CC BY
16УДК 666.189.3
Я.И. ВАЙСМАН1, д-р мед. наук, профессор; Ю.А. КЕТОВ2, магистрант (ketov1992@list.ru)
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29)
2 Пермский государственный национальный исследовательский университет (614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15)
Массоперенос раствора силиката при сушке сырцовых гранул в технологии гранулированного пеностекла
Исследовано влияние массопереноса раствора силиката натрия по грануле при сушке сырцовых гранул в технологии гранулированного пеностекла. Показано, что в процессе сушки происходит перенос растворенных компонентов на поверхность гранулы. Введение в исходную композицию компонентов, способствующих золь-гель-преобразованию силикатного раствора и отверждению гранул, предотвращает миграцию ионов и открывает новые технологические возможности.
Ключевые слова: массоперенос раствора, гранулированное пеностекло.
Ya.I. VAISMAN1, Doctor of Sciences (Medicine), Professor; Yu.A. KETOV2, MA Student (ketov1992@list.ru)
1 Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomol'skii Avenue, Perm, 614990, Russian Federation)
2 Perm State National Research University (15, Bukireva Street, Perm, 614990, Russian Federation)
Mass Transfer of Silicate Solution during the Process of Raw Granules Drying in Technology of Granulated Foamed Glass
The influence of sodium silicate solution mass transferring inside raw granules of foamed glass during the drying process was investigated. It is shown that the transfer of dissolved components to the surface of the granules takes place during the drying. Admixing of components facilitating the sol-gel conversion of the silicate solution and solidification of granules into the initial composition prevents the migration of Na+ ions and opens up new technological possibilities. Keywords: solution mass transferring, granulated foamed glass.
Гранулированное пеностекло считается одним из наиболее эффективных, долговечных и безопасных насыпных теплоизоляционных материалов. Последовательность технологических операций производства была изложена в монографии Б.К. Демидовича [1] и практически сохранились в неизменном виде до настоящего времени. Примерно в то же время на способ получения гранулированного пеностекла было получено авторское свидетельство [2]. Тем не менее сведений о промышленно производимом в СССР гранулированном пеностекле найти не удалось. Материал стал востребован только на рубеже ХХ—ХХ1 вв. в связи с возросшими требованиями к теплозащите зданий и, возможно, с остановкой заводов плитного пеностекла.
Вероятно, одним из первых производств гранулированного пеностекла в России был завод в Омске [3], взявший за основу патенты [4, 5]. Предложенное техническое решение на этом предприятии, как и на нескольких запущенных позднее, в основе своей при получении сырцовых гранул сохраняло неизменными операции гранулирования тонкомолотого стекла с водным раствором жидкого стекла и последующую сушку.
Однако в процессе сушки гранул происходит массо-перенос растворенных веществ к поверхности, поэтому следует ожидать повышенной концентрации в на-
Рис. 1. Фотография скола сырцовой гранулы, полученной при возможности миграции раствора силиката
ружном слое гранул. Неравномерность распределения компонентов по толщине гранулы может приводить к невысокой прочности гранул и к неоднородности их структуры в процессе термообработки.
Для предотвращения миграции раствора силиката в процессе сушки предложено использовать эффект золь-гель-перехода и отверждения исходной композиции [6]. Поэтому задачей данной работы было исследование явлений массопреноса в грануле из дисперсного стекла и раствора жидкого стекла и последствий этого процесса, влияющих на готовый продукт.
В исследованиях использовали стеклянный порошок из оконного стекла, размолотый в шаровой мельнице до прохождения через сито 0,08 мм. Жидкое стекло имело силикатный модуль 3,1 и плотность 1,42 кг/л.
Для исследования структуры получаемого материала применяли сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N с возможностью микроанализа. Микроскоп МБС-1 бинокулярный стереоскопический со шкалой для измерения размеров использовали для измерений срезов готовых пеностеклянных гранул.
Образцы готовили методом окатывания в тарельчатом грануляторе. По стандартной технологии 1000 г дисперсного стекла гранулировали с раствором, содержащим 150 мл жидкого стекла и 15 мл воды. Во втором случае для предотвращения массопереноса при сушке гранул в процессе помола стекла к нему добавляли 30 г силикагеля КСКГ на 1000 г стекла.
Полученные гранулы сушили при 60°С в термостате. Для исследований отделяли сырцовые гранулы с диаметром 12—14 мм. Скол гранулы исследовали методом электронной микроскопии, совмещенным с микроанализом. Вследствие химической неоднородно -сти исследованных композиционных материалов точечный анализ не позволил выявить закономерности распределения компонентов. Однако сканирование поверхности дало очевидную картину неравномерного распределе-
Рис. 2. Участок гранулы с определением концентрации Na+; повышенное содержание Na+ выделено светлым
научно-технический и производственный журнал
Пеностекло: производство и применение
Рис. 4. Участок гранулы с определением концентрации №+; повышенное содержание Na+ выделено светлым
Рис. 3. Фотография скола сырцовой гранулы, полученной при гелеобразовании раствора силиката
ния наиболее склонного к миграции в случае с использованием раствора жидкого стекла.
На рис. 1. представлена микрофотография скола сырцовой гранулы. В верхнем правом углу можно увидеть зону наружной поверхности образца. Белым прямоугольником на фотографии выделен участок сканирования, отдельно показанный на рис. 2. Светлые участки снимка соответствуют повышенному содержанию №+. Очевидно, что слои гранулы, близкие к внешней поверхности, обогащены ионами №+, мигрировавшими к поверхности в процессе сушки. Толщину корки с повышенным содержанием можно определить ориентировочно в 50—70 мкм. Следует отметить, что внутренняя структура гранулы имеет достаточно рыхлое строение, поэтому можно предположить, что нарушение поверхностной корки, содержащей избыток растворенного первоначально силиката натрия, приведет к разрушению всей внутренней структуры.
Совершенно иначе обстоит дело в случае, когда к исходному дисперсному стеклу добавлено незначительное количество силикагеля, которого оказалось достаточно, чтобы вызвать гелеобразование в процессе сушки. Этот эффект виден на фотографии скола гранулы. Зерна стекла жестко закреплены в матрице из ксерогеля натриевой соли поликремниевых кислот (рис. 3). В этом случае распределение по толщине гранулы оказывается весьма равномерным, что видно при рассмотрении сканированного на содержание участка (рис. 4), где более светлым выделены участки с наибольшей концентрацией №+.
Такие различия в распределении соединений оказывают существенное влияние на процесс термообработки сырцовых гранул, в которые для усиления газовыделения было добавлено по 0,5 мас. % сахарозы. Термообработку гранул проводили в муфельной печи
1800
1600 -
км 1400 -
м, и, к 1200 -
й е 1000 -
яч
р 1000 -
ет ? 600 -
а
и 400 -
200 -
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Расстояние от центра ячейки до края гранулы, мкм
Рис. 5. Средний диаметр ячеек в зависимости от расстояния до поверхности гранулы: 1 - образец при возможности миграции раствора силиката в сырцовой грануле; 2 - сырцовая гранула получена при гелеобразовании раствора силиката
для предотвращения сжатия внешнего слоя получаемого термопластичного материала. Готовые пеностеклянные гранулы разрезали и исследовали методом оптической микроскопии средний диаметр ячеек в зависимости от расстояния до поверхности гранулы.
Полученные результаты представлены на рис. 5. В образце, полученном по обычной технологии гранулирования порошка стекла с добавлением раствора жидкого стекла во внешнем слое готовой гранулы, вблизи поверхности находятся крупные ячейки в 2—2,5 раза превышающие размер ячеек внутри гранулы.
Эффект может быть объяснен понижением вязкости расплава стекла в пиропластичном состоянии вследствие повышенной концентрации в поверхностном слое сырцовой гранулы. Этого явления не наблюдается у готовых гранул пеностекла, полученных по методу, предотвращающему миграцию раствора в сырцовой грануле при сушке.
Можно заключить, что стандартное приготовление сырцовых гранул для производства пеностекла из порошка стекла и раствора жидкого стекла приводит к неравномерному распределению компонентов связующего по толщине сырцовой гранулы, что обусловлено мас-сопереносом в пористом теле. Это явление приводит к таким негативным практическим последствиям, как невысокая прочность сырцовых гранул, недопустимость их дробления для уменьшения фракции и неравномерность размеров ячеек в готовой пеностеклянной грануле.
Для предотвращения этих явлений процесс массопе-реноса при сушке гранул может быть подавлен осуществлением золь-гель-перехода, основой для которого могут быть соединения, вызывающие гелирование, в частности аморфный оксид кремния. Такие сырцовые гранулы отличаются равномерным распределением компонентов, что позволяет получать пеностекло с равномерными по глубине показателями, а также дробить сырцовые гранулы для производства качественного мелкогранулирован-ного пеностекла без потери качества.
Работа выполнена при поддержке Правительства Пермского края (грант по проекту «Разработка безопасных теплоизоляционных материалов»). Финансирование международных исследовательских групп в соответствии с Постановлением Правительства Пермского края № 166-п от 06.04.2011 г.
Список литературы
1. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника. 1972. 304 с.
2. А. с. СССР № 1033465. Способ получения гранулированного пеностекла / Б.К. Демидович, Е.С. Новиков, С.С. Иодо, В.А. Петрович. Опубл. 07.08.83. Бюл. № 29.
3. Погребинский Г.М., Искоренко Г.И., Канев В.П. Гранулированное пеностекло как перспективный теплоизоляционный материал // Строительные материалы. 2003. № 3. С. 28-29.
4. Свидетельство на полезную модель РФ № 10169. Комплексная технологическая линия производства гранулированного пеностекла из стеклобоя / Г.И. Искоренко, В.П. Канев, Г.М. Погребинский. Заявл. 15.12.98. Опубл. 16.06.99.
5. Патент РФ № 2162825. Способ изготовления гранулированного пеностекла из стеклобоя / Г.И. Иско-ренко, В.П. Канев, Г.М. Погребинский. Заявл. 30.12.1998. Опубл. 10.02.2001.
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 28 январь 2015 М ®
6. Патент РФ № 2453510. Способ получения пеносте-клянных изделий / Н.Н. Капустинский, П.А. Кетов, Ю.А. Кетов. Заявл. 14.10.2010. Опубл. 20.06.2012. Бюл. № 17.
References
1. Demidovich B.K. Proizvodstvo i primenenie penostekla [Production and use of foamglass]. Minsk: Nauka i tekh-nika.1972. 304 p.
2. Copyright certificate SSSR №1033465. Sposobpolucheni-ya granulirovannogo penostekla [Way of receiving the granulated foamglass]. Demidovich B.K., Novikov E.S., Iodo S.S., Petrovich V.A. Published 07.08.83. Bulletin No. 29. (In Russian).
3. Pogrebinskii G.M., Iskorenko G.I., Kanev V.P. The granulated foamglass as perspective heat-insulating material. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2003. No. 3, pp. 28-29. (In Russian).
4. The certificate on useful model RF 10169. Sposob izgo-tovleniya granulirovannogo penostekla iz stekloboya [Complex technological production line of the granulated foamglass from a cullet]. Iskorenko G.I., Kanev V.P., Pogrebinskii G.M. Declared 15.12.98. Published 16.06.99. (In Russian).
5. Patent RF 2162825. Sposob izgotovleniya granulirovannogo penostekla iz stekloboya [Way of production of the granulated foamglass from a cullet]. Iskorenko G.I., Kanev V.P., Pogrebinskii G.M. Declared 30.12.1998. Published 10.02.2001. (In Russian).
6. Patent RF 2453510. Sposobpolucheniyapenosteklyannykh izdelii [Way of receiving penosteklyannykh of products]. Kapustinskii N.N., Ketov P.A., Ketov Yu.A. Declared 14.10.2010. Published 20.06.2012. Bulletin No. 17. (In Russian).
_ШШШПШ
Конструирование реологических свойств строительных смесей и растворов от ГК ЕТС
Научно-техническим центром ГК ЕТС разработана и внедряется технология конструирования реологических свойств строительных смесей и растворов по принципу модификации единой универсальной базы.
В основу системы положена идея разделения основных свойств входящих в ССС реологических модифицирующих функциональных компонентов таким образом, чтобы каждый компонент целенаправленно влиял на определенные свойства ССС и минимально влиял на другие свойства системы . Влияние каждого компонента имеет заданные границы, что позволяет в достаточно широких пределах прогнозировать свойства получаемых ССС в зависимости от минерального сырья и добавления функциональных компонентов .
Система модифицирования разработана таким образом, чтобы при различных соотношениях ее компонентов в смеси было возможно получить весь спектр необходимых реологических свойств конечного продукта . Система аналогична широко известным принципам колерования краски, когда единая белая универсальная баз, пригодная как для наружного, так и для внутреннего использования, при помощи ограниченного числа пигментных паст может быть окрашена в огромное число стандартных оттенков
Для реализации технологии вместо всех типов эфиров целлюлозы и других реологических модификаторов предполагается использование всего лишь трех продуктов: единую универсальную целлюлозную базу REOBASE и два модификатора REOMOND (А и В) . Специалистами ГК ЕТС разработаны дозировки целлюлозной базы и модификаторов для наиболее распространенных видов ССС и правила подбора компонентов
По материалам ГК ЕТС
научно-технический и производственный журнал
