Исследование структуры и физико-технических свойств композиционного стеклокерамического материала (СКМ) | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 1 мая, печатный экземпляр отправим 5 мая.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Экология

Опубликовано в Молодой учёный №14 (356) апрель 2021 г.

Дата публикации: 05.04.2021

Статья просмотрена: 10 раз

Библиографическое описание:

Шефер, Е. А. Исследование структуры и физико-технических свойств композиционного стеклокерамического материала (СКМ) / Е. А. Шефер, А. С. Апкарьян. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 14 (356). — С. 49-53. — URL: https://moluch.ru/archive/356/79696/ (дата обращения: 19.04.2021).



На основе использования стеклобоя, низкоплавкой глины и органических добавок разработана экологически чистая, ресурсосберегающая технология производства теплоизоляционного стеклокерамического гранулированного материала (СКМ). В статье представлены результаты исследования зависимости физико-технических характеристик гранул от состава шихты, структуры гранул и межпоровых перегородок.

Ключевые слова: стеклобой, стеклокерамический материал, шихта, гранулы, плотность, теплопроводность, температура, водопоглощение, теплоизоляция, поры.

Основное преимущество материалов на основе алюмосиликатных соединений по сравнению с известными теплоизоляционными материалами заключается в уникальном сочетании теплоизоляционных и конструкционных свойств, что позволяет использовать этот материал в различных отраслях промышленности. Известный тип этого материала, такой как пеностекло, имеет несомненные преимущества: низкая теплопроводность, малая плотность, высокая термостойкость.

Пеностекло не имеет широкого применения. Невозможно организовать производство пеностекла в полукустарных условиях, как это делается с пенопластом, пенополистиролом и пенобетоном. При производстве пеностекла требуется большое количество стеклобоя, наличие которого ограничено. Особенности технологии пеностекла предопределяют его довольно высокую стоимость.

Цель работы — получение пористого теплоизоляционного гранулированного стеклокерамического материала (СКМ) на основе боя стекла, пластификатора (глина), газообразователя (кокса) и органических добавок (опилки) [1], тем самым решая две основные задачи:

— обеспечение производства СКМ дешевым и доступным сырьём;

— решение экологической проблемы — возврат боя стекла в промышленность.

Поставщики битого стекла — это компании, производящие оконные стекла, стеклопакеты и стеклянную тару.

Пластификатор — глина. Способствует повышению прочности, огнестойкости и снижению водопоглощения гранул.

Газообразователь — кокс. При выборе типа газообразователя исходили из возможности сочетания температуры вспенивания расплава и давления газообразных продуктов.

Отличительной особенностью предлагаемого состава шихты является ввод органических добавок — древесных опилок. Ввод опилок способствует: повышению температуры гранул и газов в период вспенивания; увеличению объёма и давления газа.

На рис. 1а и 1б изображены гистограмма и микрофотография гранулы СКМ для состава 1: бой стекла — 84 %, кокса 5 %, глина — 8 %, опилки 3,0 %. Наибольшее количество пор имеют размер 0,162–0,237 мм 2 (54,6 %) и минимальное размером 0,311–0,608 мм 2 (45,4 %). Прочность гранул на сжатие — 0,82 МПа, плотность 200 кг/м 3 , коэффициент теплопроводности составил 0,067 Вт/м о С.

Гранулированный СКМ с содержанием глины в шихте 8 %

Рис. 1. Гранулированный СКМ с содержанием глины в шихте 8 %

а — гистограмма распределения пор по количеству и размерам;

б — микрофотография гранулы, (х200)

На рис. 2а и 2б изображены гистограмма и микрофотография гранулы СКМ для состава 2: бой стекла — 82 %, кокс 5 %, глина –10 %, опилки 3,0 %. Наблюдается снижение размеров малых пор и увеличение их количества — 0,104–0,278 мм 2 (62 %). Увеличилось количество пор размером 0,311–0,608 мм 2 (38 %), но они находятся в окружении малых пор. Гранулы в большей степени насыщены легкоплавкой глиной и обладают высокой прочностью на сжатие — 1,74 МПа,

На рис. 3а и 3б изображены гистограмма и микрофотография распределения пор гранул состава 3: бой стекла — 67 %, кокс 5 %, глина –25 %, опилки — 3,0 %. При увеличении глины в шихте вязкость расплава повышается, а количество газа, образовавшегося в процессе дегазации, и его давление недостаточно для увеличения объёма пор. Наблюдается значительное снижение размеров малых пор до 0,101–0,268 мм 2 и увеличение их количества до 67 % по сравнению с составами 1 и 2. Количество пор площадью от 0,35 до 0,72 мм 2 незначительно и их количество значительно меньше, чем в составах № 1 и № 2. При обжиге стекловидная фаза насыщается компонентами глины, образуя стеклокерамическую перегородку. Свободный углерод в перегородке отсутствует. Прочность гранул на сжатие составила — 2,5 МПа. Увеличение количества мелких пор и толщины перегородок способствовало увеличению плотности до 290 кг/м 3 . Коэффициент теплопроводности увеличился до 0,087 Вт/м о С.

Гранулированный СКМ с содержанием глины в шихте 10 %

Рис. 2. Гранулированный СКМ с содержанием глины в шихте 10 %

а — гистограмма распределения пор по количеству и размерам;

б — микрофотография гранулы, (х200)

Гранулированный СКМ с содержанием глины в шихте 25 %

Рис. 3. Гранулированный СКМ с содержанием глины в шихте 25 %

а — гистограмма распределения пор по количеству и размерам;

б — микрофотография гранулы, (х200)

Теплофизические параметры гранул зависят от структуры перегородок. Гранулы с содержанием глины 10, 20, 25 мм, подвергали помолу до тонины 1мкм и изучали на просвечивающем электронном микроскопе. Полученные микрофотографии свидетельствуют, что по выраженному гало можно судить о значительном количестве аморфной фазы. Кристаллы формируются оксидами, находящимися в составе стекла и глины, в период обжига. Количество минералов карбонатной группы резко снижается при температуре 800°С и полностью исчезают при температуре 900 °С, растворяясь в жидкой фазе. Мусковит с ростом температуры также уменьшается и при температуре 1000°С отсутствует. Поэтому при температуре 830–850 °С наблюдаются остатки кристаллов этих минералов.

Микрофотографии состояния перегородок гранул с содержанием глины в шихте 10 % (х40000)

Рис. 4. Микрофотографии состояния перегородок гранул с содержанием глины в шихте 10 % (х40000)

а — светлополосное изображение; б — дифракционная картина;

в — тёмнополосное изображение

1 — кристаллическая фаза вещества; 2 — аморфная фаза вещества

Таким образом, перегородки образованы преимущественно аморфной массой. Оплавление межпорового пространства способствует повышению доли закрытой пористости.

Микрофотографии состояния перегородок гранул с содержанием глины в шихте 20 % (х40000)

Рис. 5. Микрофотографии состояния перегородок гранул с содержанием глины в шихте 20 % (х40000)

а — светлополосное изображение; б — дифракционная картина;

в — тёмнополосное изображение

1 — кристаллическая фаза вещества; 2 — аморфная фаза вещества

Микрофотографии состояния перегородок гранул с содержанием глины в шихте 25 % (х40000)

Рис. 6. Микрофотографии состояния перегородок гранул с содержанием глины в шихте 25 % (х40000)

а — светлополосное изображение; б — дифракционная картина;

в — тёмнополосное изображение

1 — кристаллическая структура; 2 — аморфная структура

Выводы:

  1. Исходя из результатов исследования следует, что ввод легкоплавкого наполнителя и органических добавок способствует увеличению прочности гранул на сжатие до 1,74 МПа и снижению водопоглощения до 2,6 %. При этом плотность составила 260–290 кг/м3, теплопроводность 0,067–0,075 Вт/м о С.
  2. Результаты проведённых исследований СКМ дают возможность использовать бой стекла в сочетании с минеральными и органическими компонентами для производства новых видов композиционных пористых теплоизоляционных материалов.

Литература:

  1. A. S. Apkaryan, S. N. Kulkov. Formation of Structure and Closed Porosity under High-Temperature Firing of Granules of Porous Glass-Ceramic Material. «Inorganic Materials: Applied Research» volume 9, number 2. 2018. P.286.
  2. Демидович Б. К. Производство и применение пеностекла /Б. К. Демидович. — Минск: Наука и техника, 1972. — 304 с.
  3. Гимик В. В., Наумов В. И., Сучков В. П. Строительные материалы из отходов промышленных производств// Тр. Научно-технической конференции Строительный комплекс-98, г. Новгород, НИГАСУ, 1999, Н.Новгород, 1999г.
Основные термины (генерируются автоматически): содержание глины, микрофотография гранулы, бой стекла, гистограмма распределения, дифракционная картина, микрофотография состояния перегородок гранул, темнополосное изображение, шихта, аморфная фаза вещества, кристаллическая фаза вещества.


Ключевые слова

плотность, температура, теплоизоляция, водопоглощение, теплопроводность, гранулы, шихта, стеклобой, стеклокерамический материал, поры
Задать вопрос