Роль наполнителя и отвердителя в формировании свойств пористых гранул на основе модифицированного силикатнатриевого связующего

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Роль наполнителя и отвердителя в формировании свойств пористых гранул на основе модифицированного силикатнатриевого связующего

Иващенко Юрий Григорьевич

Кочергина Мария Петровна

Павлова Ирина Леонидовна

Способность водных щелочных растворов силикатов натрия (жидкого стекла) сохранять вязкопластическое состояние на стадии приготовления сырьевой смеси обеспечивает благоприятные условия для получения эффективных гранулированных теплоизоляционных материалов (мелкозернистые ? размер зерен 0,01-5,0 мм; крупнозернистые ? размер зерен > 5,0 мм) с поризованной структурой за счет термовспучивания при температурах 400-500 °С. [1-3] Композиты, изготавливаемые на основе зернистых продуктов, делятся на материалы с контактным и объемным омоноличиванием. В целом вспученные гранулированные материалы на основе силикатнатриевых связующих (СНС) отличают относительно низкая температура вспучивания и средняя плотность. Однако ТИМ на основе СНС не получили широкого промышленного применения. В основном это связано как с относительно низкой водостойкостью, так и недостаточной изученностью закономерностей структурообразования и модифицирования, а также неотработанной технологией производства.

Технологические процесс получения вспученных пористых гранул на основе СНС, как правило, включает следующие основные операции: приготовление силикатнатриевой смеси, формирование сырцовых гранул, их частичная дегидратация (предварительная сушка), вспучивание гранулята. Сырьем для получения вспученных пористых гранул является, как товарное жидкое натриевое стекло, так и СНС, полученные гидротермальным способом; тонкомолотые минеральные наполнители (известковая мука, тальк, молотый песок, каолин, зола, мел, опока, трепел и т.д.); специальные добавки, предназначенные для направленного регулирования функциональных свойств (повышающие вспучивание и водостойкость материала, гидрофобизирующие, упрочняющие и т.д.).

Вспучивание силикатнатриевых композиций при термообработке обеспечивается совмещением по времени пиропластического состояния с наиболее интенсивным выделением водяных паров, что проявляется в интервале температур 120-250 °С. В связи с чем ячеистая структура пористых силикатнатриевых материалов в большей степени формируется за счет удаления свободной и адсорбционной воды. Исследованиями В.С. Толстого и И.В. Рыжкова [4] показано, что независимо от силикатного модуля жидкого стекла вспучивание практически полностью заканчивается при нагревании до 200-250 °С. При температуре 400-500 °С в результате кристаллизации продуктов вспучивания осуществляется закрепление структуры. Повышение температуры более 500 °С практически не оказывает влияния на вспучивание, а только увеличивает энергоемкость процесса получения вспученных материалов.

Уменьшение влияния свободной воды, избыточное содержание которой приводит к образованию открытых и сообщающихся пор в объеме термовспученной гранулы, обеспечивается, в первую очередь, введением наполнителей в СНС и предварительной сушкой полуфабриката. Вместе с тем при рациональном содержании тонкомолотых минеральных наполнителей достигаются необходимые реологические характеристики силикатнатриевой смеси для формирования сырцовых гранул, повышения прочности.

В качестве минерального наполнителя в составах для получения, гранулированного ТИМ рассматривался тонкодисперсный порошок из местного силицита ? опоки с содержанием SiO₂ более 80 %. По известным данным содержание в наполнителе аморфного кремнезема и оксида алюминия способствуют повышению водостойкости; наличие адсорбционно-десорбционных свойств позволяет интенсивно поглощать свободную воду из силикатнатриевой смеси, ее удерживать и равномерно отдавать в процессе термической обработки. Из экспериментальных данных следует, что рациональным по критериям насыпной плотности и прочности гранул является соотношение между СНС (жидкое натриевое стекло с=1480 кг/м³) и наполнителем (S_уд=300-550 м²/кг) ? 1:0,85. Исследование проводилось на образцах в виде гранул размером 10-20 мм, сырцовые гранулы подвергались предварительной сушке при T=60 °С в течение 10-20 мин. Пористые гранулы с опокой, вспученные в интервале температур 40?500 ^оС обладают следующими основными свойствами: с_н=300?380 кг/м³ (насыпная плотность); R_сж=1,5?2,0 МПа (предел прочности при сжатии в цилиндре); водопоглощение по массе W=48?32%.

Результаты исследования водостойкости пористых гранул в зависимости от температуры вспучивания показали: повышение температуры от 200 °С до 500° С приводит к росту значения К_р наполненных образцов от 0,34 до 0,62 (рисунок 1). При содержании в композициях насыщенного водного раствора ацетата цинка (АЦ) и отвердителя ? кремнефтористого натрия (КН), значения К_р в интервале температур 200ч500 °С составляют 0,8ч0,96. При этом повышение температуры от 450 °С до 500 °С не приводит к значительному изменению водостойкости. Из анализа экспериментальных данных также следует, что с увеличением температуры отверждения КН в меньшей степени оказывает влияние на водостойкость гранул. По-видимому, в связи с более интенсивным испарением свободной воды из силикатнатриевой системы взаимодействие между Na₂SiF₆ и связующим протекает недостаточно полно на первоначальном этапе, когда осуществляется его гидролиз. Однако присутствие Na₂SiF₆ в достаточно степени активизирует процессы твердения СНК, что проявляется в снижении пористости гранул и соответственно насыпной плотности (таблица 1).

Рисунок 1. Значения К_р образцов в зависимости от температуры: состав № 1 ? с наполнителем - опокой; состав № 2 ? с опокой и отвердителем - КН; состав № 3 ? с опокой, КН, модификатором - АЦ (3 % по массе СНС в пересчете на основное вещество)

Таблица 1. Основные физико-механические свойства пористых гранул, полученных без стадии предварительной сушки, Т=450 ?С

Одной из причин формирования более плотной структуры может быть то, что Na₂SiF₆ реагируя с водой, уменьшает ее количество, а, следовательно, и количество водяных паров при термоударе. Исключив из процесса получения гранул предварительную сушку, выявлено, что образцы с отвердителем имеют шарообразную форму с равномерно распределенной мелкопористой структурой в отличии модифицированных образцов без отвердителя, которые характеризуются пористой структурой с крупными сквозными порами (рисунок 2). Экспериментально установлено, что отвердитель необходимо вводить непосредственно в связующее в количестве 5-7 % по массе СНС. При содержании отвердителя в меньшем количестве образцы обладают неправильной формой и неоднородной пустотело-пористой структурой, в количестве 10-15 % пористость гранул снижается в практически в 2 раза (таблица 1).

Рисунок 2. Фото пористых гранул, полученных без стадии предварительной сушки: а) на основе состава № 1 (без КН); б) на основе состава № 2 (с КН)

Таким образом, установлены закономерности влияния тонкодисперсного наполнителя из опоки и отвердителя ? кремнефтористого натрия на формирование структуры и свойств гранулированного материала на основе силикатнатриевого связующего, модифицированного водными растворами ацетата цинка. Показано положительное влияние тонкодисперсной опоки на водостойкость пористых гранул. Выявлено, что содержание ускорителя твердения ? кремнефтористого натрия в модифицированных составах, в пределах 5-7 % по массе СНС, позволяет исключить из процесса получения вспученного гранулированного материала стадию предварительной сушки сырцовых гранул, что позволит снизить энергетические затраты на производство.

Библиографический список

наполнитель опока отвердитель гранула

1. Иващенко Ю.Г. Свойства силикатнатриевого связующего, полученного на основе силицитовых пород методом гидротермального синтеза /177 Ю.Г. Иващенко, А.В. Страхов // Вестник СГТУ. Серия: Архитектура и строительство. - 2010. - Выпуск 4(49) - С. 193-200.

2. Иващенко Ю.Г. Вяжущие вещества в строительстве: учеб. пособие / Ю.Г. Иващенко, Н.Н. Фомина. - Саратов: СГТУ, 2015. -156 с.

3. Малявский H.H. Щелочносиликатные утеплители. Свойства и химические основы производства / H.H. Малявский // Российский химический журнал (Журнал Рос. хим. общ-ва им Д.И. Менделеева). - 2003. - XLVIII. - №4. - С. 39-45.

4. Рыжков И.В. Физико-химические основы формирования свойств смесей с жидким стеклом / И.В. Рыжков, B.C. Толстой. - Харьков: Вища школа,1975. - 140 с.

Размещено на Allbest.ru