Теплоизоляционные материалы волокнистой структуры из базальта и золошлаковых отходов, полученные с использованием электромагнитного реактора (стр. 3 )

Полученные минеральные волокна были исследованы следующими методами определения физико-химических свойств:

1) химического компонентного состава волокон;

2) спектрального элементного состава волокон;

3) среднего диаметра волокон;

4) водо-, кислото-, щелочестойкости;

5) модуля кислотности;

6) коэффициента теплопроводности;

7) механических (прочностных) характеристик волокон;

8) температуростойкости волокон.

Определение состава минеральных волокон, полученных при плавлении сырья, в реакторе проведено методами химического  и спектрального анализа.

В таблице 3 показан химический состав волокна, полученного  из базальта Селендумского месторождения (с подшихтовкой и без нее),  а также волокна из золошлака.

Табл. 3 Химический состав волокон

Оксид	Содержание оксида в волокне, масс. %
Базальт без подшихтовки	Базальт с подшихтовкой15% доломита	золошлак
SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 + FeO CaO MgO Na2О К2О MnO P2O5 Mк	46,11 18,74 1,93 11,82 9,70 3,43 3,37 2,72 0,17 0,78 4,94	29,54 17,43 1,45 12,8 25,81 4,25 3,27 2,32 0,17 0,47 1,56	54,69 19,73 1,31 12,47 3,98 3,49 1,37 1,23 0,21 0,28 9,96

Из таблицы видно, что содержание оксидов кремния и алюминия в базальтовом (без подшихтовки) и золошлаковом волокне снижается незначительно, а базальтовое с подшихтовкой волокно имеет пониженное содержание оксида кремния. Это связано с образованием метасиликата кальция и его уходом в одновременно получаемую базальтовую пеномассу. 

Для суждения о пригодности минеральных волокон в качестве теплоизоляционных материалов большое значение имеет определение среднего диаметра волокон, т. к. чем тоньше волокна, тем меньшей теплопроводностью они обладают. Для определения среднего диаметра волокон использовался микроскопический метод анализа образцов. Средний диаметр рассчитывается по формуле:

  dср  = g*Ц,  (2)

где g – средний диаметр волокон в делениях окулярного микрометра; Ц – цена деления окулярного микрометра, мкм.

При определении среднего диаметра волокон было установлено, что базальтовые волокна как с подшихтовкой, так и без нее имеют dср  = 10 мкм, а золошлаковые волокна – dср  = 8 мкм. Таким образом, представленные волокнистые материалы относятся к тонким минеральным волокнам.

В агрессивных средах волокна подвергаются коррозионному воздействию. Различают два вида воздействия агрессивной среды  на волокна – химическое (выщелачивание) и растворение в объеме внешней среды. При растворении минеральных (базальтовых, золошлаковых) волокон их компоненты переходят в раствор в тех же соотношениях, в которых находятся в волокне. Многие волокна растворяются в концентрированных горячих растворах щелочи. Процесс выщелачивания характеризует взаимодействие волокон  с водой, кислотой и основанием. Переход от выщелачивания  к непосредственному растворению возможен при взаимодействии волокон с кислотами или даже водой в том случае, если волокно сильно обогащено щелочами и содержит мало кремнезема (низкий Mк)

Полученные результаты водо-, кислото-, щелочестойкости представлены в таблице 4.

Из табличных данных видно, что у всех волокон достаточно высокая водостойкость, однако у базальта с подшихтовкой она наименьшая. По кислотостойкости волокна условно подразделяются  на три группы: растворяющиеся, выщелачивающиеся и относительно стойкие. Все рассматриваемые волокна относятся  к выщелачивающимся. При этом волокна Селендумского базальта  с подшихтовкой 10-15% доломита полностью обесцветились.  Из представленных образцов минеральных волокон наиболее стойкими к воздействию кислоты оказались золошлаковые волокна, имеющие  в своем составе повышенное содержание оксидов кремния и алюминия и пониженное – кальция и магния.

Табл. 4 Химическая стойкость волокон

Тип волокна	dср, мкм	Химическая устойчивость (потеря веса) ч, %
H2O	HCl	KOH
Селендумский базальт без подшихтовки	9	99,6	69,3	91,5
Селендумский базальт с подшихтовкой	8,5	99,2	33,75	77,92
Золошлак Окино-ключевского угля	8	99,4	78,57	90,56

Также проводилось определение модуля кислотности Mк полученных минеральных волокон по формуле

  (3)

Как следует из расчета, модуль кислотности для  волокон, полученных из золошлака, составил Мк = 9,96; для нешихтованного базальта Мк =  4,94;  для базальта с подшихтовкой доломитом – Мк =  1,56. Таким образом, по возрастанию химической стойкости ряд начинается с подшихтованного базальта имеющего наименьшую химическую стойкость и заканчивается золошлаковолокном имеющим наибольшую химстойкость. Однако при получении волокон  из расплава картина изменяется – плавить подшихтованный базальт намного легче, чем золошлак. 

Далее проводилось определение коэффициента теплопроводности. Низкая теплопроводность представленных волокон обусловлена их структурой, химическим составом, а также высокоразвитой поровой поверхностью, препятствующей конвекции и тепловому излучению. Однако теплопроводность волокон зависит от температуры, при которой они используются, а также от подшихтовки сырья. Зависимость теплопроводности базальтового волокна от температуры, а также от подшихтовки представлена в таблице 5.

Табл. 5 Зависимость теплопроводности минеральных волокон от температуры

Температура 0C	Тонкое золошлаковое волокно	Тонкое волокно из базальта	Тонкое волокно из 85% базальта и 15% известняка
25 100 200 300 400 500 600	0,037 0,046 0,064 0,091 0,125 0,189 --	0,030 0,035 0,051 0,076 0,095 0,137 0,172	0,034 0,041 0,058 0,084 0,109 0,151 0,194

В дальнейшем проводилось определение зависимости прочностных свойств от диаметра.  Механические характеристики волокон были определены из эксперимента на разрыв. Разрывное напряжение (у) для элементарных нитей вычисляется по формуле:

  у = (4P * 104) / рd2,  (4)

где у – разрывное напряжение, МПа, Р — разрывная нагрузка, Н, d — диаметр элементарной нити, мкм. Данные о зависимости прочности волокон от диаметра представлены в табл. 6.

Табл. 6. Зависимость прочностных свойств от диаметра волокон

Показатель	Тип волокна
Селендумский базальт без подшихтовки	Селендумский базальт с подшихтовкой	Золошлак Окино-ключевского угля
Диаметр, мкм	5; 10; 15; 20	5; 10; 15; 20	4; 8; 12; 16
Прочность, МПа	1874 1351 1180 1070	1645 1193 871 754	1927 1390 1213 1130

Как видно из табличной зависимости, удельная прочность  на разрыв волокон зависит от их диаметра. Чем больше диаметр, тем меньше прочность.

Таким образом, представленные волокна по механическим характеристикам (на разрыв) не уступают волокнам, полученным из известных в литературе (Берестовецкое, Марнеульское) месторождений, а также удовлетворяют требованиям ГОСТ. Также проводилось определение температуростойкости минеральных волокон. Структура базальтовых и золошлаковых волокон после термической обработки в диапазоне температур до 6000C практически не меняется и представляет собой алюмосиликатную стекловидную фазу. При нагревании в интервале температур 700-8000 C на поверхности волокон идет процесс спекания и оплавления, т. е. происходит расстекловывание материала. Происходит окисление Fe+2 до  Fe+3, обусловленное воздействием кислорода воздуха. Наиболее быстро FeO переходит в Fe2O3 при температуре выше 6000C, а при 800-10000C наблюдается полный переход FeO в Fe2O3. Полученный после прокаливания при температуре 8000 C материал представляет собой фрагменты волокна в общей спекшейся массе.

Зависимость усадки и потери массы образцов от температуры представлена в таблице 7.

Табл. 7 Зависимость линейных показателей волокон от температуры

Показатели, %	Температура обработки, 0 C
100	200	300	400	500	600	700	800
Усадка	Базальтовое волокно без подшихтовки	0,98	1,32	2.02	2,91	3,63	5,50	21,05	67.0
Базальтовое волокно с подшихтовкой	1,03	1,51	2,33	3,56	4,7	7,1	27,6	78
Золошлаковолокно	1,06	1,67	2,63	4,2	5,3	8,7	32	85
Потеря массы	Базальтовое волокно без подшихтовки	0,19	0,21	0,24	0,29	0,45	0,76	1,18	1,8
Базальтовое волокно с подшихтовкой	0,19	0,23	0,27	0,33	0,57	0,89	1,3	2,0
Золошлаковолокно	0,19	0,21	0,24	0,29	0.49	0,79	1,22	1,3

Цвет материала изменяется от желто-серого свойственного минеральным волокнам и приобретает коричнево-черную окраску,  что свидетельствует о процессах кристаллизации железосодержащих фаз.  Уменьшение толщины образцов при прокаливании  до температуры 6000 C колеблется в пределах 5.5-9%, но после воздействия температуры 7000 C – резко возрастает и при 8000 C составляет 67-85%.