Спросить
Войти
потери массы, который может быть обусловлен потерей гидроксо-групп при синтезе силикатов. Характерно, что процесс стеклообразования лежит в температурном интервале высокой вязкости силикатных стекол и таким образом может быть использован для создания силикатных пен. Иными словами, существует возможность использовать газообразование при синтезе стекла для вспенивания образующегося материала.
Результаты термогравиметрии позволяют сделать вывод, что количества выделяющихся паров воды может быть достаточно для образования пеностекольных материалов в случае использования сырья с высокой пористостью. Действительно, объем пор, присутствующий в силикагеле, трепеле и диатомите, оказывается достаточным для введения в систему количества №+, достаточном для синтеза стекла, а высокоразвитая пористость этих материалов позволяет синтезировать гидра-тированные полисиликаты по всему объему материала.
Это предположение доказывают данные сканирующей электронной микроскопии. На рис. 3 представлен скол полученного продукта. Очевидно, что газовыделение идет по всему объему материала, включая межпоро-вые перегородки, что приводит к получению легкого и прочного материала. Вследствие газовыделения в любом, сколь угодно малом объеме появляется возможность производства мелкогранулированного материала по простой технологии. В этом случае размер готовых гранул ограничивается только дисперсностью используемой разделительной среды (опудривателя) при термообработке. Так, на рис. 4 представлена фотография материала с размером гранул около 500 мк, полученных полупромышленным способом.
Насыпная плотность полученного материала зависит от фракции, изменяется в пределах от 180 кг/м3 для фракции крупнее 2 мм до 450 кг/м3 для фракции менее 200 мк.
Таким образом, процесс получения гидратирован-ных полисиликатов из пород на основе аморфного оксида кремния может быть положен в основу производства вяжущих композиций и пеностеклянных материалов.
Список литературы
УДК 666.189.3
Н.Э. СТАХОВСКАЯ, канд. техн. наук, А.И. ЧЕРВОНЫЙ, ст. науч. сотрудник, Государственное предприятие «Институт НИИСМ» (Минск, Республика Беларусь)
Пеностекло из несортированных отходов стекла
Научно-технический прогресс открывает новые возможности в применении известных материалов, в том числе в других областях науки и техники, расширяет ассортимент и диапазон свойств самих материалов. На стыке отраслей науки и техники возникают новые направления, такие как нанотехнологии, вакуумная техника, технологии в области сверхнизких температур, которые требуют применения материалов, способных выдерживать специфические, часто весьма жесткие условия эксплуатации. В таких условиях большое значение имеет применение эффективных теплоизоляционных материалов, способных выдерживать достаточно высокие нагрузки, воздействие агрессивных химических сред и экстремальную температуру.
Очевидно, что оптимальным не является ни один из существующих теплоизоляционных материалов. Органическая теплоизоляция на основе пенопластов пожароопасна, недолговечна и химически нестабильна. Минераловатные изделия обладают высоким влагопо-глощением, а использование органического связующего резко снижает максимальную температуру их применения. К серьезному недостатку таких материалов относится саморазрушение волокон, что небезопасно для здоровья человека и ведет к потере теплоизолирующей способности. Легкие бетоны обладают низкой прочностью при достаточно большой плотности.
Материалом, в наибольшей степени способным удовлетворить требованиям безопасности, долговечности и эффективности, является пеностекло. В отличие от органических и волокнистых теплоизоляционных материалов пеностекло — пожаростойкий материал с неограниченным сроком службы, из него возможно изготавливать изделия различной конфигурации. Плиты из пеностекла применяются в строительстве для тепловой изоляции наружных и внутренних стен, фасадов и цоколей зданий, полов с повышенными нагрузками, чердаков и чердачных перекрытий, террас «зеленая крыша», паркингов на крышах, скатных крыш. Кроме изоляции стен, кровли, пола зданий и сооружений пеностекло используется для изоляции промышленных холодильников, кораблей и морских нефтяных терминалов, в качестве фундамента в условиях вечной мерзлоты, в атомной энергетике, где требования к пожаро-безопасности особенно жесткие, и т. д. [1].
Однако, несмотря на широкие возможности использования пеностекла как строительного и теплозвуко-изоляционного материала и очевидные его преимущества по сравнению с другими теплоизоляционными материалами, производство пеностекла не получило широкого развития, что связано с его сравнительно высокой стоимостью. Высокая цена изделий из пеностекла связана с особенностями его производства, где расход энергии никак нельзя назвать рациональным.
ноябрь 2012
Так, технология получения качественного пеностекла предусматривает варку стекла специального состава, его грануляцию путем резкого охлаждения до температуры около 20оС, в результате чего куски затвердевшей стек-ломассы саморазрушаются. Это облегчает дальнейший помол, но, в то же время приводит к совершенно бесполезному расходованию тепловой энергии: для последующего вспенивания то же самое стекло в смеси с газо-образователем приходится нагревать еще раз до температуры 780—930оС [2]. Таким образом, вопросы экономики производства пеностекла затрагивают в том числе и технологию его производства, дешевое сырье, минимальные температуру и время пенообразования, максимальный выход изделий, возможности механизации и автоматизации и т. д.
В конце ХХ в. собственное производство пеностекла утратили Германия, Чехия и Польша. Собственную промышленную технологию пеностекла потеряла Россия и, даже несмотря на существование более полутора десятков инвестиционных проектов, так и не имеет восстановленной или запущенной вновь серьезной промышленной линии по производству пеностекла. Причиной остановки производства пеностекла в России, считают авторы [3], является несовершенство существующей технологии и, как следствие, высокие издержки производства, так как порошковая технология получения пеностекла предполагает жесткую привязку к сырью — стеклу строго определенного химического состава.
В настоящее время крупнейшим производителем пеностекла в мире является американская корпорация «Питтсбург Корнинг», разместившая свои производства пеностекла также в Германии, Бельгии, Чехии.
Несмотря на все существующие сложности, в Беларуси на ОАО «Гомельстекло» сумели сохранить собственное производство пеностекла, которое в свое время было создано здесь при участии сотрудников Минского НИИСМ под руководством Б.К. Демидовича, внесшего значительный вклад в исследования по оптимизации химических и физических процессов производства пеностекла.
Казалось бы, пеностекло можно получить из стекла любого химического состава при использовании соответствующим образом подобранного пенообразователя и при работе в соответствующем диапазоне температур. Однако попытки обеспечить производство пеностекла отходами стекла неопределенного состава не увенчались успехом. Практика работы отдельных производств показала, что отходы стекла могут использоваться лишь в том случае, когда они поступают с одного предприятия, то есть обладают постоянным химическим составом. К тому же количество боя стекла даже на больших стеклозаводах недостаточно для ритмичного обеспечения работы цеха пеностекла средней мощности [4].
Отметим, что получение углеродистого пеностекла из несортированных отходов стекла является трудноразрешимой задачей по причине того, что отходы стекла весьма не однородны по своему химическому составу. Это затрудняет получение пеностекла со стабильными свойствами. В настоящее время получение пеностекла с высокими эксплуатационными характеристиками и замкнуто-пористой структурой основывается на применении углеродистых газообразователей и использовании специально навариваемого стекла определенного химического состава, приближенного к составу листового оконного стекла, полученного методом вертикального вытягивания (ВВС). Только при этих условиях обеспечивается возможность получения пеностекла с низким объемным весом и замкнутыми ячейками. Стекло состава, близкого к составу оконного стекла ВВС, наиболее соответствует характеру вспенивания углеродистых газообразователей для получения качественного пеностекла благодаря отсутствию кристаллизации, оптимальным значениям вязкости, величине поверхностного натяжения в температурном интервале вспенивания. Ранее предпринимались попытки получения высококачественного пеностекла из тарного стекла и флоат-стекла, однако они также не увенчались успехом по тем или иным причинам [2, 4].
На конечные свойства пеностекла оказывают влияние технологические параметры подготовки пенообра-зующих смесей, их состав и физико-химические свойства, определяемые условиями синтеза, теплообмен в дисперсной среде, пиропластическом спеке и пеностекле на различных стадиях его формирования, динамика фазовых превращений, реакции взаимодействия между газообразователями и компонентами стекла, условия стабилизации структуры и отжига пеностекла.
В результате проведенных в ГП «Институт НИИСМ» исследований разработана технология получения качественного пеностекла, в которой сырьем является несортированный бой стекла, накапливающийся в сфере бытового потребления населения. Исключение операций варки и выработки специального стеклогранулята позволяет существенно снизить себестоимость получения пеностекла за счет экономии топлива на варочные процессы при получении стеклогранулята, а также дефицитного и дорогого сырья, в первую очередь соды. За счет использования несортированного стеклобоя в производстве пеностекла решается также проблема его утилизации, тем самым улучшается экология окружающей среды.
Возможность получения пеностекла плотностью 140—200 кг/м3 с замкнуто-ячеистой структурой из несортированного стеклобоя достигается применением в качестве газообразователя карбида кремния и введения добавки хлорида щелочного металла. Мелкодисперсная шихтовая смесь из несортированных отходов стекла с газообразователем и добавкой подвергается вспениванию в формах, закалке с последующим отжигом (заявка BY № а20111100. Способ изготовления блоков из пеностекла).
При вспенивании шихт с использованием карбида кремния образуется такая же, как и при применении углеродистых газообразователей, замкнуто-пористая равномерная структура изделия, непроницаемая для влаги. По-видимому, это связано с тем, что карбид кремния работает так же, как и углеродистые газообра-зователи (антрацит, кокс, газовая сажа и пр.), т. е. вспенивание вязкой стекломассы обеспечивается за счет окисления углерода соединениями серы, содержащимися в стекломассе. Об этом свидетельствует то обстоятельство, что для пеностекла с карбидом кремния, так же как и для углеродистого, при его распиловке ощущаОбразцы пеностекла с карбидом кремния и антрацитом
¡■Л ®
ноябрь 2012
Наименование показателя Единица измерения Значение Нормативные требования, установленные СТБ 1322-2002
Плотность кг/м3 144-169 Не более 175
Предел прочности при сжатии МПа 0,98-1,21 Не менее 0,7
Водопоглощение % по объему 1,98-2,25 Не более 5
Теплопроводность при температуре 298 К Вт/(м-К) 0,0686-0,0697 Не более 0,07
ется характерный запах сероводорода Н2S. Таким образом, получение развитой структуры пеностекла с карбидом кремния в качестве газообразователя при обычно практикуемой в технологии температуре вспенивания достигается в первую очередь реакцией карбида со стекломассой. Предположили, что карбид кремния, применяемый в качестве газообразователя при получении пеностекла, по механизму взаимодействия с порошком стекла при вспенивании является более вариабельным к химическому составу порошка стекла и менее чувствителен даже к смеси стекольных порошков, отличающихся по химсоставу.
В процессе вспенивания, как правило, полного химического разложения газообразователя не наступает: при его разложении остаются твердые остатки. Поэтому в процессе образования пеностекла наряду с жидкой (стеклообразной) и газообразной фазами согласно Шиллу Ф. [5] всегда присутствует также определенное количество твердой фазы. Неразложившийся твердый остаток пенообразователя диффузно переносится в сторону вновь образовавшейся поверхности стекловидной фазы.
Неокислившиеся частицы углеродистых газообразо-вателей, по своей химической природе имеющие малое сродство к стеклофазе и не растворяющиеся в последней, накапливаются на поверхности раздела фаз, тем самым способствуя стабилизации пены и закреплению ячеистой структуры пеностекла. Однако в то же время, как инородные включения на поверхности стекломассы, они являются затравкой-стимулятором для образования и роста кристаллов новой фазы с поверхности стекла. Рекристаллизация стекла приводит, во-первых, к увеличению вязкости стекла при температуре вспенивания и, как следствие, к замедлению скорости роста пузырьков газовой фазы; во-вторых, образование кристаллов в стенке пузырька при пенообразовании, сохраняющей способность к растяжению, вызывает локальное изменение в ней вязкости и соответственно деформацию или разрушение ее при последующем растяжении [2].
Меньшая чувствительность к химическому составу стекломассы при вспенивании шихтовых смесей с карбидом кремния объясняется, по-видимому, более плавным и постепенным высвобождением углерода при разложении карбида кремния в расплавленной стекломассе. Тогда процесс окисления углерода менее чувствителен к химическому составу стекла. Соответственно выделяющиеся при окислении углерода и восстановлении сернистых соединений стекла газы равномернее вспенивают массив при оптимально подобранной температуре и времени выдержки при вспенивании, независимо от состава стекла.
Введение в состав пенообразующей смеси добавки хлорида щелочного металла позволило повысить структурную однородность пеностекла и снизить температуру вспенивания с 850—860 до 780—820оС, что позволило увеличить срок службы технологической оснастки в печи вспенивания.
Пеностекло с использованием в качестве газообра-зователя карбида кремния отличается равномерной замкнуто-пористой структурой, имеет приятный светлозеленый цвет (см. рисунок). Рядом для сравнения представлено пеностекло черного цвета с антрацитом.
На ОАО «Гомельстекло» проведен выпуск опытной партии блоков пеностекла из шихтовой смеси на основе несортированного боя стекла, карбида кремния в качестве газообразователя и добавки. В работе применяли карбид кремния производства компании Saint-Gobain (Франция), а также карбид кремния производства ОАО «Запорожабразив» (Украина). В качестве несортированного боя стекла использовалось зеленое бутылочное стекло, главным образом из-под плодовых крепленых вин, а также из-под виноградного вина и тонизирующих напитков. Для получения шихты стекло совместно с газообразующей добавкой измельчается путем помола в агрегате типа шаровой мельницы до тонкодисперсного состояния с удельной поверхностью частиц Sуд=6000—8000 см2/г. Режим вспенивания шихтовой смеси с карбидом кремния в качестве газообразователя соответствовал принятому на заводе режиму вспенивания пеностекла с антрацитом.
Пеностекло отличается низким объемным весом и замкнутой ячеистой структурой, определяющей малое водопоглощение материала, и по своим техническим характеристикам во многом соответствует углеродистому пеностеклу, выпускаемому в настоящее время на ОАО «Гомельстекло» по СТБ 1322-2002 «Блоки тепло-изоляционные из пеностекла. Технические условия».
Физико-механические показатели полученного пеностекла приведены в таблице.
Таким образом, предложенные составы шихтовых смесей на основе возвратного боя стеклотары с карбидом кремния в качестве газообразователя позволяют получать качественное пеностекло строительного назначения, удовлетворяющее требованиям СТБ 1322—2002. Внедрение предложенной технологии позволит получить существенный экономический эффект за счет исключения технологических переделов наваривания специального состава стеклогранулята и использования дефицитной соды, а также увеличения срока службы технологической оснастки.
Список литературы
энергосбережения // Стекло и керамика. 2008. № 4. С. 3-6.
ноябрь 2012
