Пенобетоны и другие теплоизоляционные материалы (стр. 8 )

Истечение жидкости из пен происходит по каналам Плато-Гиббса под действием сил тяжести и капиллярных сил всасывания, действующих одновременно. Гравитационные силы регулируют истечение жидкости через всю сеть каналов Плато, но оказывают пренебрежимо малое влияние на переток жидкости из пленок по этим каналам, который обусловлен, главным образом, капиллярными силами и не зависит от ориентации пленки. Поведение жидкости в пене, находящейся в гравитационном поле, определяется соотношением между капиллярными силами и силой тяжести. На первой стадии после образования пены преобладают капиллярные силы, под действием которых происходит перетекание жидкости из пленок в каналы Плато-Гиббса. Такое перераспределение жидкой фазы внешне выражается в “задержке” истечения жидкости, которую называют периодом накопления. Этот период характеризуется интенсивным укрупнением пузырьков в результате диффузии газа и расширением каналов Плато-Гиббса. Период “задержки” включает также время, необходимое для накопления жидкости в нижнем сечении пенного столба и его продолжительность увеличивается с ростом кратности пены и уменьшается (до критического значения) с увеличением ее столба.

Истечение жидкости начинается при условии rg > - ¶Pп / ¶h и состоит из стадии ускорения истечения и синерезиса, протекающего с постоянной скоростью. По мере истечения жидкости возникает и возрастает градиент капиллярного давления по высоте столба, препятствующий дальнейшему вытеканию жидкости. Скорость вытекания непрерывно уменьшается вплоть до полного разрушения пены.

Устойчивость жидких прослоек в пенах сильно изменяется в очень узком интервале концентраций насыщения ПАВ, как правило, соответствующих возникновению черных пленок. В черных пленках, в отраженном свете, свет отражается от обеих фазовых границ и, так как при переходе от оптически более плотной среды к менее плотной наступает фазовый сдвиг на , оба луча при малой толщине почти полностью гасят друг друга для всех длин волн, поэтому тонкие слои кажутся черными. Во время образования, т. е. от момента возникновения первой черной области до момента окончания формирования сплошной черной пленки, прослойки жидкости между пузырьками пены весьма чувствительны к внешним механическим воздействиям. Напротив, если вся поверхность представляет черную пленку, то она может выдержать большие механические напряжения и является высоко устойчивой. Для каждого водорастворимого ПАВ значение концентрации насыщения зависит от температуры, примесей других ПАВ, природы дисперсной фазы, величины pH, а для ионогенных ПАВ - и от содержания электролита [71].

Время жизни пленки обратно пропорционально ее площади поверхности, поэтому чем меньше пузырек, тем он устойчивее. Для оценки пенообразования используют [72] критерий q = HПtж/tп, где НП - высота подъема пены за время tп; tж - время жизни пены. Считается, что максимальная устойчивость пен наблюдается при концентрациях ПАВ, близких к достижению насыщенных адсорбированных слоев, при этом на поверхности пленок наблюдается появление черных пятен. Разрушаются пены благодаря тому, что разделяющая фазы пленка стремится приобрести меньшую свободную энергию за счет сокращения поверхности. Как и свободная жидкость пленки пены стремятся собраться в каплю, поэтому поверхностное натяжение и межмолекулярные силы создают тенденцию к коалесценции. Для получения высокоустойчивых пен необходимо применять коллоидные ПАВ (типа мыл), что и для стабилизации устойчивых эмульсий. К факторам устойчивости пен в меньшей степени относится процесс стекания, т. е. уменьшения количества непрерывной фазы в пене благодаря вытеканию жидкости из пленок пены, приводящего к их утончению (например, скорость стекания пен, стабилизированных 0,2 и 2% сапонина, одинакова). Таким образом, пена “существует” после достижения предельной адсорбции (образование твердых пен неоспоримо доказывает это положение), поэтому до этой концентрации образуемая в сильном воздушном потоке пена неустойчива.

Передача тепла в пене происходит через пузырьки газа и через жидкие или твердые прослойки между этими пузырьками. Для определения коэффициента теплопроводности пены lП может использоваться уравнение [65]:

(1)

где lЖ, lВ- коэффициенты теплопроводности жидкой (твердой) фазы и воздуха соответственно; a - степень заполнения пены жидкой или твердой фазой.

После некоторых преобразований, приняв, что a = 1/b для пен кратность b ³ 50 получим:

(2)

Уравнение (2) показывает, что коэффициент теплопроводности пен высокой кратности (b > 100) очень близок к lВ = 2,38×10-2 Вт/(м×К). С уменьшением b коэффициент теплопроводности пены увеличивается и в отсутствии воздуха (b = 1) полностью определяется теплофизическими свойствами раствора (твердого каркаса).

Теплопроводность твердых пен существенно зависит от степени газонаполнения материала [73]: чем больше плотность пенопласта, тем выше способность проводить тепло. Однако в связи с тем, что теплопроводность пластмасс значительно меньше, чем воды, пенопластов при той же кратности меньше, чем водных пен.

2.3. Пенообразователи при производстве пенобетона

Назначение технической пены при изготовлении пенобетона – удерживать частицы минералов в дисперсной системе с определенной степенью объемного заполнения. Метод "холодного" вспенивания включает операции раздельного приготовления пены из водных растворов ПАВ и суспензии из тонкодисперсных частиц минеральной композиции. Суспензия смешивается с пеной в специальных мешалках, снабженных устройствами для дополнительного воздухововлечения в формовочную смесь, а в одностадийном способе приготовления ячеистобетонной смеси обработка осуществляется в скоростных пеногенераторах [74, 75].

Все пенообразователи – это органические соединения с дифильным строением молекул, содержащие гидрофильные (полярные) группы и углеводородные радикалы (аполярная часть). Качественно эффективность ПАВ может быть охарактеризована значением гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ). Число ГЛБ отражает соотношение массовых долей гидрофильной и гидрофобной частей молекулы и, соответственно, состав и строение органического соединения. В зависимости от активности функциональной группы, ГЛБ органических веществ распределены в диапазоне чисел от 0 до 40. По убыванию этих чисел гидрофильные группы располагаются в следующей последовательности [76-79]: - SO4Na – 38,7; - SO3Na – 31,1; - COOK – 21,1; - COONa – 19,1; - N (четвертичный амин) – 9,4; - О (эфирная группа) – 6,8; - СООН – 2,1; - ОН – 1,9. Значения поверхностного натяжения и ГЛБ удовлетворительно объясняют поведение ПАВ в водных растворах. Установлено, что адсорбционные свойства органических соединений повышаются с увеличением длины углеводородного радикала, но ограничения в применении веществ, содержащих цепи с числом углеродных атомов более 18, связаны с трудностью их растворения в воде. В целом пенообразователи должны отвечать следующим требованиям: резко снижать поверхностное натяжения воды; сохранять устойчивость пены; обеспечивать высокий показатель кратности пены; создавать высокую степень дисперсности пены.

Свойства некоторых пенообразователей рекомендуемых [80] для производства пенобетонов (соответственно поверхностное натяжение, мН/м; относительный объем пены через 30 минут хранения, %; кратность пены; воздухововлечение, % ): 1) азолят А (Na-соли смеси алкилбензолсульфокислот – 50-60 % от массы раствора) – 27; 22; 25; 75,2; 2) нейтрализованный черный контакт – НЧК (смесь Ca+ и Na+ сульфосолей Ca(RSO3)2) - 27,2; 30; 13,75; 74,9; 3) сульфанол хлорный (Na-соль алкилбензолсульфонат RarSO3ONa) – 24,8; 17,2; 16,2; 59,2; 4) мылонафт – 29; 13,1; 13; 63,4; 5) ДАС (Na-соль диалкилсульфоянтарной кислоты ROOC-CH-SO2-ONa, ROOC-CH2) – 32,1; 21,7; 23; 71,7; 6) ПО-1 (смесь алкилсульфатов натрия и костного клея) – 31,2; 97,1; 24,7; 69,4; 7) смола нейтрализованная воздухововлекающая - СНВ (абиетиновая смола (канифоль), омыленная каустической содой) – 36,7; 31; 11; 73,2; 8) омыленный древесный пек – ЦНИПС-1 (жирные кислоты, омыленные едким натрием) – 37,9; 60,5; 5,6; 44,1. Для пенобетонов в качестве пенообразователей рекомендуется анионогенные вещества, содержащие активную основу: алкилсульфаты RSO4Me, алкилсульфонаты RSO3Me, алкиларилсульфонаты RarSO3Me, терпинеолы, соли абиетиновых кислот. Из катионоактивных чаще других используются соли аминов, например RNH3Cl, RR1N2Cl, и четвертичных аммониевых соединений RR1R2R3NCl.

Однако, в чистом виде синтетические пенообразователи не применяются из-за низкой устойчивости пен. С целью повышения структурной вязкости в состав дисперсионной среды вводят добавки-загустители (KMЦ, жидкое стекло, костный клей), образующие коллоидные растворы.

Целью пенного метода получения ТИ материалов является создание и сохранение в дисперсной системе ячеистой структуры - пространственной сетки из минеральных частиц. При этом схема строения формовочной массы пенобетона включает (рис. 1): 1-раствор ПАВ и стабилизаторов в воде; 2-частицы минерала на поверхности пузырьков; 3-частицы цемента в растворе; 4-частицы кремнезема (песка) и глины в растворе; 5- комплексы молекул ПАВ (мицеллы). Теория и практика применения пен [65] позволяет выделить ряд технологических приемов, повышающих устойчивость поризованных масс [81-83]:

1. Повышение механической прочности и эластичности адсорбционных слоев. Выбор пенообразователя с сильными гидрофильными группами (число ГЛБ не ниже 18) связан с их активной гидратацией, которая приводит к образованию молекулярных комплексов, включающих значительные объемы воды. Возникающая в результате адсорбции и гидратации ПАВ структурированная оболочка вокруг воздушного пузырька может быть усилена гидрофильными добавками-загустителями, например глицерина, этиленгликоля или метиллцеллюлозы. При этом молекулы этих веществ, встраиваясь в "частокол" молекул пенообразователя, связывают их в прочные объединения.