Способ производства декоративных утеплительных морозостойких обли­цовочных плит из гранулированного пеностекла для внешней облицовки зданий (б.К. Демидовичу)

Гранулы 0 5-7мм спекают сразу после вспени­вания в формах в виде плит толщиной 50-80мм. На лицевую поверхность наносится защитно-выравни­вающий слой мастики (8% - жидкое стекло, 25% -портландцемент, 67% - мел), затем сушится. Пуль­веризатором на поверхность наносится слой ли­цевого покрытия, например, цветных силикатных красок. Закрепление красок производится в кон­вективной отжигательной печи с температурой, соответствующей плавлению нанесенных на пе­ностекло покрытий. В результате поверхность из­делия покрывается сплошной пленкой, имеющей различную окраску. Если на поверхность предва­рительно нанести слой крошки, например, шамот­ной, то изделие будет иметь рельефную декора­тивную поверхность. Стоимость 1 м² такой плиты будет 100-150 руб.

Из гранулированного пеностекла возможно также изготовление прошивных одно- и двухслой­ных теплоизоляционных матов многоразового ис­пользования с применением негорючей и негниющей ткани. Такие маты можно использовать для теплоизоляции полов, стен, потолков быстро воз­водимых и сборно-разборных зданий, сооруже­ний, используемых в условиях Крайнего Севера, а также для теплоизоляции трубопроводов, агрегатов машин, павильонов, гаражей, подвалов, лоджий и т.д.

Исследования показали, что пеностекло возможно и экономически выгод­но изготавливать из боя стекла с использованием (до 50%) отходов производств: нефелиновых шла­мов, «хвостов» обогащения руд, золо-шлаковых от­ходов теплоэлектростанций и металлургических производств, а также природных материалов, та­ких как цеолит, перлит, вермикулит, вулканические стекла, легкоплавкие глины.

Основные физико-технические характеристики гранулированного пеностекла

Насыпная плотность, кг/м3	170-350
Прочность на сжатие в цилиндре, МПа	0,8-4,0
Водопоглощение, %	1.5-5
Температура эксплуатации, °С	от -200 до +450
Коэффициент теплопроводности, Вт/м °С	0,05-0,1
	0,03-0,06

Рис. Гранулированное пеностекло

Альтернативы пеностекла

Синтез теп­лоизоляционного материала с использова­нием недефицитного природного сырья можно получить с помощью трепела. Главным направлением исследо­вания было изучение возможности макси­мального замещения в шихте синтетических материалов природными, что позволило бы уменьшить энергозатраты при промышлен­ном производстве за счет исключения ста­дии стекловарения. На сегодняшний мо­мент этому способу энергосбережения практически не уделяется внимания. В тех редких случаях, когда природные материа­лы пробуют применять при производстве пеностекла, их используют либо в неболь­шом количестве в качестве наполнителя в традиционной пеностекольной шихте, либо в качестве компонента шихты при варке стеклогранулята. И в том и другом случае они ухудшают свойства конечного продук­та, а полученное таким образом пеностекло не в состоянии конкурировать с традицион­ными промышленными аналогами даже по низкой цене: выигрыш по энергозатратам чрезвычайно низок. В результате укорени­лось мнение, что экономия на сырьевых материалах не является эффективным спо­собом снижения себестоимости пеностекла и предпочтение следует отдавать специаль­но сваренному стеклу, которое, несмотря на крайне нерациональное расходование теп­ла при его производстве, способно обеспе­чить достаточно высокий процент выпуска товарной продукции.

Важно не только мак­симально использовать дешевое природ­ное сырье, но и добиться высокого каче­ства готовых изделий. В связи с этим в син­тезируемых композициях трепел яв­ляется не основой вспененного материала, а активным наполнителем. Стабильность физико-химических и технологических свойств при этом обеспечивалась специ­ально навариваемым стеклом - силикат-глыбой, выступающей в роли межструктур­ного модификатора.

Повышенное содержание щелочей, с одной стороны, снижает температуру вар­ки стекла, а с другой - делает его химичес­ки активным при сравнительно низких тем­пературах, что позволяет полностью ра­створить компоненты трепела в силикат­ном расплаве уже в ходе вспенивания. В результате, синтез силикатного расплава с заданными свойствами и его вспенивание происходит одновременно, без промежу­точных стадий, сопровождаемых больши­ми теплопотерями.

Увеличение доли трепела существенно повышает вязкость силикатного.

Полученные образцы исследуются в соответствии с требованиями, предъявля­емыми к теплоизоляционным строитель­ным материалам. Минимально необходимое количество трепела, при котором расплав насыщается его компонентами до концентрации, обес­печивающей нерастворимость охлажден­ной силикатной матрицы, соответствует процентному содержанию трепела в исход­ной шихте, равному 25% (рис.1). Модуль получающегося натрий-калиевого силика­та также превышает максимально допусти­мый для растворимых силикатов.

Рис.1. Зависимость концентрации модифицирующих компонентов от содержания трепела в исходной шихте: 1 – суммарная концентрация AL₂O₃ и Fe₂O₃ в трепельном алюмосиликате; 2 – максимально допустимое суммарное содержание AL₂O₃ и Fe₂O₃ в растворимом натрий–калиевом силикате.

Дальнейшее повышение доли трепела в композиции приводит к росту вязкости си­ликатного расплава и, соответственно, тем­пературного интервала вспенивания. При содержании трепела на уровне 50% темпе­ратура вспенивания достигает величины t_всп = 890°С. Это делает невозможным использование традиционных углеродных газообразователей, обеспечивающих получение качественного пеностекла, и существенно усложняет технологический процесс.

В соответствии с оптимальным темпера­турным интервалом вспенивания выбира­ются газообразователи, обеспечивающие максимальный прирост парциального дав­ления газовой фазы при благоприятном для вспенивания значении вязкости расплава. Для композиций с содержанием трепела до 40% допустимо применение карбонатных и более низкотемпературных газообразова­телей. Применение углеродных газообразо­вателей рационально при содержании тре­пела в композициях от 35%.

В соответствии с типом применяемого газообразователя были выбираются температурные диапазоны вспенивания: до 700°С с использованием в качестве газообразо­вателя органических порообразователей; до 770°С с использованием карбонатных порообразователей и до 870°С с использо­ванием технического углерода.

При исполь­зовании углеродсодержащих компози­ций высокая температура вспенивания позволяет получить химически стойкие изделия без выдержки, тогда как при тем­пературе вспенивания около 700...720°С требуется выдержка не менее 1 часа. Таким образом, в результате испытаний был получен новый материал - пеноалюмо­силикат на основе трепела, по основным эксплуатационным свойствам не уступаю­щий пеностеклу. Высокое содержание в ис­ходной шихте природных материалов по­зволяет существенно сократить использо­вание специально навариваемого стекла при стабильно высоком качестве готовых изделий. Пеноалюмосиликат обладает все­ми положительными свойствами пеностек­ла (низкая плотность и теплопроводность, высокая прочность, температурная и хими­ческая устойчивость, водонепроницае­мость). Это в сочетании с более низкой це­ной дает возможность использовать его для тепловой изоляции как стен и перекры­тий, так и трубопроводов систем тепло­снабжения, что позволяет существенно уп­ростить технологию получения силикатных пеноматериалов с одновременным сниже­нием себестоимости готовых изделий.

Оборудование, приборы, материалы

Для выполнения работы необходимо иметь следующее:

1. Образцы для работы, стеклянный бой, газообразователи.

2. Муфельная печь.

3. Гидропресс или разрывная машина с приспособлениями для испытаний.

4. Штангенциркуль, микрометр, напильники, шаберы, бумага наж­дачная.

Методические указания и задания по выполнению работы

1. Ознакомиться с техникой безопасности.

2. Получить образцы.

3. Подготовить образцы к обработке.

4. По указанию преподавателя произвести подготовку к получению стекла.

5. Загрузить образцы в муфельную печь и провести необходимую обработку.

6. Произвести замеры образцов микрометром или штангенциркулем. Результаты занести в протокол испытаний.

7. Изучить структуру соединений на микроскопе МИМ-7. Зарисовать (сфотографировать) структуры в отчете.

8. Произвести измерения основных физико-технических характеристик.

9. Произвести испытание образцов на сдвиг и равномерный отрыв но гидропрессе или разрывной машине, Скорость движения нагружаю­щего зажима 10 мм/мин. Показания манометра ρ (в момент разру­шения клеевого соединения) занести в протокол испытаний.

10. Рассчитать прочностные характеристики.

11. Убрать рабочее место.

Техника безопасности

Получению пеностекла и ситаллов связано с работой муфельной печи. Поэтому при выполнении лабораторной работы соб­людаются следующие правила:

1. работа проводится при включенной приточно-вытяжной вентиля­ции;

2. студенту необходимо одеть спецодежду – брезентовая куртку, брюки, перчатки, обувь;

3. на голову надеть защитную маску;

4. загрузку и выгрузку из печи образцов производить клещами;

5. при ожогах, обработать пораженное место и обратиться к врачу;

6. Строго запрещается прием пищи, курение в лаборатории.

Контрольные вопросы

1. Что такое «стекло»?

2. Оксиды каких элементов являются стеклообразующими?

3. В чем разница непрерывной структурной сетки стекла: кварцевого и натрийсиликатного? Приведите схемы.

4. Что такое «температура стеклования»? Чему она равна для обычного силикатного стекла?

5. Укажите типы кварцевого стекла.

6. Что такое «ситаллы»? Где они применяются?

Форма отчета