CC BY
74
УДК 666.64
Л. Н. Нажарова, Т. С. Гнусина, А. М. Салахов
МИКРО- НАНОПОРИСТЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, диатомит, легкоплавкие глины, пористость, теплопроводность, прочность, плотность, усадка, водопоглощение, микрофотография.
В работе рассмотрена возможность использования инзенских и ирбетских диатомитов для приготовления керамических теплоизоляционных материалов. Показано влияние размера частиц диатомита и его концентрации в составе формовочной массы на прочность, плотность, водопоглощение, усадку изделий обожженных при температурах 1100 и 11500С. Представлены микрофотографии пористой структуры обожженных образцов.
Keywords: thermal insulating material, diatomite, low melting clay, porosity, thermal conductivity, strength, density, shrinkage, water
absorption, micrograph.
The paper focuses on the production of ceramic thermal insulating materials using Inzenskiy and Irbetskiy diatomites. The influence of particle size of diatomite and its concentration in the molding mass on strength, density, water absorption, and shrinkage of products burnt at temperatures 1100 and 11500С was shown. The authors presented the micrographs ofporous structure of burnt samples.
Введение
В настоящее время в проектировании и строительстве разрабатываются и внедряются новые нормативные документы [1] с повышенными требованиями к теплозащите зданий и сооружений. Это приводит к интенсивному использованию сложных многослойных конструкций наружных стен, где облицовочные и несущие конструкции разделены утеплителями, такими как минераловатные, стекловат-ные и другие. Данные утеплители имеют преимущества в цене, но являются небезопасными при монтаже, неэкологичными, их структура деформируется, со временем разрушается и осыпается. В связи с перечисленными проблемами актуальным становится производство высокопрочных, высокоэффективных керамических стеновых изделий с низкой теплопроводностью на основе легкоплавких полиминеральных глин, модифицированных опал-кристобалитовыми породами. Керамические изделия с добавками опал-кристобалитовых пород, являются экологически чистыми, легкими, био- и кор-розионностойкими, негигроскопичными и несгораемыми теплоизоляционными материалами. Что особенно важно, их производство может быть организованно на базе уже действующих предприятий по выпуску стеновых керамических изделий.
Из всех минералов опал-кристобалитовой группы для создания новых теплоизоляционных материалов особый интерес представляет диатомит - высококремнистая (содержание рентгеноамофного 8Ю2~70%), пористая и легкая осадочная горная порода, образованная обломками панцирей диатомовых водорослей [2]. Основным элементом строения диатомей является сложная система пор, штрихов, ареол и камер. Размер пор диатомита имеет нано-порядок, что дает право относить его к природным наноматериалам.
Пористость относится к наиболее важным характеристикам теплоизоляционных свойств материалов, т.к. заключенный в порах воздух является лучшим теплоизолятором. Коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха равен 0,023
Вт/(м-К), тогда как для горных пород составляет в среднем 2,9 Вт/(м-К), для диатомита 0,08-0,12 Вт/(м-К). Теплопередача в пористых телах осуществляется посредством молекулярного движения и конвекцией - движением воздуха. Тогда лучшим теплоизоляционным материалом можно считать материал, содержищий наибольшее количество мельчайших замкнутых пор, окруженных тонкими непрерывными пленками твердого вещества [3]. Благодаря своей структуре диатомит обладает низкой теплопроводностью и может применяется для теплоизоляции поверхностей.
Цель работы заключалась в получении теплоизоляционных материалов на основе легкоплавких глин Татарстана с добавкой диатомита и определении основных физико-механических характеристик изделий.
Экспериментальная часть
В экспериментах использовали глину Клю-чищенского месторождения Татарстана, диатомиты Инзенского месторождения Ульяновской области и Ирбитского месторождения Свердловской области (ТУ5761-001-59266087-2005). Химические и минералогические составы минералов были определены в АТСИЦ ФГУП ЦНИИ Геолнеруд и представлены в предыдущих работах [4,5]. Необходимо отметить близость составов.
Образцы из Ключищенской глины с добавками диатомита различных фракций в количестве 510-15 % масс. прессовали в виде цилиндров диаметром 50 мм и высотой 23 мм полусухим способом (влажность шихты 10%) на гидравлическом прессе ПЛГ-20. Давление формования составляло 20 МПа. Затем обжигали в муфельной печи, выдерживая при температуре 1100 и 1150°С в течение 4 часов, и оставляли в печи до полного остывания.
В выбранном интервале температур микроструктура материала претерпевает наиболее существенные и необратимые изменения за счет спекания. Легкоплавкие компоненты шихты переходят в вязкую жидкость, которая способствует сближению зерен тугоплавких компонентов и заплавлению пор.
В результате происходит уплотнение черепка, повышение его плотности и снижение пористости [6].
В ходе экспериментов были определены и проанализированные основные физико-
механические характеристики полученных образцов: прочность, плотность, водопоглощение, огневая усадка. Так же был проведен сравнительный анализ изделий, содержащих диатомиты разных месторождений. В таблицах 1, 2 и на рисунках 1-3 представлены результаты экспериментов.
Таблица 1 - Характеристики керамических образцов, обожженных при температуре 1100 и 1150°С, с содержанием ирбитского диатомита от 5 до 15% и дисперсностью от 0,14 до 0,63 мм
^частиц Количе- Водопогло- р, г/см3
диа ство щение, %
томита диато- 1100 1150 1100 1150
мм мита, % масс °С °С °С °С
5 - 1,3 - 2,3
0,14 10 - 4,2 - 2,2
15 - 4,3 - 2,2
5 6,2 1,4 2,0 2,3
0,315 10 7,6 3,1 2,0 2,2
15 12,2 2,9 1,9 2,2
5 7,5 1,1 2,1 2,3
0,5 10 10,3 2,14 1,9 2,2
15 8,2 2,9 2,0 2,2
5 7,2 - 2,0 -
0,63 10 10,4 - 2,0 -
15 11,0 - 1,9 -
Таблица 2 - Характеристики керамических образцов с добавками инзенского и ирбитского диатомитов, обожженных при Т=1150°С
Содержание добавки, % масс. W, % р, г/см3 Усадка огневая
Ирб - 5 1,377 2,291 7,317
Ирб - 10 3,059 2,201 7,708
Ирб - 15 2,887 2,148 7,120
Инз - 5 1,106 2,298 8,333
Инз - 10 1,952 2,191 7,6
Инз - 15 5,132 2,01 6,931
Испытания на прочность проводили на прессе ПЛГ-20. Предел прочности эталона из клю-чищенской глины составляет 86,5 МПа. Добавки диатомита снижают прочность. У образцов с 5% содержанием ирбитского диатомита, обожженных при температурах 1100 и 1150°С с сж = 50,96 и 61,15 МПа соответственно. Однако, значения находятся в пределах нормы в соответствии с ГОСТ 5302007 и ГОСТ 7484-78.
9 -8 -7 6 -5
4 -
3
2
1
О
,%
С.5 11СО С.5 1150 С. 315 1130 '{1,63 1103 С.315 1159 С.14 1153
С,%
Рис. 1 - Зависимость огневой усадки от концентрации диатомита и его дисперсности
Рис. 2 - Микрофотография образца с добавкой ирбитского диатомита. Тобж=1100°С
Рис. 3 - Микрофотография образца с добавкой инзенского диатомита. Тобж=1150°С
Анализ данных представленных в таблице 1 показывает, что на плотность существенное влияние оказывают температура обжига изделий. Наблюдается характерная зависимость: выше температура обжига - выше плотность образцов. Увеличение плотности, с повышением температуры обжига от 1100 до 1150°С, составляет в среднем 6-11%. Плотность эталона из глины ключищинского месторождения без добавок составляет 2,318 г/см3. До-
бавки диатомита уменьшают плотность, однако, увеличение его содержания в формовочной массе с 5 до 15% практически не изменяет плотности образцов. Можно отметить, что размер частиц диатомита (в диапазоне 0,14-0,63 мм) также не влияет на плотность изделий. Уменьшение плотности образцов свидетельствует о пористой структуре изделий и их низкой теплопроводности.
Водопоглощение обожженных изделий определяли при атмосферном давлении по ГОСТ 702591. Водопоглощение возрастает с увеличением содержания и дисперсности диатомита. Согласно ГОСТ 7484-78, водопоглощение кирпича и камней из глин с добавкой трепелов и диатомитов не должно превышать 20%. Величины водопоглощений, полученные при испытаниях находятся в рамках допустимых значений ГОСТа. Для изделий, предназначенных для теплоизоляции конструкций, значительное водопоглощение является не желательным, т.к. адсорбированная вода вытесняет воздух из пор, тем самым ухудшая теплоизоляционные свойства материала.
Как и на плотность на водопоглощение оказывает влияние температура. В выбранном интервале температур происходит резкое изменение значений водопоглощения: образцы, обожженные при 1100°С, обладают гораздо более пористой структурой и как следствие этого большей способностью поглощать воду.
Огневая усадка является количественной характеристикой процесса спекания и показывает изменение размеров изделия при обжиге. Относительно высокие значения огневой усадки при сравнительно низкой плотности обусловлено микро-нанопористой структурой диатомита в составе образцов. С увеличением температуры огневая усадка увеличивается, тогда как значения плотности остаются почти неизменными.
В работе использовался диатомит двух месторождений, схожих своими химическими и минералогическими составами. Проведенные испытания показали, что значения водопоглощения, плотности и огневой усадки для них имеют не значительное различие.
Структура образцов была исследована с помощью 3Б-сканирующего лазерного микроскопа Olympus LEXT OLS4100. Полученные микрофотографии позволяют судить о структуре полученных изделий, а так же сделать выводы об их пористости. Образцы, обожженные при температуре 1100°С, имеют четкую границу зерен и обладают более пористой структурой. Размеры пор находятся в интервале 5-15 мкм. При температуре 1150°С происходит интенсивное заплавление пор и остаются только мельчайшие поры и каналы. Образцы различны по окраске: коричневые (1100°С) и темно-красные (1150°С). Изменение цвета можно объяснить переходом гидроксида железа в оксидную форму.
По результатам проведенной работы можно рекомендовать следующие оптимальные условия производства теплоизоляционных материалов с использованием диатомита: температура обжига изделий - 1100°С, диатомит следует подвергать предварительному измельчению до размера 0,315 мм и вносить в состав формовочной массы в количестве 10% масс. Вследствие стабильности химико-минералогического состава диатомитов можно предположить, что предложенные технологические параметры будут универсальными для всех диатомитов или опал-кристобалитовых пород схожего химического состава.
Литература
1. СНиП 23-02-2003
2. Кремнистые породы СССР /Под ред. У.Г. Дистанова. Казань, 1976.- 412 с.
3. Л. М. Факторович Теплоизоляционные материалы и конструкции. Ленинград: ГОСТОПТЕХ-ИЗДАТ, 1957.-447с.
4. Л. Н. Нажарова, Т. С. Гнусина, А. М. Губайдуллина, Е. Н. Филиппович, Вестник Казанского технологического университета, 21,49-51 (2013).
5. Л. Н. Нажарова,Е.Н.Филиппович, А.В.Скворцов, А.Р.Валиуллова, Вестник Казанского технологического университета, 15, 87-89 (2012).
6. У. Д. Кингери. Введение в керамику. М: Издательство литературы по строительству, 1967. - 501 с
© Л. Н. Нажарова - к.т.н., доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, [email protected]; Т. С. Гнусина - магистр той же кафедры, 1а1:ка.100@ mail.ru; А. М. Салахов - к.т.н., доц. той же кафедры.
© L. N. Nazharova - Ph.D. in engineering, Associate Professor, Department of Technology of Inorganic Substances and Materials, KNRTU, [email protected]; T. S. Gnusina - Master's Degree student, Department of Technology of Inorganic Substances and Materials, KNRTU, [email protected]; A M Salahov - Ph.D. in engineering, Associate Professor, Department of Technology of Inorganic Substances and Materials, KNRTU.
