CC BY
61
УДК 691
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
H. К. Манакова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия
Аннотация
Установлены оптимальные составы и технологические параметры получения эффективных пористых материалов на основе кремнеземсодержащих отходов эвдиалитовых руд. Материалы могут быть рекомендованы к использованию как теплоизоляционные.
Ключевые слова:
кремнеземсодержащие отходы, блочные, теплоизоляционные материалы, пеносиликаты.
OPTIMIZING THE PROCESS PARAMETERS IN PRODUCING OF FOAM SILICATE MATERIALS
N.K Manakova
I. V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia
Abstract
Optimal compositions and process parameters of obtaining effective porous materials based on silica-containing eudialyte ore dressing wastes have been established. The materials can be recommended for use as heat insulators.
Key words:
silica-containing waste, block heat-insulating materials, foam silicates.
Получение материалов для строительной индустрии из отходов обогащения руд, вскрышных пород и побочных продуктов предприятий горнопромышленного комплекса - актуальная задача комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Кольского полуострова. Пеностекло - один из наиболее эффективных строительных теплоизоляционных материалов, имеющий уникальный набор свойств. Закрытая пористость и неорганический состав пеностекла обусловливают уникальное сочетание физико-механических и теплофизических свойств: оно не горит, непроницаемо для воды, не подлежит коррозии, морозоустойчиво и может применяться одновременно для гидро-, звуко- и теплоизоляции зданий и сооружений [1, 2]. Пеносиликатные материалы схожи с пеностеклом по свойствам и внешнему виду, однако имеют существенный недостаток - высокие показатели водопоглощения, которые снижают дополнительной обработкой готового изделия [3].
Для изготовления пеносиликатов использовали, мас. %: кремнеземсодержащий продукт переработки эвдиалитовых руд 86-95, отходы обогащения апатитонефелиновой руды (АНХ) 5-20, гидроксид натрия 5-20 (в пересчете на Na2O), измельченный пеносиликат 10-30%. После измельчения и перемешивания микрокремнезема и апатитонефелиновых хвостов готовилась суспензия с добавлением водного раствора гидроксида натрия. Пластичную массу помещали в керамическую форму. Использовались несколько методик предварительной обработки сырцовых образцов: 1) сушка на воздухе в течение 24 ч; 2) гидротермальная обработка суспензии при температуре 90°С в течение 0.5-5 ч с последующей сушкой при комнатной температуре; 3) в ряде случаев образцы обжигали сразу после формования. Обжиг материала проводили при температурах от 550 до 850°C в течение 10-35 мин. Применяли одноступенчатый и двухступенчатый обжиг. Для фиксации структуры изделие подвергали вначале быстрому охлаждению на 100-150°C, а затем осуществляли отжиг, необходимый для снятия остаточных напряжений [4].
С целью установления оптимальных условий получения пеносиликатов проводились исследования взаимосвязи плотности образцов с количеством добавляемой щелочи (в пересчете на Na2O) и температурой вспучивания для составов с различной крупностью АНХ.
Двухступенчатая технология получения пеносиликатного материала заключалась в следующем: из кремнеземсодержащего продукта, апатитонефелиновых отходов, раствора гидроксида натрия готовили шихту. Вспучивание проводили при подобранной опытным путем температуре 650°C. Остужали, размалывали в железной ступке, пропускали через сито 0.5-1 мм, закладывали в керамическую форму. Второй обжиг вели при температуре 750, 800, 850°C в течение 5, 10, 15, 20 мин. Результаты исследования зависимости плотности и прочности от температуры и времени второго обжига представлены на рис.1, 2.
Для упрощения и удешевления технологии разработки пеносиликатов проводились исследования по изучению влияния предварительной подготовки сырцовых образцов на технические характеристики материалов. Подбирались режимы их получения, включающие в себя наименьшее количество этапов предварительной и высокотемпературной обработки (одноступенчатый обжиг).
565
Плотность, г/см3
2 т
0 -I--------1--------1---------1
720 770 820 870
Температура второго обжига, °С
Рис.1. Зависимость плотности образцов от температуры обжига второй ступени
Плотность, г/см2
0,5 - —*
0 - 1 1
0 10 20
Время второго обжига, мин
Рис. 2. Зависимость плотности образцов от времени обжига второй ступени
Проведенное изучение влияния обжига на свойства пеносиликатного материала позволило выявить оптимальное время обжига первой и второй ступеней - 10 мин. При двухступенчатой обработке при 650 и 800°C получены пеносиликаты с плотностью до 0.5 г/см3 и прочностью до 5 Мпа.
Исследования зависимости плотности материалов от количества щелочи показали, что меньшим значением плотности и, соответственно, лучшими теплоизолирующими свойствами обладают образцы с содержанием гидроксида натрия (в пересчете на Na2O) 17% (рис.3). Введение большего количества щелочи нецелесообразно по причине укрупнения газовых пузырьков и образования неравномерной крупнопористой структуры пеноматериалов, приводящей к снижению прочностных характеристик изделий.
3
Плотность, г/см 1
0,5 -
0 -I—.—I—.—I—.—I—.—I—
5 10 15 17 20
Количество Na2O,%
Рис. 3. Зависимость плотности от количества добавляемого гидроксида натрия
Оптимальная температура одноступенчатого обжига 650°C, время выдержки 30 мин.
Известно [5], что равновесие жидкостекольной композиции при взаимодействии с большинством гетерогенных и гомогенных неорганических веществ нарушается. Активные добавки позволяют интенсифицировать поликонденсацию жидкосиликатных связующих и придавать продуктам твердения новые свойства. Одним из путей регулирования свойств жидкого стекла является его модифицирование путем введения добавок [6].
Проведенные исследования по изучению влияния модифицирующих добавок на технологические свойства пеносиликатов показали, что введение в состав силикатных композиций апатитонефелиновых отходов в качестве добавки и применение предварительной сушки при 90°C приводят к увеличению механической прочности образцов до 4.2 МПа с одновременным незначительным ростом плотности (рис.4). Аналогичное действие оказывает добавка измельченного пеносиликатного материала (рис.5).
6 Прочность, МПа 4
2
0
0 5 10 15 20 25 30
Количество АНХ, %
Рис.4. Влияние содержания апатитонефелиновых отходов на плотность (1) и прочность при сжатии пеносиликатов (2)
Пеносиликаты, полученные с добавлением АНХ более крупной фракции, имеют большую пористость по сравнению с пеносиликатами, полученными с добавлением дополнительно измельченных апатитонефелиновых отходов. По-видимому, это связано с тем, что более крупные частицы АНХ (фр. -1 мм) служат своеобразным каркасом для формирования структуры пеносиликата, а более мелкие частицы добавки (фр. -0.05 мм) вступают в реакцию с гидроксидом натрия [7].
566
Фрактографические исследования пеносиликатных материалов показывают, что материал характеризуется развитой пористой структурой с микронными порами в стенках макропор. Ограждающие стенки пор пеносиликата густо пронизаны микроотверстиями (рис.6а). Повышение прочностных характеристик обеспечивается за счет того, что стенки пор не разрываются до конца, а пронизаны микроотверстиями. Псевдооткрытая пористость обеспечивает прочность при сжатии, сравнимую с обычным пеностеклом. Внутренняя поверхность пор вся покрыта кристаллами новообразований (рис.6б). Рентгенографический анализ позволяет судить о практически аморфном состоянии системы при наличии небольшого количества кристаллической фазы (ферросилит магниевый, тридимит).
Количество измельченного материала, %
Рис. 5. Зависимость прочности образцов от количества измельченного материала: 1 - без сушки; 2 - с сушкой при температуре 90°C
а
Рис. 6. Микрофотография пеносиликатного материала
б
Таким образом, проведенные исследования позволили установить возможность и способы получения блочных пеносиликатов на основе кремнеземсодержащих отходов переработки эвдиалитовых руд. Управление составом путем введения модифицирующих добавок позволяет получить материалы с заданной структурой и свойствами. При оптимальных условиях получены пеносиликаты с достаточно низкой плотностью 0.3-0.5 г/см3, высокой прочностью до 5 Мпа, теплопроводностью 0.09-0.107 Вт/м2 К. Блочные материалы могут быть рекомендованы к использованию при строительстве и реконструкции промышленных и гражданских зданий для тепловой изоляции внутренних стен, кровли, чердачных перекрытий, полов зданий и сооружений.
Литература
1. Казанцева Л.К., Стороженко Г.И. Особые свойства пеностекла из природного сырья // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 34-38.
2. Спиридонов Ю.А., Орлова Л.А. Проблемы получения пеностекла // Стекло и керамика. 2003. № 10. С. 10-11.
3. Лотов В.А. Перспективные теплоизоляционные материалы с жесткой структурой // Строительные материалы. 2004. № 11. С. 8-9.
4. Моделирование структуры теплоизоляционного пеностекла / А.И. Шутов, Л.И. Яшуркаева, С.В. Алексеев, Т.В. Яшуркаев // Стекло и керамика. 2007. № 11. С. 22-23.
5. Айлер Р. Химия кремнезема. М.: Мир, 1982. 1127 с.
6. Формирование пористой структуры силикатных теплоизоляционных материалов / С.Н. Леонович, Г.Л. Щукин, А.Л. Беланович, В.П. Савенко, С.А. Карпушенков // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 84-86.
7. Углова Т.К., Новоселова С.Н., Татаринцева О.С. Экологически чистые теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 44-46.
Сведения об авторе
Манакова Надежда Кимовна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, manakova@chemy.kolasc.net.ru.
Manakova Nadezhda Kimovna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, manakova@chemy.kolasc.net.ru
567
