическим размерам. При этом толщину картона измеряют толщиномером в 6-9 точках, принимая среднее арифметическое значение за среднюю толщину картона. Погрешность определения толщины картона по этой методике с учетом инструментальной погрешности составляют 5-8% [ю] . Плотность картона, определенная на основе измерения геометрических параметров, оказывается на 10-15% ниже, чем определенная методом гидростатического взвешивания. Более точное значение плотности картона (у^ ) рассчитывают после завершения пропитки по данным гидростатического взвешивания ( /?макс. ) и значению массы полностью пропитанного образца (Ммакс. ) у?* (Ро " Рмакс.) + Ммакс] (з. 12)

Массу пропитанного образца определяют после его извлечения из жидкости и отекания пленки с его поверхности (среднее 5.6 измерений). Отекание пленки считали законченным, когда поверхность образца становится матовойх. При использовании летучих жидх В связи с трудностями измерения коэффициента отражения поверхности картона, его величина определялась визуально.

Гогуг^тгогт: с С V. н Г}. И. Л.нигч костей для оцределения плотности образцов отекание пленки необходимо проводить в эксикаторах, насыщенных парами пропиточной жидкости, для предотвращения ее испарения из объема образца.

Определение плотности "элементарного" волокна можно проводить двумя способами:

- измерением массы жидкости, поглощенной картоном после отекания поверхностной пленки и, принимая, что образец полностью насыщен (не содержит защемленный воздух):

- & - ) (3.13)

- используя результаты гидростатического взвешивания пропитанного образца в следующей зависимости: О р

Я ~ (Л-Рмахс)+С^ (ЗЛ4)

Значения плотности волокон, вычисленные по формулам (3.13) и (3.14), совпадают с точностью до 1% и соответствуют плотностям растительных волокон, из которых изготавливают кровельный картон ( ^в = 1,52±0,05 г/см3) [102] .

Таким образом, расчет плотности картона методом гидростатического взвешивания в настоящее время является достаточно точным.

Ш.З. Исследование нагревания картона битумом

Нагревание картона битумом при пропитке является фактором, определяющим кинетику всего процесса насыщения, поэтому в ранее приведенных исследованиях этому вопросу уделялось значительное внимание [ю,99] . Так как пропитка влажного картона сопровождается его нагреванием и сушкой, то можно предположить, что эти процессы должны качественно отражаться на кривых нагрева.

Традиционно нагревание картона изучалось измерением температуры центра образца термопарой, вставленной в картон специальным образом. Для термопары иголкой проделывалось отверстие, которое герметизировалось картонной массой для предотвращения прямого попадания битума к рабочему спаю, а рабочие провода термопары покрывались термостойким лаком, что исключало их соприкосновение во время эксперимента. Для регистрации использовались потенциометры типа ЗПП-09 и КСП-4.

Однако полученные ранее зависимости не отражали качественно процессы, происходящие во время пропитки. Причиной этому явились методические неточности при выборе аппаратурного оформления экспериментов. В применяемых ранее приборах сигнал термопары преобразовывался в механическое перемещение регистрирующего органа, который имеет ограниченное быстродействие. Эти недостатки и привели к усреднению информации о нагревании картона.

Автором при изучении кинетики нагревания картона битумом в лабораторных условиях использовался термокомплект, в состав которого входили микрогальванометр-вибратор с чувствительностью 10 А, хромель-копеливые термопары и соединительные провода, светолуче-вой осциллограф Н0Ч1, а также сосуд Дьюара (нуль-термостат) (рис. 3.4).

Для термопар с диаметром с1 = 1.10"4 м, З.ПГ4 м определялась постоянная времени тепловой инерции по принятой методике

47] , она составляла соответственно 0,45 с и 0,6 с. Так как исследуемые нами процессы протекают за время, превышающее на 1-2 порядка постоянную времени термопреобразователей, то динамические характеристики оборудования можно считать удовлетворительными.

Термопары градуировались в масляном термостате. Осциллограм

Рис.3.4. Схема стенда для исследования нагревания картона при пропитке битумом: I - система регулирования температуры битума; 2 - образец картона; 3 - измерительные термопары; 4 - нуль-термостат; 5 - светолучевой осциллограф Н0Ч1 о £ / т ООО - ■ -V к

1— о о оо г ,

Рис.3.5. Схема радиометрической установки:

I - блок детектора; 2 - блок питания;

3 - блок пересчетного устройства;

4 - цифропечатаюшее устройство мы расшифровывались с помощью градуировочных графиков. Скорость

-2 движения регистрирующей бумаги в экспериментах составляла 1.10 м/с. Погрешность измерения температуры составляла +2,5.

Использование в экспериментах прецезионной измерительной техники позволило уточнить характер кривых нагревания влажного карто-, на при его пропитке битумом.

Ш.4. Исследование диффузионных процессов в рубероиде ядерно-физическими методами

Рубероид - сложный композиционный материал, состоящий из основы - кровельного картонах, пропитанного легкоплавким битумом (ШК-2) и покрытого защитной пленкой наполненного тугоплавкого битума (БНК-5) [25,71] .

Технология производства материала, представляющая совмещенные процессы нагревания, сушки, пропитки, происходящие в неизотермических условиях, определяет начальное распределение составляющих рубероида. Причем начальное распределение пропиточного и покровного битумов, наполнителя в подобном слое и картоне, оказывает влияние не только на физико-механические характеристики готового материала, но и на массообменные явления, наблюдаемые в нем при его эксплуатации (взаимная диффузия пропиточного и покровного битумов, наполнителя в покровном слое).

Анизотропия и гетерогенность, непрозрачность системы в оптическом диапазоне и гомологическое сродство битумов приводят к необходимости использования ядерно-физических методов, которые нашх Необходимо отметить, что кровельный картон сам представляет композицию из высокомолекулярных волокон естественного и искусственного происхождения. ли уже широкое применение в решении подобных вопросов [134] .

Для выбора конкретного метода и определения возможности идентификации составляющих рубероида было проведено исследование элементного состава его компонентов с помощью нейтронно-актива-ционного анализа.

В основе нейтронно-активационного анализа лежит реакция (^,/7 ), в результате которой образуются радионуклиды, распадающиеся с различным периодом полураспада и испусканием различных -линий. Определенный элемент идентифицируется по его радионуклиду с известной у -линией [50,125,134] . Для активации образцов использовался тепловой канал реактора ББРС-М ШФ УзССР. Плотность потока нейтронов составляла 1,2.10^ нейтрон/см^.

СЬектр образцов измерялся с использованием у -спектрометра с ( Об)/(¿1 ) детектором. Разрешение детектора составляло 4,1 кэв. на линии 1332,5 кэв60С0.

Результаты анализа показали наличие в материале металлов Са , Ге , М , V . Для уточнения возможности использования в качестве идентифицирующих объектов металлов необходимо провести количественное определение их содержания, что целесообразно сделать с помощью рентгенотехнического анализа [26 ] (рентгенорадио-метрического метода).

Ш.4.1. Рентгенорадиометрический метод

Метод основан на возбуждении характеристического рентгеновского излучения ( йв ) и измерения его интенсивности. Существует зависимость между интенсивностью рентгенофяюоресцентного излучения и содержанием элементов в образце [бб] . По эталонным образцам строится градуировочный график, затем по величине интенсивности характеристического излучения определяется процентное содержание элемента.

Для возбуждения характеристических линий металлов использовались две тритий-цирконевые мишени активностью по 15 Кюри. Период полураспада мишени 12,3 года. Спектр :5И/Zr мишени представляет собой тормозное излучение с линией сЛ ,

2,05 кэв).

Для измерения интенсивности характеристических линий металлов была использована электронная аппаратура, состоящая из пред-усилителя БУС 2-47 и амплитудного анализатора М-256-6. Приспособление для укрепления радиоактивных источников, детектора и образцов (измерительный датчик) было изготовлено с оптимальной геометрией, угол между первичным и вторичным излучением составлял 70°. При измерении использовался полупроводниковый 51/С^0 детектор с разрешением 340 кэв на линии 5,9 кэв.

Измерение и обработка спектров проводились по стандартной методике. Образец устанавливался в гнездо измерительного датчика. Измерение цроводилось в течение 5 мин. Выведенная на ленту часть спектра обрабатывалась следующим образом. Вначале отыскивался канал с максимальной интенсивностью, затем его значение суммировалось с интенсивностью 8 каналов (по 4 канала спектра с двух сторон) и вычислялось среднее значение интенсивности характеристического излучения.

Полученные рентгеновские спектры картона, битумов и наполнителя представлены в приложении 2. В битумах ШК-2 и ЕНК-5 присутствуют атомы металлов в виде следов, в том числе и Со. , которые составляют десятые доли процента. Количество металлов в ШК-2 и ЕНК-5 практически одинаково, хотя в последнем Гб несколько больше, что можно объяснить присутствием большего количества асфальтенов, на порфириновых комплексах которых адсорбируются ионы металлов [96,97] .

Рентгеновский спектр наполнителя показал значительное содержание в нем Со. до 4($.

Таким образом, для изучения движения наполнителя в покровном слое рубероида и кинетики водопоглощения материала может быть использован рентгенорадиометрический метод, а в качестве идентифицирующего объекта - Со (характеристическая линия Со. Кос ).

Исследование взаимной диффузии битумов вышеописанным методом невозможно, так как атомы металлов, способные выполнить роль идентификаторов, присутствуют как в ШК-2, так и в ШК-5.

В связи с этим целесообразно рассмотреть возможность использования метода радиоактивных индикаторов для исследования взаимодействия битумов и картона в рубероиде.

Ш.4.2. Метод радиоактивных индикаторов

Рассмотрим кратко принципы, лежащие в основе этого метода [57,125] .

Атомы радионуклидов одного и того же элемента, различаясь числом нейтронов в ядрах, имеют одинаковое строение электронных оболочек, обусловленное зарядом атомного ядра. Поэтому многие свойства простых веществ и соединений, содержащих различные радионуклиды одного и того же элемента, почти тождественны, большинство физико-химических процессов не зависит от радионуклидао-го состава веществ. Таким образом, идентичность химических свойств различных радионуклидов одного и того же элемента и, как следствие этого, неизменность радионуклида ого состава при физико-химических превращениях послужили основой метода радиоактивных индикаторов (РИ), или меченых атомов [125] •

Решение поставленной задачи исследования взаимной диффузии пропиточного И П01Ф0ВН0Г0 битумов возможно осуществить методом РИ [57,62,72,106] .

Учитывая, что подобная работа проводится впервые на данном этапе, целесообразно использовать в качестве индикаторов радионуклиды с носителями, выпускаемыми промышленностью (ЕЛО "Изотоп") и по своим гидродинамическим и физико-химическим свойствам близкими к низкомолекулярным фракциям битумов*. Был выбран с носителями - холестерином и олеиновой кислотой. Молекулярные массы и температуры кипения соответственно равны 282,47 и 386 у.е. и Ткип. = 553К, Ткип. = 503К.

Так как носитель индикатора призван моделировать процессы, происходящие с битумами при изготовлении рубероида, использовались два носителя. Этим предотвращалась возможность искажения результатов экспериментов вследствие маловероятной избирательной сорбции индикатора волокнами картона.

Характеристики индикатора приведены в таблице 3.1.

Следует отметить, что большой период полураспада углерода (5568 лет) позволяет исследовать процессы миграции вещества не только при изготовлении материала, но и в условиях его эксплуатации.

Для определения совместимости битумов и индикаторов были х Вследствие относительно низкой молекулярной массы масляных фракций битумов, а также результатов натурных наблюдений масляных пятен на поверхности рубероида при его эксплуатации, предполагается, что они обладают максимальной подвижностью в рубероиде.

Таблица 3.1

Характеристика радиоактивных индикаторов

Атом-:Эле-ный :мент номер:

Изо- :Период:Тш1 :Верхняя:&1ер-:#% рас- :Шособ топ :полу- :рас-:гр.спек:гия :падов с :получе-:распа-:пада:тра :$ато-: данным :ния :да : :(мэв) шов :спектром :

Угле род

- 14,

5568 р 0,155 нет

100 проведены исследования ИК-спектров битумов (пропиточного и покровного), холестерина, олеиновой кислоты, а также их смесей с битумами, приготовленных при технологических температурах (-473К) (см.приложение 2). Анализ спектров показал, что носитель вступает в физико-химическое взаимодействие с битумами, образуя гомогенную смесь.

Существует три метода исследования диффузии: метод снятия слоев, метод продольного разреза, адсорбционный метод [б2] . Для изучения процессов проникновения в капиллярнопористые тела, когда неизвестен закон поглощения излучения индикатора в веществе образца, применяют метод "снятия слоев". Данный метод основан на последовательном снятии слоев с поверхности образца после процесса диффузии и определении средней концентрации радиоактивного нуклида в слое в зависимости от местоположения этого слоя в материале. Скорость счета импульсов излучения пропорциональна количеству радиоактивных атомов в слое.

Так как энергия излучения незначительна (0,155 мэв, табл. 3.2), измерения активности срезов производили с 2-х сторон [57, 62] . Подготовленные для измерений срезы образцов помещались в измерительную кассету детектора электронного спектрометра (рис. 3.5).

- 51

В ji -измерительной аппаратуре использовался сцинтиляцион-ннй детектор, в частности, из монокристалла антрацена {С/4Ню )•

Результаты измерений обрабатывались по стандартной схеме [57] . Однако, следует заметить, что анализ вещественного состава представляет собой косвенное измерение, при котором концентрация контролируемого элемента задается функцией нескольких непосредственно измеряемых величин. Методические погрешности на порядок меньше погрешностей, характеризующих воспроизводимость измерений.

Суммарная погрешность определения взаимной миграции битумов находилась в пределах 17$.

Учитывая, что предприятия кровельной промышленности размещены практически на всей территории СССР, исследование закономерностей пропитки проводилось в широком диапазоне варьирования свойствами сырья:

- кровельный картон, используемый в экспериментах, был изготовлен на Краснодарском и Папском комбинатах строительных материалов с удельной массой 0,4; 0,5; 0,7 кг/м2 и J3k - 450 кг/м3;

- пропитка осуществлялась битумами Западно-Сибирского, Вол-го-Уральского и Северо-Кавказского месторождений*.

При математической обработке результатов экспериментов статистические критерии были выбраны с вероятностью 0,95, а объем выработки определялся с помощью t -критерия. Адекватность полученных уравнений регрессии проверялась по F -критерию. х Групповой состав битумов и зависимость динамического коэффициента вязкости от температуры представлены в приложении 3. Определение группового состава битумов проводилось в лаборатории физико-химических методов института ВНШстройполимер.

0СН01НЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установленные зависимости, описывающие процессы нагревания, сушки и пропитки карт сна при погружении в объем битума для условий естественной и вынужденной конвекции, позволили оптимизировать теплотехнологические параметры пропитки, обеспечивающие максимальное намыщение картона,

2. Исследована пропитка картона при контакте с пленкой битума. Разработана и внедрена технология пленочного режима пропитки, интенсифицирующая процесс на 12-20%, реализованная как в новом пропиточном блоке (а.с. В 1000502), так и на модернизированном действующем пропиточном оборудовании.

3. Разработана и реализована методика исследования диффузионных процессов в рубероиде ядерно-физическими методами.

4. Впервые показана возможность обобщения кинетики пропитки в координатах ; А^т и разработана на этой базе методика инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата.

5. Разработан новый способ изготовления кровельных материалов (а.с. № 912797), интенсифицирующий пропитку путем обеспечения диффузии покровного битума в основу материала.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: "Политиздат", 1981, 256 с.

2. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: "Наука", 1976, 275 с.

3. Аким Э.Л. Обработка бумаги. М.: Лесная цромышленность, 1979, 228 с.

4. Аксельруд Г.А., Альтшулер М.А. Введение в капиллярно-химическую технологию. М.: Химия, 1983, 257 с.

5. Альтшулер М.А. Коллоидный: журнал, 1961, т.23, Л 6, с.646. 651.

6. Альтшулер М.А. и др. ДАН СССР, 1966, т.168, й 2, с.233.235.

7. Байков Л.М. Кинетика цродесса цропитки кровельного картона нефтяным битумом. В кн.: Межвузовский сборник трудов. Химия, технология бумаги. Л.: 1983, с.13.19.

8. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. М.: "Химия", 1971, 824 с.

9. Битумные материалы. М.: "Химия", 1974, 248 с.

10. Бородин В.Н. Исследование цроцесса цропитки кровельного картона, дисс. на соиск.учен.степени к.т.н., М.: "ВНИИсоройпо-лимер", 1978, 140 с.

11. Бородин В.Н., Бокштейн С.Я. и др. Влияние составляющих рубероидного полотна на деформативно-прочностные свойства рубероида. М.: ВНИИЭСМ, 6, Je 8, 1983, С.13.Г7.

12. Брейтвейт К.В. и др. Производство, свойства и применение электроизоляционных целлюлозных бумаг и картона. М.: 1970, 336 с.

13. Бродский В.З. Многофакторные регулярные планы. М.: "МТУ",1972, 240 с.

14. Буевич Ю.А. и др. "0 стационарном переносе в волокнистых композиционных материалах" ИФЖ, т.ХШТ, В 5, 1979.

15. Буевич Ю.А. "О пропитке нагретого наполнителя вязкой жидкостью" ИФЖ, т.36, Jê 6, 1979.

16. Виткявичюс Р-А.П. Исследование фильтрационного массопереноса в цроцессе сушки за сче:? градиента избыточного давления (диссертация). М.: "МЭИ", 1970, 128 с.

17. Внедрение устройства для интенсификации процесса пропитки и стабилизации движения полотна кровельного картона на рубероидном агрегате (отчет). В.А.Меклер, № 187, ВНИИстройполимер, M.: 1976, 51 с.

18. Воронцов Е.Г., Тананайко Ю.М. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Киев: "Техника", 1975, 265 с.

19. Воюцкий С.С., Вакула В.В. Явление самодиффузии и взаимной диффузии в полимерных системах "Успехи химии" ХХХШ вып. 2, 1964, с.205.223.

20. Воюцкий С.С. Физико-хим:аческие основы цропитывания и имцрег-нирования волокнистых материалов дисперсиями полимеров. Л.: "Химия", 1969, 336 с.

21. Гарин Р.И., Вачагин К.Д. Течение смесей на наклонно-движущейся ленте. Полимерные строительные материалы. Казань: 1980, с.14.16.23.26,27,28,29