CC BY
16УДК 62-942.2:536.2.022
В.П. СЕЛЯЕВ, д-р техн. наук, академик РААСН, В.А. НЕВЕРОВ, канд. физ.-мат. наук,
О.Г. МАШТАЕВ, В.В. СИДОРОВ, инженеры,
Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева
Микроструктура теплоизоляционных материалов на основе тонкодисперсных минеральных порошков
Создание на основе зернистых минеральных порошков теплоизоляционных материалов, альтернативных пенополистиролу и пенополиуретану, задача актуальная и технически выполнимая. Из анализа литературных данных следует, что порошковую теплоизоляцию можно получить из минеральных зернистых материалов с пористостью 90—95%, диаметром пор наноразмерного уровня. В порошке не должно быть свободной или химически связанной воды. Предпочтение отдается порошкам на основе диоксида кремния. Особый интерес представляют материалы природного происхождения, например диатомиты, которые наряду с другим микрокремнеземным сырьем состоят преимущественно из аморфного диоксида кремния, имеющего низкую теплопроводность, естественную поровую структуру, не разлагаются под действием температуры и ультрафиолетового излучения и, что немаловажно, имеют заметно меньшую стоимость.
Целью работы являлось изучение микроструктуры диатомита атемарского, а также некоторых дисперсных микрокремнеземов, сравнение их структурных характеристик с параметрами порошкообразного наполнителя (как эталона) зарубежной вакуумной изоляционной панели.
В качестве объектов исследования были выбраны следующие минеральные порошки:
— диатомит Атемарского месторождения (Республика Мордовия);
— микрокремнезем аморфный, полученный из диатомита атемарского;
— конденсированный микрокремнезем ОАО «Кузнецкие ферросплавы»;
— белая сажа ОАО «Сода»;
— наполнитель FRONT-VIP компании VACU КОТЕС KG в качестве эталона.
Гранулометрический состав диатомита Атемарского месторождения проведен на анализаторе размеров частиц Shimadzu SALD-3101. Исследуемый диатомит представляет собой полидисперсную систему, которая состоит из частиц, крупность которых лежит в двух интервалах: 360-1500 нм и 2-100 мкм, причем около 80% частиц имеют линейные размеры 5-50 мкм, а около 8%
— менее 1 мкм.
Сравнение интервалов крупности исследованных дисперсных минеральных порошков позволяет заключить, что по своему гранулометрическому составу диатомит атемарский наиболее близок к наполнителю промышленной вакуумной изоляционной панели FRONT-VIP; крупность частиц позволяет формировать поровую структуру наноразмерного уровня; все исследованные порошки из микрокремнезема близки по своим параметрам. Наиболее крупные агломераты микро-
340*0 пгп
255-3 пш
ГГИА □ Че! I У/О ИРУ/ ИУ Г ■ _ 5 рт--
МОООх иЯ011&Зтт'12-4 ит 20 00 кVI СшапЫЙИИЗС
в
Ж
тая □ <*«■! I УЯ) ИРУ/ МУ Г ■ ¡5 цт-
2Я 000*1 ДОИ &0гпт Л7Л ит:2000 кУ1 Стопы МО 130
■ Рис. 1. Микрофотографии частиц дисперсных минеральных порошков: а - диатомит атемарский; б - микрокремнезем аморфный; в - конденсированный микрокремнезем; г -белая сажа; д - порошок FRONT-VIP
г
2<)>>.<> О'11
глада Че! I У/О ИРУ/ М I <--
2<1УХи 1_РОИ51 глт 12-1 ит 20 00 кУ| Оиапй 200«ЗО
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
август 2013
79
г»™
к/
1 НшйУ 1 l Uiiti
й 1 1 1 i 1 i ' г А ■ 4 • А - Л - * •
Рис. 2. Рентгенограмма диатомита атемарского
*ца tu
»"з"' с HMiMihh»»«
I i H w mr,1-üvmu
1 | 1 j ! i i r I I j Г 1 -4— -L
1 1 d^Ll-L ! ! 4-1
\ J _____L ]] ¡1 ill MJJ I II чцч»
i 7
Т
Рис. 3. Рентгенограмма порошка-наполнителя FRONT-VIP
метрового уровня наблюдаются в белой саже, наиболее мелкие — в порошке FRONT-VIP.
Элементный состав минеральных порошков определен на рентгенофлуоресцентном спектрометре ARL Perform'X 4200. Как и следовало ожидать, дисперсные минеральные порошки имеют достаточно сложный химический состав. Наличие тех или иных соединений определяется происхождением (диатомит атемарский, микрокремнезем аморфный), техническими условиями производства микрокремнезема (ТУ 5743-04802295332—96 для конденсированного микрокремнезема) либо госстандартом (ГОСТ 18307—78 для белой сажи). Порошок наполнителя FRONT-VIP практически полностью состоит из диоксида кремния.
Для исследования тонкой структуры и топографии поверхности частиц минеральных порошков использовали многофункциональный растровый электронный микроскоп Quanta 200 i3D FEI. На рис. 1 представлены микрофотографии частиц дисперсных порошков при увеличении 24000х. На микрофотографиях отчетливо видно, что поверхность частиц диатомита и микрокремнеземов имеет пористое строение.
На рис. 1, а наблюдаются фрагменты панцирей диа-том с естественной системой пор, обеспечивавших в свое время жизнедеятельность водорослей.
Поверхности частиц микрокремнеземов и порошка FRONT-VIP покрыты порами различных размеров и формы микрометрового и нанометрового уровней, а также протяженными извилистыми углублениями, напоминающими овраги и имеющими складчатую структуру. Кроме пор на поверхности частиц наблюдаются агломераты частиц кремнезема в виде диффузных ша-
роподобных образований [1, 2], объединяющихся в некие подобия кластеров (рис. 1, г).
Рентгеноструктурный анализ всех дисперсных порошков проведен на дифрактометре Empyrean. Рентгенограмма диатомита атемарского приведена на рис. 2.
Анализ показал, что кроме аморфной фазы диоксида кремния диатомит атемарский содержит в своем составе небольшое количество кристаллической фазы a-SiO2, а также Al2O3, что согласуется с данными рентгенофлуо-ресцентного анализа. Дифрактограммы микрокремнезема аморфного и белой сажи имеют типичный вид для аморфных материалов с широким диффузионным максимумом (гало) в районе значений углов 26~22—26°, что является результатом дифракции рентгеновского излучения на областях, имеющих ближний порядок.
На рис. 3 представлена рентгенограмма порошка-наполнителя FRONT-VIP, на которой кроме диффузного максимума аморфного диоксида кремния наблюдается система дифракционных линий содержащейся в порошке поликристаллической фазы. Детальный анализ положений и интенсивностей пиков дифракционного спектра дисперсного наполнителя FRONT-VIP показал, что в нем содержится поликристаллический мелкодисперсный карбид кремния.
Известно, что порошки на основе диоксида кремния [3] являются полупрозрачными для теплового излучения с длиной волны 4—8 мкм. Поэтому в современных вакуумных изоляционных панелях в качестве инфракрасного глушителя, дополнительно поглощающего ИК-излучение, кроме дисперсного наполнителя имеется небольшое количество карбида кремния или диоксида титана. Следует отметить, что на диф-рактограмме конденсированного микрокремнезема можно обнаружить пики, соответствующие кристаллическому карбиду кремния. Их интенсивность значительно меньше, чем на дифракционном спектре порошка FRONT-VIP. Поликристаллический карбид кремния, по-видимому, формируется в конденсированном микрокремнеземе в процессе производства согласно ТУ 5743-048-02295332-96.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
— исследованные диатомит Атемарского месторождения и дисперсные микрокремнеземы имеют сходные структурные характеристики с наполнителем FRONT-VIP;
— с учетом относительно низкой стоимости диатомита атемарского его, после определенной модификации, в первую очередь измельчения, просева и дегидратации, можно рекомендовать в качестве компонента наполнителя вакуумных изоляционных панелей.
Ключевые слова: диатомит, дисперсный микрокремнезем, вакуумная изоляционная панель.
Список литературы
1. Масалов В.М., Сухинина Н.С., Емельченко Г.А. Наноструктура частиц диоксида кремния, полученных многоступенчатым методом Штобера—Финка—Бона // Химия, физика и технология поверхности. 2011. Т. 2. № 4. С. 373—384.
2. Карпов И.А., Самаров Э.Н., Масалов В.М., Божко С.И., Емельченко Г.А. О внутренней структуре сферических частиц опала // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 2. С. 334—338.
3. Васильев Л.Л., Танаева С.А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника, 1971. 265 с.
80
научно-технический и производственный журнал
август 2013
jVJ ®
