Автореферат

• Актуальность



• Цели работы



• Научная новизна работы



• Теоретический анализ



• Собственные разработки и экспериментальные исследования



• Задачи исследования



• Литература

Актуальность.Пеностекло изобрел в 1930-е гг. советский академик И.И.Китайгородский. Но в СССР широкого распространения он не получил, а технология производства в 1990-е годы и вовсе была утрачена. В отличие от США и Европы, где из пеностекла делают даже цельнолитые элементы домов.

Весьма актуальной стала проблема обеспечения энергоэффективности вновь возводимых и реконструируемых зданий и сооружений. Одним из направлений решения данной проблемы является разработка и производство эффективных теплоизоляционных материалов - пеностекол на основе стеклобоя.

Расчеты показывают, что потребность только жилищного сектора строительства в эффективных утеплителях в 2010 году может составить 10-12 млн. м³ и должна быть удовлетворена, в основном, за счет отечественных материалов. Настоящие установленные (проектные) мощности страны по всем видам теплоизоляционных материалов оцениваются в 2,8 млн. м³ в год. А следовательно, этот незаполненный рынок теплоизоляционных материалов может с успехом заполнить столь уникальный по своим свойствам материал, как пеностекло.

В связи с этим первоочередного решения требуют проблемы совершенствования технологии получения пеностекол с использованием оптимальных составов и технологических приемов. С учетом того, что существующие технологии пеностекла были направлены, прежде всего, на получение теплоизоляционных материалов, обширные исследования проведены в отношении пеностекол с низким коэффициентом теплопроводности. Весьма важным при этом является обеспечение условий создания оптимальной поровой структуры пеностекла, обусловливающей качество синтезируемого материала. Актуальность выполняемой работы определяется необходимостью совершенствования технологии пеностекла с позиций получения высококачественного пеностекла на основе стеклобоя с использованием в качестве пенообразователя активной сажи.

Преимущества пеностекла – высокопористого материала неорганического состава, заключающиеся в уникальном сочетании теплоизоляционных и конструктивных свойств, безусадочности, пожаробезопасности и биостойкости, ставят его в разряд долговечных строительных теплоизоляционных материалов. Пеностекло- это уникальный теплоизоляционный материал, срок службы которого практически неограничен. Он не стареет и сохраняет свои физические свойства на протяжении всего срока жизни сооружения или конструкции.

В отличие от пенопластов, пеностекло - исключительно пожаробезопасный материал, который также не проявляет эффекта фитиля, что доказывается целым рядом довольно жестких испытаний и подтверждается большим числом проведенных анализов и мнений экспертов. Данный материал можно также с успехом использовать в низкотемпературных условиях для снижения до минимума возможности конденсации углеводородных газов или жидкого кислорода.

Было установлено, что "98% проблем, связанных с теплоизоляционными материалами, возникает в результате наличия влаги". Поскольку пеностекло состоит из множества не сообщающихся между собой стеклянных ячеек, он обладает исключительной непроницаемостью для воды и водяных паров. Это свойство было наглядно продемонстрировано как в лабораторных, так и в полевых условиях. Водо- и паронепроницаемые свойства материала успешно используются в промышленности в области высоких температур при теплоизоляции труб, резервуаров и технологического оборудования.

Пеностекло также совместимо с углеродистой и нержавеющей сталью, что защищает их от коррозии.

Пеностекло, безусловно, является и самым химически стойким изоляционным материалом из всех имеющихся на современном рынке.

Данный материал обладает не только очень маленьким коэффициентом расширения, но также и превосходной стабильностью размеров в условиях изменения различных температур и/или наличия влаги.

Предельная прочность на сжатие различных типов пеностекла изменяется в пределах от 7 до 16 кг/см², замеренная в условиях чрезвычайно ограниченной деформации. В результате обеспечивается легкое и простое проектирование несущих изоляционных систем. В отличие от него, многие другие изоляционные материалы обладают гораздо меньшим сопротивлением сжатию, причем замеряемым при 10% деформации. В температурном поле применения пеностекла прочность этого материала на сжатие практически не подвержена влиянию температуры.

Не только проведенные испытания, но и практический опыт применения пеностекла свидетельствуют о том, что данный материал не может быть поврежден ни грызунами, ни насекомыми. Никакой другой теплоизоляционный материал не имеет такого коэффициента надежности в отношении стойкости к атакам разного рода животных.

Согласно экологической классификации пеностекло рекомендуется к применению без ограничений - Класс 3.

Исключительные свойства этого теплоизоляционного материала позволяют использовать его в тех случаях, когда никакой иной утеплитель не может обеспечить соответствие техническим требованиям и мерам безопасности.

Причинами того, что данный пеноматериал до сих пор недооценен и не получил достаточно широкого применения в практике строительства, являются не эксплуатационные его характеристики, а технологические особенности получения пеностекла.

Технология пеностекла всегда была и остается достаточно сложной и энергоемкой по сравнению с другими теплоизоляционными материалами.

Цель работы заключается в разработке научно обоснованных составов и технологических приемов получения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами на основе активной сажи и стеклобоя.

Научная новизна работы. Теоретическое обоснование и экспериментальное доказательство эффективности использования композиций, представляющих собой рационально подобранные смеси из стеклобоя различных составов и активной сажи в качестве пенообразователя для получения пеностекол с повышенными конструктивными свойствами. Разработка технологических параметров для таких составов. На настоящий момент на Украине подобной технологии не существует, а потребность в качественной изоляции в стране стоит очень остро.

Теоретический анализ. Пеностекло с низким водопоглощецием в настоящее время производится в промышленном масштабе исключительно с применением углеродистых пенообразователей в металлических формах в туннельных печах. Применяется как одностадийный способ производства с вспениванием и отжигом в одной туннельной печи, так и двухстадийный способ, по которому в первой туннельной печи происходит процесс пенообразования; по выходе из печи блоки извлекают из форм и подвергают отжигу во второй туннельной печи. Одностадийный способ производства нашел применение, например, в бывшем Советском Союзе, двухстадийный применяется в Чехословакии и в США.

Оба способа имеют свои преимущества и недостатки. Одностадийный способ является несомненно более простым с точки зрения самого производства и оборудования; формы в этом случае вследствие их более медленного нагревания и охлаждения имеют более продолжительный срок службы. Однако необходимое количество форм для одной садки вследствие весьма длительного времени отжига пеностекла намного больше, чем при двухстадийном способе. Так как условия вспенивания и отжига пеностекла очень сильно отличаются при использовании одной печи, то приходится выбирать компромиссное решение, которое должно удовлетворять обоим процессам, хотя оптимальных условий не удается достигнуть ни для одного из них. В противоположность этому двухстадийный способ производства позволяет решать процесс вспенивания и отжига раздельно и применить для них действительно оптимальные условия производства.

Двухстадийный способ производства пеностекла предполагает главным образом конструктивное решение тех производственных узлов, которые сторонники одностадийного способа совершенно оправданно считают весьма трудными и с их точки зрения невыгодными. Прежде всего это относится к участку между печами для вспенивания и отжига, на котором блоки извлекаются из форм при относительно высоких рабочих температурах, а также к работе с горячими формами при их подготовке и новом наполнении. При условии, что удастся решить эти производственные узлы, двухстадийный способ производства пo сравнению с одностадийным имеет прежде всего следующие преимущества:

1. Минимальное время вспенивания;
2. Совершенная регулировка процесса вспенивания в самостоятельной хорошо управляемой печи, включая спекание пенообразующей смеси и стабилизацию вспененных блоков;
3. Полное использование пространства отжигательной печи за счет расстановки блоков на узкую сторону с минимальными зазорами между отдельными блоками;
4. Совершенное управление процессом отжига путем отжига блоков без форм в специально сконструированной отжигательной печи с регулируемым и равномерным отводом тепла от поверхности блоков;
5. Минимальное количество форм, которые после окончания процесса вспенивания сейчас же возвращаются в производство, не проходя длительного цикла отжига с пеностеклом.

В соответствии с современным состоянием техники двухстадийным способом может быть произведено действительно более качественное, чем одностадийным, пеностекло, прежде всего с более однородной структурой и более низким объемным весом. Это, однако, не означает, что сторонники одностадийного способа производства сказали уже свое последнее слово, поскольку имеются возможности получения весьма качественного пеностекла и одностадийным способом.

Способ производства пеностекла с применением окислительно-восстановительных пенообразователей был впервые опубликован во французском патенте № 786818, который был запатентован во многих промышленно развитых странах, в том числе и в ЧССР — патент № 67056. Процесс производства по этому патенту в дальнейшем подвергался непрестанному усовершенствованию, и в настоящее время по этому способу, за редким исключением, производится пеностекло во всем мире.

В основе этого способа лежит реакция, по которой определенный компонент стекла восстанавливастся пенообразователем с образованием газов. Восстанавливаемым компонентом стекла обычно бывает SO₃, восстанавливающим пенообразователем—углерод или содержащее его органическое вещество. Схему реакции при образовании пеностекла можно представить следующим образом:

стекло SO₃+2C = стекло S^2- + СО + СО₂.

Записанная таким образом реакция буквально является только схемой. Если о нейтрализационных пенообразователях было сказано, что действительный механизм протекания реакции с их участием весьма сложный, то в еще большей степени это справедливо для пенообразователей окислительно-восстановительных.

В схеме реакции приведено восстановление шестивалентной серы, содержащейся в стекле, до серы сульфидной, тогда как в некоторых источниках приводится восстановление лишь до четырехвалентной серы с образованием 5О₂. И хотя действительный механизм протекания всех реакций до сих пор еще не известен, готовое пеностекло полученное по этому способу всегда имеет запах сероводорода и никогда не имеет запаха сернистого газа. В противоположность этому при длительном нагревании готового пеностекла в больших полостях, образовавшихся в результате соединения отдельных ячеек, образуется и сернистый газ. Однако последний может образовываться как взаимной реакцией сульфидной серы, образовавшейся ранее, с непрореагировавшей трехокисью серы, так и восстановлением трехокиси серы углеродом.

В связи с образованием в пеностекле сероводорода, который не только явственно чувствуется по запаху при царапании ячеек, но и может быть обнаружен химическим путем (в количестве нескольких процентов), весьма интересным является вопрос функции воды. Для образования сероводорода необходимо присутствие водорода, а такое значительное его количество в пеностекле может возникать только за счет разложения воды. Сама пенообразующая смесь, как любое тонко размолотое техническое стекло, достаточно гигроскопична и даже при полностью автоматизированном производстве и герметизации всех транспортных коммуникаций готовой пенообразующей смеси содержит всегда несколько десятых процента влаги. Совместное присутствие воды и углерода при температурах около 800°С неизбежно ведет к взаимной реакции с образованием водяного газа. Скорость этой реакции в пенообразующей смеси может быть очень значительной вследствие большой реакционной поверхности. Сей час еще не совсем ясно, какую роль играет образование и присутствие водяного газа в протекании общей окислительно-восстановительной реакции процесса пенообразования. Однако лабораторными испытаниями нам удалось доказать, что хорошо высушенная пенообразующая смесь вспенивается намного хуже, чем смесь, высушенная на воздухе, т.е. содержащая несколько десятых процента влаги.

Однако кроме реакции углерода с водой или некоторыми компонентами стекла нельзя из механизма реакции исключать также непосредственное окисление кислородом воздуха, содержащемся в пенообразующей смеси и в атмосфере печи, и обратимые реакции между углеродом и различными продуктами реакций, прежде всего СО, СО₂ и Н₂. Также вероятно, что в протекании окислительно-восстановительных реакций участвуют и другие компоненты, прежде всего окислы железа. В одном из самых новых патентов по производству пеностекла из кремнезема приводится даже восстановление SiO₂ углеродом с образованием SiO и СО.

Независимо от механизма протекания реакций между пенообразователем и некоторыми компонентами пенообразующей смеси ясно одно: благодаря протеканию этих реакций образуется необходимое количество газов, причем в самый благоприятный момент, когда стекло уже спеклось и в состоянии образовывать стекольную пену.

В качестве главного окисляющего компонента в стекле была приведена трехокись серы. Действительно она содержится в количестве 0,1—0,5% практически во всех технических стеклах. Как было отмечено раньше, трехокись серы в присутствии определенного избытка кислорода содержит также и стекла, которые были сварены из шихты без добавления сульфата, но находились в соприкосновении с окисляющими соединениями серы (например, из генераторного газа).

Однако трехокись серы не является единственным окисляющим компонентом стекла, который способен образовывать с пенообразователем пеностекло. В лаборатории мы, на пример, варили стекла с мышьяком, окисью сурьмы, перекисью марганца, перманганатом калия, бихроматом калия и другими окислителями. Все эти стекла в смеси с углеродом образовывали пеностекло. При этом стекла с мышьяком и окисью сурьмы давали относительно качественное пеностекло и при температурах более низких; чем стекла, содержащие только трехокись серы. Для мышьяка эта разница находилась в пределах 20—100°C при одном и том же составе исходного стекла. Однако стекла, содержащие трехокись серы дают всегда наиболее качественное и наиболее однородное пеностекло, а поскольку SO₃ является и наиболее дешевой, то в промышленном производстве пеностекла всюду применяют исключительно SO₃.

При использовании собственно углеродистого пенообразователя появляется гораздо большая возможность выбора, чем в случае окисляющего компонента стекла. Пенообразование практически вызывают все соединения углерода, если они не содержат избыток кислорода и других окисляющих компонентов и прежде всего сам углерод.

Углерод может быть применен в различных формах, начиная с ультратонких видов сажи с удельной поверхностью - 350000—1200000 см²/г и кончая его природными разновидностями, такими как антрацит, твердые угли или кокс.

Вышеперечисленные пенообразователи применяются в различных количествах; различны также температура вспенивания и выдержка. В общем случае можно утверждать, что в чем более тонкой и более чистой форме будет применяться углерод, тем меньшее количество его потребуется и тем лучше будет внешний вид пеностекла. Как было уже отмечено, функция углерода состоит не только в образовании необходимого количества газов, но его присутствие часто весьма важно для стабилизации стеклопены. Поэтому в пеностекле всегда должно оставаться определенное количество непрореагнровавшего углерода, которое в большей степени зависит от объема, чем от веса. Наибольшая зависимость этого количества—от поверхности отдельных частиц углерода; поэтому углеродистые добавки с большей удельной поверхностью, например, отдельные виды сажи, могут быть использованы в меньшем количестве, чем уголь и кокс. Последние измельчаются или одновременно со стеклом, или раздельно приблизительно до той же тонины, что и порошок стекла.

Как только стекло спечется, оно обволакивает отдельные частички углерода, препятствуя его преждевременному окислению. Поскольку поддерживать неокислительную или даже восстановительную атмосферу, особенно в туннельных печах, весьма трудно и в условиях нормального производства нельзя выполнить, то при применении пенообразователей большой удельной поверхности приходится работать при относительно высоких начальных температурах в печи для вспенивания, с тем, чтобы пенообразующая смесь спекалась как можно быстрее.

Из всех возможных углеродистых пенообразователей в настоящее время используется сажа активного вида, такая же, как, например, при производстве шин. Такие пенообразователи применяют всегда, когда хотят получить изделия с минимальным объемным весом, как например, в США и в Чехословакии. Количество сажи зависит от ее удельной поверхности и колеблется от 0,1 до 0,3%. По сравнению с остальными углеродистыми пенообразователями коксик обладает более низкой температурой вспенивания. Относительно хорошее пеностекло можно получить при применении каменноугольного кокса, который вводится в количестве 1,5—3%, обычно около 2%, Температура вспенивания находится в интервале температур вспенивания торфяного кокса и сажи.

Многочисленные американские и британские патенты рекомендуют вводить в пенообразующую смесь помимо углерода и окислитель. Например, по американскому патенту № 2544954 целесообразно вводить 0,2—0,3% окиси сурьмы. Британский патент № 623808 рекомендует применять вместо окиси сурьмы 0,1—0,12% сульфата кальция, так как, якобы окись сурьмы вызывает повышенную приклеиваемость пеностекла к формам. В другом британском патенте № 623806 говорится, что в пенообразующую смесь не следует вводить никаких окислителей, если стекло содержит достаточное количество трехокиси серы (0,1—0,2%).

Что касается применения, то оно очень разнообразно и обусловлено уникальными свойствами пеностекла. В основном его применяют как теплоизоляционный материал при гражданском строительстве, создании огнепреградительных конструкций, для изоляции трубопроводов и иного оборудования, работающего при температурах до 500⁰C. Стойкость пеностекла к гниению и отсутствие питательной среды для распространения плесени и грибков особенно важно при использовании пеностекла в замкнутом, невентилируемом пространстве кровли, стен, цоколя и фундамента. Использование пеностекла позволяет на 25 % экономить на строительстве зданий и до 30 % на их отоплении.

В зависимости от рецептуры и технологии изготовления пеностекло может иметь закрыто- или открытопористую структуру, за счет чего может использоваться как эффективный фильтр и даже в качестве защиты от опасных электромагнитных излучений.

Его также применяют при изготовлении химических реакторов, строительстве резервуаров и трубопроводов для кислот и нефтепродуктов из-за его высокой химической стойкости.

Его производство и применение очень важно с экологической точки зрения. В технологии используются бой стекла или стекло, сваренное из низкосортных песков, вследствие чего территории начнут освобождаться от этого вида отходов, которые фактически не утилизируются, засоряют территории городов и полигонов и препятствует переработке бытовых отходов в компосты.

Одна из технологий сбора разлитой нефти предусматривает засыпку пятна кусками пеностекла. За счет чрезвычайно пористой поверхности и адгезионных свойств материала нефть в него хорошо впитывается. Затем пеностекло помещают в печь и выжигают, а очищенное от нефти используется еще многократно, до тысячи циклов.

Отходы производства пеностекла также не засоряют окружающую среду, а используются в качестве абразивного материала, который не теряет своих абразивных свойств в процессе эксплуатации.

Собственные разработки и экспериментальные исследования. В лабораторных условиях был проведен ряд экспериментов по получению пеностекла. В качестве стекла использовали стеклобой, который размалывали в шаровой мельнице до тонины не более 5 мкм. Полученный порошок обязательно просеивали на сите 0,5 для предотвращения попадания больших частиц. Вариации с использованием боя оконного, бутылочного (цветного и прозрачного) стекла дали одинаковые результаты, следовательно, состав боя не имеет большого значения.

В качестве пенообразователя использовали измельченный кокс (коксик), сажу из печи, работающей на угле и, так называемую, активную сажу, которая применяется при производстве покрышек для автомобилей.

Для приготовления пенообразующей смеси пенообразователь смешивали со стеклянным порошком в фарфоровой ступке до получения однородной массы. Однородность смеси одно из основных требований при производстве, поскольку влечет за собой непоправимые дефекты.

Для проведения эксперимента готовили пенообразующие смеси с использованием разными углеродосодержащими пенообразователями, такими как кокс молотый, печная сажа и активная сажа.

В качестве форм использовали стаканы из шамота, формы из нержавеющей стали. Как показали эксперименты, металл более устойчив к перепадам температур, которые неизбежны при производстве пеностекла.

Опыты проводили в электрической печи сопротивления.

Навеска с печной сажей не вспенилась, стеклянный порошок спекся и имел поры до 1 мм. Такой вид имеет невспенившееся пеносткло. Навеска с использованием кокса вспенилась, увеличение в объеме составило около 100%. Сверху образовалась толстая корка спекшегося стекла. Верхние поры имели большие размеры, чем нижние. Это связано с отсутствием крышки на форме, за счет чего разогрев верхнего слоя пеностекла проходил быстрее, и вспенивание там началось раньше.

Ячейки имели замкнутую форму, что характерно для углеродистых пенообразователей. Именно такое пеностекло имеет низкое водопоглощение.

Цвет пеностекла зависит от количества введенного пенообразователя, чем больше процент, например кокса, тем темнее будет пеностекло. Самое светлое было с содержанием кокса 0,75%.

Использование активной сажи дало интересные результаты: для вспенивания хватает 0,05% пенообразователя, при этом получаются ячейки замкнутой формы, которые полностью не пропускают воду. Было проведено много опытов с использованием именно этого пенообразователя к количествах 0,05%, 0,1%, 0,15%, 0,2%.

Что касается температурного режима, то мы установили, что пеностекло вспенивается только при помещении его в уже разогретую печь, поскольку при этом образуется защитный слой спекшегося стекла, который не дает выгореть пенообразователю. Температура вспенивания составляла примерно 850-900⁰С. Что составляет максимальную температуру вспенивания для пеностекла.

Вариации с использованием боя оконного, бутылочного (цветного и прозрачного) стекла дали одинаковые результаты, следовательно, состав боя не имеет большого значения.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• теоретическое обоснование повышения конструктивных свойств пеностекол путем регулирования их структуры;
• разработка составов с использованием в качестве пенообразователя активной сажи;
• исследование физико-химических процессов поризации;
• изучение процесса стабилизации пены;
• исследование структуры и свойств пеностекол;
• определение оптимального температурного режима;
• оптимизация технологии изделий из пеностекол;
• разработка рекомендаций по производству теплоизоляционно- конструкционных изделий из пеностекол.

Литература

1. Шилл Пеностекло.// Москва, Издательсво литературы по строительству. 1965. 307 с.
2. Калинченкова С.Ю. доклад на тему: «Производство и применение пеностекла».2007

ВВЕРХ