И.А. Христофорова, а.Ю. Канаев, е.А. Ильина, а.И. Христофоров теплоизоляционный материал на основе отходов стеклобоя
Рассмотрены литературные данные, описывающие современное состояние получения теплоизоляционных материалов на основе отходов стеклобоя. Разработана и предложена технология получения теплоизоляционного материала с применением отходов зеленого тарного стекла. С помощью методов математического моделирования выявлены оптимальный температурный режим и состав, позволяющие получать наиболее качественные изделия.
Сегодня перед промышленностью стоит задача обеспечения высокоэффективными теплоизоляционными материалами, сочетающих в себе высокие теплозащитные свойства, прочностные и эксплуатационные характеристики.
Эффективная тепловая изоляция является важнейшим материалом в современном строительстве, который позволяет повысить степень индустриализации работ, уменьшить потребность в других строительных материалах, снизить массу конструкций, что сократит массу и объём фундаментов. Важнейшая цель теплоизоляции строительных конструкций – сокращение расхода энергии на отопление зданий, а также потерь тепла в промышленных агрегатах и теплотрассах.
Использование теплоизоляционных материалов позволяет уменьшить толщину и массу стен и других ограждающих конструкций, снизить расход основных конструкционных материалов, уменьшить транспортные расходы и соответственно снизить стоимость строительства. Наряду с этим при сокращении потерь тепла отапливаемыми зданиями уменьшается расход топлива. Многие теплоизоляционные материалы вследствие высокой пористости обладают способностью поглощать звуки, что позволяет употреблять их также в качестве акустических материалов для борьбы с шумом. Анализ свойств существующих теплоизоляционных материалов показывает, что наиболее оптимальным было бы сочетание в одном материале закрыто пористой ячеистой структуры, присущей пенопластам, химической и температурной стойкости, свойственной материалам, получаемым из силикатных расплавов.
Помимо теплоизолирующей способности, растут требования и по безопасности строительных материалов для жизни и здоровья человека: современные теплоизоляционные материалы должны быть пожаробезопасными, не выделять вредных веществ как при производстве, так и при эксплуатации. Именно поэтому доминирующую роль в повышении теплоэффективности ограждающих конструкций объектов гражданского и промышленного строительства, а также при теплоизоляции промышленных установок и трубопроводов играют материалы и изделия на основе неорганического сырья [1].
Разработка закрыто пористого, экологически безопасного, воздухо - и паронепроницаемого теплоизоляционного материала на неорганической основе, применимого для тепловой изоляции объектов как бытового, так и промышленного назначения, является актуальной задачей на сегодня.
На практике известный способ приготовления гранулированного пеностекла на непрерывно действующей технологической линии включает в себя дробление стеклобоя, его мойку и сушку в моечно-сушильном барабане при температуре 110 – 120 °С, весовое дозирование и совместный помол стеклобоя и порообразователя (смесь мела с доломитом (4 % от массы стекла)) до достижения удельной поверхности 3000 - 5000 см2/г, гранулирование шихты на тарельчатом грануляторе с водным раствором жидкого стекла, сушку гранул на ленточно-сетчатой сушилке в слое до 100 мм при температуре 400 °С до влажности 2 %, отсев мелочи на вибросите, вспенивание гранул во вращающейся печи с речным кварцевым песком в качестве разделяющей среды при температуре 780 – 820 °С, отжиг гранул во вращающейся печи до температуры 30 °С и отделение гранул от разделяющей среды. Важность данного способа заключается в утилизации стеклобоя и получении высокоэффективного теплоизоляционного материала, упрощении способа производства пеностекла и экономии энергии [2].
Следующий способ получения пеностекла заключается в тонком измельчении, мехноактивации стеклошихты, состоящей из вулканического стекла, боя тарного стекла и гидроксида натрия в виде водного раствора, смешивании ее компонентов, формовании и вспенивании. В качестве вулканического стекла используют или гидратированный перлит, или стекловидный перлит, или закристаллизованный перлит. После вспенивания полученное пеностекло охлаждают до комнатной температуры и подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации в температурном интервале 600 – 625 °С. Данная технология позволяет повысить прочностные показатели пеностекла, снизить температуру вспенивания, упростить сам процесс получения пеностекла и снизить экологическую нагрузку на окружающую среду [3].
Известен способ получения эффективных функциональных теплоизоляционных материалов с низкими значениями теплопроводности и плотности, а именно способ получения стеклообразных силикатных материалов, в частности пеностекла, с использованием вспенивающей смеси. Такой способ касается утилизации стеклообразных отходов, образующихся в результате бытовой жизнедеятельности человека, а также техногенных продуктов производственного и промышленного происхождения. В результате получено эффективное функциональное блочное пеностекло с улучшенными эксплуатационными характеристиками: кажущейся плотностью
0,15 - 0,45 г/см3, с высокими теплоизоляционными свойствами λ = 0,06 - 0,08 Вт/(м·К), объемным водопоглощением не более 10 %, способного выдерживать механические нагрузки не менее 7 кг/см2; решена проблема утилизации щелочных алюмосиликатных и боросиликатных стеклообразных отходов различных видов стекла (как индивидуального, так и из смеси стекол) [4].
Охарактеризован также способ получения теплоизоляционного материала, содержащего минеральное связующее и наполнитель в виде замкнутых негорючих полых микросфер размером 15 - 100 мкм с нулевым водопоглощением, со средним размером 50 мкм и с насыпной плотностью 0,35 - 0,45 г/см3. Технический результат: снижение расслаиваемости смеси, водопоглощения и теплопроводности получаемого материала, повышение его прочности при снижении удельного веса и морозостойкости, обеспечение экологической чистоты и негорючести получаемого материала, снижение себестоимости с одновременным расширением диапазона применения [5].
Продолжаются исследования по возможности получения пеностекла при использовании карбонатных газообразователей [1, 6].
На кафедре химической технологии стекла и керамики был разработан теплоизоляционный материал на основе отходов стеклобоя с применением карбонатного вспенивающего агента.
Основные этапы получения данного материала заключались в следующем: совместный помол компонентов в шаровой мельнице до фракции < 0,63 мм; увлажнение шихты для улучшения формуемости материала; прессование заготовки на гидравлическом прессе; сушка заготовки до постоянной массы при температуре 80 оС в течение 3 ч; вспенивание ее в лабораторной высокотемпературной печи с программным управлением СНОЛ-12/15; охлаждение и механическая обработка вспененной заготовки; определение основных свойств полученного изделия.
При получении теплоизоляционного материала на основе отходов стеклобоя применялись следующие вещества: стеклобой зелёного тарного стекла, доломит и кварцевый песок.
В
процессе получения образцов пеноматериала
на их качественные характеристики
влиял концентрация доломита, температура
и время вспенивания, а следующие
технологические режимы производства
были застабилизированы: размер
цилиндрических заготовок d
= 30 мм и h = 25 мм, давление
прессования 10 МПа, количество стеклобоя
и количество кварцевого песка.
После проведения эксперимента были рассчитаны коэффициенты регрессии по расчетной матрице плана Бокса-Бенкина и составлены сами уравнения регрессии [7]. На основе результатов с помощью программы «Exel» были получены поверхности отклика, моделирующие поведение системы при различных входных параметрах. Поверхности были построены на свойства, такие как плотность, водопоглощение и максимальный диаметр пор. На рисунке представлены зависимости исследованных свойств от температурного режима получения образцов теплоизоляционного материала на основе отходов стеклобоя.
Из данных, представленных на рисунке следует, что с увеличением температуры вспенивания плотность изделия понижается, а максимальный диаметр пор увеличивается, что, в свою очередь, ведет к возрастанию водопоглощения материала. В результате исследований получен оптимальный состав (стеклобой - кварцевый песок - доломит) и температурный режим вспенивания (Твсп = 800 оС и время вспенивания τвсп. = 10 мин.), которые позволяют получить теплоизоляционный материал с плотностью 205 кг/м3 и теплопроводностью 0,08 Вт/(м·К).
Исходя из полученных свойств, можно рекомендовать материал на основе отходов стеклобоя в качестве эффективной теплоизоляции различных зданий, сооружений и промышленных агрегатов.
Библиографический список
1. Демидович, Б. К. Пеностекло. Минск: Наука и техника, 1975. 248 с.
2. Пат. 2411200 Российская Федерация, МПК7 C03C 11/00, C03B 19/08. Сырьевая смесь для изготовления пеностекла / Щепочкина Ю.А.; заявитель и патентообладатель Щепочкина Ю.А. - № 2009133710/03; заявл. 08.09.09; опубл. 10.02.11, Бюл. № 4. - 4 с.
3. Пат. 2405743 Российская Федерация, МПК7 C03C 11/00. Сырьевая смесь для получения пеносиликатного материала и способ изготовления пеносиликатного материала (варианты)/ Казанцева Л.К., Овчаренко Г.И.; заявитель и патентообладатель Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева Сибирского отделения РАН (ИГМ СО РАН). № 2009135366/03; заявл. 22.09.09; опубл. 10.12.10, Бюл. № 34. 11 с.
4. Пат. 2368574 Российская Федерация, МПК7 C03C 11/00. Сырьевая смесь для изготовления пеносиликата / Лобов О.И., Эпп А.А., Иваненко В.И., Филаретов А.А.; заявитель и патентообладатель Лобов О.И., Эпп А.А., Иваненко В.И., Филаретов А.А. № 2008136712/12; заявл. 15.09.2008; опубл. 27.09.09, Бюл. № 27. 8 с.
5. Пат. 2361829 Российская Федерация, МПК7 C03C 11/00. Шихта для изготовления стеклогранулята для пеностекла/ Верещагин В.И., Казьмина О.В., Абияка А.Н.; заявитель и патентообладатель Том. политех. ун. № 2007118823/03; заявл. 21.05.2007; опубл. 20.07.09, Бюл. № 20. - 4 с.
6. Пат. 2361828 Российская Федерация, МПК7 C03C 11/00. Способ изготовления пеностекла / Щепочкина Ю.А.; заявитель и патентообладатель Щепочкина Ю.А. - № 2007143935/03; заявл. 26.11.07; опубл. 20.07.09, Бюл. № 20. 4 с.
7. Христофорова И.А. Проведение активного эксперимента при разработке состава шихты для производства керамических изделий: метод. указания к лаб. занятиям по дисциплине «Статистические методы исследования шихт в стекольной промышленности» / Владим. гос. ун-т. Владимир ВлГУ, 2000. 24 с.
Д.В. Абрамов, С.М. Аракелян, С.А. Маков, М.Ю. Шарыбкин