CC BY
51УДК 691.618.93
Т.К. УГЛОВА, старший научный сотрудник (labmineral@mail.ru), С.Н. НОВОСЕЛОВА, научный сотрудник (labmineral@mail.ru),
О.С. ТАТАРИНЦЕВА, д-р техн. наук, Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (г. Бийск Алтайского края)
Экологически чистые теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла
Современный рынок теплоизоляционных материалов представляет собой структуру с динамично меняющимся ассортиментом. Большим спросом пользуется качественная теплоизоляция, обладающая не только высокими теплоизоляционными характеристиками, но и какими-либо специальными свойствами. Примером может быть пеностекло, оно биостойкое, обладает минимальным водопоглощением и высокими прочностными свойствами, низкой теплопроводностью, негорючее и экологически безопасно. Структура пеностекла, состоящая из замкнутых стеклянных ячеек, обеспечивает неизменность его характеристик в течение длительного срока эксплуатации [1].
Несмотря на перечисленные положительные качества, пеностекло не нашло широкого применения в связи со значительной стоимостью за счет высоких энерго- и трудоемких технологий изготовления.
В настоящее время в России не осталось ни одного из ранее действующих производств блочного пеностекла и исследования в области технологии его получения сводятся в основном к решению задач по совершенствованию известных технологических решений и подбору компонентного состава [2, 3].
Альтернативой пеностеклу могут стать пеносиликаты на базе различных композиционных систем, исходно включающих твердую и жидкую фазы, а в итоге по аналогии с пеностеклом, имеющим структуру, прочность которой предопределяется дисперсностью и гранулометрическим составом твердой фазы. Грубодисперсные частицы обеспечивают создание жесткого каркаса, тонкодисперсная и жидкая составляющие заполняют образующееся в нем поровое пространство. Создания такой структуры можно достичь использованием твердой фазы в виде двух порошков с разной удельной поверхностью.
В соответствии с теоретическими основами порообразования пористость материала с ячеистой структурой складывается из ячеистой пористости, на долю которой приходится 90% ее общего объема, и пористости меж-поровых перегородок [4—6].
Объем ячеистой пористости определяется размерами пор (максимальным и средним), их распределением по размерам, пространственным расположением (упаковкой), а также толщиной межпоровых перегородок. При этом влияние изменений этих параметров на объем пористости и характеристики материала неоднозначно. Увеличение диаметра пор приводит к некоторому повышению объема пористости за счет уменьшения количества меж-поровых перегородок. Однако в крупных порах возрастает конвективный теплообмен и теплопроводность такого материала не снижается, несмотря на увеличение объема газовой фазы, а его прочностные характеристики падают.
Для материалов с ячеистой структурой, получаемых методом вспучивания, характерным дефектом является наличие контактных дырок. Образование их связано с неравномерностью распределения порообразователя в отдельных микрообъемах массы, приводящее на стадии поризации к созданию неравномерного давления в соседних порах. Под воздействием температуры разница растет, усиливая нагрузки на межпоровую перегородку, в результате чего толщина ее уменьшается и происходит разрушение.
Принципиально увеличение объема пористости возможно за счет создания полидисперсного распределения пор по размерам, при котором с высокой степенью вероятности обеспечивается равномерное размещение пор меньших размеров между более крупными. При этом пористость возрастает и сохраняется механическая прочность материала.
Свойства ячеистых материалов определяются не только объемом пористости, но и степенью равномерности ее
Рис. 1. Образец с наполнителем базальтовая чешуя/микрокальцит, полученный при скорости нагрева: а - 250оС/ч; б - 200оС/ч
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13
ноябрь 2010
Таблица 1
Наименование показателя Значение показателя
Степень наполнения, % 20,5 20,5 20
Соотношение, отн. ед.:
базальтовая
чешуя/микрокальцит 1,85 - -
базальтовая чешуя/аэросил - 1,84 -
базальтовая чешуя/каолин - - 1,86
жидкое стекло/сухое стекло 3,79 3,78 3,71
распределения, зависящей от однородности исходной массы и температурного поля в объеме материала на стадии поризации, величины пристенного эффекта, тормозящего вспучивание массы, высоты формуемого изделия и др. Учет и направленное регулирование всех этих факторов позволяют создать материал высокого качества.
На прочность пористого материала оказывает влияние состояние внутренней поверхности воздушных пор (припорового слоя). Из-за отсутствия четких критериев его оценки используют условную градацию: рваная (рыхлая), гладкая (ровная) и глянцевая (высокоплотная) поверхности. Рыхлый припоровый слой ослабляет сечение межпоровой перегородки. Глянцевая поверхность, обладая повышенной плотностью, выполняет роль подкрепляющей зоны и повышает прочностные свойства материала при прочих равных условиях. Перегородки с гладкой поверхностью припорового слоя однородны по сечению, что обеспечивает стабильность прочностных свойств материала.
Толщина межпоровых перегородок влияет на плотность ячеистых материалов. Чем тоньше перегородки, при условии их однородности между собой, тем ниже плотность материала. При различной толщине межпо-ровых перегородок разрушение более тонких (слабых) влечет за собой перераспределение нагрузки на оставшиеся по гиперболическому закону, вызывая их преждевременный слом.
Из вышеизложенного следует, что для вспученных теплоизоляционных материалов оптимальной следует считать структуру, состоящую из полидисперсных по размеру равномерно распределенных пор с глянцевой поверхностью припорового слоя, разделенных тонкими плотными одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками.
Для проведения экспериментальных работ по созданию ячеистого экологически чистого поризованного теплоизоляционного материала пеносиликата были скомпонованы три рецептуры двухфазных композиций. В качестве одной из составляющих наполнителя ис-
пользована базальтовая чешуя, полученная из расплава базальта, обладающая хорошими армирующими свойствами, высокой термической стабильностью, стойкостью к агрессивным средам, малой насыпной плотностью (~ 140 кг/м3) и низкой себестоимостью. Выбранная для исследований партия чешуи состояла из однородных по толщине (1—3 мкм) и разных по диаметру (15—500 мкм) элементарных частиц.
В качестве тонкого наполнителя было проверено три мелкодисперсных порошка: микрокальцит — порошок из природного мрамора с размером частиц до 5 мкм и содержанием карбоната кальция 95 %; аэросил — высокоактивный, аморфный диоксид кремния с размером частиц в пределах от 5 до 40 нм; каолин — минеральная глинистая порода.
Вяжущим в этих композициях выбрано жидкое натриевое стекло. Согласно литературным данным [7] получение высокопористых материалов с использованием жидкого стекла обусловлено высокой дисперсностью натрий-силикатных групп в его составе, что позволяет формировать во вспененной массе после отверждения межпоровые перегородки разной толщины. Поэтому для повышения общей прочности готовых изделий при изготовлении лабораторных образцов промышленное жидкое стекло было скорректировано дополнительным введением порошкообразного кремнезема в виде сухого стекла.
Состав рассматриваемых композиций приведен в табл. 1.
Параллельно с разработкой рецептуры пеносиликата проводили исследования по отработке технологии его изготовления. Изначально была поставлена задача исключить из технологического процесса стадию грануляции сыпучих компонентов и термостатирование изделий при температуре 400оС в герметичных металлических формах. Смешение компонентов до однородной массы проводили в лопастном смесителе типа «БЭК-КЕН» в течение 35—45 мин при комнатной температуре. Полученная масса обладает текучестью, что позволяет заполнять формы простой заливкой. Изделие и его характеристики формируются при термообработке и зависят от ее параметров. Именно на этой стадии происходит поризация за счет удаления свободной влаги, содержащейся в исходной массе.
При отработке режимов вспучивания установлено, что при нагреве со скоростью 250оС/ч внутри изделия образуется полость (рис. 1, а), а снижение скорости до 200оС/ч обеспечивает получение образца, состоящего преимущественно из крупных пор (рис. 1, б).
Оптимальным является следующий режим нагрева: в течение 30 мин открытая форма с массой находится в
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
^ : : ® ноябрь 2010
межпоровая перегородка
Рис. 4. Образец пеносиликата с наполнителем базальтовая чешуя/каолин: а - внешний вид образца; б - фото поры и ее межпоровой перегородки
Таблица 2
заранее разогретом до 100оС термошкафу; затем температуру повышают до 200оС, и в течение 30 мин происходит дополнительное термостатирование. После чего форму с обезвоженным образцом вынимают из термошкафа, распрессовывают образец и ставят его на окончательный отжиг при температуре 450оС в свободном состоянии на 30 мин для удаления кристаллической влаги.
Исследования показали, что образцы с наполнителем из базальтовой чешуи и микрокальцита водостойки, причем влагонасыщение происходит с низкой скоростью (рис. 2) за счет гидрофобности поверхности твердой фазы. Недостатком этой композиции является пониженная способность к поризации, приводящая к получению высокоплотных образцов пеносиликата (300—400 кг/м3) и теплопроводностью на уровне 0,085-0,092 Вт/(м-К).
Замена микрокальцита на аэросил обеспечила получение материала с достаточно высокой прочностью при сжатии (0,76-0,92 МПа), пониженной плотностью (250-290 кг/м3) и теплопроводностью (0,078-0,082 Вт/(м-К) и равномерно расположенными порами размером от 150 до 300 мкм (рис. 3).
Образцы с аэросилом отличаются повышенным во-допоглощением (134 мас.% за 1 сут и 151 мас.% за 2 сут), но это не приводит к значительным изменениям прочностных свойств материала. Образец, прошедший два цикла водонасыщения по двое суток, теряет свою прочность на 11%.
Недостатком приведенной рецептуры является низкая растекаемость исходной массы, что создает определенные трудности при изготовлении изделий в промышленных масштабах на стадии заполнения форм.
Введение каолина в качестве второй составляющей наполнителя значительно улучшает способность исходной массы равномерно растекаться по объему формы. На этой рецептуре были изготовлены качественные образцы. Структура материала характеризуется отсутствием контактных дыр и состоит из различных по размеру открытых и закрытых пор, распределенных следующим образом, %: менее 100 мкм - 45; 110-230 мкм - 35; более 300 мкм - 20 (рис. 4 а).
Используемый в работе оптический анализатор PIP 9.0 позволяет определять не только диаметр пор, но и толщину межпоровой перегородки. На рис. 4, б представлена фотография отдельной поры с межпоровой перегородкой толщиной 120 мкм. По объему образца толщина перегородок колеблется от 50 до 120 мкм.
Полученные опытные образцы пеносиликата экологически безопасны, негорючи и имеют высокий уровень основных для теплоизоляционных материалов показателей (табл. 2).
Наименование показателя Значение показателя
Внешний вид Монолитный образец серого цвета
Плотность, кг/м3 260-270
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 0,073-0,078
Водопоглощение за 1 сут, мас.% 90-95
Сорбционное увлажнение за 1 сут, мас.% 2,7-2,8
Прочность при сжатии, МПа: исходный после сорбционного увлажнения после водопоглощения 1,19-1,21 1,18-1,2 1,16-1,18
Результаты, полученные в ходе исследований, носят предварительный характер, однако они показывают возможность изготовления пеносиликата с высокими техническими свойствами без стадии грануляции и применения закрытых герметичных форм при отжиге образцов (450оС), что, безусловно, положительно скажется на себестоимости продукции.
Ключевые слова: пеносиликат, пористость, наполнитель, плотность, теплопроводность, водопоглощение.
Список литературы
1. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972. 301 с.
2. Кетов А.А., Пузанов И.С., Саулин Д.В. Опыт производства пеностеклянных материалов из стеклобоя // Строит. материалы. 2007. № 3. С.70—72.
3. Дамдинова Д.Р., Хардаев П.К., Карпов Б.А., Зонхи-евМ.М. Технологические приемы получения пеностекол с регулируемой поровой структурой // Строит. материалы. 2007. № 3. С. 68-69.
4. Борсук П.А., Лясс А.М. Жидкие самоотверждающие смеси. М.: Машиностроение, 1979. 255 с.
5. Бюл. научно-технической информации. Силикальцит. № 5. Таллин, 1960.
6. Меркин А.П. Научные и практические основы улучшения структуры и свойств поризованных бетонов: дис. д-ра техн. наук. — М., 1971. 270 с.
7. Лотов В.А. Нанодисперсные системы в технологии строительных материалов и изделий // Строит. материалы. 2006. № 9 / Наука. № 8. С. 5—7.
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал iQ'ff Cjy'j'r^jjjjj-jbj^
^46 ноябрь 2010 SWsWlAJJiif
