CC BY
54
УДК 658:699.86:666.7
А. Н. ПШИНЬКО (ДИИТ), Н. В. САВИЦКИЙ (ПГАСА, Днепропетровск), А. А. ГОНЧАРЕНКО (ДИИТ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАВ НА СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ШЛАКОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАРГАНЦА
У статт викладено концептуальний шдхвд до оргашзаци виробництва та технологи отримання теплоiзо-ляцiйного матерiалу. Розглядаються переваги отриманого матерiалу порiвняно з iснуючими матерiалами.
В статье изложен концептуальный подход к организации производства и технологии получения теплоизоляционного материала. Рассматриваются преимущества полученного материала по сравнению с существующими применяемыми материалами.
In this article the conceptual approach to the organization of production and the technology of obtaining a ther-mo-isolative material is presented. Advantages of the new thermo-isolative material as compared to other existing ones are considered too.
Создание теплоизоляционного материала низкой плотности требует применения для по-ризации формовочной массы низкоплотных стойких пен, которые позволяют сохранить достаточную степень поризации формовочной массы при транспортировке, перегрузке и укладке. Важным требованием к составу пенообразователя является снижение замедляющего действия ПАВ на кинетику структурообразова-ния вяжущих веществ.
Эти требования к пенообразователю находятся в сложной зависимости друг с другом. Так, повышение стойкости пены за счет увеличения концентрации ПАВ в пенообразователе приводит к отрицательному влиянию последнего на кинетику твердения вяжущего. При низкой стойкости пены и в дальнейшем ее развитии ПАВ переходят с межфазной поверхности «газ - жидкость» в жидкую фазу вяжущего, оказывая тормозящее влияние на физико-химические процессы структурообразования.
Состав пенообразователя должен учитывать комплекс различных требований и включать различные компоненты, каждый их которых призван выполнять определенные функции: поризацию, стабилизацию, повышение стойкости пены к механическим воздействиям и регулирование кинетики структурообразования пе-номатериала. Выбор поверхностно-активных веществ представляет собой сложную проблему, обусловленную как довольно широким ассортиментом ПАВ, так и отсутствием единой систематизации свойств технических пен, получаемых из них.
Согласно классификации ПАВ П. А. Ребин-дером по их физико-химическому механизму воздействия на поверхность раздела фаз, они делятся на четыре группы [1].
Первая группа - это ПАВ, активные только на границе раздела «вода - воздух».
Ко второй группе относятся ПАВ, активные на границе раздела конденсированных фаз и являющиеся диспергаторами.
К третьей группе относятся природные и синтетические ПАВ сложного строения с большим числом полярных групп, образующие относительно устойчивые пены.
Четвертую группу образуют ПАВ, обладающие моющим действием.
Классификация ПАВ по химической природе разделены на пять групп: алкилсульфаты (додецил сульфат натрия, прогресс, сульфирол, оксанол); алкилбензосульфонаты (сульфанол 40, периэтанолы, пеностром); производные карбоновых кислот (миристионат натрия, пальмитот натрия, стеарат натрия, олеат натрия), производные смоляных кислот (СДО, абиетат натрия), олигопептиды и гидролизаты белков (неопор, ГК, инипор, ПО-6).
Для получения технических пен, согласно классификации П. А. Ребиндера, могут использоваться только вещества первой и третьей группы.
На основании вышеизложенного, нами в качестве воздухововлекающих добавок были исследованы СДО, сульфонол, ПО-6, относящиеся к первому типу ПАВ по П. А. Ребиндеру.
Из вышеприведенных ПАВ приготавливали водные растворы различной концентрации для © Пшинько А. Н., Савицкий Н. В., Гончаренко А. А., 2009
определения поверхностного натяжения. По- тодом отрыва кольца. Результаты приведенных верхностное натяжение водных растворов ПАВ исследований представлены в табл. 1. определяли по методике, изложенной в [2] ме-
Таблица 1
Влияние концентрации ПАВ в водных растворах на их поверхностное натяжение
№ п/п Водный раствор ПАВ Поверхностное натяжение в н/м 10 3 при концентрации ПАВ в %
0,1 0,5 1,0 2,0
1 Сульфонол 30,6 30,8 31,1 30,8
2 ПО-6 25,3 25,4 25,3 25,1
3 СДО 45,0 42,8 40,9 36,8
Приведенные результаты (табл. 1) свидетельствует о высокой активности поверхностно-активных веществ, следствием чего являются малые значения поверхностного натяжения. Поризацию суспензии шлака металлического марганца проводили при В/Т = 10. Степень по-ризации дисперсной системы определяли по изменению плотности поризованной сырьевой смеси. Зависимость коэффициента поризации смеси от количества вводимого ПАВ приведена на рис. 1 Проведенными исследованиями выявлено, что при достижении определенной концентрации ПАВ степень поризации смеси для всех реагентов стабилизируется или понижается. Это объясняется тем, что количество поверхностно-активного вещества на границе раздела фаз «воздух - вода» стремится к неко-
торому пределу критической концентрации мицеллобразования, при котором на границе образуется насыщенный мономолекулярный слой из ПАВ. Увеличение концентрации приводит в последующем к образованию мицелл, что обуславливает снижение скорости диффузии молекул поверхностно-активного вещества в поверхностный слой, а следовательно и воз-духововлекающей способности [3 - 7].
Результаты исследований по определению зависимости степени дегазации системы, состоящей из пенообразователя, молотого шлака металлического марганца и воды, свидетельствуют, что наименьшая дегазация поризованной системы наблюдается при использовании СДО (рис. 2).
30
и
& 25
ац
з и
ори20
т н
е
и ц
и ф
ф
э о
15
10
«► 1
0 0, 1 0,2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8 0, 9 1 Расход ПАВ, масс %
Рис. 1. Влияние расхода ПАВ на степень поризации концентрированной суспензии шлака металлического марганца: 1 - сульфонол; 2 - ПО-6; 3 - СДО
5
0
6 8 10 Время, час
12
14
16
Рис. 2. Дегазация поризованной силикат-кальциевой суспензии: 1 - сульфонол; 2 - ПО-6; 3 - СДО
В водном растворе поверхность дисперсных
СДО в основном представлена жирными смолами, омыленными едким натром с формулой типа ЯСООКа (Я - углеводородный риди-нал СпНт).
В водных растворах СДО диссоциирует с образованием ионов по схеме
ЯСООКа ~ ЯСОО- + Ка+ .
При применении в качестве стабилизатора пены шлака металлического марганца, состоящего из силикатов кальция и марганца, происходит ее структурирование.
частиц шлака диспергируются с переходом в жидкую фазу заряженных аквакомплексов
Са(ОН2)п
Са(ОН)(ОН2)+, ЙОН(ОН2)
■2; т
пленки
81(О4Н2) (ОН2), а также дисперсных частиц с заряженной поверхностью.
В результате электростатического взаимодействия происходит структурирование пленок между воздушными пузырьками, представленное следующими схемами:
Молекула ПАВ
Молекула ПАВ
на поверхности О Са(ОН2)2+81(О4Ка2)22-(ОН)п_кСа(ОН2) О на поверхности
пленки
толщина пленки
2+
воздушный + -пузырек Са 81(ОН)п_1
Са Са
Са(ОН)+
^(ОН)п_к
+Са
водные прослойки
воздушный пузырек
Образование достаточно прочной электростатической связи между модифицированной пленкой СДО компонентами суспензии, а также электростатических и Ван-дер-ваальсовых связей между компонентами суспензии приводит к образованию достаточно жесткой и в то
же время обладающей некоторой гибкостью системы поризованной массы и практически полному сохранению степени поризации в течение длительного времени. Причем оптимальный расход СДО составляет 0,8...0,9 % от массы сухих компонентов. Значительная потеря
степени поризации формовочной массы при использовании ПАВ типа сульфонол, ПО-6 связана с образованием непрочной связи между пленками этих ПАВ, обрамляющими воздушные пузырьки и компоненты стабилизирующего вещества.
Т.к. вода входит в аквакомплексы, то ее истечение в полости структуры пены значительно сокращается.
Шлак металлического марганца является вяжущим гидратационного твердения и поэто-
му введение приводит к увеличению прочности материала за счет гидроксидов кальция [8, 9].
Проведенные нами исследования В/Т на степень поризации и стойкость технической пены показали, что с увеличением В/Т с 5 до 15 степень поризации возрастает. При увеличении В/Т с 5 до 10 степень поризации возрастает наиболее значительно и стабилизируется при дальнейшем повышении В/Т. Стойкость пены увеличивается понижением В/Т (рис. 3, 4).
4
ы н е п а
к ад
с О
20 40 60 80
Время осаждения пены, мин
100
120
Рис. 3. Влияние В/Т на степень статической стойкости технической пены из СДО и суспензии ШММ (расход СДО 0,9 %): 1 - В/Т-15; 2 - В/Т-10; 3 - В/Т-5; 4 - граничное значение удовлетворительной
стойкости пены
20
5 10
Водотвердое отношение, В/Т
15
Рис. 4. Влияние В/Т на степень поризации технической пены из СДО и суспензии ШММ (расход СДО 0,9)
0
Результаты проведенных исследований, приведенных на рис. 3 и 4, свидетельствуют о том, что оптимальным водотвердым отношением при приготовлении технической пены из СДО и ШММ является В/Т = 10, которое и принято для дальнейших исследований.
С целью получения низкоплотного материала растворную составляющую теплоизоляци-
онного материала из молотого стеклобоя, ПГПФ и воды подвергали аэрации. Для этого в растворную смесь вводили СДО в количестве 0,9 % от массы твердых компонентов и подвергали аэрации в роторном смесителе. Водотвер-дое отношение при этом варьировали от 0,8 до 1,6.
1-
и
л н о о я н
о
«
с «
ч
<D
о
о
о
О)
Qp Qp
J
,0)
■Л
Л
.О
О
.О
V V V
Расход технической пены на 1 т формовочной массы, л
Рис. 5. Зависимость средней плотности материала от расхода технической пены на одну тонну формовочной массы: 1 - В/Т = 0,8; 2 - В/Т = 1,6
Проведенные исследования показали, что на среднюю плотность при его двойной поризации оказывает влияние как водотвердое отношение растворной составляющей, так и расход пены на одну тонну формовочной массы (рис. 5). Так, для получения материала плотностью 200 кг/м3 при В/Т = 0,8 расход пены составил 1900 литров на 1 тонну формовочной массы, а при В/Т = 1,6 - 1400 литров, а для материала плотностью 250 кг/м3, соответственно 1400 и 1000 литров на 1 тонну формовочной массы (рис. 5). 3
Для материала плотностью 300 кг/м3 расход пены при В/Т = 0,8 составил 1050 литров на 1 тонну формовочной массы, а при В/Т = 1,6 -750 литров.
Исходя из результатов, представленных на рис. 5, для дальнейших исследований В/Т растворной составляющей было принято 1,2. Расход пены соответственно принят для материала плотностью 200 кг/м3 - 1600 литров, 250 кг/м3 -1150 литров, 300 кг/м3 - 950 литров на 1 тонну формовочной массы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ребиндер, П. А. Физико-механическая механика [Текст] / П. А. Ребиндер. - М.: Знание, 1958. - С. 59.
2. Некоторые вопросы устойчивости двухсторонних пленок и пен, полученных различными методами [Текст]. - В кн.: Силикатные материалы из минерального сырья / К. В. Зотова и др. -Л.: Наука, 1983. - С. 86-92.
3. ВеггаеМ, М. Ргорпе1а& тБсек сешепй 71е соНпепй & бШсо соМешай [Текст] / М. Вег-
raetal // Cemento. - 1986. - Vol. 83, № 5. -P. 361-374.
4. Кудряшев, И. Т. Заводы по производству изделий из ячеистого бетона [Текст] / И. Т. Кудряшев, Б. И. Кауфман, М. Я. Кривицкий. - М.: Госстройиздат, 1951. - 212 с.
5. Казаков, М. В. Методы оценки качества пенообразователей в лабораторных условиях [Текст] / М. В. Казаков. - М.: ВНИИПО, 1970. - 30 с.
6. Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы [Текст] / Ю. Г. Фролов. - М.: Химия, 1988. -464 с.
7. Зотова, К. В. Исследование физико-химических свойств некоторых видов пенообразователей для получения легких бетонов [Текст]. -В кн.: Силикатные материалы из минерального сырья / К. В. Зотова и др. - Л.: Наука, 1983. -С. 92-99.
8. Пшинько, А. Н. Влияние силикатных вяжущих веществ на свойства пенобетона [Текст] / А. Н. Пшинько, Н. В. Савицкий, А. А. Гонча-ренко // Сб. науч. тр. «Строительство. Материаловедение. Машиностроение». - Вып. 43. -Д.: ПГАСиА, 2007. - С. 398-405.
9. Пшинько, А. Н. Исследование влияния шлака металлического марганца на физико-механические свойства вяжущего на основе КВСС при нагревании [Текст] /А. Н. Пшинько, Н. В. Савицкий, А. А. Гончаренко // Сб. науч. тр. «Строительство. Материаловедение. Машиностроение». - Вып. 50. - Д.: ПГАСиА, 2009. -С. 431-437.
Поступила в редколлегию 17.09.2009.
Принята к печати 21.09.2009.
