Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе диатомового сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Ма териалы и конструкции

УДК 666.189.3

В.Е. МАНЕВИЧ, д-р техн. наук, зам. директора по науке, ЗАО «Стромизмеритель» (Нижний Новгород); Е.А. НИКИФОРОВ, канд. экон. наук, председатель совета директоров, А.Л. ВИНИЦКИЙ, канд. техн. наук, заместитель председателя совета директоров, ПИК «Диатомит-Инвест» (Ульяновск); А.В. МЕШКОВ, Н.А. СЕНИК, инженеры (meshkov88@gmail.com; tomsk.nina@sibmail.com), Национальный исследовательский Томский политехнический университет; Р.К. СУББОТИН, инженер (sur_ruy@mail.ru), Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (Москва)

Высокоэффективный теплоизоляционный материал на основе диатомового сырья

Согласно исследованиям маркетингового агентства DISCOVERY Research Group общий объем рынка теплоизоляции в России в данный момент составляет порядка 20—25 млн м3 в натуральном выражении. По доле продукции на рынке теплоизоляционных материалов ТИМ можно выделить три сегмента: теплоизоляции на основе минеральной ваты, на основе стекловолокна (стекловата) и на основе пенополистиролов (вспененного и экструди-рованного). Все вышеупомянутые теплоизоляционные материалы обладают рядом недостатков, а в некоторых областях строительства имеют ограничения по применению. Одним из наиболее перспективных новых теплоизоляционных материалов является пеностекло, обладающее высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, негорючестью, влагонепроницаемостью, огне- и биостойкостью, высокой механической прочностью.

Несмотря на все неоспоримые достоинства пеностекла, в России нет ни одного крупного завода, выпускающего этот материал. Причиной является отсутствие надежной технологии, обеспечивающей получение пеностекла с заданными и стабильными свойствами. К тому же отсутствует дешевое и недефицитное сырье. Поэтому вопросы создания сырьевой базы для производства такого высокоэффективного теплоизоляционного строительного материала, как пеностекло, являются актуальными.

Известно, что в исследовательских лабораториях были достигнуты положительные результаты по получению качественного пеностекла на основе стекла состава Фурко. С переходом производства листового стекла на флоат-метод источник качественного сырья исчез. В связи с этим для получения качественного пеностекла, обладающего равномерной мелкопористой структурой и низкими значениями водопоглощения, коэффициента теплопроводности и объемного веса, необходимо соблюдать последовательность технологических стадий: варка стекла ^ резкое охлаждение стекла и получение

стеклокрошки ^ помол стекла и приготовление пено-стекольной шихты ^ вспенивание шихты ^ отжиг блоков пеностекла [1].

Основным сырьем для варки стекла являются стекольные кварцевые пески, дефицит которых для нужд стекольной промышленности составляет 3,6 млн т, поэтому использование их в качестве получения стекло-гранулята — сырья для производства пеностекла является нецелесообразным. В связи с этим остро встает вопрос о вовлечении новых недефицитных видов сырья, в качестве которых следует рассматривать распространенные опал-кристобалитовые горные породы.

Основным достоинством опал-кристобалитового сырья является содержание большого количества аморфной фазы диоксида кремния (до 70% аморфного SЮ2), а также наличие в составе других стеклообразующих и модифицирующих оксидов, что позволяет сократить использование дорогостоящих компонентов стекольной шихты. Биогенная структура кремнезема опал-кристобалитовых пород обусловливает различия в свойствах по сравнению с искусственно полученным аморфным диоксидом кремния и мелкокристаллическим кварцем. Так, например, температура плавления кремнезема опал-кристобалитовых пород ниже (1500—1550оС), чем температура плавления кварца (1713—1728оС), что позволяет снижать температуру варки стекла [2].

Из всех представителей опал-кристобалитовой группы диатомиты являются наиболее перспективным сырьем для стекольной промышленности, поскольку имеют более стабильный химический состав (табл. 1).

Для проведения исследований применялся диатомит Инзенского месторождения, имеющий многокомпонентный состав, представленный главным образом стек-лообразующим оксидом SiO2 (до 83%), промежуточным оксидом А1203 (до 6%) и модификаторами ^е203, R2O, RO). Относительно низкое содержание SiO2 (менее 95%) по сравнению со стекольным песком компенсируется

Таблица 1

Название Содержание оксидов, мас. %

SiO2 AI2O3 Fe2O3 СаО MgO R20 Am™

Колебания состава опок 52,1-91,4 2,5-15,4 1-5 0,43-17,1 0,08-2,48 0,6-4 1,5-16,8

Колебания состава трепелов 35,3-86,7 2,5-11,6 0,3-3,4 0,4-31,2 0,2-1,6 0,85-2,1 4,5-11,6

Колебания состава диатомитов 77,3-83,1 3,3-6 1,8-3,5 0,3-0,6 0,6-1,1 0,8-1,5 3,7-8,8

Средняя проба, используемая в работе 81,98 5,37 2,67 0,36 0,8 1,47 7,9

Таблица 2

Марка стекла Содержание оксидов, мас. %

SiO2 AI2O3 Fe2O3 СаО MgO R20 Ti02

ММС1В 69-72 3,5-5 1,5-2,5 4-6 3-4,5 11-14 0,18-0,22

18

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2012

jVJ ®

Материалы и конструкции

Характер пористой структуры пеностекла: а - Foamglas; б - на основе стекла из диатомита; в - электронный микроскопический снимок пеностекла на основе диатомита

тем, что преобладающей фазой является аморфный опал, более реакционноспособный, чем кристаллический SiO2.

Химический состав стекла для получения высокоэффективного теплоизоляционного материала был разработан в ООО Научно-технологическом центре «Силикатные материалы и технологии» (СМиТ), г. Инза. Стеклу, сваренному на основе диатомита, доломита, соды кальцинированной, сульфата натрия, присвоено название ММС1В, химический состав приведен в табл. 2.

Смесь компонентов тщательно перемешивали и загружали в корундовые тигли объемом 500 см3, нагревали в муфельной печи до температуры 1350оС и выдерживали при этой температуре в течение 15 мин. Стекло сливали в воду с целью обеспечения постоянной твердости частиц стекла. Полученное стекло по визуальной оценке было полностью проварено и осветлено, колер стекла интенсивно зеленый с переходом в оливковый.

Стоит отметить, что стекло на основе диатомита по традиционной технологии сварено впервые. Ранее в литературных источниках упоминалось лишь о варке стекла из стекольной шихты с использованием диатомового сырья, полученной гидротермальным синтезом [3].

Далее полученный стеклогранулят измельчали и смешивали с 0,3% газообразователя до удельной поверхности 850 м2/кг. В качестве газообразователя применялся углерод технический (сажа). Выбор газообразо-вателя обусловлен высокой удельной поверхностью сажи — 10000 м2/кг и малым размером частиц (30— 40 нм) что оказывает положительное влияние на получение пенообразующей смеси и конечного продукта пеностекла, а также улучшает помол [4]. В качестве из-мельчительного оборудования была применена планетарная мономельница. Данный вид помольных агрегатов использует высокие ускорения и характеризуется высокой энергонапряженностью, позволяет за 10— 30 мин. осуществить измельчение, на которое уходят десятки часов при использовании традиционного измель-чительного оборудования, а также происходит дополнительная механоактивация пенообразующей смеси.

Полученную пеностекольную шихту загружали в необходимом количестве в жаропрочные металлические формы 160x160x110, предварительно смазанные каолином, и уплотняли до одинаковой высоты. Формы накрывали плотно подогнанными крышками и помещали в печь с подогревом пода с температурой 600оС, повышали температуру до 840оС со скоростью 17,5оС/мин и выдерживали в течение 20—30 мин. Далее остывание с выключенной печью до комнатной температуры. После чего образцы пеностекла извлекали из форм, обрабатывали и проводили определение основных физико-механических характеристик (табл. 3).

Все образцы обладали закрытой равномерной мелкопористой структурой и ничем не уступали структуре материалов Foamglas ведущего мирового производителя Pittsburgh Corning. На рисунке представлена структура пеностекла Foamglas (а), пеностекла, полученного на основе стекла из диатомита (б), и его электронный микроскопический снимок (в), полученный в лаборатории

Таблица 3

Характеристика Пеностекло Diamix

Плотность, кг/м3 125-135

Прочность при сжатии, МПа 0,7-1,1

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К) 0,05-0,055

Водопоглощение, об.% 3-5

локальных методов исследования вещества геологического факультета МГУ при помощи сканирующего электронного микроскопа Jeol JSM-6480LV.

Отметим что температура вспенивания пенообразующей смеси на основе листового стекла состава Фурко на 10—20оС выше, а продолжительность вспенивания на 10—15% больше, чем у пенообразующей смеси на основе стекла из диатомового сырья.

Таким образом, исследования, проведенные в ООО Научно-технологическом центре «СМиТ», подтверждают целесообразность использования диатомитов в качестве сырья для варки стекла, на основе которого можно получать качественное пеностекло, обладающее малым объемным весом и водопоглощением, при высоких прочностных показателях. Кроме того, экспериментальные данные по варке стекла, позволяют предположить, что промышленная варка стекла на основе диатомита будет протекать при более низкой температуре, чем варка стекла с использованием традиционного кремнеземсодержащего сырья — кварцевого песка, что позволит продлить срок службы не только огнеупоров, но и всего теплового агрегата в целом, а также снизить себестоимость как промежуточного сырья — стекольной фритты, так и конечного продукта — пеностекла. Наличие стабильного, недефицитного источника сырья позволит создавать и тиражировать заводы по производству высокоэффективного теплоизоляционного материала по всей России.

Работа выполнена в рамках договора от 22.10.2012 г. № 13.G25.31.0092 «Создание высокотехнологичного производства по выпуску пеностеклокерамики на основе опал-кристобалитовых пород» шифр 2010-218-02-246.

Ключевые слова: диспергирование, пенообразующая смесь, пеностекло, стекло на основе диатомита, механо-активация.

Список литературы:

1. Лотов В.А. Получение пеностекла на основе природных и техногенных алюмосиликатов // Стекло и керамика. 2011. № 9. С. 34-37.

2. Дистанов У.Г. Кремнистые породы СССР. Казань: Татарское книжное издательство, 1976. 412 с.

3. Мелконян Р.Г. Аморфные горные породы — новое сырье для стекловарения и строительных материалов. Москва: НИА Природа, 2002. 388 с.

4. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. 247 с.

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2012

19