CC BY
61
УДК 691-405.8:666.9-127: 661.683.3 Зин Мин Хтет, Тихомирова И.Н.
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ НА ОСНОВЕ ВОЛЛАСТОНИТА И ЖИДКОГО СТЕКЛА
Зин Мин Хтет, аспирант (Мьянма), Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, e-mail: [email protected]
Тихомирова Ирина Николаевна , доцент кафедры общей технологии силикатов. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, e-mail: tichom [email protected]
Статья посвящена проблеме создания эффективного огнестойкого минерального теплоизоляционного материала на основе минерального связующего, основу которого составляет гель кремневой кислоты, получаемый объемным отверждением вспененного натриевого жидкого стекла, и волластонит. Получены материалы с коэффициентом теплопроводности от 0,096 до 0,11 Вт/м°К при прочности 2-3 МПа, что делает их конкурентноспособными на рынке теплоизоляции..
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, натриевое жидкое стекло, волластонит, пенообразователь, отвердитель.
THERMAL INSULATION BASED ON WOLLASTONITE AND LIQUID GLASS Zin Min Htet, Tikhomirova I. N.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article is focusing to the problem of creating an effective fire-resistant mineral thermal insulation material on the basis of mineral binder, which is based on a gel of silicic acid, obtained by volumetric curing offoamed sodium liquid glass and wollastonite. We obtained materials with coefficient of thermal conductivity from 0.096 to 0.11 W/m-°K at a strength of 2-3 MPa, which makes them competitive in the market of thermal insulation.
Key words: heat-insulating materials, sodium liquid glass, wollastonite, foaming agent, hardener
Многие отрасли индустрии испытывают потребность в негорючих и огнестойких теплоизоляционных материалах [1]. Эффективными с точки зрения теплозащитных свойств и стоимости являются материалы органического характера. Однако главными их недостатками являются невысокие механические свойства и пожарная опасность, которая выражается не только в их горючести, но и выделении при горении крайне опасных удушливых газов, что ведет в экстремальных случаях к гибели людей не столько от огня, сколько от отравлений и быстрой потере сознания. В связи с этим весьма актуальным является задача создания новых минеральных теплоизоляционных материалов[2-3], которые найдут свое применение в строительной индустрии, области ЖКХ, в теплоэнергетике, в оборонной промышленности, при возведении сооружений в Арктике и т. д.
Такие материалы могут быть созданы на основе легких минеральных наполнителей, спектр которых достаточно широк - диатомиты, трепела, вспученные перлиты и вермикулиты, некоторые виды отходов (шлаки, кремнегели и пр.). Важным является вопрос о выборе связующего в этих композициях. Выбор жаропрочных минеральных вяжущих ограничен алюминатными цементами и композициями на основе жидких стекол. Композиционные материалы на основе жидкого
стекла является перспективными для создания эффективной теплоизоляции. Они пожаробезопасны, водоустойчивы, коррозонностойки, негорючи, нетоксичны, обладают хорошей
формоустойчивостью, не испаряют пожароопасных летучих компонентов и не ухудшают окружающую среду в процессе эксплуатации[4-5].
Целью данного исследования является создание и исследование свойств композиционных материалов для теплоизоляции на основе вспененного натриевого отверждённого жидкого стекла и волластонита, хотя последний и нельзя в полной мере отнести к легким материалам, его истинная плотность индивидуального кристалла составляет 2,9 г/см3. Выбор такого наполнителя обусловлен тем, что высокопористая матрица геля кремневой кислоты является недостаточно прочной и хрупкой, а введение в состав игольчатых кристаллов волластонита армирует и упрочняет композит, поскольку он проявляет высокие показатели прочности на растяжение, сжатие, изгиб, эластичность, ударную стойкость и жесткость, твердость по Моосу 4-5.
В работе использовали натриевое жидкое стекло (ГОСТ 13078-81) с модулем 2,62 и плотностью 1,335 г/см3 и высокодисперсный порошок волластонита марки М325 (производство США) со средним размером частиц 12 мкм и насыпной плотностью 0,75 г/см3 (рис. 1). В качестве отвердителя
применяли кремнефтористый натрий (№231Р6) в количестве 15% от массы жидкого стекла. Высокая пористость является основной характеристикой теплоизоляционных материалов. Матрица геля кремневой кислоты обладает развитой микропористостью, создание макропористости обеспечивали механическим вспениванием жидкого стекла с использованием пенообразователя ПБ-Люкс (1масс.% от массы жидкого стекла).
Методика приготовления теплоизоляционного материала состояла в следующем: в жидкое стекло дозировали пенообразователь, отвердитель и взбивали бытовым миксером до получения устойчивой пены в течение 2 минут. При этом коэффициент вспенивания (Кв) составил 4. Затем в жидкое стекло вмешивали порошок волластонита, следя за тем, чтобы не происходило снижения объема и расслаивания массы. Приготовленную литьевую массу заливали в формы размером 4х4х16 см и 10х10х2,5 см. Твердели образцы при комнатной температуре в течение 14 и 28 суток.
По истечении этого срока образцы-балочки испытывали на прочность при сжатии с помощью
Рис. 1 Микроиглы волластонита Х1700
22 27 32 37 42
х Количество волластонита, %
Рис. 3 Влияние количества волластонита на кажущуюся плотность теплоизоляционного материала
прибора ПРГ-1 (рис. 2). Кроме того через месяц твердения на образцах, высушенных до постоянной массы при температуре 120°С, определяли кажущуюся плотность (рис. 3) и теплопроводность (рис. 4). Коэффициент теплопроводности определяли на приборе ИТП-МГ4 «100», принцип работы которого основан на создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца, измерении толщины образца, плотности теплового потока и температуры противоположных лицевых граней.
В исследованной области составов увеличение количества волластонита приводит к закономерному монотонному увеличению кажущейся плотности и коэффициента теплопроводности. На рис. 2-4 помимо экспериментальных данных приведены линии аппроксимации и уравнения регрессии, которые описывают результаты с высокой степенью достоверности.
Рис. 2 Зависимость предела прочности при сжатии материала, твердевшего в течение 14 и 28 суток, в зависимости от содержания в нем волластонита (Кв=4)
0,09--
22 27 32 37 42
Количество волластонита, %
Рис. 4 Влияние количества волластонита на коэффициент теплопроводности материала на основе вспененного жидкого стекла (модуль 2,62, плотность 1,335 г/см3) при коэффициенте вспенивания - 4,
Влияние доли волластонита в составе формовочной массы на прочность при сжатии не столь однозначно. В целом с увеличением количества наполнителя прочность растет. Это подтверждается и ранее полученными данными (рис.5) на основе масс с более высоким содержанием волластонита (32-43%), но при более высоком Кв=5. Для масс с Кв=4 в диапазоне концентраций волластонита 28-33% наблюдается спад прочности и в ранние и в поздние сроки твердения. Объяснить этот факт достаточно трудно. Можно предположить, что формирующаяся в пеномассе структура, помимо всего прочего, зависит от устойчивости пены и ее несущей способности. Необходимо заметить, что наполнитель добавлялся при взбивании жидкого стекла порционно. Несущая способность и в принципе устойчивость взбиваемой массы по мере загустевания пены при введении в нее наполнителя возрастает. Однако кристаллы волластонита все-таки достаточно тяжелы, имеют игольчатый габитус и способны прорывать пену, то при определенном соотношении пены и наполнителя происходит усиление деструктивных процессов, отрицательно сказывающиеся на прочности.
31 36 41
Количествоволластонита в композите, мае.%
Рис. 5 Зависимость предела прочности при сжатии материала, твердевшего 28 суток, в зависимости от содержания в нем волластонита (Кв=5)
иймашшм
Мы ставили перед собой задачу получить теплоизоляционный материал с коэффициентом теплопроводности менее 0,1 Вт/м°К при прочности на уровне 1-2 МПа. Такие материалы будут конкурентно способными на рынке теплоизоляции. В итоге при Кв=4 и содержании волластонита в массе 23% желаемых теплофизических свойств мы добились, а прочность при этом составила примерно 3,5МПа, что дает нам основания продолжить оптимизацию составов, снижая количество волластонита до приемлемых значений прочности, но при этом снижая и коэффициент теплопроводности.
Необходимо отметить, что образцы такой теплоизоляции были представлены нами на выставке-форуме "Госзаказ. За честные закупки", которая состоялась на ВДНХ 25-27 апреля в рамках экспозиции РХТУ им.Д.И. Менделеева, по итогам которой можно констатировать серьезный интерес к подобным материалам со стороны представителей из разных отраслей экономики.
Список литературы
1. Gajanan Deshmukh, Preeti Birwal, Rupesh Datir and Saurabh Patel. Thermal Insulation Materials: A Tool for Energy Conservation // J Food Process Technol. 2017. Volume 8 • Issue 4. pp. 1-4.
2. Zhigulina A., Building Envelopes: An Objective Measure of Comfort in Residential Buildings, Urban Planning, № 1, 2012, pp. 80-81.
3. Korenkova S., Filled Foam Concretes in Building Envelope Construction, Building Materials, № 8, 2000, pp. 12-14.
4. Кудрявцев П.Г., Вольхин В.В. Золь-гель процессы и некоторые его технологические приложения, Золь-гель процессы получения неорганических материалов, тез. докл. семинара, Пермь, 1991, с.3-5.
5. Тотурбиев Б.Д. Строительные материалы на основе силикат-натриевых композиций. - М.: Стройиздат, 1988. - 205 с.
,1 * 1"■ 'г , * 11*4 ■ "i,
• I
Рис. 6 Внешний вид образцов теплоизоляционного материала.
