CC BY
206
УДК 691-405.8:666.9-127: 661.683.3 Зин Мин Хтет, Тихомирова И.Н.
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ВСПЕНЕННОГО ЖИДКОГО СТЕКЛА
Зин Мин Хтет, аспирант (Мьянма) Российского химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Тихомирова Ирина Николаевна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры общей технологии силикатов, e-mail: tichom_ots@mail.ru:
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Эффективные минеральные теплоизоляционные материалы востребованы многими отраслями промышленности в силу их негорючести и долговечности. В работе предложен способ получения таких материалов на основе механически вспененного натриевого жидкого стекла и легких минеральных наполнителей. Теплоизоляционные свойства зависят от вида, количества наполнителя и от коэффициента вспенивания, который определяется концентрацией пенообразователя. Получены материалы с коэффициентом теплопроводности от 0,1 до 0,25 Вт/мК при удовлетворительной прочности. Водостойкость материала обеспечивается использованием добавки, обеспечивающей нейтрализацию стекла и перевод его в гель кремневой кислоты.
Ключевые слова: теплоизоляция, жидкое стекло, пенообразователь, отвердитель, теплопроводность, плотность, прочность.
HEAT-INSULATING MATERIALS BASED ON FOAMED LIQUID GLASS
Zin Min Htet, Tikhomirova I.N.
D. Mendeleyev University of Chemical Technology of. Russia, Moscow, Russia
Effective mineral heat-insulating materials are in demand in many industries because of their incombustibility and durability. A method for the preparation of such materials based on mechanically foamed sodium liquid glass and light mineral fillers is proposed. The thermal insulation properties depend on the type, amount of filler and on the foaming factor, which is determined by the concentration of the foaming agent. Materials with a coefficient of thermal conductivity of 0.1 to 0.25 W / m'K were obtained with satisfactory strength. The water resistance of the material is provided by using an additive to neutralize the glass and transfer it to the silica gel.
Keywords: thermal insulation, liquid glass, foaming agent, hardener, thermal conductivity, density, strength.
Такие отрасли экономики, как строительная индустрия, судостроение, энергетика и др. испытывают потребность в новых эффективных неорганических теплоизоляционных материалах, которые в отличие от органической теплоизоляции не являются горючими, более долговечны и биостойки. Подобные материалы могут быть получены на основе минеральных вяжущих и легких наполнителях [1].
При выборе связующего вещества мы ориентировались на то, что оно должно быть водостойким, жаростойким и иметь низкую истинную плотность. В связи с этим было выбрано натриевое жидкое стекло, которое при его объемном отверждении с помощью добавок и после высыхания превращается в ксерогель кремневой кислоты и материал становится водостойким [2]. Само связующее является микропористым и имеет низкую теплопроводность, однако обладает хрупкостью и низкой прочностью, поэтому в состав композиции необходимо вводить легкие наполнители, от вида и количества которых зависят механические свойства.
Для повышения теплоизоляционных свойств таких материалов предлагается дополнительная поризация связующего за счет механического вспенивания массы. Известно, что само жидкое стекло при интенсивном перемешивании способно
вспениваться, но в незначительной мере, поэтому в раствор силиката натрия вводили пенообразователь ПБ-Люкс в различных концентрациях и оценивали коэффициент вспенивания (Кв) при перемешивании с помощью бытового миксера (рисунок 1). Экспериментально установлено, что увеличение объема массы нарастало по мере взбивания пены в течение 2 минут, дальнейшее перемешивание не целесообразно. Из приведенных данных следует, что с ростом концентрации пенообразователя вплоть до 8% коэффициент вспенивания увеличивается, а выше этой концентрации кратность пены уже не нарастает. Лучше вспенивается более разбавленное и более низкомодульное стекло (рисунок 1 б), однако устойчивость пены и ее «несущая» способность по отношению к заполнителям хуже, чем для более плотного и высокомодульного раствора силиката натрия. Варьируя коэффициент вспенивания, можно получать материалы с желаемым соотношением прочности, плотности и теплопроводности. Следует отметить, что одновременно с пенообразователем в раствор вводили и отвердитель (кремнефтористый натрий) в количестве 15% от массы жидкого стекла. Схватывание массы при комнатной температуре начиналось через 30-40 минут, и за это время пена на промышленных стеклах не успевала осесть.
трепел Хотынецкого месторождения с удельной поверхностью 3800 см2/г, вспученные перлит и вермикулит фракции менее 0,8 см. Варьировалось соотношение между массой пены и массой наполнителя и после полного отверждения и высушивания до постоянной массы при температуре 120°С определяли для полученных материалов прочность, кажущуюся плотность и
теплопроводность. Определение теплопроводности проводили с помощью прибора ИТП-МГ4 «100». Принцип работы прибора заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец размером 10х10 см и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца, измерении толщины образца (она варьировалась от 1.0 до 2.5 см), плотности теплового потока и температуры противоположных лицевых граней.
Результаты эксперимента по влиянию вида и количества наполнителя на свойства теплоизоляционного материала приведены в таблице1.
Таблица 1. Свойства теплоизоляционного материала на основе вспененного жидкого стекла в зависимости от вида и количества наполнителя
Вид наполнителя Количество наполнителя, % от массы жидкого стекла Характеристика жидкого стекла Предел прочности при сжатии, МПа Кажущаяся плотность материала, г/см3 Теплопроводность, X Вт/м К
Трепел 25(е сте ств.влажно сть) модуль 3,0 плотность 1,42 г/см3 3,29 1,01 0,232
45(естеств.влажность) 3.68 1,33 0.250
40(дополнительно высушен) модуль 2,29 плотность 1,452 г/см3 1,35 0,68 0,118
Вермикулит 29 модуль 2,29 плотность 1,452 г/см3 0,11 0,48 0,152
22 0,6 0,41 0,143
18 0,2 0.33 0,106
17 - 0.30 0,101
15 - 0.29 0,094
Перлит 40 модуль 2,29 плотность 1,452 г/см3 0,27 0.47 0,131
33 0.29 0.53 0,113
29 0.26 0.44 0,088
25 0.21 0.26 0,117
22 0.23 0.27 0,097
20 0.07 0.32 0.104
коэффициент теплопроводности, но при этом снижается и механическая прочность. Материал достаточно водостоек - коэффициент размягчения составлял 0.58-0,69.
Использование в качестве наполнителя вспученных вермикулита и перлита позволяют получать материал более эффективный с точки зрения теплоизоляционных свойств (X—0,1-0,15
/-\
а ■ Модульжвдкогостеклэ М=2,62 6 ■ Модуль жидкого стекла М=2,39
Плотностьжюкогостекла 1,335 г/см3 Плогностьжнжсгостеклэ 1,240 г/см5
Концентрация пенообразователя. % от массы жидкого стекла \___/
Рисунок 1 Зависимость коэффициента вспенивания от концентрации пенообразователя для стекол:а- модуль 2,39 и плотность 1,240 г/см3, б - модуль 2,62 и плотность модуль 2,39 и плотность 1,335 г/см3
В качестве легких минеральных заполнителей были использованы молотый цеолитизированный
Самую высокую прочность, но и самую высокую теплопроводность имели образцы на основе трепела с естественной влажностью (27%), введенного в пену в количестве от 25 до 45% от массы жидкого стекла, но одновременно и самую высокую теплопроводность. Предварительное прокаливание трепела при 200°С позволяет вдвое снизить
Вт/м-К), но его механические свойства оказываются не столь высокими и находятся на уровне 0,26 - 0,53 МПа. При этом диапазон концентраций вермикулита, обеспечивающий удобоукладываемость массы при литьевом способе формования, находится в пределах от 15 до 30%, в то время как для перлита это интервал от 20 до 40% от вспененной массы вяжущего. Это связано, с одной стороны с разницей
в плотности этих наполнителей, с размером их частиц, а с другой стороны с тем, что даже обожженный вермикулит обладает повышенной способностью поглощать воду из вспененного жидкого стекла.
Фотоснимки образцов теплоизоляции с применением различных наполнителей приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 Внешний вид теплоизоляционных материалов на основе вспененного и отвержденного натриевого жидкого стекла и наполнителей : а - трепела, б - вермикулита, с - перлита.
Излишне высокой является водопоглощение полученных образцов, что вполне естественно для подобных лиофильных высокопористых систем, но не желательно для теплоизоляционных изделий. Поэтому для снижения этого показателя необходимо, по-видимому, на следующем этапе вводить органические полимерные добавки в состав пеномассы [3]. Исходя из нашего опыта некоторые виды смол в этом отношении достаточно эффективны, кроме того они повышают прочностные показатели и снижают природную хрупкость ксерогеля кремневой кислоты. Кроме того также возможен путь поверхностной гидрофобизации.
В заключение можно сказать, что удалось получить легкие материалы, которые в соответствие с ГОСТ 25485-89 можно отнести либо к чисто теплоизоляционным, либо к конструкционно-теплоизоляционным по соотношению прочностных характеристик, плотности и теплопроводности. Для разных областей применения таких материалов к ним предъявляются определенный набор требуемых технических свойств. Представленная технология способна адаптировать составы и способы изготовления изделий к конкретным требованиям
потребителя, кроме того себестоимость изделий во многом определяется самой технологией производства. В данном случае она достаточно проста и не предполагает высокотемпературной обработки, в ней задействовано практически стандартное оборудование.
Литература
1. Зарубина Л.П Теплоизоляция зданий и сооружений: Материалы и технологии. 2-е изд. Издательство: СПб.:БХВ — Петербург, 2012.— 406 с.
2. Кутугин В. А. Управление процессами термической поризации жидкостекольных композиций при получении теплоизоляционных материалов : : дис.... канд. техн. наук. — Томск, 2008. —142 с.
3. Хабибулин Ш. А. Разработка составов и технологии получения модифицированного жидкосекольного вяжущего и композиционных материалов на его основе. Автореф. дис. канд. техн. наук.-Томск., 2015. - 21 с.
