Аналитический обзор исследований по технологии пеностекла



В статье приведены современные исследования по разработке составов и технологии пеностекла на основе природного и техногенного сырья, а также шихт для производства изделий из пеностекла и пенокристаллического материала. В качестве основного сырьевого компонента для изготовления изделий из пеностекла применяются стеклобой и стеклогранулят. Для корректировки состава пеностекла в шихту добавляют перлитовую и базальтовую породы, вспученный перлит, нефелиновый сиенита, щелочесодержащие породы, цеолитсодержащие туфы с исключением энергоемкой стадии стекловарения, природный кварцевый песок и раствор щелочи. Для синтеза гранулята по низкотемпературной технологии применяют низко- и высококальциевое золошлаковое сырье с корректировкой шихты кальцинированной содой и тонкодисперсным кремнеземом. В качестве пенообразователя применяются карбонатные породы, уголь, смесь кальцинированной соды с глицерином и т. п.

Средняя плотность разработанных теплоизоляционных и теплоизоляционно-конструкционных пеностекол находится в пределах 150–750 кг/м ³ ; коэффициент теплопроводности — 0,03–0,11; водопоглощение 0,8–0,9 %, прочность при сжатии — 3,5–9,0 МПа.

Ключевые слова: пеностекло, стеклобой, термообработка, коэффициент теплопроводности, средняя плотность, прочность.

Впервые в мире о пеностекле как о строительном материале упомянул в своем докладе академик И. И. Китайгородский на Всесоюзной конференции по стандартизации и производству новых материалов в Москве в 1932 году. Вскоре в СССР была предложена технология и намечены области применения пеностекла. В 30-е годы прошлого века начаты интенсивные работы и получены патенты на производство пеностекла во Франции, Чехословакии, США, Англии и Германии. В годы второй мировой войны исследования и технологические работы были свернуты повсеместно за исключением США. Это позволило Соединенным Штатам в период войны освоить крупнотоннажное производство пеностекла, преимущественно для нужд военно-морского флота, а затем на многие годы выйти в лидеры в производстве и исследованиях в данной технологии. В результате планомерных исследований в Советском Союзе в 70-е годы работало четыре завода по производству пеностекла. Технология была хорошо отлажена и общий объем выпускаемой продукции еще в начале 70-х годов превышал 100 тысяч кубометров в год, что в тот период времени было неплохим показателем. Материал пользовался заслуженным спросом и широко использовался в промышленности и строительстве, преимущественно на особо ответственных участках [1].

Пеностекло — пористый тепло- и звукоизоляционный материал с истинной пористостью до 85–95 %. В зависимости от назначения пеностекло может быть с замкнутыми или с сообщающимися порами. Для теплоизоляции применяют пеностекло с замкнутыми порами, для звукоизоляции — с сообщающимися (рис. 1). В промышленных условиях производят преимущественно теплоизоляционное пеностекло. Кроме этого, в незначительных количествах вырабатывают пеностекло специального назначения — высокотемпературное, химически стойкое и др. [2].

Рис. 1. Пеностекло с замкнутыми (слева) и сообщающимися (справа) порами

В последние годы производство пеностекла начало активно развиваться, ведь этот материал обладает уникальными свойствами и эксплуатационными характеристиками, превосходящими другие изоляционные материалы. Прежде всего, пеностекло — абсолютно экологичный материал, не выделяющий вредных веществ даже при воздействии высоких температур. Устойчивость же к температурному воздействию очень высока, пеностекло не горит и выдерживает нагрев до 600°С. Пеностекло не подвержено разрушению на протяжении всего срока эксплуатации, оно не крошится, не насыщается влагой и не подвержено коррозии [3].

На сегодняшний день основным производителем пеностекла на мировом рынке является «Pittsburg Corг. Corp» — американская компания с широкой европейской дилерской сетью [4]. Благодаря отличным свойствам предлагаемого материала — фоамгласа, он пользуется высоким спросом даже с высокой стоимостью от 400 долларов США за 1 м ³ .

В работе [5] проведены исследования по разработке пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности. В качестве сырьевых материалов предложена композиция, состоящая из стекловидных пород и материалов (перлита и стеклобоя), пород с кристаллической структурой (нефелин — сиенита и сыннырита) и свинцово — железистых отходов ГОКа. Получено пеностекло средней плотностью 250–300 кг/м ³ на основе шихты из перлита, стеклобоя и нефелинового сиенита с содержанием перлита — 30 %, стеклобоя — 60 %, нефелинового сиенита — 10 %; шихта подвергнута тонкому измельчению в шаровой мельнице до S _уд 3500- 4000 см ² /г и механоактивации в стержневой вибрационной мельнице в течение 15 мин. Отношение Ж/Т — 0,2. Режим температурной обработки 2 + 0,4 + 8 ч при температуре вспенивания 775°С.

Восточно-Сибирский государственный технологический университет (Россия) [6] предлагает технологию производства пеностекла из щелочесодержащих пород с исключением энергоемкой стадии стекловарения, В данной технологии следует отметить применение электромагнитных полей для ускоренного набора температуры и уменьшения продолжительности стадии отжига, что позволяет на 20 % снизить энергозатраты.

В работе [7] предлагают создание современного технологического модуля по производству монолитно-блочного теплоизоляционного строительного материала ТИСМ, на основе пеностекла. Предлагается технологический модуль по выпуску ТИСМ мощностью 9–15 тыс. м ³ /год. Материал имеет плотность до 200 кг/м ³ , коэффициент теплопроводности 0,08–0,11 Вт/(м⸱°С), прочность при сжатии 0,7 МПа.

Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов (Россия) предлагает технологию изготовления укрепляющих блоков из пеностекла с объёмом выпуска 4500 м ³ /год [8]. В академии разработаны ПВА для производства мелкокускового теплоизоляционного материала из отходов пеностекла, методика расчёта основных параметров агрегатов способствующая созданию безотходной технологии производства пеностекла, развитию различных технологий производства новых строительных материалов.

В Томском политехническом университете (Россия) [9] изучены вопросы управления процессом вспенивания материалов для получения пеностекла с низким объёмным весом и равномерной сотоподобной структурой. На базе цеолитсодержащих туфов разработан способ изготовления пеноматериала по одностадийному способу производства [10]. В результате предложен новый материал «Сибирфом», по сути, представляющий из себя пеностекло.

В работе [11] рассматривается создание безотходных процессов, обеспечивающих высокую степень извлечения всех ценных компонентов из отходов в товарную продукцию и полное использование силикатных отходов. В результате плавления отходов происходит разделение расплава, из силикатной части которого предлагается получать стеклокристаллические материалы с коэффициентом теплопроводности 0,7 Вт/(м °С).

Авторы патента на изобретение [12] разработали способ получения пеностекла. Недостатками данной технологии является раздельное приготовления сырьевых компонентов (первичное дробление, помол до порошкообразного состояния, перемешивание), что усложняет технологический процесс их подготовки, а также продолжительное время изотермической выдержки (4–5 часов при температуре 750–850 ^о С), что приводить повышению энергетических затрат. Кроме того в качестве корректирующей добавки используется природный кварцевый песок и раствор щелочи, что приводит к повышению себестоимости готовой продукции.

Автор работы [13] для получения пеностекла использовал различные сорта стеклобоя. Показано, что при использовании сортового стеклобоя различие в плотности пеностекла, полученного из оконного, бутылочных прозрачного, коричневого, зелёного стекла или стекла кинескопов, составляет 5–10 %, что позволяет отказаться от дорогостоящей операции разделения стеклобоя по сортам. Предложена технология утилизации несортированного стеклобоя, учитывающая особенности поведения стекла в дисперсном состоянии в гидратных и пиропластичных условиях, с получением в качестве продукта пеносиликатного материала с плотностью 150–600 кг/м ³ и коэффициентом теплопроводности 0,03–0,1 Вт/(м⸱°С). Добавление кристаллического оксида кремния в количестве 5 % к исходной композиции со стеклом облегчает газообразование и смещает метастабильную систему в более термодинамически устойчивое, кристаллическое состояние, что позволяет получить более прочный материал и убирает необходимость строго выдерживать кинетические, параметры процесса. Вспенивание композиции происходит за счет взаимодействия угля с выделяющимися парами воды и образования оксидов углерода, а не токсичного газа Н ₂ S. Добавка кристаллического оксида кремния способствует кристаллизации системы и затвердеванию пены при температурах синтеза 780–800 °С.

В работе [14] установлено, что при вспенивании в присутствии щелочного компонента смесей из стеклобоя и высокодисперсных эффузивных пород в зависимости от соотношения в шихте перлитовой и базальтовой породы при одинаковом уровне содержания стеклобоя в диапазоне (70–90 %) возможно получение как теплоизоляционных, так и теплоизоляционно-конструкционных пеностекол. Исследования структуры пеностекол показали, что предварительная термическая выдержка прессованных образцов пенообразующих смесей приводит к повышению физико-механических свойств пеностекла, благодаря формированию мелкопористой макроструктуры вследствие развития процессов кристаллизации в микроструктуре межпоровых перегородок. Разработаны составы для получения теплоизоляционных пеностекол со средней плотностью 450–550 кг/м ³ и прочностью при сжатии 3,5–4,8 МПа и теплоизоляционно-конструкционных изделий со средней плотностью 600–750 кг/м ³ и прочностью при сжатии 6,5–9,0 МПа.

В изобретении [15] технический результат изобретения заключается в упрощении способа получения пеностекла, его удешевлении, увеличении прочности, водопоглощения, морозостойкости получаемого материала. Готовят порошкообразную смесь на основе измельченного стекла и минерального вещества — талька при следующем соотношении компонентов, мас. %: тальк — 2–8, стекло — остальное. Нагрев смеси в металлической форме при температуре вспенивания 720–780°С с последующим отжигом. Полученное пеностекло имеет следующие характеристики: средняя плотность (ρ) 517–550 кг/м ³ ; теплопроводность (λ) 0,1–0,11Вт/м⸱К; морозостойкость F 50; водопоглощение 0,8–0,9 %; прочность при сжатии 7,46–7,91 МПа; прочность при изгибе 4,5–4,7 МПа.

В исследовании [16] авторы установили возможность получения облицовочных материалов пористо-плотной структурой (ОМППС) на основе композиции сырьевых материалов таких как перлит, базальт и стеклобой. Основной целью работы является получения материала, сочетающего функции одновременно теплоизоляционного и облицовочного, что очень актуально и перспективно в условиях строительства Сибири и Дальнего Востока.

Работа ученых [17] посвящена разработке технологии получения гранулированного пеностекла на основе кремнистой породы — опоки Шиповского месторождения Западно-Казахстанской области. В теоретическом плане работа ученых основано на взаимодействие аморфного кремнезема и раствора NaOH с образованием гидратированных полимерных силикатов натрия — жидкого стекла (NaO∙ mSiO ₂ ∙ nH ₂ O).

В исследовании [18] предложены составы стекольных шихт для синтеза гранулята по низкотемпературной технологии (при температурах менее 900 °С) при содержании низко- и высококальциевого золошлакового сырья от 26 до 59 мас. %. Разработаны технологические параметры получения пеностекло-кристаллических материалов со средней плотностью гранул 200–265 кг/м ³ , прочностью 3,8–4,3 МПа и теплопроводностью 0,075 Вт/(м⸱К). Установлено, что как низкокальциевое (СаО < 5 мас. %), так и высококальциевое (СаО > 20 мас. %) золошлаковое сырье при получении пеностеклокристаллического материала исключает дополнительное введение щелочноземельных карбонатов в шихту, которая корректируется кальцинированной содой и тонкодисперсным кремнеземом. Количество кремнезема в шихте составляет от 13 до 52 маc. %, количество кристаллической фазы в стеклогрануляте не превышает 20 ± 2 об. %, которое уменьшается в готовом пеноматериале до 10 ± 4 об. %. Кристаллическая фаза в случае использования низкокальциевого золошлакового сырья представлена остаточным кварцем и альбитом при соотношении в стекле (Ме ₂ О/А1 ₂ О ₃ ) 1,55 ± 0,05 и содержании СаО 2,1 ± 0,3 маc. %, и остаточным кварцем и анортитом при соотношении (Na ₂ O/СаO) 1,4 ± 0,05 и содержании А1 ₂ О ₃ 3,6 ± 0,4 маc. % в случае высококальциевого золошлакового сырья.

В работе [19] рассмотрены основные принципы разработки и оптимизации пеностекольных и пеностеклокристаллических материалов методом низкотемпературного синтеза стеклофазы на основе кремнистых опал-кристобалитовых пород.

Автор патента [20] предложил способ получения пеностекла, который заключается в том, что измельченный стеклобой (частицы размером менее 40 мкм) состава мас. %: SiO ₂ - 72,0 ± 7,0; Na ₂ O — 13,0 ± 2,0; CaO — 10,0 ± 2,0; MgO — 4,0 ± 2,0; Al ₂ O ₃ - 1,0 ± 0,5; SO _3– 0,2 ± 0,1; K ₂ O — 0,3 ± 0,1; Fe ₂ O ₃ ≤ 0,2 смешивают с компонентами комплексного пенообразователя: раствором кальцинированной соды и глицерином. Концентрация кальцинированной соды в растворе составляет около 10 %. Количество воды, которое может вводиться в смесь водным раствором соды, находится в интервале 5,5–5,9 %. Массовое соотношение компонентов измельченного стеклобоя, раствора кальцинированнной соды и глицерина составляет 100: 7: 1. Компоненты перемешивают в скоростном смесителе в течение 3–15 минут. Для полноты взаимодействия исходных компонентов после перемешивания смесь подвергают выдерживанию. Выдерживание смеси проводят около часа в условиях, минимизирующих потерю влаги. Последующий этап производства шихты включает в себя дезагломерацию высушенной на предыдущем этапе смеси, которая уже пригодна для вспенивания и изготовления готового продукта.

Таким образом, для производства пеностекла и пенокристаллического материала в качестве основного сырья применяются в основном стеклобой и стеклогранулят. Для корректировки состава пеностекла в шихту добавляют перлитовую и базальтовую породы, вспученный перлит, нефелиновый сиенита, щелочесодержащие породы, цеолитсодержащие туфы с исключением энергоемкой стадии стекловарения, природный кварцевый песок и раствор щелочи. Для синтеза гранулята по низкотемпературной технологии применяют низко- и высококальциевое золошлаковое сырье с корректировкой шихты кальцинированной содой и тонкодисперсным кремнеземом. В качестве пенообразователя применяются карбонатные породы, уголь, смесь кальцинированной соды с глицерином и т. п.

В Республике Казахстан имеются значительные объемы кремний содержащего силикатного сырья, в виде кварцевого песка, диатомитов, трепелов, стеклобоя, гранулированных металлургических и фосфорных шлаков, состоящих 90–100 % из стеклофазы [21]. Эти материалы являются готовыми сырьевыми ресурсами для производства пеностекольных изделий. Для этого необходимы теоретические и экспериментальные исследования по их переработке с целью создания отечественной технологии теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного пеностекла с использованием стеклобоя в комбинации с природными материалами и отходами, содержащих стеклофазу.

Литература:

1. Технология производства пеностекла. penosytal. com› penosteklo _ technology. html
2. Химическая технология стекла и ситаллов /под редакцией Павлушкина Н. М./ М.: Стройиздат, 1983. — 432 с.
3. Пеностекло. Традиционные и новейшие технологии. https://www.forumhouse.ru/journal/articles/4705-penosteklo-tradicionnye-i-novejshie-tehnologii.
4. Фомглас. Утеплитель из ячеистого стекла // Стекло мира. — 2000. № 2. — С. 76–78.
5. Дамдинова Д. Р. Пеностекло на основе щелочных алюмосиликатных пород и отходов промышленности. Автореферат дис. канд. техн. наук. Улан-Удэ, 1998 г. 30 с.
6. Цыремпилов А. Д., Алексеев Ю. С., Лайдабон Ч. С. и др. Снижение энергозатрат при производстве пеностекла // Строительные материалы. — 1998. № 3. — С. 20–21.
7. Голенков В. А., Кисляков А. А., Степанов Ю. С. и др. Производство и применение универсального теплоизоляционного материала ТИСМ // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2000. № 11. — С. 34–35.
8. Севостьянов B. C., Кононыхин B. C., Зубаков А. П. Техника и безотходная технология производства пеностекла // Изв. Вузов. Строительство. — 2000. № 10. — С. 74–79.
9. Лотов В. А. Контроль процесса формирования структуры пористых материалов // Строительные материалы. — 2000. № 9. — С. 26–28.
10. Казанцева Jl.К., Верещагин В. И., Овчаренко Г. И. Вспененные стеклокерамические теплоизоляционные материалы из природного сырья // Строительные материалы. — 2001. № 4. — С. 33–34.
11. Павлов В. Ф. Способ вовлечения в производство строительных материалов промышленных отходов // Строительные материалы. — 2003. № 8. — С. 28–30.
12. Патент на изобретение РФ № 2167112, МКИ С 03 С 11/00. Способ получения пеностекла / Кетов А. А., Пузанов А. И., Пузанов И. С., Пьянков М. П., Саулин Д. В. — Заявл. 15.05.2000. — Опубл. 20.05.2001. Бюл.№ 14.
13. Пузанов А. И. Утилизация стеклобоя путем получения пеносиликатного теплоизоляционного материала. Автореферат дис. канд. техн. наук. Пермь, 2004. 24 с.
14. Павлов В. Е. Пеностекло с повышенными конструктивными свойствами на основе эффузивных пород и стеклобоя. Автореферат дис. канд. техн. наук. Улан-Удэ, 2006 г. 30 с.
15. Патент РФ 2459769. Способ производства пеностекла/ Зайцев М. П. (RU), Лоскутов В. И. — Заявл. 2010.09.24. — Опубл. 2012.27.08.
16. Дамдинова Д. Р., Павлов В. Е., Алексеева Э. М. Пеностекло как основа для получения облицовочных материалов с регулируемой поровой структурой // Строительные материалы. 2012. № 1 С.44–45.
17. Казанцева Л. К., Стороженко Г. И., Никитин А. И., Г. А. Кисилев. Теплоизоляционный материал на основе опокового сырья // Строительные материалы. 2013. № 4. С. 1–4.
18. Кузнецова Н. А. Гранулированные пеностеклокристаллические материалы на основе золошлаковых отходов тепловых электростанций. Автореферат дис. канд. техн. наук. Томск 2013 г. 23 с.
19. Орлов А. Д. Оптимизированная одностадийная технология гранулированного пеностекла на основе низкотемпературного синтеза стеклофазы // Строительные материалы. 2015. № 1 С.24–26.
20. Патент RU 2 701 951 C1. Способ получения пеностекла /Лазарев Е. В. — Заявл. 2019.07.09. — Опубл. 2019.10.03.
21. Сулейменов С. Т. Физико-химические процессы структурообразования в строительных материалах из минеральных отходов промышленности. — М.: Манускрипт, 1996. — 298 с.