CC BY
12
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ CHEMICAL ENGINEERING
Научная статья УДК 666.189.32
doi: 10.17213/1560-3644-2022-3-71 -74
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРИСТЫХ СТЕКЛОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО СИЛИКАТНОГО СЫРЬЯ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Л.А. Яценко^, Б.М. Гольцман, Е.А. Яценко, С.В. Трофимов, В.С. Яценко
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
Аннотация. Для расширения рынка строительных теплоизоляционных материалов и повышения энергетической эффективности производства пористых стеклокомпозитов необходимы альтернативные сырьевые материалы, схожие по химическому составу со стеклом. Способность силикатных масс к пенообразованию позволяет применять различные природные кремнеземсодержащие материалы в качестве силикатного сырья. Синтез пористых стеклокомпозиционных материалов проводился по стандартной порошковой технологии с применением в качестве основного сырьевого компонента диатомита Мальчевского месторождения Ростовской области, с добавлением глицерина и щелочи для повышения интенсивности порообразования. Установлено, что добавление щелочи интенсифицирует процессы порообразования, повышение температуры до 900 °С ведет к снижению пористости получаемого стеклокомпозиционного материала, введение глицерина повышает пористость.
Ключевые слова: силикатное сырье, диатомит, синтез пористых стеклокомпозитов, пористая структура, пористые стеклокомпозиционные материалы
Благодарности: данная научно-исследовательская работа выполняется при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам (конкурс 2021-2023 года), Проект СП-1337.2021.1.
Для цитирования: Яценко Л.А., Гольцман Б.М., Яценко Е.А., Трофимов С.В., Яценко В. С. Исследование структуры пористых стеклокомпозитов на основе природного силикатного сырья Ростовской области // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 3. С. 71 - 74. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-3-71-74
Original article
STUDY OF THE STRUCTURE OF POROUS GLASS-COMPOSITES BASED ON NATURAL SILICATE RAW MATERIALS OF THE ROSTOV REGION
L.A. Yatsenko, B.M. Goltsman, E.A. Yatsenko, S.V. ^ofimov, V.S. Yatsenko
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Abstract. To expand the market for building thermal insulation materials and improve the energy efficiency of the production of porous glass composites, alternative raw materials are needed that are similar in chemical composition to glass. The ability of silicate masses to foam allows the use of various natural silica-containing materials as silicate raw materials. The synthesis of porous glass-composite materials was carried out according to standard powder technology using diatomite from the Malchevskoye deposit of the Rostov region as the main raw material, with the addition ofglycerin and alkali to increase the intensity ofpore formation. It has been established that the addition of alkali intensifies the processes of pore formation, an increase in temperature to 900 °C leads to a decrease in the porosity of the resulting glass-composite material, and the introduction ofglycerin increases the porosity.
Keywords: silicate raw materials, diatomite, synthesis of porous glass-composites, porous structure, porous glass-composite materials
Acknowledgements: this research work is carried out with the support of the scholarship of the President of the Russian Federation to young scientists and postgraduates (competition 2021-2023), the Project SP-1337.2021.1.
For citation: Yatsenko L.A., Goltsman B.M., Yatsenko E.A., Trofimov S.V., Yatsenko V.S. Study of the structure of porous glass-composites based on natural silicate raw materials of the Rostov region. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (3):71 - 74. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-3 -71-74
© ЮРГПУ (НПИ), 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Введение
В настоящее время отечественный рынок строительных материалов нуждается в универсальных, эффективных и доступных теплоизоляционных материалах. Пористые стеклокомпози-ционные материалы являются перспективным неорганическим утеплителем, в производстве которого применяется стеклобой. Пористые стекло-композиты обладают широким диапазоном высококонкурентных показателей: негорючесть, химическая стойкость, долговечность, биологическая инертность, экологическая безопасность, простота обработки и т.д.
Эффективное производство пористых стек-локомпозитов в России осложняется дефицитом стеклотары для вторичной переработки, который приводит к усложнению технологии и повышению стоимости производства [1-5]. С целью повышения энергоэффективности производства пористых стеклокомпозитов необходим поиск альтернативных сырьевых материалов, химический состав которых близок к стеклу. К такому типу материалов относятся природные аморфные кремнеземистые породы с высоким содержанием кремнезема SiO2 (диатомит, песок, опока и др.). В настоящем исследовании в качестве основного сырьевого компонента использовался диатомит Мальчевского месторождения [6].
Теплопроводность и плотность [7] производимого пористого стеклокомпозиционного материала определяется одним из главных факторов -пористой структурой, формирование и строение которой обусловлено действием порообразовате-лей, содержащихся в шихтовой смеси. Для интенсификации процесса пенообразования в силикатное сырье вводились гидроксид натрия №ОН и глицерин [8-12].
Методика проведения исследований
Исследование пористого стеклокомпозита производилось по порошковой технологии с применением гидратного метода [2, 8, 10, 12], что позволяет получить пористую структуру с равномерным распределением пор различных размеров. В процессе приготовления шихты образуются вода и гидросиликаты натрия вследствие взаимодействия щелочи с диатомитом, что вызывает образование газовой фазы.
Все компоненты шихты взвешивались на технических весах в заданных пропорциях. В качестве основного компонента шихты применялся диатомит Мальчевского месторождения Ростовской области, с химическим составом, % по массе: SiO2 - 78,52; Al2Oз - 6,86; Fe2Oз - 3,64;
K2O - 1,27; CaO - 1,05; MgO - 0,91; оксиды при прокаливании - 7,75 [6], который сушили при температуре 120 °C и измельчали до размера частиц менее 160 мкм. Глицерин вводился в качестве порообразователя для увеличения пористости. Едкий натр добавляли к силикатному сырью (диатомиту) в качестве раствора. Чтобы растворить NaOH и интенсифицировать его взаимодействие с диатомитом, в смесь добавляли воду -15 % по массе сверх 100. Компоненты шихты тщательно смешивали до однородного состояния в течение 30 мин в барабанной мельнице с последующей выдержкой при 50 °C в течение 2 ч. Из полученной шихты прессованием формовались кубические образцы, которые далее загружались в электрическую муфельную печь при температуре 800 °С. Обжиг проводился в диапазоне температур 800 - 900 °С с выдержкой 20 мин. Далее производилось резкое охлаждение образцов до 600°С с последующим охлаждением воздуха в печной камере до комнатной температуры. Извлеченные из печи образцы механически обрабатывались для придания нужной формы.
Затем была определена общая пористость образцов в соответствии с формулой:
П = (1 - ^ 100,
где П - истинная пористость, %; рк - плотность материала, кг/м3; ри - истинная плотность материала, кг/м3.
Экспериментальная часть
Для исследования пористой структуры стеклокомпозитов на основе диатомита Мальчев-ского месторождения было разработано два состава, % по массе: состав 1 - диатомит - 80; NaOH (сухой) - 20; вода - 15 (сверх 100); состав 2 - диатомит - 80; NaOH (сухой) - 20; вода - 15 (сверх 100); глицерин - 5 (сверх 100). Термообработка осуществлялась при температурах 800, 850, 900 °С. Размер пор имеет прямую зависимость от пластично-вязкостных свойств расплава силикатной массы, а также ее состава и температуры вспенивания.
Пористость полученных образцов представлена в табл. 1.
Таблица 1 / Table 1
Пористость образцов / Porosity of samples
Температура вспенивания, °С Пористость, %
Состав 1 Состав 2
800 76,80 81,65
850 84,91 90,95
900 81,98 86,98
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Из полученных результатов видно следующее:
- гидратный метод вспенивания диатомита с применением гидроксида натрия инициирует динамичное порообразование благодаря парам воды с образованием смешанного типа пористости;
- повышение температуры до 900 °С ведет к оседанию пены под воздействием собственного веса вследствие сильного снижения вязкости, за счет чего снижается пористость образцов обоих составов;
- добавление глицерина в состав 2 ведет к увеличению пористости образца до 90,95 % при температуре 850 °С.
Таким образом, оптимальной температурой вспенивания является температура 850 °С. Внутренняя структура образцов при оптимальной температуре вспенивания 850 °С представлена на рис. 1.
тщшш
Шт
Ян
|штрГП|*Т1Гфш{|
Состав 1
Рис. 1. Внутренняя структура образцов при температуре
вспенивания 850 °C / Fig. 1. The internal structure
of the samples at a foaming temperature of 850 °C
Средний размер пор образцов пористых стеклокомпозитов, полученных при оптимальной температуре вспенивания 850 °С, составил для состава 1 - 2,6 мм, а для состава 2 - 4,5 мм.
Проведенный анализ внутренней структуры образцов пористых стеклокомпозитов обоих составов показал, что пористость на микроуровне является неоднородной, присутствуют поры различного размера от маленьких с размером порядка 130 - 150 мкм до больших - 450 - 500 мкм. Поры имеют многогранную или округлую форму, ровные края. В больших порах образуются маленькие поры закрытого и открытого типа. Перегородки между порами также представлены пористыми образованиями, так как благодаря выделению химически связной воды порообразователь-ные процессы протекают во всем объеме материала. Добавление глицерина в состав 2 положительно влияет на стабильность пены, вследствие чего наблюдается закрытая пористость, края пор отчетливо прослеживаются, межпоровые перегородки наиболее пористые, в отличие от состава 1.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
Вследствие чего оптимальным составом для получения пористых стеклокомпозитов является состав 2.
Заключение
По результатам проведенных исследований оптимальным составом для синтеза пористых стеклокомпозитов принят состав 2, % по массе: диатомит - 80; гидроксид натрия - 20; вода - 15 (сверх 100); глицерин - 5 (сверх 100), поскольку он имеет пористость закрытого типа, а оптимальной температурой вспенивания - 850 °С. Распределение пор по размеру и объему является равномерным - это важный фактор, влияющий на производство теплоизоляционных материалов высокого качества. Применение указанных параметров позволяет синтезировать материал с пористостью, равной 90,95 %, а также средним размером пор 4,5 мм.
Список источников
1. Китайгородский И.И. Пеностекло. М.: Промстройиздат, 1953. 80 с.
2. Шилл Ф. Пеностекло. М.: Стройиздат, 1965. 307 с.
3. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1972. 301 с.
4. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. 248 с.
5. Мелконян Р.Г. Пеностекло. Теория и практика производства силикатных материалов // Стекло мира. 2011. № 1. 59 с.
6. Яценко Л.А., Яценко Е.А., Гольцман Б.М. Перспективы использования природного силикатного сырья ростовской области для производства пористых стеклокомпозитов // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2021. № 3. С. 85 - 90.
7. Яценко Л.А., Гольцман Б.М., Яценко Е.А., Яценко В. С. При-
менение методов математической статистики для исследования влияния параметров синтеза на свойства пористых стеклокомпозитов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 2. С. 78 - 84.
8. Маневич В.Е., Никифоров Е.А., Мешков А.В. [и др.] Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе диатомового сырья // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 18 - 22.
9. Vaisman Ya.I., Ketov A.A., Ketov Yu.A. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam // Ceramics International. 2016. № 42. P. 15261 - 15268.
10. Радаев С.С., Иванов К.С., Селезнёва О.И., Рясная Н.З. Применение диатомитов в производстве строительных материалов // Приволжский научный журнал. 2011. № 2 (18). С. 48 - 52.
11. Yatsenko E.A., Goltsman B.M., Smoliy V.A., Kosarev A.S., Bezuglov R.V. Investigation of the influence of foaming agents' type and ratio on the foaming and reactionary abilities of foamed slag glass // Bioscience Biotechnology Research Asia. 2015. № 12 (1). P. 625 - 632.
12. Яценко Л.А., Гольцман Б.М., Яценко Е.А., Середин Б.М., Трофимов С.В., Курдашов В.М. Синтез пористого стеклокомпозита на основе природного силикатного сырья Ростовской области // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2021. № 4 (212). С. 87 - 92.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 3
References
1. Kitaigorodskyi I.I. Foam glass. Moscow: Promstroiizdat; 1953. 80 p.
2. Shill F. Foam glass. Moscow: Stroyizdat; 1965. 307 p.
3. Demidovich B.K. Production and use of foam glass. Minsk: Science and Technology; 1972. 301 p.
4. Demidovich B.K. Foam glass. Minsk: Science and Technology; 1975. 248 p.
5. Melkonyan R.G. Foam Glass. Theory and practice of silicate foam production. Glass of world. 2011; (1):59 p. (In Russ.).
6. Yatsenko L.A., Yatsenko E.A., Goltsman B.M. Prospects for the use of natural silicate raw materials of the Rostov region for the production of porous glass composites. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2021; (3):85-90. (In Russ.).
7. Yatsenko L.A., Goltsman B.M., Yatsenko E.A., Yatsenko V.S. Application of mathematical statistics methods to study the influence of synthesis parameters on the properties of porous glass composites. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022. (2):78-84. (In Russ.).
8. Manevich V.E., Nikiforov E.A., Meshkov A.V. et al. Highly efficient heat-insulating material based on diatomaceous earth. Building materials. 2012; (11):18-22. (In Russ.).
9. Vaisman Ya.I., Ketov A.A., Ketov Yu.A. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam. Ceramics-International. 2016; (42): 15261-15268.
10. Radaev S.S., Ivanov K.S., Selezneva O.I., Ryasnaya N.Z. The use of diatomites in the production of building materials. Privolzhsky scientific journal. 2011; (2): 48-52. (In Russ.).
11. Yatsenko E.A., Goltsman B.M., Smoliy V.A., Kosarev A.S., Bezuglov R.V. Investigation of the influence of foaming agents' type and ratio on the foaming and reactionary abilities of foamed slag glass. Bioscience Biotechnology Research Asia. 2015; (12):625-632.
12. Yatsenko L.A., Goltsman B.M., Yatsenko E.A., Trofimov S.V., Kurdashov V.M. Synthesis of porous glass composites based on natural silicate raw materials of the Rostov region. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2021; (4):87-92. (In Russ.).
Сведения об авторах
Яценко Любовь Александровнав- инженер, luba488@yandex.ru
Гольцман Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», boriuspost@gmail.com Яценко Елена Альфредовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Общая химия и технология силикатов», e_yatsenko@mail.ru Трофимов Сергей Вячеславович - аспирант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», 23zarj23@mail.ru Яценко Владислав Сергеевич - аспирант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», vladd_06@inbox.ru
Information about the authors
Yatsenko Lyubov' A. - Engineer, luba488@yandex.ru
Goltsman Boris M. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», boriuspost@gmail.com
Yatsenko Elena A. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «General Chemistry and Technology of Silicates», e_yatsenko@mail.ru
Trofimov Sergey V. - Graduate Student, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», 23zarj23@mail.ru Yatsenko Vladislav S. - Graduate Student, Department «General Chemistry and Technology of Silicates», vladd_06@inbox.ru
Статья поступила в редакцию /the article was submitted 08.08.2022; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 10.08.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 12.08.2022.
