WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В работе для изучения и оценки параметров технологических процессов, а также свойств смеси и свойств композитов использованы как стандартные методики, регламентируемые нормативными документами, так и нестандартные методики исследований. Достоверность полученных результатов гарантирована применением испытательного оборудования и средств измерения, прошедших поверку Центром стандартизации и метрологии, требуемым объемом выборки и статистической обработкой с применением современных методов обработки и анализа данных посредством интегрированного статистического пакета STADIA 6.0.

В качестве исходных компонентов использованы как традиционные, так и техногенные сырьевые материалы.

Для получения пеностекольной композиции и в качестве вяжущего использовано натриевое жидкое стекло, полученное путем растворения микрокремнезема в щелочном растворе NаОН. Свойства используемого жидкого стекла: силикатный модуль n=1-5, плотность р=1,2-1,4 г/см3.

Для получения пен из жидкого стекла исследованы водные растворы пенообразователя “Тайга” (ТУ №13-4302007-032-92) на основе смоляных и жирных омыленных кислот и “Морпен” (ТУ №0258-001-01013393-94) на основе триэтаноламина.

В качестве минеральных наполнителей во вспененных жидких стеклах использованы тонкодисперсные отходы: микрокремнезем и зола-унос.

Микрокремнезем (ТУ-5743-048-02495332-96) - отход, образующийся в результате осаждения на четырех этапах (полях) системы газоочистки плавильных печей производства кристаллического кремния. Микрокремнезем характеризуется истинной плотностью 2,0-2,6 г/см3, насыпной плотностью 150-300 кг/м3. Удельная поверхность, по оценке разных исследователей, колеблется 1000-2500 м2/кг. Химический состав микрокремнезема представлен преимущественно двуокисью кремния (70-93%), а также окислами железа, магния, натрия, калия, алюминия и кальция (до 1%) и углеродистыми примесями С и SiC (потери при прокаливании 4-25%). Нестабильность количественных значений SiO2 (V = 11,9 %) и потерь при прокаливании (V = 80,5 %) проб микрокремнезема 1, 2, 3 и 4 полей и различных периодов отбора показывают необходимость оценки влияния указанных отличий на свойства получаемого материала.

Зола - унос - отход, образующийся в результате сжигания твердого топлива и представленный двумя полями. Характеризуется зола-унос истинной плотностью 2,7-2,8 г/см3, насыпной плотностью 1382-1430 кг/м3, удельной поверхностью 390-430 м2/кг. Химический состав золы представлен преимущественно SiO2 (47-56%), Al2O3 (13-20%) и СаО (14-16%), а также окислами железа (7-8%), магния, натрия, калия и серы (не более 4%). Вариативность количественных значений SiO2 (V=12,3%) и Al2O3 (V=25%) проб золы I и II полей различных периодов отбора показывают необходимость оценки влияния указанных отличий на свойства получаемого материала.

В качестве отвердителя жидкого стекла использован кремнефтористый натрий (Na2SiF6) по ТУ 6-08-01-1.

В качестве кальцийсодержащей добавки использована воздушная кальциевая известь по ГОСТ 9179-77*.

В третьей главе приведены исследования структурообразования и физико-механических характеристик минерализованных отвержденных жидких стекол с целью установления условий формирования прочных межпоровых перегородок.

Как установлено теоретическими исследованиями получение композиционных материалов с максимальными прочностными характеристиками осуществимо при условии контактного омоноличивания наполнителя вяжущим. Для обеспечения контактного омоноличивания наполнителя жидким стеклом степень минерализации должна быть максимально возможной при сохранении технологичности смеси. Данную степень минерализации характеризует максимальный Кнас. Максимальный коэффициент насыщения оценивался по критерию однородности перемешивания и сохранения смесью тиксотропных свойств. Ухудшение формуемости смеси при максимальном Кнас, очевидно, связано с переходом жидкого стекла в структурированное состояние. Экспериментально установлено, что максимальный Кнас зависит от вида и дисперсности наполнителя, а также от силикатного модуля и плотности жидкого стекла, что связано с толщиной формирующегося на поверхности наполнителя адсорбционного слоя. При минерализации жидкого стекла микрокремнеземом различных полей вариативность Кнас незначительна и составляет 1,9-5,2 %, при использовании в качестве наполнителя золы-унос различных полей коэффициент вариации составляет 18-27%.

Исследованиями параметров твердения минерализованных микрокремнеземом жидких стекол с добавкой отвердителя установлено, что оптимальный расход отвердителя составляет 10 % от массы жидкого стекла. Время тепловой обработки - не менее 15 часов при температуре 50-60 оС до набора материалом требуемых прочностных характеристик. При увеличении температуры до 80-90 оС, с целью ускорения времени твердения, материал вспучивается, образуется горбушка, даже при постепенном ступенчатом подъеме температуры свыше 60 оС появляются дефекты структуры в виде трещин, связанные с температурным расширением.

Результаты экспериментов по изучению свойств минерализованных микрокремнеземом до максимального Кнас и отвержденных жидких стекол различных силикатных модулей и плотностей показали, что зависимости предела прочности при сжатии и коэффициента размягчения от свойств жидкого стекла носят экстремальный характер. Наибольшие показатели предела прочности при сжатии (4-5 МПа) и коэффициента размягчения (0,85-0,95) при плотности материала порядка 850 кг/м3 получены при использовании жидкого стекла с силикатным модулем 2-3 плотностью 1,4 г/см3. Однако для материалов на основе жидкого стекла с силикатным модулем 3 плотностью 1,4 г/см3 характерны деформации усадки, превышающие допустимые значения. В связи с этим в дальнейших исследованиях для получения ячеистых материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла с требуемыми физико-механическими характеристиками использованы жидкие стекла с силикатным модулем 2-3 плотностью 1,4-1,3 г/см3 соответственно, максимальный Кнас для которых составляет 0,39.

Аналогичным образом изучены свойства минерализованных золой и отвержденных жидких стекол. В дальнейших исследованиях использовано жидкое стекло с силикатным модулем 1 плотностью 1,4 г/см3, на основе которого получены материалы с наибольшим пределом прочности при сжатии (20-25 МПа) при средней плотности материала 1250 – 1300 кг/м3.

Вариативность физико-механических характеристик материалов при использовании в качестве наполнителя микрокремнезема различных полей составляет до 11%, при использовании золы-унос различных полей - до 39%. В связи с этим в дальнейших исследованиях в качестве наполнителя использованы смесь микрокремнезема различных полей, а также зола I и II поля.

В четвертой главе приведены исследования процессов получения и физико-механических характеристик материалов на основе минерализованных пен из жидкого стекла.

Для формирования ячеистой структуры материала изучены закономерности получения пен из жидкого стекла. Был опробован способ получения пен путем совместного перемешивания в высокоскоростном смесителе композиции жидкое стекло – пенообразователь. При использовании пенообразователя «Тайга» пенообразования не наблюдалось. При использовании пенообразователя «Морпен» получены пены кратностью до 9. Отмечено, что в данном случае на кратность пены влияет концентрация пенообразователя, его дозировка, режимы перемешивания, а также свойства жидкого стекла. Установлено, что с уменьшением силикатного модуля и плотности жидкого стекла кратность пены увеличивается. Так, наибольшей пенообразующей способностью обладают низкомодульные жидкие стекла невысоких плотностей. Однако, как установлено ранее, для получения ячеистых материалов с требуемыми физико-механическими характеристиками необходимо использование жидкого стекла с силикатным модулем 2-3 плотностью не менее 1,3 г/см3. Кратность вспенивания указанных жидких стекол не превышает 2, что недостаточно для получения ячеистых материалов требуемой плотности.

В связи с этим был опробован способ двухстадийного получения пен, путем селективного введения и перемешивания компонентов. На первой стадии получают пену из водных растворов пенообразователей. На второй стадии в полученную пену вводят жидкое стекло с требуемыми свойствами, при этом происходит равномерное распределение жидкого стекла по пенным пленкам с сохранением всего объема пены. Степень поризации регулируется путем соотношения объемов пены и жидкого стекла. Указанный способ позволяет получать пеностекольные композиции с необходимой поризацией на основе жидкого стекла, обеспечивающего требуемые механические характеристики материалов.

Исследованиями процесса минерализации пеностекольной композиции установлено, что микрокремнезем и зола-унос по-разному влияют на вспененную композицию. Зола в отличие от микрокремнезема вызывает гашение пены с момента начала минерализации, причем более интенсивно, чем крупнее ее частицы. Увеличение размера частиц сопровождается появлением “ранящего эффекта” пенных пленок, что вызывает гашение части пены, изменение ее дисперсности и однородности. Кроме того, отмечено, что при степени минерализации, соответствующей максимальному Кнас, происходит резкое гашение пены. Это обусловлено процессами перехода жидкого стекла в структурированное состояние. Минерализованная жидкостекольная матрица разрушается от воздействия лопастей смесителя, происходит уплотнение смеси. Установлено, что для получения ячеистой структуры Кнас вспененного жидкого стекла не должен превышать максимального значения равного для исследуемых жидких стекол 0,39.

Для определения степени минерализации вспененного жидкого стекла изучено влияние Кнас на свойства материалов на его основе (рис. 1). Установлено, что материалы на основе вспененного минерализованного до максимального Кнас жидкого стекла имеют плотность больше проектной и невысокие прочностные характеристики, что обусловлено гашением значительной части пены и нарушением формирующихся структурных связей. Такие материалы имеют неоднородную структуру. Получение материалов с оптимальными физико-механическими характеристиками возможно при степени минерализации 0,37 для используемых жидких стекол, что на 5% меньше максимального Кнас. Дальнейшее уменьшение Кнас сопровождается снижением прочностных характеристик при увеличении средней плотности материала, вследствие объемного омоноличивания наполнителя жидким стеклом. Такая композиция склонна к деформациям усадки при тепловой обработке с нарушением структурных связей.

Рис. 1. Влияние степени минерализации на свойства ячеистого

материала на основе минерализованных пен из жидкого стекла

При использовании в качестве наполнителя золы приведенные закономерности справедливы, однако полученные материалы обладают высокими для теплоизоляционных материалов значениями средней плотности (900-1100 кг/м3) и пониженными прочностными характеристиками (менее 1 МПа), поэтому в дальнейшем материал на основе золы не исследовался.

Материалы, полученные на основе минерализованных микрокремнеземом пен из жидкого стекла, отвечают требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам, однако для использования их в качестве конструкционно-теплоизоляционных их механические характеристики недостаточны. В связи с этим было сделано предположение, что введение добавки извести позволит повысить прочностные характеристики материалов за счет образования гидросиликатов кальция. Поисковыми экспериментами было установлено, что повышение прочностных характеристик можно обеспечить введением добавки извести в количестве до 20% от массы жидкого стекла.

Планированным экспериментом по оптимизации составов материалов на основе вспененного минерализованного жидкого стекла оптимизированы дозировки добавки, раствора пенообразователя и свойства используемого жидкого стекла. Установлено, что оптимальная дозировка добавки составляет 10 % от массы жидкого стекла. При этом отмечено, что введение добавки вызывает более интенсивный прирост прочности при использовании жидкого стекла с низким модулем (в диапазоне свойств жидкого стекла: n=2 - 3 р=1,4 - 1,3 г/см3). Введение добавки в указанном количестве позволяет повысить и коэффициент размягчения материалов, более значительно при использовании низкомодульных жидких стекол (с 0,94 до 0,99 для материалов плотностью 600-700 кг/ м3).

Полученные результаты объясняются данными физико-химических исследований. Сравнение рентгенограмм образцов и исходных компонентов (жидкого стекла и микрокремнезема) выявило структурные изменения, связанные с увеличением кристаллической составляющей. В результате идентификации межплоскостных расстояний среди продуктов твердения можно предположить низкоосновные гидросиликаты кальция, фтор-гидросиликаты, гидросиликаты натрия. Отмечено, что дифракционные максимумы имеют большую интенсивность на рентгенограммах образцов на основе жидкого стекла с силикатным модулем 2. Это, вероятно, связано с более интенсивными процессами образования кристаллической фазы, обуславливающей более высокие механические характеристики и водостойкость композитов на основе жидкого стекла с силикатным модулем 2.

При рассмотрении ИК-спектров образцов отмечены полосы поглощения в области 700 – 1200 см-1, характерные для спектров силикатов с Si - O связями. Полосы поглощения в области 1060 – 1070 см-1 свидетельствуют о наличии различно сгруппированных между собой кремнекислородных тетраэдров с высокой степенью полимеризации. Полученные данные согласуются с результатами ИК-спектроскопии композиций на основе жидкого стекла и кремнезем содержащих модификаторов, приведенными в работах Иващенко Ю.Г. Эти данные позволяют судить о процессах растворения SiO2 c поверхности наполнителя с выделением кремнегеля за счет нейтрализации щелочи жидкого стекла и увеличения количества связей Si - O – Si, что способствует появлению более прочных и водостойких новообразований, таких, как гидросиликаты кальция, фтор-гидросиликаты, гидросиликаты натрия.

Данные электронной микрофотографии подтверждают результаты рентгенофазового анализа и ИК-спектроскопии. На фотографии, сделанной с прозрачного шлифа в поляризованном луче света при 150-кратном увеличении, различаются призматические, таблитчатые и сферолитовые микроагрегаты гидросиликатов в цементе пеностекла. Снимки с прозрачных шлифов в поляризованном луче света при 30-кратном увеличении подтверждают наличие микрозернистых агрегатов фтор-гидросиликатов в цементе пеностекла.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»