CC BY
42
Перспективы использования вспененного модифицированного перлита для получения новых композиционных материалов
Ю.М. Бережной, О.Н. Романова, Е.Н. Бессарабов, А.А. Севостьянова Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени
М.И. Платова
Аннотация: В статье рассмотрены характеристики гидрофобного вспученного перлита и методы его исследования. Описана перспектива использования вспученного перлита в различных отраслях промышленности. Показаны возможности применения данных материалов в практическом использовании.
Ключевые слова: композиционные материалы, энергосбережение, модификация перлита, гидрофобный перлит, методы улучшения свойств.
Перлит - это минерал из вулканического стекла, который широко встречается в вулканических породах. Когда перлитная руда обрабатывается и нагревается (более 870 °С) в подходящих условиях, она увеличивается до 30 раз по сравнению с первоначальным объемом и становится пористой [1]. После этого физического преобразования, его цвет превращается из серого в белый. Перлит обладает уникальными характеристиками: легкий, стерильный, изолирующий и огнестойкий, что позволяет значительно расширить область применения, включая строительство, фильтрацию, садоводство и изоляцию [2,3]. Как пример, перлит является негорючим, и поэтому его можно использовать при производстве огнеупорных строительных материалов. Наличие расширенного перлита в бетоне или растворе улучшает теплоизоляцию в зданиях из-за очень высокой пористости [4-6]. Из-за чрезвычайно низкой плотности вспученный перлит можно также использовать в легком заполнителе бетона [7,8]. Кроме того, расширенный перлит химически инертен, что делает его экологически чистым и безопасным. Благодаря высокой водопоглощающей способности он используется в садоводстве в качестве кондиционера почвы [9].
Области использования этого материала могут быть расширены, а его эксплуатационные свойства значительно улучшены за счет снижения его водопоглощения, достигающего при контакте вспученного перлита с водой 700 - 1000 вес.%. Даже незначительное увлажнение вспученного перлита резко снижает его теплозащитные и диэлектрические свойства.
Проблемой улучшения эксплуатационных свойств вспученного перлита и придания ему новых качеств обработкой кремнеорганическими гидрофобизаторами, а также разработкой технологии производства гидрофобного вспученного перлита в течение многих лет занимались кафедры химической технологии силикатов.
Авторами [10] установлено, что гидрофобизация вспученного перлита кремнеорганическими соединениями полностью устраняет капиллярный подсос, сводит до минимума водопоглощение при контакте с водой и практически не влияет на сорбцию воды из воздуха.
Экспериментальные исследования показали, что обработка вспученного перлита различными типами кремнеорганических гидрофобизаторов позволяет регулировать его физико-технические, химические, а следовательно, и эксплуатационные свойства.
Это всего лишь несколько примеров, когда вскрытые частицы перлита оказываются полезными в широком спектре применений в различных областях. Очевидно, что поверхностные свойства частиц играют решающую роль в определении общей функции и производительности конечного продукта. Например, высокое содержание воды в расширенном перлите нежелательно при использовании материала в областях, требующих тепло- и звукоизоляции, поскольку хорошо известно, что содержание влаги в материале увеличивает коэффициенты передачи тепла и звука [11]. Более того, такое высокое содержание влаги в конечной структуре может привести к физическим повреждениям [12].
Это требует исследования различных вариантов модификации или функционализации поверхностей частиц перлита оптимальным методом. В работе [13] описаны исследования по модификации поверхности вспененного перлита. Они состоят в том, чтобы сделать поверхности перлита гидрофобными методом инкапсулирования, а именно, с помощью вращающегося реактора в котором происходит плазмо-химическое осаждение из паровой фазы с вращающимся слоем. Таким образом, этот модифицированный расширенный перлит может быть более эффективным изоляционным материалом и может быть расширен потенциал применения данного материала. Получение гидрофобного перлита возможно двумя методами путем химической модификации поверхности или снижения шероховатости его поверхности. К химическим методам модификации поверхности перлитового порошка можно отнести нанесение покрытия на частицы.
Чтобы получить достаточную гидрофобность материала авторы исследования [14] предлагают покрывать частицы тонким слоем полимера с низкой поверхностной энергией, таким как фторопласт. Такой метод для покрытия или инкапсулирования частиц, основан на нанесении раствора полимерного покрытия на поверхность частиц с последующим удалением растворителя. Другой метод на основе раствора, радикальная полимеризация с переносом атомов также успешно применялся для покрытия полимера на поверхности многослойных углеродных нанотрубок [15], микросфер [16] и наночастиц [17]. Однако очень трудно равномерно покрывать частицы без агломерации методами основанными на обработке поверхностей растворами стабилизаторов, особенно для частиц размером менее 100 мкм [18].
Еще один интересный метод был предложен авторами [19] этот метод модификации перлитового порошка заключается в пропитке парафинами пористых гранул вспененного перлита, образующего гидрофобное покрытие.
В опубликованных исследованиях, полученные методом вакуумной пропитки, показали более высокую абсорбционную способность, чем полученные методом прямой пропитки.
Использование гидрофобных порошков с парафиновым покрытием позволило добиться отличных результатов предотвращая контакт частиц перлита с водой тем самым повышая энергоэффективность применяемых порошков для производства строительных композиций.
Проблемой улучшения эксплуатационных свойств вспученного перлита и придания ему новых качеств обработкой кремнеорганическими гидрофобизаторами, а также разработкой технологии производства гидрофобного вспученного перлита в течение многих лет занимались в нашей стране.
Авторами [20] исследования установлено, что гидрофобизация вспученного перлита кремнеорганическими соединениями полностью устраняет капиллярный подсос, сводит до минимума водопоглощение при контакте с водой и практически не влияет на сорбцию воды из воздуха.
Экспериментальные исследования показали, что обработка вспученного перлита различными типами кремнеорганических гидрофобизаторов позволяет регулировать его физико-технические, химические, а следовательно, и эксплуатационные свойства.
Выводы
Области использования материалов с использованием в качестве наполнителя вспененного перлита могут быть расширены, а его
эксплуатационные свойства значительно улучшены за счет снижения его
водопоглощения, достигающего при контакте вспученного перлита с водой
700 - 1000 вес. %. Даже незначительное увлажнение вспученного перлита
резко снижает его теплозащитные и диэлектрические свойства.
Литература
1. S. Chandra, L. Berntsson, Lightweight Aggregate Concrete, Noyes Publications/William Andrew Publishing, New York, 2002. 404 p.
2. R. Demirboga, I. Orung, R. Gul, Effect of expanded perlite aggregate and mineral admixtures on the compressive strength of low-density concretes, Cem. Concr. Res. 31 (2001) pp.1627-1632.
3. I.B. Top?u, Semi-lightweight concretes produced by volcanic slags, Cem. Concr. Res. 27 (1997) pp.15-21.
4. I.B. Topcu, B. Isikdag, Manufacture of high heat conductivity resistant clay bricks containing perlite, Build. Environ. 42 (2007) pp. 3540-3546.
5. W. Pichor, A. Janiec, Thermal stability of expanded perlite modified by mullite, J.Ceram. Int. 35 (1) (2009) pp. 527-530.
6. R. Demirboga, R. Gul, Thermal conductivity and compressive strength of expanded perlite aggregate concrete with mineral admixtures, Energy Build. 35 (11) (2003) pp. 1155-1159.
7. M. Singh, M. Garg, Perlite-based building materials—a review of current applications, Constr. Build. Mater. 5 (2) (1991) pp. 75-81.
8. E. Yasar, C.D. Atis, A. Kilic, H. Gulsen, Strength properties of lightweight concrete made with basaltic pumice and fly ash, Mater. Lett. 57 (2003) pp. 2267- 2270.
9. T.M. Morrison, D.C. McDonald, J.A. Sutton, Plant growth in expanded perlite, N.Z. J. Agric. Res. 3 (3) (1960) pp. 592-597.
10. А.Л. Пащенко, М.Г. Воронков, А.А. Крупа, В.А. Соидерский. Грофобный вспученный перлит. Наукова думка 1977. 205с.
11. Х.А. Хежев, Т.А. Хежев, У.З. Кимов, К.Х. Думанов, Огнезащитные и жаростойкие композиты с применением вулканических горных пород //
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/710
12. Memon SA. Phase change materials integrated in building walls: a state of the art review. Renew Sustain Energy Rev 2014; pp. 870-906
13. М. Gursoya, М. Karaman. Hydrophobic coating of expanded perlite particles by plasma polymerization. Chemical Engineering Journal 284 (2016) pp.343-350
14. S.R. Coulson, I.S. Woodward, S.A. Brewer, C. Willis, J.P.S. Badyal, Ultralow surface energy plasma energy plasma films, Chem. Mater. 12 (7) (2000) pp. 2031- 2038.
15. A. Ince, G. Bayramoglu, B. Karagoz, B. Altintas, N. Bicak, M.Y. Arica, A method for fabrication of polyaniline coated polymer microspheres and its application for cellulase immobilization, Chem. Eng. J. 189 (2012) pp. 404-
16. G. Jia, Z. Cao, H. Xue, Y. Xu, S. Jiang, Novel zwitterionic-polymer-coated silica nanoparticles, Langmuir 25 (5) (2009) pp. 3196-3199.
17. Y. Zhou, S. Wang, B. Ding, Z. Yang, Modification of magnetite nanoparticles via surface-initiated atom transfer radical polymerization (ATRP), Chem. Eng. J. 138 (2008) pp. 578-585.
18.Бережной Ю.М., Липкин В.М., Скориков А.В., Дерлугян П.Д., Шишка В.Г., Данюшина Г. А., Липкин С.М. Влияние ультрадисперсных порошков меди, стабилизированных водорастворимыми полимерами, на свойства композиционных материалов // Инженерный вестник Дона, 2015, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3209
Инженерный
вестник
Дона 2011, №4 URL:
412.
19.S. Ramakrishnan, J. Sanjayan, X. Wang, M. Alam, J. Wilson. A novel paraffin/expanded perlite composite phase change material for prevention of PCM leakage in cementitious composites. Applied Energy 157 (2015) pp. 8594
20.Крупа А. А., Свидерский В. А., Кравченко Н. В. Гидрофобизация вспученного перлитового песка. — Реф. информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах УССР, 1974, вып. 15, с. 20— 22.
References
1. S. Chandra, L. Berntsson, Lightweight Aggregate Concrete, Noyes Publications. William Andrew Publishing, New York, 2002. 404p.
2. R. Demirboga, I. Orung, R. Gul, Cem. Concr. Res. 31 (2001) pp. 16271632.
3. I.B. Top?u, Cem. Concr. Res. 27 (1997) pp. 15-21.
4. I.B. Topcu, B. Isikdag, Build. Environ. 42 (2007) pp. 3540-3546.
5. W. Pichor, A. Janiec, J.Ceram. Int. 35 (1) (2009) pp. 527-530.
6. R. Demirboga, R. Gul, Energy Build. 35 (11) (2003) pp. 1155-1159.
7. M. Singh, M. Garg, Constr. Build. Mater. 5 (2) (1991) pp. 75-81.
8. E. Yasar, C.D. Atis, A. Kilic, H. Gulsen, Mater. Lett. 57 (2003) pp. 22672270.
9. T.M. Morrison, D.C. McDonald, J.A. N.Z. J. Agric. Res. 3 (3) (1960) pp. 592-597.
10.A.L. Paschenko M.G. Voronkov A.A. Krupa V.A. Soiderskii. Grofobnii vspuchennii perlit [Hydrophobic expanded perlite]. Naukova dumka 1977. 205 p.
11.H.A. Hejev T.A. Hejev U.Z. Kimov K.H. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2011. №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/710
12.Memon SA. Renew Sustain Energy Rev 2014; pp. 870-906
13.М. Gursoya, М. Karaman. Chemical Engineering Journal 284 (2016) pp.343-350
14.S.R. Coulson, I.S. Woodward, S.A. Brewer, C. Willis, J.P.S. Badyal, Chem. Mater. 12 (7) (2000) pp. 2031- 2038.
15. A. Ince, G. Bayramoglu, B. Karagoz, B. Altintas, N. Bicak, M.Y. Arica, Chem. Eng. J. 189 (2012) pp. 404-412.
16.G. Jia, Z. Cao, H. Xue, Y. Xu, S. Jiang, Langmuir 25 (5) (2009) pp. 31963199.
17.Y. Zhou, S. Wang, B. Ding, Z. Yang, Chem. Eng. J. 138 (2008) pp. 578585.
18.Berezhnoj YU.M., Lipkin V.M., Skorikov A.V., Derlugyan P.D., SHishka V.G., Danyushina G.A., Lipkin S.M. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2015/3209
19.S. Ramakrishnan, J. Sanjayan, X. Wang, M. Alam, J. Wilson. Applied Energy 157 (2015) pp. 85-94.
20.Krupa A. A., Sviderskij V. A., Kravchenko N. V. Ref. informaciya o zakonchennyh nauchno-issledovatel'skih rabotah v vuzah USSR, 1974, vyp. 15, pp. 20—22.
