Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 41 )

Качество пеностекла, как теплоизолятора, определяется в первую очередь малым объемным весом, равномерным распределением пор по всему объему и максимально достижимой механической прочностью при данном объемном весе. Рассмотрим влияние основных факторов на образование пеностекла и перечисленные свойства.

Как указывалось выше наиболее значимым фактором является вязкость стекла. Как известно, вязкость стекла резко изменяется с изменением температуры. Каждые 5-10 °С заметно изменяют вязкость, поэтому температурный фактор в технологии пеностекла является основным. Температурный интервал, установленный для вспенивания, не может колебаться в произвольных пределах. Его можно несколько расширить за счёт подбора химического состава стекол с широким интервалом размягчения и известных в практике стекловарения под названием “длинных”. В отличие от коротких стекол, у длинных падение вязкости в интервале низких температур протекает в течение большого времени. Например, относящиеся к длинным свинцовые стекла, значительно медленнее застывают и легче подвергаются термической обработке, нежели высокоглиноземистые малощелочные стекла, которые считаются короткими. Поэтому вспенивать порошки свинцового стекла легче, чем порошки высокоглиноземистых малощелочных стекол. Значение широкого температурного интервала вспенивания в производственных условиях, в особенности при изготовлении пеностекольных блоков крупногабаритных размеров, возрастает. Поэтому для производства пеностекла желательно пользоваться “длинными” стеклами.

Известно [201], что поверхностное натяжение стекол мало зависит от их состава. Однако поверхностное натяжение длинных стекол ниже, чем коротких. Следовательно, и с точки зрения поверхностного натяжения, для изготовления пеностекла более целесообразно применять длинные стекла.

Характер пенообразователя или газообразователя является чрезвычайно важным, поэтому при его выборе необходимо руководствоваться двумя следующими соображениями: 1) пенообразователь газовой фазы не должен выделяться при температуре ниже размягчения стекла и образования жидких поверхностных слоев, т. к. преждевременное выделение газовой фазы до слипания крупинок стекла исключает возможность вспенивания массы; 2) парциальное давление газовой фазы должно нарастать постепенно и по возможности в широком температурном интервале, который должен совпадать с температурным интервалом, обеспечивающим рабочую вязкость стекла или быть близким к нему. В противном случае газовая фаза может либо разорвать пленки, образующие поры, либо может оказаться недостаточно упругой, чтобы вспенить вязкую стекломассу. Например, с учетом кривых упругости диссоциации карбонатов, MgCO3 и CaCO3 могут применяться в качестве пенообразователей при t = 750-900 °С.

При производстве пеностекла из стеклобоя с использованием кокса в качестве пенообразователя, бой и пенообразователь измельчают в шаровых мельницах, а затем при более мелком помоле в шаровой мельнице бой смешивается с коксом. Формы для спекания блоков пеностекла изготавливают из жароупорной стали, в виде прямоугольных коробок, слегка расширяющихся кверху, что облегчает извлечение готовых блоков. Размер формы соответствует основному размеру блоков с небольшим запасом на механическую обработку. Чтобы горячие блоки не прилипали к внутренней поверхности форм, их покрывают слоем специальной обмазки в виде жидкой суспензии. Вода быстро испаряется, а твердая часть эмульсии фиксируется в виде тонкого слоя. В форму насыпают дозированную порцию шихты, заполняющую форму примерно на половину, затем форму закрывают крышкой и помещают в печь. Если используется толкательная туннельная печь, то в соответствии с заданным режимом в печи создается ряд температурных зон, последовательно воздействующих на содержание формы. После вспенивания происходит охлаждение до 600 °С, затем формы извлекают из печи.

Пеностекло является гетерогенной системой, в которой газообразная фаза диспергирована в твердой фазе, причем образование стеклянной пены протекает между жидкой и газообразной фазами. Под влиянием быстрого возрастания вязкости стекла при охлаждении структура стекольной пены стабилизируется без видимых изменений. В насыщенных пенах, в которых объем жидкой фазы превалирует или, в крайнем случае, немного меньше объема газообразной фазы, последняя образует пузыри шарообразной формы. В способах производства пеностекла из расплавленного стекла используют различные варианты повышения объема газообразной фазы в расплаве путем как выделения газов в результате протекания химической реакции, так и продуванием или взбиванием воздуха в расплаве. При всех этих способах трудно получить пеностекло с объемным весом 1000-1500 кг/м3, поскольку под влиянием высокого поверхностного натяжения стекломассы такие пены мало устойчивы. Большая часть газообразной фазы улетучивается из этой системы либо в процессе вспенивания, либо в процессе твердения стекла.

Стеклянную пену с низким объемным весом в промышленности получают только путем нагревания порошковой смеси с пенообразователем. Как и у всех пен, в которых объем газообразной фазы составляет более 3/4 их общего объема, отдельные ячейки пеностекла имеют форму неправильных полиэдров, разделенных тонкими и компактными пленками. Так как образование стеклянной пены начинается спонтанно и практически сразу во всем объеме и, кроме того, в процессе пенообразования проявляется тенденция к выравниванию давления между отдельными ячейками приблизительно до одной и той же величины полиэдра, пеностекла можно получать равномерными по величине и форме пор. Однако при неправильно подобранном технологическом процессе или пенообразователе образуется неоднородная гетерогенная система газообразной и стеклообразной фаз, которая по всей структуре напоминает губку. Такой продукт характеризуется высоким водопоглощением и можно говорить скорее о губчатом стекле, чем о пеностекле.

При порошковом способе получения пеностекла стеклянная пена образуется в результате выделения большого количества газов в момент, когда порошок стекла уже достаточно спекся. Проблема производства настоящего пеностекла с равномерными, отделенными друг от друга ячейками и объемом газообразной фазы, превышающим 90 % общего объема пены, является более сложной. При образовании пеностекла решающую роль играет большая удельная поверхность пенообразующей смеси. Причем температура спекания стеклянного порошка зависит от его удельной поверхности: чем больше последняя, тем ниже его температура спекания. Так, если для порошка оконного стекла с удельной поверхностью 60 см2/г температура спекания – 900 °С, то при 3400 см2/г снижается до 650 °С (для получения качественного пеностекла требуется удельная поверхность около 6000 см2/г).

Если пенообразователь в смеси тщательно не перемешан со стеклом (при этом мягкий пенообразователь, например углерод, буквально “намазан” на поверхность отдельных частичек стекла), то после спекания он оказывается равномерно распределенным в жидкой стеклообразной фазе. Начиная с этого момента, выделение газа внутри жидкой стеклообразной фазы и образование пены зависят исключительно от реакционной способности пенообразователя. Теоретически оконное стекло, размолотое до тонины, соответствующей удельной поверхности 6000 см2/г, могло бы образовывать пену уже при 630-670 °С. В действительности температура вспенивания оконного стекла лежит выше, так как при температурах ниже 700 °С ни один пенообразователь не в состоянии образовать достаточное количество газов. Начало образования пены у оконного стекла при использовании карбонатных пенообразователей происходит при 720 °С, а для углеродистых – несколько выше. Повышение температуры в целом ускоряет образование пены, так что практически применяемые температуры вспенивания для оконного стекла лежат в пределах 760-770 °С для карбонатных пенообразователей и 820-860 °С – для углеродистых.

При применении углеродистых пенообразователей процесс вспенивания более сложен, так как выделение газов в них происходит не путем реакции с самим стеклом, как при карбонатных пенообразователях, а путем взаимодействия только с определенным компонентом стекла, содержащимся в стекле относительно в небольшом количестве. Величина температуры вспенивания зависит от вида этого активного компонента. Образование и устойчивость любой пены тесно связаны с поверхностной энергией на фазовой границе газообразной и жидкой фаз, причем чем меньше эта поверхностная энергия, тем легче образуется пена и тем более она устойчива.

Продолжительность подогрева пенообразующей смеси зависит от размера форм и схемы их укладки и составляет от 0,25 до 3 часа, например при спекании брикетов при t = 700 °C размером 552,8 мм составляет около 15 мин [204]. Так как равномерное вспенивание наступает после полного спекания стекла, то рекомендуется поддерживать температуру спекания ниже температуры вспенивания до тех пор, пока вся масса не только полностью спечётся, но и равномерно прогреется. При использовании углеродсодержащих газообразователей необходимо поддерживать в печи восстановительную атмосферу или вспенивание проводить в плотно закрытых формах. Для того чтобы вспенивание происходило равномерно по всей высоте блока необходимо форму нагревать больше снизу, чем сверху, что вызвано разницей в гидростатическом давлении столба расплава по высоте формы.

Считается [204], что образующаяся в процессе вспенивания кристаллическая фаза ухудшает важнейшие свойства пеностекла, вследствие возрастания локальной вязкости расплава в интервале температур вспенивания и деструктивных процессов при стабилизации и отжиге пеностекла. Поэтому необходимо выбирать такие стекла, которые в монолите не кристаллизуются в области температур максимума вспенивания. Структура пеностекла на основе кристаллизующихся стекол (например, горных пород без предварительной варки) весьма неоднородна, а изделия из него имеют большую объемную массу (400-800 кг/м³). При непосредственном вспенивании горных пород в пенообразующую смесь требуется вводить большее количество газообразователя, чтобы компенсировать увеличение работы вспенивания, вызванное повышением вязкости расплава. Поэтому пеноситаллы являются более тяжёлыми по отношению к высококачественному пеностеклу, а наиболее легкие из них не отличаются высокой прочностью, свойственной закристаллизованному стеклу.