В работе с использованием комплекса методов определены физико-химические характеристики ценосфер: дисперсионный состав, насыпная плотность, pH водной суспензии, удельный вес, тепловой эффект реакции взаимодействия с водой. Составлен рецепт водно-дисперсионной краски на основе ценосфер. Установлено, что введение минеральных добавок стабилизирует водно-дисперсную композицию и препятствует её расслоению. Проведены испытания двухслойного покрытия при воздействии высоких температур. Отмечено изменение его цвета и фактуры. Определён коэффициент теплопроводности двухслойного покрытия.
Ключевые слова:жидкая тонкослойная термоизоляция, огнестойкость, краска, ценосферы.
Ценосферы — это полые стеклокристаллические алюмосиликатные микросферы, которые образуются в составе золы уноса при сжигании углей на тепловых электростанциях [1–3]. Они накапливаются в виде всплывающего шлама в специальных котлованах. Ценосферы являются хорошим наполнителем при производстве изделий из пластмасс, гипса, керамики, облегченных цементов и др. Изделия с их добавлением обладают повышенной износостойкостью, легкостью, высокими изоляционными свойствами и низкой стоимостью [3, 4].
Целью нашей работы явилась разработка состава водно-дисперсионной краски на основе ценосфер, защищающей покрываемые поверхности от возгорания и воздействия агрессивных сред. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи: определить дисперсионный состав ценосфер, насыпную плотность, pH водной суспензии, фракционное разделение в гексане, тепловой эффект реакции взаимодействия с водой; cоставить рецепт краски; испытать устойчивость краски к воздействию высоких температур; определить коэффициент теплопроводности двухслойного покрытия. Поставленные задачи были решены применением комплекса методов. Гранулометрические характеристики ценосфер изучали микроскопическим методом, который заключался в визуальном определении размеров, числа и формы частиц в поле зрения микроскопа [5]. Фракционирование частиц осуществляли разделением в поле тяжести с использованием гексана в качестве дисперсионной среды. Насыпную плотность частиц определяли в соответствии с ГОСТ 10898–64. pH водной суспензии определяли с помощью pH-метра АНИОН 4100. Тепловой эффект реакции взаимодействия ценосфер с водой изучали на учебно-лабораторном комплексе «Химия». Коэффициент теплопроводности краски определяли калориметрическим методом.
Результаты дисперсионного анализа ценосфер представлены на рис.1. Среднечисленный радиус частиц составил 318,2 мкм, коэффициент полидисперсности k < 1.
В табл. 1 представлены результаты определения физико-химических характеристик ценосфер. Согласно полученным данным, 78,8 % частиц имеют удельный вес менее 1, но более 0,6548 г/см3, остальные 21,2 % — менее 0,6548 г/см3. Разделение на фракции происходило в течение одной минуты. Значение насыпной плотности ценосфер составляет 400,7±0,94 кг/м3 и находится в согласии с литературными данными [3, 4]. Измерения pH водной суспензии с частичной концентрацией 1 г/ 25 мл показали щелочной характер среды (рис. 2). Постоянное значение pH устанавливается течение 10 минут. Взаимодействие ценосфер с водой сопровождается незначительным поглощением тепла. Принимая во внимание щелочной характер водной суспензии ценосфер и наличие в их составе силикатов натрия и калия, можно предположить, что отрицательный тепловой эффект может быть обусловлен гидролизом этих солей:
K2SiO3 + HOH ↔ KOH + H2SiO3; Na2SiO3 + HOH ↔ NaOH + H2SiO3.
Рис. 1. Интегральная кривая распределения частиц по размерам
Таблица 1
Физико-химические характеристики ценосфер
|
Массовая доля всплывающих частиц в гексане, % |
21,2 |
|
Массовая доля тонущих частиц в гексане, % |
78,8 |
|
Время разделения суспензии на фракции в гексане, с |
60 |
|
Насыпная плотность, кг/м3 |
400,7 |
|
pH водной суспензии |
8,44 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К |
0,14 |
|
Тепловой эффект взаимодействия с водой, кДж/г |
- 0,117 |
Рис. 2.Изменение pH водной суспензии ценосфер со временем перемешивания
Определив необходимые физико-химические характеристики ценосфер, нами был разработан рецепт водно-дисперсионной краски. Ввиду того, что ценосферы гораздо легче воды и при введении их в водные растворы быстро всплывают, то введением специальных добавок удалость достигнуть стабилизации водных суспензий и получить устойчивую к расслоению водную композицию. На рис. 3 представлены фотографии металлической детали, покрытой водно-дисперсионной краской на основе ценосфер до и после отжига. В результате отжига при 873 К покрытие изменило цвет, фактуру, но от детали не отслоилось. Коэффициент теплопроводности двухслойного покрытия соответствует литературным данным [3, 4].
Рис. 3. Металлическая деталь, покрытая краской при комнатной температуре (а), и после отжига при 873 К в течение 30 мин (б)
Таким образом, в результате проведённых исследований нами определены физико-химические характеристики ценосфер ТЭЦ-5 (г. Омск) и разработан рецепт водно-дисперсионной краски для огне- и теплозащиты.
Литература:
- Чайка, Е. А. Новые технологии переработки отходов в электроэнергетике / Е. А. Чайка, Т. Д. Левицкая, Ю. А. Лайнер и др. // Российский химический журнал. 1994. — Т. 38 — № 3. — С. 82–85.
- Охотин, В. Н. Комплексная переработка зол от сжигания подмосковных углей с выделением ценных компонентов / В. Н. Охотин, В. И. Медведев, Ю. А. Лайнер и др. // Энергетическое строительство. 1994. — № 7. — С.67.
- Архипов, И. И. Современные теплоизоляционные материалы: обзор / И. И. Архипов, А. Б. Кисеньгорф, Г. В. Красноваи др. М.: Химия, 1980. — 286 с.
- Феднер, Л. А. Трудносгораемый теплоизоляционный материал / Л. А. Феднер, М. А. Суханов, М. Я. Шпирт// Строительные материалы. — № 3. -1995. -С. 22–23.
- Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. — Под ред. Ю. Г. Фролова и А. С. Гродского. — М.: Химия, 1986. — 216 с.
