Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 44 )

В способе изготовления пеностекла (а. с. 1604767 СССР, СОЗС 11/00, опубл. 07. 11. 1990) стекло предварительно измельчают до 50-86 % удельной поверхности шихты, после чего ведут совместный помол стекла и газообразователя со скоростью измельчения (1,7-2,7)×10-2 м2/(кг×т). Водопоглащение пеностекла составляет 3-6 %, а морозостойкость – 25-35 циклов.

Пеностекло (а. с. 1608147 СССР, СОЗС 11/00, опубл. 23. 11. 1990) содержит (в %): SiO2 – 53,77-64,47; Al2O3 – 10,5-15,11; Fe2O3 – 2,4-4,25; CaO – 1,22-2,2; MgO – 0,75-2,15; SO3 – 1,28-3,37; K2O – 6,34-9,46; B2O3 – 2,4-10,2; SiC – 0,15-0,65; TiO2 – 0,63-2,4; Sb2O3 – 0,15-2 и по крайней мере один из компонентов группы CrO3, MoO3, WO3, V2O5 – 0,15-3. Данное пеностекло имеет: водопоглащение – 0,32-0,5 %, температуру вспенивания – 920-950 °С, предел прочности при сжатии – 10,98-11,34 МПа.

В способе производства формованных изделий из пеностекла (заявка 3905672 ФРГ, СОЗВ 19/08, опубл. 30. 08. 1990) используют смесь вспенивателя (кристаллический CaCO3) с порошком стекла с размерами зерен менее 0,25 мм, причём 45-80 % порошка содержит частицы размером менее 0,04 мм. Из смеси получают заготовки и вспенивают при температурах 750-1000 °С. Доля вспенивателя составляет 0,1-10 % (2-4 %).

Композиция для получения пеностекла (а. с. 1606479 СССР, СОЗС 11/00, опубл. 15. 11. 1990) содержит (в %): перлит или туф – 58-68; порода с содержанием оксида щелочно-земельного компонента 40 % - 8-12; бура – 24-30.

При изготовлении пеностекла (заявка 2120255 Японии, СОЗС 11/00, опубл. 08. 05. 1990) используют природный минерал, щелочной компонент, H3BO3 и вспенивающую добавку. Способ требует точного соблюдения температурного режима, химического состава шихты и тонкого помола всех компонентов. Например, на 100 ч порошка природного минерала с размером частиц менее 20 мкм, 0,1-15 ч вспенивателя, щелочи типа ROH (R=Li, Na, K); 0,1-20 ч H3BO3 и более 20 ч H2O, смесь тщательно перемешивают, гранулируют, сушат при температуре не более 200 °С, измельчают гранулы и вспенивают шихту в печи.

В способе получения гранулированного материала для изготовления изделий из пеностекла (заявка 292842 Японии, СОЗС 12/00, опубл. 03. 04. 1990) порошок, содержащий 10 частей природного стеклообразного минерала (обсидиана, перлита и других) со средним размером частиц 5-12 мкм и 0,1-5 частей вспенивателя (карбоната, нитрата или углерода) смешивают с раствором, состоящим из 15-20 частей гидрооксида щелочного металла (NaOH или KOH) и 7-15 частями воды. Затем полученную смесь гранулируют до размеров 2 мм и обжигают до вспенивания.

В способе изготовления пеноматериала (заявка 3136962 Японии, СО4В 14/04, опубл. 14.09.1995) исходный порошковый материал, который получают смешиванием 80-120 частей активного кремнеземистого порошка и 100 частей котельного шлака с содержанием 20-40 % несгоревшего углерода, формуют и гранулируют, а затем обжигают при температуре вспенивания 1150-1350 °С.

Пеноматериал (заявка 3035611 Японии, СОЗС 11/00, опубл. 12. 11. 1998) получают с использованием шлакового стекла в виде гранул, которые смешивают с глиной и смесь обжигают при t = 1100 °С. При этом к смеси добавляют борсодержащую присадку, например борную кислоту.

Пеностекло можно изготовлять с различным удельным весом (до 700 кг/м3 и ниже 100 кг/м3). Механическая прочность его растет с повышением объемного веса и колеблется в широких пределах. Предел прочности при сжатии термоизоляционного пеностекла, имеющего объемный вес 250-350 кг/м3, составляет около 3 МПа. Механическая прочность (10-12,5) МПа на сжатие может быть достигнута при объемном весе 500-550 кг/м3. В зависимости от объемного веса коэффициент теплопроводности меняется в пределах (0,06-0,14) Вт/м×°С [201].

Настоящим пеностеклом считается изделие с объемным весом около 200 кг/м3 или менее, с замкнутыми порами и водопоглащением ниже 5 % по объему. С физической точки зрения пеностекло можно рассматривать как гетерогенную систему газообразной и твердой фаз, в которой газообразная фаза занимает более 90 % всего объема. В качественном пеностекле образуется затвердевшая пена с однородно распределенными замкнутыми ячейками полиэдрической формы. Именно ячеистая структура пеностекла обеспечивает достаточно высокую механическую прочность при малом объемном весе и низкое водопоглащение. При этом стекло образует тонкие стенки отдельных ячеек толщиной в несколько микрон, которые в свою очередь пронизаны ячейками меньших размеров. На поверхности стенок могут находится остатки твердой фазы не прореагировавшего пенообразователя. Ячейки заполнены смесью различных газов – CO, CO2, азотом и H2S (1-2 %). Причем общее давление газов при t = 20 °С составляет 0,03 МПа, т. е. некоторое разряжение. Если пеностекло получается из стеклобоя, химический состав которого соответствует обычному оконному стеклу, то среднюю удельную теплоемкость Ст для интервала температур 20 - t (°C) можно определить по формуле [202]:

(17)

Коэффициент теплопроводности материала в большой мере обуславливается его структурой. У пористых тел тепло передается через твердое вещество и через пустоты с находящимися в них газами. Поскольку газы являются плохим проводником тепла, то изолирующая способность материала будет тем выше, чем больше его пористость. Но передача тепла внутри пор снижается с уменьшением их диаметра, так как при определенной величине ее диаметра может достигаться минимальная теплопроводность. Например, теплопроводность пеностекла с ячейками диаметром 5 мм приблизительно на 37 % больше, чем для пеностекла со средним диаметром ячеек 2 мм.

По мнению [215], при увеличении размера замкнутых пор возрастает конвективный теплообмен внутри поры между газом и твердой оболочкой. При этом процесс теплопередачи осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции. Количество тепла Q, передаваемое через ячейку, близкую по форме к шару, пропорционально тепловой проводимости стенки l/d, поверхности ячейки Fx и температурному напору Dt:

; (18)

где l - коэффициент теплопроводности; d - толщина оболочки; Dt - градиент температуры; F1 и F2 - соответственно внутренняя и наружная поверхности ячейки.

Следовательно, при производстве ТИ материалов (пеностекла) необходимо стремится к получению изделий с минимальным значением объемной массы при возможно меньшем диаметре закрытых пор. Отмечается [216], что при сплюснутых ячейках, ориентированных по большой оси эллипса перпендикулярно движению теплового потока, характерно снижение (на 20-30 %) коэффициента теплопроводности, в зависимости от размера ячеек и степени их деформации. По мере повышения температуры максимума вспенивания пеностекла увеличивается разряжение в замкнутых ячейках, в результате чего ослабляется конвективный теплообмен. Поэтому, для минимизации коэффициента теплопроводности, можно проводить высокотемпературное вспенивание или ведение процесса в вакуум – аппаратах.

С повышением влажности теплопроводность ТИ материалов повышается в зависимости от характера локализации в нем влаги [19, 217-219]. Поскольку роль газов, заключенных в порах, велика, то в случае замещения их водой, l пеноматериала значительно повышается. При замерзании воды в порах значение l увеличится еще больше, поскольку средняя l льда в десятки раз выше l воздуха. Для материала, у которого открытая пористость незначительна, избыточная влага распределяется на поверхности, что при длительном пребывании способствует проникновению ее через систему капилляров и дефектов в разделительных стенках внутрь. Количество дефектов возрастает в результате деструктивного воздействия льда, при этом повышается водопоглощение и теплопроводность материала.

4.3. Пористые метериалы на основе жидкого стекла

Группа высокопористых материалов на основе вспученного жидкого стекла является продуктом термического или химического вспучивания гидратированного растворимого стекла (щелочных силикатов), или композитов, включающих гранулированное вспученное жидкое стекло и связующее. В зависимости от способа вспучивания материалы делят на: 1) термовспученные - зернистые и обжиговые монолитные; 2) вспученные химическим путем – заливочные композиции, в которые вводят газообразующий элемент. Зернистые материалы в зависимости от гранулометрического состава подразделяют на крупнозернистые (стеклопор) – с размером зерен более 5 мм и мелкозернистые (силипор) – от 0,1 до 5 мм. Основным различием эксплуатационных свойств материалов на основе жидкого стекла является их отношение к действию воды.

Различают неводостойкие материалы, эксплуатация которых возможна при относительной влажности воздуха до 75 %, и материалы с повышенной водостойкостью, способные длительное время выдерживать действие воды. Композиционные материалы, изготавливаемые в виде изделий на основе зернистых продуктов, в зависимости от заполнения межзерновой пустотности связующими веществами делят на материалы с контактным и объемным омоноличиванием. Особой формой композитов можно считать сотопластовые изделия, представляющие собой сотопластовый каркас из бумаги или ткани, пропитанных специальными растворами, заполненный мелкодисперсным зерновым материалом из вспученного жидкого стекла, например силипором. К недостаткам материалов на основе вспученного жидкого стекла относятся ограниченная водостойкость и дефицитность гидратированных натриевых силикатов.

Технологический процесс получения гранулированного стеклопора включает [87]: приготовление смеси из раствора жидкого стекла и технологических добавок; частичную дегидратацию полученной смеси; диспергирование (грануляцию) смеси и вспучивание гранулята. При этом сырьём служат: натриевое жидкое стекло (93-95 %, с плотностью 1,4-1,45 г/см³); тонкодисперсные минеральные наполнители с удельной поверхностью 2000-3000 см²/г (7-5 %), например, мел, известняк, песок, тальк, каолин, оксид алюминия, маршаллит, асбестовая пыль, трепел, перлит, зола ТЭС и другие; специальные добавки предназначенные для направленного регулирования эксплуатационных свойств (0,5-1 %), такие, как упрочняющие, гидрофобизирующие, повышающие водостойкость и вспучиваемость, например гидрофобизирующие добавки – кремнийорганические жидкости ГКЖ-94, ГКЖ-10 или ГКЖ-11. Схема процесса получения стеклопора включает (рис. 54): приготовление смеси в двух смесителях вертикального типа 1, перекачивание ее в расходный бак 3 гранулятора 4. Далее смесь, через фильерную пластину 2 самотеком в виде капель поступает в ванну гранулятора, заполненную раствором хлорида кальция плотностью 1,29-1,35 г/см³. Попадая в раствор хлорида кальция, капли образуют гранулы (бисер) с упрочненным поверхностным слоем, представляющим собой кремнегель, содержащий адсорбированный оксид кальция.