CC BY
16
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 185 1970
ПЕНОСТЕКЛО ИЗ УЖУРСКИХ НЕФЕЛИНОВ
А. В. ПЕТРОВ, С. С. НЕСТЕРЕНКО, Ж. В. РОДИОНОВА
(Представлена научным семинаром кафедры технологии силикатов)
Тепло и звукоизоляционный материал ячеистого строения, называемый пеностеклом, находит все большее применение для теплоизоляции холодильников, тепловых агрегатов и как звукопоглощающий материал в строительстве [1].
Производство пеностекла основано на вспенивании стекольного порошка газообразователями в температурном интервале 700—900°.
Ужурские нефелины, являющиеся одним из месторождений нефе-линсодержащих пород Красноярского края, в последние годы исследуются на кафедре технологии силикатов как сырье для стекольной промышленности, заменяющее дефицитные щелочсодержащие и другие сырьевые материалы. Возможность использования нефелинсодержащих пород в производстве стекла, как показано ранее [2], обусловливается сходством их составов с составами стекломасс. Содержание щелочей, которые являются наиболее ценной составной частью, доходит в Ужур-ских нефелинах до 13%, высокое содержание окиси алюминия (до 25%) придает стеклу высокую термическую и механическую прочность и высокую химическую устойчивость по отношению к щелочам и воде. Значительное количество окислов железа (до 10%) позволяет вырабатывать стекла темно-зеленого и черного цветов в виде строительных марблитов, облицовочных плиток, зеленых бутылок и других изделий. Из литературы [3, 4] известно, что пористый материал из горных пород можно получать без перевода их в стеклообразное состояние и из стекольного порошка, полученного в результате плавления шихт, содержащих горные породы.
В задачу нашего исследования входило получение пористого материала непосредственно из нефелиновой породы и из стекольного порошка, приготовленного на ее основе. Проведенные исследования показали, что измельченная и смешанная с газообразователем (карбидом кремния) нефелиновая порода вспучивается при температуре около 1200°С (температура плавления породы— 1220°С), образуя пористый материал неравномерной структуры с широким диапазоном по объемному весу 0,5—1,3 г/см3. Введением плавикового шпата и кальцинированной соды удается снизить температуру вспенивания до 1100°С, но вследствие короткого интервала спекания (20°С) процесс вспенивания породы и ее синтетических смесей становится чрезвычайно чувствительным к колебаниям теплового режима печи, в результате чего образцы быстро деформируются и плавятся. Добавка кварцевого песка до 30% способст-
вует образованию расплава, обладающего способностью резко уменьшать вязкость даже при незначительном повышении температуры, отчего интервал спекания так же почти не расширяется (25—30°С), поэтому получать пористый материал по указанной технологии из исследуемого сырья в промышленных условиях невозможно.
Дальнейшие работы основывались на предварительном получении стекол из шихт, содержащих 50 и выше процентов нефелиновой породы, с последующим их вспениванием. Для этой цели использовался один из разработанных нами составов стекла (табл. 1). В состав шихты вводились нефелиновая порода, обогащенный кварцевый песок Туганского месторождения, мел и сульфат натрия, расчетные химические составы и весовые количества которых приведены в табл. 1.
Таблица 1
Расчетные химические составы и весовые количества сырьевых материалов
Сырьевые материалы Кол-во в г Химический состав в %
ь Ю3 А1а03|ре303 тю2 СаО М£0 ЫаоО + к3о сумма
Нефелин .... Песок ..... Сульфат .... Мел...... Восстановитель . . 60,31 29,39 20,33 10,50 0,97 25,13 29,10 15,36 0,06 4,57 0,006 0,66 4,92 0,02 5,88 0,18 0,01 5,1 0,04 8,86 55,92 29,24 8,86 5,88
Сумма .... 121,50 54,23 15,42 4,576 0,66 10,82 0,19 ] 14,00 99,90
Заданный состав стекла ...... 55,0 20,0 — 11,0 14,0 100
Приготовленные шихты помещались в корундизовые тигли емкостью 100 см3 и варились в электрической печи с силитовыми нагревателями при температуре 1350°С. До полного осветления расплавы не доводились, быстро охлаждались в холодной воде и полученный гранулированный порошок измельчался в фарфоровой шаровой мельнице емкостью 3 л до прохождения через сито 0,15 мм. В качестве газообразо-вателя был выбран коксик, вводимый в количестве 3% от веса шихты. Из хорошо перемешанной и увлажненной шихты под давлением 400 кг/см2 прессовались образцы цилиндрической формы, диаметром 25 мм, затем подвергались вспениванию в силитовой печи при установ ленных опытом температурах: 780, 820, 860, 880 и 900°С с выдержкой в 5, 10, 15 и 20 минут. Вспенивание стекольного порошка происходит газовой фазой, образующейся в результате термического разложения газообразователя и химических реакций, протекающих между газооб-разователем и некоторыми компонентами стекла.
Нами установлено, что в основе метода получения пористого материала из нефелинсодержащих стекол лежит реакция восстановления серы, содержащейся в стекле, углеродом газообразователя до сульфидной, как указывается в литературе [5], так как стекла, сваренные на кальцинированной соде не вспучивались ни при каких условиях. Вспененные образцы отжигались в муфеле. Отжиг тонких стенок изолированных пор пеностекла может быть завершен в короткий срок, но вследствие низкой теплопроводности его температурный перепад между поверхностью и ядром изделия сохраняется продолжительное время, поэтому для предотвращения появления напряжений, резко снижающих 88
механическую прочность, охлаждение образцов пеностекла велось со скоростью, не превышающей 5—7°С в минуту. После охлаждения образцы подвергались определению различных видов физико-механических свойств. Из стекла, приготовленного на основе Ужурских нефелинов в лабораторных условия, получено пеностекло с объемным весом
0,36—0,5 г/см3 (в плотном теле), водопоглощением до 30%, истинной пористостью около 85% и механической прочностью до 30 кг/см2. Температура начала размягчения пеностекла 700°С, коэффициент линейного расшиоения а = 80:10~7 град.~~ К Структура полученного пеностекла— однородная мелкопористая с максимальным размером отдельных пор в 3—5 мм.
Петрографическим и рент-генофазовым исследованиями установлено, что при температуре 870°С и выше стенки ячеек пеностекла начинают интенсивно кристаллизоваться, образуя структуру типа пено-ситалла. На это указывает также и быстро возрастающая механическая прочность образцов (рис. 1), вспененных при температуре 900° (асж> 50 кг/см2). В качестве кристаллической фазы образуются пироксен, плагиоклаз и волластонит.
Таким образом, нефелинсодержащие породы Красноярского края с подшихтовкой сульфата натрия, мела и кварцевого песка могут быть использованы для получения пеностекла, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным и звукопоглощающим материалам. При этом экономия щелочей может достигать 65%.
ЛИТЕРАТУРА
1. И. И. Китайгородский. Стекло и стекловарение, Промстройиздат, 1950.
2. А. В. Петров, С. С. Нестеренко, Г. П. Анпилогова. Стекло из Го-рячегорских нефелинсодержащих пород, Труды ВХО им. Менделеева, Томск, 1969.
3. Способ получения пеностекла, патент США № 3174870, РЖХ, 16, 1966.
4. И. И. Китайгородский, Т. Н. Кешишян. Пеностекло, Промстройиздат, 1953.
5. F.Schill. Penove sklo, Praha, 1962.
Рис. 1. Изменение прочности пеностекла при сжатии от температуры и времени выдержки
