53. Основные способы получения высокопористой структуры. Технологические схемы получения волокнистых материалов

Пористые теплоизоляционные материалы (например: пенобетон) могут быть получены способом пенообразования, т.е. в результате смешения раствора вяжущего вещества или керамической массы с пеной. Пена - это дисперсная двухфазная система, которая состоит из жидкой и газообразной фазы. Обычно жидкая фаза образуется водой, а газообразная представляет собой пузырьки воздуха, разделенные между собой тонкими пленками жидкости. При затвердевании пены образуется ячеистая масса теплоизоляции.

Пена получается при помощи пенообразователей, т.е. поверхностно-активных веществ, которые сообщают воде способность превращаться в пену. Добавление пенообразователя в воду снижает ее поверхностное натяжение. Поэтому при взбалтывании жидкости или пропускании через нее воздуха на поверхности жидкости образуется пена. При этом пузырьки воздуха оказываются заключенными в жидкие оболочки, которые имеют меньшее поверхностное натяжение, чем вода. Оболочки находятся в растянутом состоянии, так как давление воздуха в пузырьках пены больше давления воздуха атмосферы.

Поверхностно-активные вещества состоят обычно из молекул асимметрично-полярной структуры, которая обусловливает способность таких молекул концентрироваться на межфазных пограничных слоях, уменьшая поверхностное натяжение жидкости.

Пенообразователи - это коллоидные или полуколлоидные вещества, которые используют для получения технической пены. Водные растворы этих веществ образуют адсорбционы - прочные и вязкие пленки. Качество пены характеризуется ее пенистостью и пеноустойчивостыо. Пенистость - это выход пены, определяющийся отношением объема полученной пены к объему водного раствора пенообразователя, который затрачен для получения пены. Иногда указанное отношение называется кратностью объема пены.

Пеноустойчивость - это способность пены сохранять в течение длительного времени первоначальный объем без разрушения. Для пеноустойчивости характерна величина оседания столба пены в единицу времени. Пенистость возрастает с увеличением размеров пузырьков воздуха и уменьшением толщины пленок, которые разделяют эти пузырьки. Однако такое повышение пенистости может ухудшить стойкость пены в результате недопустимого снижения прочности пленок при слишком большом уменьшении их толщины. Иногда пепоустойчивость называется стойкостью пены.

Для обеспечения хорошей пенистости и пеноустойчивости требуются неодинаковые условия. Пенистость и пеноустойчивость определяются в основном видом и концентрацией пенообразователя.

Для обеспечения оптимальных условий создания пены и сохранения сю стойкости, т.е. для наилучшей пенистости и пеноустойчивости, используют соответствующие добавки к пене. Вещества, которые увеличивают пенистость, называются активаторами пенообразования, а вещества, которые увеличивают пеноустойчивость, называются стабилизаторами пены.

В качестве активаторов пенообразования применяются щелочные, нейтральные и кислые электролиты. В результате добавки электролитов увеличивается коагуляция пенообразователя и повышается прочность пленок пены. Стабилизаторами пены являются загустители, которые повышают вязкость раствора пенообразователя и препятствуют саморазрушению пены с течением времени. Обычно для стабилизации пены используют столярный клей, различные смолы и др. Иногда для этой цели применяют минеральные соли, кристаллы которых выпадают из раствора и образуются на пленках пены, что укрепляет последние и препятствует оседанию пены.

Пенообразователи должны обеспечить значительную пенистость при хорошей пеностойкости, а также необходимо, чтобы они легко смешивались с растворами вяжущих или других материалов, не взаимодействовали химически с вяжущими и ускорителями их твердения, были просты в изготовлении и т.д. учеными разработан ряд эффективных пенообразователей, например сапониновый, клееканифольный, алюмо-сульфонафтеновый, пенообразователь ГК (гидролизованная кровь) и др.

Газообразование

Теплоизоляционные материалы изготовляются способом газообразования. Сущность этого способа заключается в том, что газы, выделяющиеся в результате химических реакций, стремятся выйти из свежеприготовленной массы и при этом образуют в ней поры. Высокопористая структура материала получается вследствие введения в полужидкую массу газообразователя.

Газообразование применяется для производства ячеистых бетонов (газобетон и газосиликат), ячеистой керамики (газокерамика), ячеистого стекла (пеностекла), газонаполненных пластмасс и др.

При получении ячеистого бетона в конце XIX в. использовали углекислые соли и кислоты. При взаимодействии этих газообразователей выделялся углекислый газ. В настоящее время для получения ячеистых бетонов применяют главным образом алюминиевую пудру, которая вводится в количестве 0,1-0,2% от веса цемента.

Выделяющийся водород обеспечивает вспучивание цементного теста или раствора. При этом конец схватывания должен совпадать с концом газообразования.

Иногда вместо алюминиевой пудры применяют водный раствор перекиси водорода (Н2О2), который в щелочной среде выделяет газообразный кислород.

Газообразование может происходить при обычной температуре, а также при нагревании смешанной с газообразователем массы до высокой температуры.

К газообразователям предъявляют ряд требований. Опи должны выделять значительные объемы газа, быть химически стойкими и не разлагаться при хранении и транспортировании, не выделять вредные продукты.

Если газообразователь применяется при высокой температуре, то наибольшее количество газов он должен выделять при температуре, соответствующей оптимальной вязкости вспучиваемых масс. При производстве ячеистого стекла (пеностекла) эта температура колеблется в пределах 700-900°, при производстве газонаполненных пластмасс составляет около 140-160°.

Основные компоненты массы могут химически взаимодействовать с газообразователем, могут и не вступать в химическую реакцию с ним.

Примером химического взаимодействия массы и газообразо-вателя является реакция, которая происходит между алюминиевой пудрой и гидратом окиси кальция в водной среде:

2Аl + ЗСа(ОН)2 + 6Н2О -> ЗСаО · Аl2О3 · 6Н2О + ЗН2

Примером газообразования, при котором масса не вступает во взаимодействие с газообразователем, является протекающая в щелочной среде реакция выделения кислорода из перекиси водорода:

2H2O2 -> 2H2O + O2

При использовании алюминиевой пудры газовыделение происходит вследствие ее взаимодействия с образующимся при гидратации цемента гидратом окиси кальция. Интенсивность выделения водорода зависит от степени дисперсности алюминиевой пудры, состояния ее поверхности, температуры среды и концентрации в ней водородных ионов. Необходимо, чтобы интенсивность выделения водорода соответствовала скорости повышения вязкости цементного теста или раствора. Выделение водорода должно закончиться к тому моменту, когда тесто или раствор утратит подвижность. Чем меньше частицы газообразователя и чем чище их поверхность, тем быстрее и полнее происходит реакция выделения газа, в данном случае - водорода.

Скорость газовыделения регулируется применением соответствующих ускорителей и замедлителей, которые иногда называют активирующими и пассивирующими добавками. Активирующей добавкой при использовании алюминиевой пудры является, например, раствор двуххлористой и однохлористой ртути (HgCl2 и Hg2Cl2), который разрушает пленку окиси алюминия на поверхности его мельчайших частиц, увеличивая этим их активность при взаимодействии с гидратом окиси кальция. Пассивирующие добавки - это сильные окислители, например азотная кислота, перекись водорода и др. Действие активирующих и пассивирующих добавок прямо противоположно: активирующие добавки очищают поверхность газообразователя от окиси, а пассивирующие окисляют поверхность газообразователя.

При производстве теплоизоляционных огнеупоров с объемным весом 300-400 кг/м3 в глиняную массу добавляют карбонатную породу и серную кислоту. В результате взаимодействия карбонатной породы, например известняка и серной кислоты, происходит реакция:

СаСО3 + H2SO4 -> CaSO4 + Н2О + СО2

Газообразователем является углекислый газ, который вспучивает массу. Объем вспученной массы до обжига закрепляется применением стабилизаторов: быстро твердеющих вяжущих, например гипса, глиноземистого цемента и др. Быстро твердеющие вяжущие затвердевают к моменту наибольшего вспучивания массы. Стабилизаторами могут быть также квасцы. Кристаллизуясь из раствора, квасцы препятствуют оседанию вспученной массы.

Для обеспечения поризации расплавленных стекломасс и пластических масс также применяется способ газообразования. В расплавленные стекла или смолы, имеющие необходимую вязкость, вводят вещества, которые при высокой температуре выделяют газы. При этом вязкие расплавы вспучиваются и остаются такими при остывании. Весьма важным для получения вспученных материалов высокого качества является однородность величины пор и равномерность их распределения в материале. Это может быть достигнуто при надлежащем соотношении между интенсивностью выделения газов и повышения их давления, с одной стороны, и изменением вязкости расплавов в зависимости от их температуры - с другой.