Христофорова и.А., Канаев а.Ю., Коробова с.С., Христофоров а.И. Наномодифицированный теплоизоляционный материал на основе силикатов

А н н о т а ц и я

Рассмотрены процесс и метод получения теплоизоляционного материала на основе силикатов с наномодифицирующей добавкой. Проведено математическое моделирование, на основании которого получены поверхности отклика, описывающие полный комплекс свойств материала. Предложены оптимальный состав и температурный режим, позволяющие получать наиболее качественные изделия.

Современное развитие строительства во Владимирской области требует применение таких материалов, которые бы обеспечивали минимальные тепловые потери жилых, коммерческих и социальных строительных объектов, систем коммуникаций водо- и теплоснабжения в окружающую среду. С целью увеличения теплоизоляции в регионах применяют теплоизоляционные материалы. Теплоизоляция пеностеклом на сегодняшний день является наиболее эффективной и долговечной по сравнению с другими материалами. Прочная пористая структура материала обеспечивает высокую теплоизоляцию стен, подвалов и кровель зданий. При этом теплоизоляция не теряет свои свойства со временем. При повышенной влажности и температуре, теплоизоляция из пеностекла не разрушается и сохраняет форму. Теплоизоляция из пеностекла обладает высокой огнестойкостью, кроме того, такая теплоизоляция экологически безопасна, что позволяет использовать ее во внутренних помещениях. Материал теплоизоляции из пеностекла легко обрабатывается и монтируется. Используя данный тип теплоизоляции, существенно снизятся энерго- затраты на эксплуатацию здания [1]. Однако существенным недостатком пеностекла является сравнительно высокая стоимость, не позволяющая ему эффективно конкурировать с другими теплоизоляционными материалами, представленными на современном рынке.

В связи с этим на сегодня остро стоит задача по разработке такого теплоизоляционного материала, который бы не уступал по свойствам существующим аналогам, но был при этом более дешевым.

На кафедре химической технологии стекла и керамики был разработан теплоизоляционный материал с высокими физико-механическими и теплоизоляционными свойствами на основе силикатов, с применением специальных модифицирующих добавок.

Основные этапы получения теплоизоляционного материала на основе силикатов сходны с операциями при производстве пеностекла в промышленности: совместный помол компонентов; подготовка полученной шихты (увлажнение); прессование заготовки для вспенивания; сушка заготовки до постоянной массы; вспенивание в муфельной печи; охлаждение и механическая обработка вспененной заготовки; испытания основных эксплуатационных свойств полученного изделия.

При совместном помоле компонентов помимо диспергирования и перемешивания происходит механоактивация частиц стеклообразующих компонентов, интенсифицирующая процессы взаимной диффузии при размягчении порошка и переходе его в расплав [3]. Увлажнение требуется для придания шихте необходимых технологических свойств (формуемость при прессовании, отсутствие пыления), кроме того, вода является необходимым реагентом при порообразовании. Вспенивание проводилось в лабораторной высокотемпературной печи с программным управлением СНОЛ-12/15.

При получении теплоизоляционного материала применялись следующие вещества: стеклобой марки ЗС, доломит ДМ и кварцевый песок марки Т, олеат натрия. Введение песка в шихту позволяет снизить количество вводимого стеклобоя на 10%, что значительно уменьшит затраты на сырье ввиду большой стоимости стеклобоя. По физико-химическим показателям кварцевый песок удовлетворяет требованиям, представленным в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические показатели кварцевого песка марки Т

Сорт, марка	Содержание оксидов, масс.%
	SiO2, не менее	Al2O3, не более	TiO2, не более	Fe2O3, не более	Cr2O3, не более
Т	95,0	4,0	Не нормируется	Не нормируется	Не нормируется

Сравнительный анализ физико-механических свойств разработанных материалов по предварительной информации позволил определить уровни варьирования факторов при проведении математического моделирования в режиме активного эксперимента. Это позволяет оптимизировать составы для получения физико-механических свойств материалов с наилучшими показателями

При изучении стохастических систем для определения их поведения могут быть использованы различные подходы. Одной из группы моделей является локально-интегральная полиноминальная модель, применяемая для решения практических задач, связанных с описанием и оптимизацией системы. Например, полином второго порядка (более высокий порядок применяется редко) от К факторов (независимых переменных) записываются в виде [2]:

Y = b₀ + ∑b_ix_i + ∑b_iix_i² ±∑b_ijx_ix_j (1)

Коэффициенты уравнения регрессии (1) (b₀, b_i, b_ii, b_ij) можно интерпретировать как коэффициенты ряда Тейлора, т.е. как значения частных производных в точке, вокруг которой производится разложение неизвестной нам функции, задающей решение неизвестных нам дифференциальных уравнений. Коэффициенты могут быть определены по экспериментальным данным по методу наименьших квадратов. Величина Y является выходом системы и называется параметром оптимизации или функцией отклика (Y = f (x)). Величины x_i,j являются независимыми переменными и называются факторами процесса. В процессе получения материала на его качественные характеристики оказывают влияние концентрация модификатора, воды, давление. К реализации был принят D-оптимальный план Бокса - Бенкина размерности К=3, позволяющий провести математико-статистическую обработку данных при варьировании трех компонентов на трех уровнях. План Бокса-Бенкина представляет собой определенные выборки из полного факторного эксперимента типа 3^К, где К - число факторов, равное трем, а 3 - число уровней (+1, 0, -1), на которых варьируется каждая переменная [2].

План Бокса-Бенкина включает число экспериментов, незначительно превышающее число определяемых констант в уравнении регрессии, и рекомендуется для использования полинома второго порядка при непоследовательном планировании. Общее число опытов по плану Бокса-Бенкина для К=3 составляет:

N_общ = N + N₀ = 12 + 5 = 17, (2)

где N₀ - число опытов в центре плана [2].

В процессе получения образцов пеноматериала на их качественные характеристики оказывают влияние концентрация доломита, температура и время вспенивания. При стабилизации технологических режимов производства: удельного давления прессования 10 МПа, количество стеклобоя, количество кварцевого песка и количество модифицирующей добавки (гритерола-п) – количество изменяемых факторов сводится к трем.

После проведения эксперимента были рассчитаны коэффициенты регрессии по расчетной матрице плана Бокса-Бенкина. С помощью методов математического моделирования на основании уравнений регрессии были получены поверхности отклика, характеризующие комплекс свойств получаемого изделия в широком интервале изменения композиций и определены оптимальные составы. На рис. 1 представлены зависимости плотности образцов от концентрации газообразователя, температуры и времени вспенивания.

.

Как показал эксперимент, на водопоглощение и максимальный диаметр пор, главным образом, оказывает влияние температурный режим вспенивания (рис. 2).

По поверхностям отклика (рис.1) можно сделать выводы о том, что с увеличением концентрации газообразователя, времени и температуры вспенивания плотность образцов снижается, следовательно, снижается и теплопроводность. Для образцов плотностью 183 кг/м³ теплопроводность составила 0,078 Вт/(м·К).

Но вместе с этим с увеличением температуры и времени вспенивания (рис.2), увеличивается максимальный диаметр пор и водопоглощение материала.

Основываясь на поверхностях отклика, выбран оптимальный состав, температура вспенивания Т_всп=820^оС и время вспенивания τ_всп.=8 мин., при которых были получены образцы со следующим комплексом свойств: теплопроводность 0,078 Вт/(м·К), плотность 183 кг/м³, водопоглощение 18 %. Так как в шихте содержится 10 м.ч. песка, то получаемый материал имеет более низкую цену по сравнению с существующими аналогами, основанными только на стеклобое. Олеат натрия вводился в количествах 0,4 %. В результате его деструкции при температуре выше 400⁰С выделялся высокоактивный атомарный натрий, который вступал в реакцию с оксидом кремния на границе раздела фаз, образуя нанослои стеклофазы. Это позволило уменьшить плотность материала более чем на 10 % при сохранении качественных характеристик.

Библиографический список

1. Демидович Б.К. Пеностекло. – Минск: Наука и техника, 1975. – 248с.

2. Христофорова И.А. Проведение активного эксперимента при разработке состава шихты для производства керамических изделий: Метод. указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Статистические методы исследования шихт в стекольной промышленности» / Владимирский гос. ун-т; 2000. 24 с.

3. Канаев А.Ю., Христофорова И.А., Христофоров А.И. Модификация структуры пеностекла // Строительная наука 2010. Матер. МНТК. Владимир: ВлГУ, 20 – 23 янв. 2010 г. – С. 179 – 181.