CC BY
51
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 3
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
УДК 666.189.32 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-3-82-86
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕЛА КАК ИНТЕНСИФИКАТОРА ВСПЕНИВАНИЯ ПРИ СИНТЕЗЕ ПЕНОСТЕКОЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ*
© 2019 г. Б.М. Гольцман, В.С. Геращенко, Н.Ю. Комунжиева, Л.А. Яценко
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
RESEARCH OF THE POSSIBILITY OF USE OF CHALK AS FOAMING INTENSIFIER AT SYNTHESIS OF PENOSTEKOLNY MATERIALS
B.M. Goltzman, V.S. Gerashchenko, N.Yu. Komunzhieva, L.A. Yatsenko
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Гольцман Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общая химия и технология силикатов», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: boriuspost@gmail.com
Геращенко Валерия Сергеевна - студентка, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: val. geraschencko @yandex. ru
Комунжиева Наталья Юрьевна - студентка, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: in-space.8@yandex.ru
Яценко Любовь Александровна - аспирант, кафедра «Общая химия и технология силикатов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия.
Goltsman Boris Mikhailovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Email: boriuspost@gmail.com
Gerashchenko Valeriya Sergeevna - Student, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: val.geraschencko@yandex.ru
Komunzhieva Natalia Yurievna - Student, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: in-space.8@yandex.ru
Yatsenko Lybov' Alexandrovna - Post-Graduate Student, Department of «General Chemistry and Technology of Silicates», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Производство пеностекла является одной из подотраслей стекольной промышленности. И также, как и сама отрасль, является растущей и перспективной областью производства. Этому перспективному материалу уделяется повышенное внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Однако основным препятствием широкой организации пеностекла является отсутствие технологии, обеспечивающей получение дешевого материала со свойствами, удовлетворяющими современным требованиям тепловой изоляции, а также слабая изученность сырьевой базы. В работе рассмотрена технология вспенивания пеностекла на основе диатомитового сырья по гидратному механизму. Проведен анализ трехкомпонентной диаграммы состояния Al2O3-SiO2-CaO, где были выделены области исследуемых композиций и построены кривые плавкости для этих составов. Описана технология подготовки сырьевых смесей и проведен их синтез. Изучены свойства синтезируемых образцов и их микроструктура. Исследовано влияние мела на внутреннюю структуру получаемого пеностекла.
Ключевые слова: пеностекло; диатомит; аморфный кремнезем; щелочь; вспенивание; мел.
Данная научно-исследовательская работа выполняется при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам (конкурс 2019 - 2021 года), Проект СП-578.2019.1.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
Production offoam glass is one of the subsectors of the glass industry. And as the industry itself is a growing and promising area of production. This promising material is given special attention, both in our country and abroad. However, the main obstacle to the wide organization of foam glass is the lack of technology that provides a cheap material with properties that meet modern requirements of thermal insulation, as well as poor knowledge of the raw material base. This article describes the technology of foaming of the foam glass on the basis of diatomite on the hydration mechanism. The analysis of the three-component diagram of the state of Al2O3-SiO2-CaO was carried out, where the areas of the studied compositions were identified and the melting curves for these compositions were constructed. The technology ofpreparation of raw mixtures and their synthesis is described. The properties of the synthesized samples and their microstructure were studied. The effect of chalk on the internal structure of the resulting foam glass is studied.
Keywords: foam glass; diatomite; amorphous silica; alkali; foaming; chalk.
Введение
Из всех применяемых в современном строительстве видов теплоизоляции пеностекло является наиболее универсальным материалом, обладающим высокими теплоизоляционными показателями наряду с негорючестью, долговечностью и экологической безопасностью. Кроме того, пеностекло обладает достаточной прочностью и наиболее широким температурным диапазоном эксплуатации. Это позволяет использовать его для возведения наиболее ответственных конструкций, в том числе огнезащитных [1].
В настоящее время при выборе исходного кремнеземистого компонента шихты учитываются его доступность, химический состав и возможность снижения техногенных нагрузок на окружающую среду, а также достижение ресурсосберегающего эффекта. Литературный обзор [2 - 5] показал, что получение пеностекла по традиционной технологии включает операцию предварительной варки стекла или использование вторичного стеклобоя, что существенно увеличивает стоимость получаемого материала, а вторичный стеклобой является дефицитным сырьем. Поэтому актуальность исследований заключается в поиске новых сырьевых источников и создании новых технологий высокоэффективных и экологически безопасных утеплителей.
Существует возможность использовать в качестве замены стеклобоя на различные виды природного аморфного кремнеземистого сырья, например диатомита [6 - 8]. Главным их преимуществом является наличие в составе большого количества аморфной фазы до 70 %) и более стабильный химико-минералогический состав. Биогенная структура кремнезема опал-кристобалитовых пород обусловливает аномальные свойства, по сравнению с искусственно полученным аморфным диоксидом кремния, поэтому температура плавления кремнезема опал-кристобалитовых пород ниже (1500 - 1550 °С), чем температура плавления кварца (1713-1728 °С), что
позволяет использовать данные породы в производстве стеклоизделий и изделий на основе стекла.
Основной способ производства пеностекла в данной работе заключается в использовании в качестве основного сырья, взамен традиционному стеклобою, диатомитовой породы в смеси с гидроксидом натрия. Получение пеностекла проводилось по так называемому гидратному вспениванию [9, 10]. Его суть заключается в смешении аморфного оксида кремния природного происхождения (трепел, диатомит и иные аналогичные по строению горные породы) со щелочью с образованием щелочных гидросиликатов. В процессе обработки диатомита гидроксидом натрия в присутствии воды протекает реакция
mSiO2 + 2nNaOH + (p - n)H2O -
pH2O.
— nH2O • mSiO2
Помимо кремнеземсодержащих компонентов могут так же использоваться вспомогательные материалы, которые вводятся для корректировки состава шихты и придания необходимых свойств материалу. Таким образом, целью данного исследования является исследование возможности использования мела (CaCOз) как дополнительной добавки, вводимой для увеличения пористости получаемого пеностекольного материала.
Материалы и методы
В данном исследовании в качестве основного сырьевого компонента был выбран диатомит, химический состав представлен в табл. 1. В качестве порообразователя применялся порошок гидроксида натрия. Третий дополнительный компонент - мел, вводится с целью увеличения пористости.
Производство пеностекла проводилось по стандартной порошковой технологии [4, 11]. Данный способ позволяет получать пористую структуру с равномерным распределением пор различных размеров. Шихта изготавливалась путем тщательного перемешивания всех компонентов в точно указанных пропорциях до одно-
ISSN0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
родной массы. Следует отметить, что добавление к диатомиту щелочного компонента осуществлялось в виде водного раствора. Для лучшего взаимодействия NaOH c диатомитом в шихту вводилась вода в количестве 15 % (по массе) сверх 100. Полученную исходную смесь перемешивали до получения гомогенной массы, которую выдерживали в сушильном шкафу при температуре 50 °С в течение 2 ч до завершения реакций сили-катообразования с получением силикатной массы.
Таблица 1 / Table 1
Химический состав диатомита / Chemical composition of diatomite
Материал Массовое содержание, %
SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO п.п.п.
Диатомит 76,2 6,8 3,5 1,0 0,9 11,6
700. 600.
у/ 1 2 3 4 "Ч
'Г
10 20 30 40 50 60 70 80 90 т, мин
Рис. 1. Температурно-временной режим вспенивания: 1 - нагрев; 2 - вспенивание; 3 - резкое охлаждение; 4 - стабилизация / Fig. 1. Temperature-time mode of foaming: 1 - heating; 2 - foaming; 3 - sharp cooling; 4 - stabilization
После охлаждения печи до комнатной температуры образцы подвергались механической обработке для придания правильной формы. Далее были определены масса и объем, кажущаяся плотность и общая пористость рассчитывались по следующим формулам:
- кажущаяся плотность, кг/м3:
—
d = — х 1000, V
где m - масса образца, г; V- объем образца, см3;
- общая пористость, %:
П = (1 - Р) х100 , d
где р - кажущаяся плотность, кг/м3; d - истинная плотность образцов, 2041 кг/м3.
Результаты исследования
Так как целью данного исследования является исследование возможности применения СаСОз как дополнительной добавки вводимой для увеличения пористости пеностекла был разработан ряд составов, представленный в табл. 2.
Таблица 2 / Table 2 Шихтовые составы синтезируемых образцов / Charge compositions of synthesized samples
Материал, % (по массе) № состава
1 2 3 4 5
Диатомит 80 80 80 80 80
NaOH 20 20 20 20 20
CaCO3, (сверх 100) - 1 3 5 10
Из приготовленной шихты формовались образцы в виде кубов с длиной грани 20 мм и массой 10 г. Вспенивание образцов проводилось при температурах вспенивания 800, 850, 900 °С согласно температурно-временному режиму, изображенному на рис. 1.
Т, °С 900
Для выбора оптимального компонентного состава шихт был проведен анализ трёхкомпо-нентной диаграммы состояния AhO3-SiO2-CaO, которая наиболее близка по прогнозируемому химическому составу стекольной шихты (рис. 2). На диаграмме определялись величины температур плавления смесей в пересчете на три основных оксида (табл. 3). Была нанесена соответствующая область исследуемых композиций и построены кривые плавкости исследуемых составов.
Таблица 3 / Table 3
Химический состав и температура плавления / Chemical composition and melting point
№ Содержание оксидов, % (по массе) Температура
состава SiO2 AI2O3 СаO плавления, °С
1 91,0 8,0 1,0 1600
2 90,0 8,0 2,0 1595
3 88,0 8,0 4,0 1580
4 87,0 8,0 5,0 1575
5 84,0 7,0 9,0 1565
SiO2
CaO
AI2O3
Рис. 2. Исследуемая область трехкомпонентной диаграммы состояния AhO3-SiO2-CaO / Fig. 2. The study area of the three-component state diagram AhO3-SiO2-CaO
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
Как видно из диаграммы увеличение массового содержания оксида кальция в сырьевой смеси приводит к снижению температуры плавления.
Вспенивание образцов разработанных составов проводилось при температурах вспенивания 800, 850, 900 °С. На рис. 3 представлена внутренняя структура всех образцов, свойства полученных образцов представлены в табл. 4.
1 2 3 4 5
Рис. 3. Внутренняя структура образцов / Fig. 3. The internal structure of the samples
Таблица 4 / Table 4 Свойства синтезируемых образцов / Properties of synthesized samples
Температура вспенивания, °С Плотность, кг/м3, состава, №
1 2 3 4 5
800 495 380 635 615 680
850 309 329 407 451 518
900 374 369 447 398 536
Пористость, %, состава, №
1 2 3 4 5
800 77 79 69 73 67
850 85 80 78 75 69
900 82 79 78 77 68
Результаты термической обработки показали, что при добавлении 1 % (по массе) карбоната кальция в шихту можно получить пеностекло с плотностью около 300 кг/м3 при температурах 850 - 900 °С, при этом образцы характеризуются высоким показателем пористости (до 80 %). С повышением содержания мела до 3 и 5 % (по массе) (состав 3 - 4), при температуре 800 0C порообразование заметно ухудшается, что можно увидеть по снижению пористости (до 70 %), а плотность увеличивается до 620 - 650 кг/м3, повышение температуры в этих составах приводит к снижению плотности до 450 кг/м3и увеличению пористости до 78 %.
Состав 5, где содержится максимальное количество мела, характеризуется высоким показателем плотности до 680 кг/м3 и низким значением пористости (67 - 69 %). Очевидно, это связано с взаимодействием мела со щелочью, что и приводит к снижению активности вспенивания согласно реакции
СаС03+2Ка0Н ^ Са(ОН)2 ^ +Ка2С03
Как видно из реакции, в результате взаимодействия этих компонентов выделяется недостаточное количество газов, что и является причиной низкого показателя пористости готового материала.
Таким образом, сравнивая составы с различным количеством мела, можно заключить, что его введение оказывает отрицательное воздействие на свойства получаемого продукта. Взаимодействие его со щелочью приводит к снижению активности вспенивания.
Заключение
В настоящее время в связи с ужесточением требований нормативов Госстроя РФ, предъявляемых к строительной теплоизоляции, актуальным становится вопрос о поиске новых сырьевых источников и создание новых технологий высокоэффективных материалов полифункционального назначения. Эффективными теплоизо-ляторами, обладающими важным комплексом свойств, являются пеностекольные материалы. В статье рассматривалось изготовление пеностекла по гидратному механизму, где в качестве основного сырьевого материала применялся диатомит в смеси с гидроксидом натрия, с целью увеличения пористости вводился карбонатный порооб-разователь - мел. Однако использование этой добавки оказалось нерационально, так как готовые образцы получались недостаточно пористыми из-за того, что происходила химическая реакция мела с гидроксидом натрия,в результате которой замедлял процесс газовыделения.
Литература
1. Мелконян Р.Г. Пеностекло. Теория и практика производства силикатных пеноматериалов // Стекло мира. 2011. № 1. 59 с.
2. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника. 1972. 301 с.
3. Китайгородский И.И. Пеностекло. М.: Промстройиздат. 1953. 80 с.
4. Шилл Ф. Пеностекло. М.: Стройиздат. 1965. 307 с.
5. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника. 1975. 248 с.
6. Виницкий А.Л., Рябов Г.К., Сеник Н.А. [и др.] Диатомит как перспективное сырье для получения пеностекла // Современное промышленное и гражданское строительство. 2012. № 2. С. 63 - 70.
7. Мелконян Р.Г. Аморфные горные породы - перспективное стекольное сырье // Горная промышленность. 2000. №3. С. 31 - 32.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
8. Убаськина Ю.А. Диатомит как источник кремнезема для химической промышленности // Ресурсы. Технология. Экономика. 2005. № 12. С. 10 - 13.
9. Сеник Н.А. Составы и технология получения гранулированного пеностеклокристаллического материала на основе композиций диатомита с гидроксидом натрия: дис.... канд. техн. наук. Томск, 2013.
10. 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.
11. Особенности синтеза пеностекла на основе диатомито-вого сырья / Б.М. Гольцман, Е.А. Яценко, В.С. Геращенко, Н.Ю. Комунжиева // Экология промышленного производства. 2018. № 4. С. 23 - 25.
References
1. Melkonyan R.G. Penosteklo. Teoriya i praktika proizvodstva silikatnykh penomaterialov [Foam Glass. Theory and practice of silicate foam production]. Steklo mira, 2011, no. 1, 59 p. (In Russ.)
2. Demidovich B.K. Proizvodstvo iprimeneniepenostekla [Production and use of foam glass]. Minsk: Nauka i tekhnika, 1972, 301 p.
3. Kitaigorodskii I.I. Penosteklo [Foam Glass]. Moscow: Promstroiizdat, 1953, 80 p.
4. Shill F. Penosteklo [Foam Glass]. Moscow: Stroiizdat, 1965, 307 p.
5. Demidovich B.K. Penosteklo [Foam Glass]. Minsk: Nauka i tekhnika, 1975, 248 p.
6. Vinitskii A.L., Ryabov G.K., Senik N.A. et al. Diatomit kak perspektivnoe syr'e dlya polucheniya penostekla [Diatomite as a potential raw material for producing foamed glass]. Sovremennoe promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2012, no. 2, pp. 63 - 70. (In Russ.)
7. Melkonyan R.G. Amorfnye gornye porody - perspektivnoe stekol'noe syr'e [Amorphous rocks - perspective glass raw materials]. Gornayapromyshlennost', 2000, no. 3, pp. 31 - 32. (In Russ.)
8. Ubas'kina Yu.A. Diatomit kak istochnik kremnezema dlya khimicheskoi promyshlennosti [Diatomite as a source of silica for chemical industry]. Resursy. Tekhnologiya. Ekonomika, 2005, no. 12, pp. 10 - 13.
9. Senik N.A. Sostavy i tekhnologiya polucheniya granulirovannogo penosteklokristallicheskogo materiala na osnove kompozitsii diatomita s gidroksidom natriya. Diss. kand. tekhn. nauk [Compositions and technology of production of the granulated foam-glass-crystal material on the basis of compositions of diatomite with sodium hydroxide. Kand. techn. sci. diss]. Tomsk, 2013.
10. Manevich V.E., Nikiforov E.A., Meshkov A.V. et al. Vysokoeffektivnyi teploizolyatsionnyi material na osnove diatomovogo syr'ya [Highly effective thermal insulation material based on diatom raw materials]. Stroitel'nye materialy, 2012, no. 11, pp. 18 - 22. (In Russ.)
11. Gol'tsman B.M., Yatsenko E.A., Gerashchenko V.S., Komunzhieva N.Yu. Osobennosti sinteza penostekla na osnove diatomitovogo syr'ya [Peculiarities of synthesis of foam glass based on diatomite raw materials]. Ekologiya promyshlennogo proizvodstva, 2018, no. 4, pp. 23 - 25. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Received 09 сентября 2019 г. /September 09, 2019
