        На правах рукописи
Мешков Александр Владимирович
СОСТАВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОСТЕКЛА ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ на основе ДИАТОМитОвоГО сырья
Специальность 05.17.11 – технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск
2013
Работа выполнена на кафедре технологии силикатов и наноматериалов ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехнического университета»
Научный руководитель
Казьмина Ольга Викторовна доктор технических наук, доцент
Официальные оппоненты:
Дерябин Владимир Андреевич доктор технических наук, профессор,
зав. кафедрой технологии стекла,
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный
университет имени президента России Б.Н. Ельцина
Козик Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой неорганической химии,
Национальный исследовательский Томский государственный университет
Ведущая организация НИИ строительных материалов ТГАСУ,
г. Томск
Защита состоится «26» марта 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного cовета Д 212.269.08 при ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634050 г. Томск, пр. Ленина, 30, корп. 2, ауд. 117
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехнического университета».
Автореферат разослан «26» февраля 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного
совета
к.т.н., доцент Петровская Т.С.
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Пеностекло является высокоэффективным теплоизоляционным материалом неорганической природы, отвечающим требованиям современного строительства. Основным принципом выбора теплоизоляции должно быть сочетание высоких теплотехнических характеристик и долговечность материала. В этом плане особый интерес представляет пеностекло пониженной плотности с достаточной прочностью и качественной структурой. Такой материал обладает низкой теплопроводностью, негорючестью, благодаря структуре с замкнутыми ячейками водо- и паронепроницаемостью, и имеет неограниченный срок службы.
Для производства пеностекла актуальными остаются вопросы исходного сырья, в связи с чем исследования направленные на расширение сырьевой базы являются приоритетными. Использование отходов в виде различного вторичного стеклобоя не гарантирует однородности стекла по составу, что соответствующим образом сказывается на качестве готового материала. Поэтому условием получения высококачественного пеностекла пониженной плотности с оптимальными характеристиками и их воспроизводимостью является варка стекла определенного состава. При этом необходимо решать вопросы снижения энергозатрат путем уменьшения температуры варки стекла с привлечением подходящего для этих целей активного кремнеземистого сырья.
В связи с этим актуальными являются исследования по разработке составов и технологии получения пеностекла пониженной плотности и относительно высокой прочности на основе различных видов кремнеземистых материалов.
Диссертационная работа выполнялась в рамках государственных научных и научно-технических программ: гранта Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 11-03-98015-р_сибирь_а), при поддержке Министерства образования и науки РФ гос. задание "Наука" 3.3055.2011.
Объекты исследования – стекло, полученное на основе диатомита Инзенского месторождения, и пеностекло пониженной плотности, полученное из диатомитового стекла.
Предмет исследования – физико-химические процессы силикато- и стеклообразования, протекающие при плавлении шихт на основе диатомита, и при получении пеностекла пониженной плотности на основе диатомитового стекла, состав и свойства пеностекла.
Цель работы – разработка составов и технологических параметров изготовления пеностекла пониженной плотности (менее 160 кг/м3) на основе диатомитового стекла, полученного путем варки шихты из диатомита.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
исследование состава и свойств диатомитового сырья;
разработка составов исходной стекольной шихты;
исследование особенностей силикато- и стеклообразования при термообработке шихт на основе диатомита;
оценка физико-химических свойств стекол, полученных на основе диатомита;
исследование температурно-временных режимов и факторов, влияющих на процессы пенообразования;
исследование влияния механоактивации на формирование равномерной мелкопористой структуры в процессе вспенивания;
исследование основных свойств и определение технологических параметров получения пеностекла на основе диатомитового сырья.
Научная новизна
Установлено, что наличие в диатомите аморфной составляющей кремнезема в виде опала в количестве 70 об. % с размером частиц менее 7 мкм ускоряет процесс силикатообразования, снижая температуру завершения процесса на 140 оС (до 830 оС), при этом процесс стеклообразования завершается при температурах 1300 – 1350 оС, что на 200 – 250 оС ниже по сравнению с температурой варки стекла на основе кварцевого песка (1500 – 1550 оС).
Установлено, что содержание в стекле оксидов железа 2,5 0,5 мас. % и алюминия 40,5 мас. %, которое соответствует соотношениям оксидов (SiO2+Al2O3)/Fe2O3 30 в диатомите, и присутствие оксидов серы в количестве 0,1 – 0,3 мас. % за счет сульфатной составляющей щелочного компонента шихты, снижает продолжительность (на 14-27 %) и температуру вспенивания (на 30-40 оС), что обеспечивает устойчивое формирование равномерной мелкопористой структуры легкого пеностекла плотностью менее 160 кг/м3.
Установлено, что микроструктура пеностекла из диатомитового стекла, отличается от структуры пеностекла, полученного из промышленного стеклобоя, микроглобулярным строением межпоровой перегородки, что обеспечивает прочность пеностекла до 2 МПа по сравнению с прочностью промышленного пеностекла 1 МПа. Механоактивация пенообразующей смеси диатомитового стекла с сажей в планетарной мельнице до удельной поверхности 850 м2/кг обеспечивает снижение плотности до 120 кг/м3 с сохранением прочности 1,3 МПа, по сравнению с прочностью промышленного пеностекла такой же плотности 0,7 МПа.
Практическая значимость
Предложены составы шихт на основе диатомитового сырья для получения стекла, с температурой варки 1300 – 1350 оС, что на 200-250 оС ниже температуры стекловарения традиционных составов.
Разработана технология получения лёгкого пеностекла со средней плотностью 120 - 160 кг/м3.
Технические решения по получению пеностекла пониженной плотности из разработанных составов опробованы в опытно-промышленных условиях, что подтверждается актами о внедрении.
Апробация работы Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней: ХIV, XVIII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2008, 2012); XI, Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых учёных (Томск, 2008, 2012); IХ, ХIII Всероссийских научно-практических конференциях студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008, 2012); Международной молодёжной научно-практической конференции «Приоритеты и интересы современного общества», а также на семинарах кафедры технологии силикатов и наноматериалов ТПУ.
Структура и объём диссертации Диссертация изложена на 189 страницах машинописного текста и состоит из пяти глав и основных выводов, содержит 75 рисунков, 42 таблицы. Список литературы насчитывает 114 источников.
Публикации Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, включая 4 статьи в центральной печати.
Автор и научный руководитель представленной диссертационной работы выражают благодарность профессору Маневичу В.Е. и к.т.н. Виницкому А.Л. за неоценимую помощь в организации варки диатомитового стекла в производственных условиях.
Содержание работы
Во введении дано обоснование выбора темы, определены задачи исследования, показана актуальность данного направления, научная новизна и практическая значимость работы. Выбор темы обусловлен необходимостью расширения сырьевой базы для получения высокоэффективного теплоизоляционного пеностекла.
В первой главе (Анализ научной литературы о перспективах использования аморфного тонкодисперсного кремнеземистого сырья в производстве стекла) рассмотрены и проанализированы работы отечественных и зарубежных авторов в области получения теплоизоляционных материалов на основе кремнезёмистых горных пород. Показаны возможности использования аморфно-кристаллического кремнеземистого сырья при получении стекломатериалов. Описаны составы и способы получения пеностекла, приведены физико-механические характеристики, дана оценка применяемых технологических решений.
Материал, разработанный ещё в начале ХХ столетия советским ученным И.И. Китайгородским, до сих пор не производится на территории России в промышленных масштабах. Этому существует несколько причин, во первых отсутствует отработанная высокопроизводительная автоматизированная промышленная технология, позволяющая выпускать пеностекло с постоянными заданными характеристиками. Во вторых отсутствует недефицитная сырьевая база, обеспечивающая бесперебойное производство высокоэффективного материала. Стоит отметить, что объёмы выпуска пеностекла в Европе оцениваются примерно в 1000000 м3/год, причем почти 99 % производства принадлежит дочерней компании Pittsburgh Corning.
Анализ научной литературы показал, что легкое пеностекло (плотностью менее 160 кг/м3) можно получить только из специально сваренного стекла определенного состава. Однако при этом необходимо учитывать, что процесс стекловарения является очень затратным и энергоемким, в связи с чем необходимо применять меры, способствующие снижению температур варки. В настоящее время в России ведутся работы по использованию различных видов сырья и технологических приемов получения пеностекла. Большой вклад в вопросах расширения сырьевой базы для получения пеностекольных материалов внесли ученые российских университетов, таких как РХТУ им. Д.И. Менделеева (Москва), БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород), ТПУ (Томск), ВГАСУ (Воронеж) и др. Разработаны технологии получения пеностеклокристаллических материалов на основе распространённых видов кремнезёмистого сырья, минуя процесс стекловарения. Данные материалы обладают высокой прочностью, но при этом имеют повышенную плотность, что определяется недостаточной однородностью стеклофазы, а также присутствием остаточной кристаллической фазы в межпоровой перегородке материала.
Практический и научный интерес представляет вопрос получения пеностекла пониженной плотности с сохранением прочности.
На основании вышеизложенного сформулированы цели и задачи работы.
Во второй главе (Характеристика исходных сырьевых материалов и методология работы) представлены характеристики объектов исследования и данные о применяемых в работе методах и методиках исследований исходных материалов и полученных на их основе материалов. В качестве основного компонента стекольной шихты рассмотрен диатомит Инзенского месторождения, использование которого в технологии пеностекла позволит расширить сырьевую базу данного производства, что определяется доступностью и достаточными запасами диатомитового сырья (800 млн. тонн), относительной дешевизной, связанной с природным происхождением. В качестве вспомогательных материалов для варки стекла выбраны доломитовая мука, сульфат натрия, кальцинированная и нефелиновая соды, а в качестве газообразователей опробованы углерод технический марки П 245, антрацит и карбид кремния.
Определение химического и гранулометрического состава, РФА, ДСК и электронную микроскопию проводили соответственно на рентгено-флуоресцентном спектрометре ARLOPTIM’X, лазерном дифракционном анализаторе размера частиц «Analizette 22» NanoTec, рентгеновском дифрактометре ARLX’TRA, синхронном термоанализаторе SТА 449F3Jupiter и на растровом электронном микроскопе JSM-840 фирмы «Jeol».
По данным химического и рентгенофазового анализа диатомит Инзенского месторождения имеет многокомпонентный состав, представленный главным образом стеклообразующим оксидом SiO2 (до 83 %), промежуточным оксидом Al2O3 (до 7,5 %) и модификаторами (Fe2O3, R2O, RO). Относительно низкое содержание SiO2, по сравнению со стекольным песком (менее 95 %) компенсируется тем, что преобладающей фазой является аморфный опал, являющийся более реакционноспособным, чем кристаллический SiO2. Данные электронной микроскопии подтверждают (рис.1), что диатомиты сложены в основном крупными обломками, а также цельными створками диатомей. Относительно высокое содержание Al2O3 позволит исключить дополнительный ввод глиноземистого сырья и упростить состав шихты.
Диатомит Инзенского месторождения, как и диатомиты других месторождений, характеризуется непостоянством химического состава (табл. 1). По результатам химического анализа различных партий диатомита установлено, что основную роль в нестабильность состава вносят такие оксиды как SiO2, Al2O3 и Fe2O3. По соотношению данных оксидов выделены две группы диатомитов – высоко- и низкожелезистые. К группе высокожелезистых отнесены диатомиты с соотношением оксидов SiO2 и Al2O3 к оксиду Fe2O3 менее 30 ((SiO2 + Al2O3)/Fe2O3 30) и содержанием Fe2O3 более 3 %. К группе низкожелезистых отнесены диатомиты с соотношением оксидов ((SiO2 + Al2O3)/Fe2O3) более 30 и содержанием оксида железа менее 3 %. Это необходимо учитывать при корректировке состава шихты. Поскольку на высокопроизводительных промышленных стекловаренных печах создаются условия интенсивного усреднения стекломассы с помощью конвекционных потоков и т.п. можно ожидать, что значительного влияния на качество стекла, данные колебания оказывать не будут. |
