CC BY
36
УДК 691-405.8: 666.189.3 Карпенко М.А. Тихомирова И.Н.
ЭФФЕКТИВНЫМ ТЕПЛО- И ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫМ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО ПЕНОСТЕКЛА И МИНЕРАЛЬНОГО СВЯЗУЮЩЕГО
Карпенко Марина Анатольевна, бакалавр, ведущий инженер кафедры общей технологии силикатов Тихомирова Ирина Николаевна , кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общей технологии силикатов, e-mail: [email protected]:
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Работа посвящена разработке составов и способа получения долговечного негорючего теплоизоляционного материала на основе гранулированного пеностекла и объемно отвержденного жидкостекольного связующего. Получены материалы с коэффициентом теплопроводности от 0,085 до 0,095 Вт/мК при прочности на сжатие 0,5 — 1,0 МПа.
Ключевые слова: гранулированное пеностекло, теплоизоляционные материалы, жидкое стекло, коэффициент теплопроводности, кажущаяся плотность, прочность.
EFFECTIVE HEAT- AND SOUND INSULATING MATERIAL BASED ON GRANULATED FOAMGLASS AND MINERAL BINDING
Karpenko M.A., Tikhomirova I.N.
D. Mendeleyev University of Chemical Technology of. Russia, Moscow, Russia
The work is devoted to the development of compositions and a method for obtaining a durable nonflammable heat-insulating material based on granular foam glass and a volume-hardened liquid-glass binder. Materials with a coefficient of thermal conductivity from 0.085 to 0.095 W / m • K were obtained with a compressive strength of 0.5-1.0 MPa.
Keywords: granular foam glass, heat-insulating materials, liquid glass, thermal conductivity coefficient, apparent density,
Наиболее эффективными, с точки зрения тепло-и звукоизоляционных свойств, являются органические материалы, однако области их применения существенно ограничены, так как они горючи, выделяют отравляющие и удушающие вещества при возгорании, не обладают высокими прочностными свойствами, нестойки к воздействиям окружающей среды и имеют склонность к старению с потерей технологических свойств. В связи с эти возрастает интерес к новым минеральным тепло- и звукоизоляционным материалам, которые были бы лишены перечисленных недостатков. При создании таких материалов проблема заключается в том, чтобы найти оптимальное решение по выбору легкого заполнителя, связующего и наиболее Таблица 1. Сравнительная характеристика гранулированного пеностекла
простой технологии производства изделий самой разнообразной формы и габаритов.
Долговечным и негорючим тепло- и звукоизоляционным материалом является блочное пеностекло [1], но оно отличается высокой ценой из-за больших затрат на его отжиг. В последнее время на территории РФ были организованы производства по выпуску гранулированного пеностекла, которое существенно дешевле и обладает хорошим комплексом технологических свойств, позволяющим использовать его в качестве заполнителя в композиционных материалах. В таблице 1 приведены характеристики гранул пеностекла некоторых производителей.
Производитель Плотность. г/см3 Прочность, МПа Теплопровод-ность,Вт/мК Размер гранул, мм Огнестойкость Цвет
PENOSTEK 0,1-0,19 0,45-0,55 0,06-0,061 0,1-20 + Серый
SAITAX 0,1-0,5 0,23-0,33 0,05-0,1 0,1-20 + Белый, серый
Рыбинский з-д 0,15-0,35 0,7-0,33 0,048-0,059 0,1-40 + Серый
BAUGRAN 0,1-0,28 0,3-0,6 0,055-0,077 0,1-45 + Белый, серый
ПСК (г. Омск) 0,345 0,5-1,1 0,06-0,068 5-40 + Серый
Выбор неорганического связующего был основан на том, что оно должно обеспечивать низкие кажущуюся плотность и теплопроводность композиционного материала, но одновременно быть достаточно прочным, водо- и жаростойким. С этой точки зрения удачной является связка на основе ксерогеля кремневой кислоты, получаемой в результате объемного отверждения жидкого стекла при его нейтрализации соединениями кислого
характера. В этой работе было использовано натриевое жидкое стекло с модулем 2,73 и плотностью 1,429 г/см3, в качестве отвердителя применяли Na2SiF6 в количестве 15% от массы жидкого стекла. Для повышения прочности связки вводили пылевидный кварц (маршалит) в соотношении с жидким стеклом 1:1. Свойства связующего приведены в таблице 2.
Таблица 2. Свойства связующего
Предел прочности при сжатии, МПа Кажущаяся плотность, г/см3 Коэффициент теплопроводности, X. Вт/мК
3 суток 7 суток 14 суток 28 суток 1,338 0,282
18,5 12,2 15,4 21,1
Вяжущее готовили совместным смешением всех трех компонентов, а затем в него вмешивали гранулы пеностекла с диаметром от 2,5 до 5 мм производства BAUGRAN в разном количестве. При этом область количественного соотношения между связкой и гранулами ограничивалась консистенцией массы — если вяжущего слишком много, то происходит расслаивание массы, если слишком мало, то не обеспечивается монолитность материала и его прочность. Формование образцов проводили методом засыпки массы в формы с промежуточным трамбованием при малом усилии. После расформования через 1 сутки образцы твердели в комнатных условиях в течение 3, 7 и 14 суток. Затем определяли прочность, кажущуюся плотность и коэффициент теплопроводности образцов. Результаты испытаний представлены на рисунках1-3.
Г N
r- R! ПЗх+ОДЗИ = 0,5189
\
\ ----- /
\ ч
V_
Количество связующего в % от жгаграш пеностекла
Рисунок 1 Зависимость кажущейся плотности от количества связующего в % от массы гранул пеностекла
Рост кажущейся плотности материала с увеличением доли связующего вполне закономерно, так как оно имеет более высокую плотность по сравнению с заполнителем и при этом также возрастает плотность упаковки композита, что ведет к снижению общей пористости. Однако, нужно отметить, что колебания этой величины в исследованном диапазоне не столь существенны и находятся в диапазоне 0,215 - 0,265 г/см3.
Рисунок 2 Зависимость коэффициента теплопроводности от количества связующего в % от массы гранул пеностекла для образцов, высушенных после 14 суток твердения
Тот же характер зависимости наблюдается и в отношении коэффициента теплопроводности, так как при прочих равных условиях эта величина определяется общей пористостью, а последняя тем выше. Чем больше доля связки. В исследованном диапазоне она изменялась от 0,085 до 0,095 Вт/мК. Судя по значениям параметров плотности и теплопроводности такой композит относится к эффективным теплоизоляционным материалам [3]
Характер изменения прочностных характеристик в зависимости от количества связующего в композите и от времени твердения приведен на рисунке 3.
в 0.9
= о.к
= о/
Е-
5
:
5
Ъ ="
5 ¡3
а, 0,4
0.6
0.?
♦
V = 0,0201 :*■: 1,03 1_;
Я! - 0.8291 5
♦
♦ *
* ►
94
Количествосвячуюшегов 0 оси млссыгранулпскссгскпа
100 -«-95 —90 -0-85 -«-30 -#-75
1.2 б" ^ 1 а с 05 3 3 0.8 ®Ч> 7
ч
В<м 0.Л
г 5 8.5 10.? 12.5 14,5 крсмч ТпсрДсМЫ.су!
Рисунок 3 Зависимость предела прочности на сжатие от количества связующего для образцов после 14 суток твердения (а), для составов с разным количеством связующего (в % от массы пеностекла) в зависимости от времени твердения (б)
Прочность материала практически линейно возрастает с увеличением доли связующего, что вполне ожидаемо, поскольку прочность зерен легкого наполнителя на полтора порядка ниже, чем у связки. Изменение прочностных характеристик композиционного материала в ходе твердения повторяет закономерности, присущие связующему (см. табл. 2). При этом почти для всех образцов максимум прочности достигается через 3 суток твердения, затем эта величина либо остается неизменной, либо в большей или меньшей степени снижается. Такое поведение связано с процессом перестройки структуры ксерогеля кремневой кислоты в ходе его старения и высыхания образцов.
Однако в более длительные сроки прочность должна восстанавливаться и далее снова возрастать, судя по характеру твердения связки. Предел прочности на сжатие для образцов в двухнедельном возрасте составлял от 0.4 до 1 МПа. Безусловно, можно получать и более прочный материал,
увеличивая количество связующего, но это будет происходить в ущерб теплоизоляционным свойствам.
На рис. 4 представлен внешний вид полученных образцов теплоизоляционных материалов, в которых в качестве тонких наполнителей использовали помимо маршалита также микрокремнезем и волластонит. При этом использовали гранулы разного размера.
Рисунок 4. Внешний вид теплоизоляционных
материалов на основе гранул пеностекла
(А-волостанит, Б-микрокремнезем, В-маршалит).
Таким образом, в ходе исследований удалось получить образцы эффективного негорючего теплоизоляционного материала на основе гранулированного пеностекла и объемно отвержденного жидкостекольного связующего. Получены материалы с коэффициентом теплопроводности от 0,085 до 0,095 Вт/м К при прочности на сжатие 0,5 — 1,0 МПа и плотности . 0,215 - 0,265 г/см3, что позволяет отнести их к перспективным для использования в самых разных областях, особенно, если учесть его долговечность и жаростойкость.
Литература
1. Демидович Б.К. Пеностекло. Издательство: Наука и техника — Минск, 1975— 248 с.
2. Григорьев П.Н., Матвеев М.А. Растворимое стекло. СПб.:ГИЛСМ,1956. - 442 с.
3. Зарубина Л.П Теплоизоляция зданий и сооружений: Материалы и технологии. 2-е изд. Издательство: СПб.:БХВ — Петербург, 2012.—406 с.
а
б
