Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология тугоплавких неметаллических материалов

Диссертационная работа:

Казьмина, Ольга Викторовна. Физико-химические закономерности получения пеностеклокристаллических материалов на основе кремнеземистого и алюмосиликатного сырья : диссертация ... доктора технических наук : 05.17.11 / Казьмина Ольга Викторовна; [Место защиты: Том. политехн. ун-т].- Томск, 2010.- 367 с.: ил. РГБ ОД, 71 11-5/221

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность проблемы

При выполнении государственной программы энергосбережения производство и применение теплоизоляционных материалов является одним из важных аспектов. Наиболее безопасным и долговечным материалом, имеющим высокие теплоизоляционные свойства и ряд преимуществ перед другими видами строительных материалов, является пеностекло. В настоящее время накоплен значительный научный и практический опыт в области его технологии. Производство пеностекла в России весьма ограничено и развивается медленно, что связано с проблемой исходного продукта -вторичного стеклобоя или специально сваренного стеклогранулята. Для обеспечения необходимой потребности в пеностекле вторичного стеклобоя в России недостаточно, а целенаправленная варка стекла увеличивает стоимость и без того относительно дорогого материала.

Актуальным является решение проблемы получения исходного продукта для получения пеностекольного материала - стеклогранулята по энергосберегающей технологии, минуя процесс варки стекла. Низкотемпературный способ получения гранулята (< 950 С) без применения стеклоплавильных агрегатов позволит значительно снизить энергетические затраты и вредные выбросы в атмосферу. В связи с этим особую актуальность приобретают вопросы расширения сырьевой базы для синтеза стеклогранулята за счет использования распространенного природного сырья и техногенных отходов, в том числе некондиционных для стекловарения сырьевых материалов.

Системное решение научных и практических задач определения базовых составов в силикатных и алюмосиликатных системах, выбора сырьевых компонентов, обеспечивающих протекание процессов силикато- и стеклообразования, и достижения необходимой однородности конечного продукта является определяющим в решении рассматриваемой проблемы.

Получение исходного гранулята при температурах ниже 950 С в сочетании с приемами, направленными на управление структурой материала для изменения его механических свойств, является перспективным направлением. Разработка составов и технологии пеностекло-кристаллического материала, совмещающего теплоизоляционные и конструкционные возможности, расширяет номенклатуру строительных изделий и способствует решению проблемы получения теплоизоляционных материалов, отвечающих требованиях пожарной и экологической безопасности.

Работы, положенные в основу диссертации, выполнялись в рамках государственных научных и научно-технических программ: программа поддержки Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (гос. контракт № 3984р/5880 2005), конкурсной программы Федерального агентства по науке и инновациям (тема 5.334 Н.09 № госрегистрации 1.4.09), гранта Российского фонда фундаментальных

исследований (грант 09-03- 12053-офмм), 7 рамочной программы (FP7-NMP-2008-SMALL-2, CP-FP 228536-2 NEPHH), в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- 1013г» (гос. контракт 02.740.11.0855).

Цель и задачи работы

Цель работы - установление физико - химических закономерностей получения пеностеклокристаллических материалов на основе гранулята, синтезируемого при температурах ниже 950 С, с использованием кремнеземистого и алюмосиликатного сырья.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Анализ теоретического и экспериментального материала в области получения пеностекла и развития минерально - сырьевой базы для получения пеностекольных материалов, минуя процесс стекловарения.

  2. Разработка критериев оценки возможности использования кремнеземистого и алюмосиликатного сырья природного или техногенного происхождения для синтеза стеклофазы по низкотемпературной технологии.

  3. Исследование особенностей компактирования тонко дисперсных шихт на основе кремнеземистого и алюмосиликатного сырья и процессов силикато- и стеклообразования при их термообработке.

  4. Исследование физико-химических процессов формирования структуры гранулята, влияние технологических факторов на процесс вспенивания при получении мелкопористой однородной структуры пеноматериала.

  5. Реализация результатов исследования при получении пеностеклокристаллических материалов на основе тонкодисперсных кварцевых песков.

Объекты исследования - кремнеземистое и алюмосиликатное сырье природного или техногенного происхождения, включая отсевы кварцевых песков, маршаллит, диатомит, опока, цеолит, перлит, золошлаковые отходы тепловых электростанций.

Предмет исследования - физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств пеностеклокристаллических материалов.

Научная новизна заключается в том, что в работе определены физико-химические закономерности и методы управления процессами получения пеностеклокристаллических материалов на основе кремнеземистого и алюмосиликатного сырья.

1. Установлено, что вспенивание композиций стеклобоя с кристаллическим кварцем в количестве до 25 мае. % при температурах 830 ± 20С происходит с коэффициентом вспенивания характерном для высоковспенивающихся составов (Kv > 8) и аналогичным для составов на основе стекла без добавок, что связано со стабилизацией вязкости в пределах 10-10 дПа-с в температурном интервале вспенивания и является следствием

взаимодействия кварца с аморфной матрицей и изменением ее структуры на границе с кристаллической фазой в пеностеклокристаллическом материале. При этом наблюдается расширение температурного интервала значений стабильной вязкости системы. Это определяет возможность получения исходного гранулята при температурах 850 - 950 С с содержанием кристаллической фазы до 25 %.

  1. Установлены области составов (содержание Na20 от 16 до 19, СаО от 9 до 12 мае. %) в системе Na20-CaO-Si02, представляющих основу для получения исходного стеклогранулята при температурах ниже 950 С, с содержанием кристаллической фазы (кварца) от 4 до 23 % что позволяет получать пеностеклокристаллический материал при вспенивании 830 ± 20С из кремнеземистого сырья. Установлены области составов (содержание Si02 от 62 до 73, А1203 от 5 до 15 мае. %) в системе Na20-Al203-Si02, представляющих основу для получения исходного стеклогранулята при температурах ниже 900 С, с содержанием кристаллической фазы (полевые шпаты) до 25 %, что позволяет получать пеностеклокристаллические материалы при вспенивании 830 ± 20С из алюмосиликатного сырья.

  2. Реакционная способность кремнеземсодержащей шихты определяется содержанием аморфной составляющей Si02 в кремнеземистом компоненте и его дисперсностью. При использовании кристаллического высококремнеземистого сырья с дисперсностью 50 ± 10 мкм (отсевы кварцевого песка), необходима его предварительная активация путем совместного измельчения с кальцинированной содой при соотношении Si02:Na20 - 70:30 (по массе), что обеспечивает завершенность процессов силикатообразования при температуре 860 С. Установлено, что процессы силикато- и стеклообразования, приближаются при технических скоростях нагрева к равновесию при выполнении следующих условий: дисперсность основных компонентов менее 50 мкм, содержание Si02 не менее 80 мае. % для кремнеземистого сырья и не менее 60 % для алюмосиликатного сырья, обеспечение равномерности распределения компонентов шихты при ее компактировании.

  3. Установлена зависимость физико-механических свойств пеностеклокристаллического материала от количества и размера кристаллической фазы. Повышение механической прочности по сравнению с пеностеклом обеспечивается при размерах кристаллической фазы менее 1 мкм. Влияние количества кристаллической фазы также зависит от ее размеров: для размера менее 1 мкм максимальная прочность достигается при количестве до 25 мае %; при переходе от микро к наноразмеру (< 300 нм) при 5-7 мае. %; с ростом размера кристаллической фазы до 10 мкм и более прочность материала уменьшается. Независимо от плотности и прочности сравниваемых пеностекольных материалов коэффициент их прочности (Кпр), представляющий отношение прочности образца к его плотности, изменяется незначительно и определяется видом исходного сырья: значение Кпр пеностеклокристаллических материалов из кремнеземистого сырья 1.4, из

алюмосиликатного сырья 1,3 соответственно. Пеностеклокристаллический материал независимо от исходного состава шихты и режимов термообработки характеризуется близкими значениями коэффициента (Кпр ~ 1,3 - 1,4), которые в среднем в 2 раза превышают Кпр для пеностекла, получаемого на основе стеклобоя.

5. Установлено влияние окислительно-восстановительных
характеристик исходного сырья и пенообразующей смеси, приготовленной на
основе стеклогранулята, на потенциальную способность к вспениванию. По
значению предложенного окислительного коэффициента (К0) выделены три
группы пенообразующей смеси: окислительная (К0<25), переходная
окислительно-восстановительная (25 < Ко<110) и восстановительная (К0
>110). Оптимальным для вспенивания является окислительно-
восстановительная группа. Направленное формирование макроструктуры
пеностекольного материала с целью получения материала с высокой
степенью однородности (Сн < 10) и предпочтительным размером пор и
межпоровой перегородки (не более 1,4 мм и 60 мкм) достигается фазовым
составом гранулята, окислительно-восстановительными характеристиками
пенообразующей смеси при температурном режиме вспенивания,
обеспечивающем вязкость 10 -Ю'дПа-с.

6. Установлено, что необходимая однородность пеностекло-
кристаллического материала обеспечивается дисперсностью основных
исходных компонентов, реакционной способностью шихты и измельчением
гранулята до удельной поверхности не менее 5000 см /г. Технологические
этапы изготовления пеноматериала сопровождаются последовательными
процессами изменения структурных превращений исходного сырья,
промежуточного продукта (гранулята) и конечного изделия. Нагрев
стеклогранулята до температур вспенивания и последующее его охлаждение
приводит к перестройке структуры стекла, соответствующей а—>Р фазовому
переходу кварца, зафиксированному, по рентгеновским измерениям, при
температуре 875 К. Установлено присутствие в объеме стекловидной
матрицы межпоровой перегородки пеноматериалов сферических элементов,
отсутствующих в структуре пеностекла. Данные сфероиды со средним
значением размеров 89 ± 12 нм и максимумом распределения на 60 нм
отличаются от аморфной фазы повышенным содержанием SiC>2.

Положения, выносимые на защиту

  1. Стабилизации вязкости пиропластической массы, содержащей до 25 % кристаллической фазы, в температурном интервале вспенивания.

  2. Повышение реакционной способности шихты на основе кристаллического высококремнеземистого сырья за счет предварительной активации путем совместного измельчения с кальцинированной содой.

  3. Основы технологии получения низкотемпературного гранулята, являющегося исходным сырьем для пеностекольного материала из кремнеземистого и алюмосиликатного сырья.

  1. Особенности структурных превращений кварца, сопровождающие процесс получения пеностеклокристаллического материала.

  2. Зависимость физико-механических свойств пеностеклокристаллических материалов от количества и размера кристаллической фазы. Повышение прочности пеноматериала с уменьшением размера частиц кристаллической фазы от 1 мкм до 300 нм.

Практическая ценность работы

1. Разработаны составы и технология синтеза исходного гранулята при
температурах менее 950 С из кремнеземистого и алюмосиликатного сырья
для получения пеностеклокристаллических материалов с температурой
вспенивания 830 ± 20С.

  1. Разработаны составы и технология блочных пеноматериалов с плотностью 180 - 340 кг/м , прочностью 2,6 - 4,5 МПа, теплопроводностью 0,06 - 0,08 Вт/мК, водопоглощением не более 5 %, из гранулята, полученного при 900 - 950 С на основе высокодисперсного кремнеземистого сырья (отсевы кварцевых песков, маршаллит, диатомит, опока).

  2. Разработаны составы и технология гранулированного пеностекло-кристаллического материала с плотностью 220 - 370 кг/м , прочностью 2,8 -4,8 МПа, теплопроводностью 0,07 - 0,09 Вт/мК, водопоглощением не более 7 %, из гранулята, полученного при 800 - 900 С на основе алюмосиликатного сырья (цеолит, перлит, золошлаки ТЭЦ), по техническим характеристикам занимающего промежуточное положение между пеностеклом и керамзитом.

4. Предложены методики определения параметров технологии,
фазового состава и свойств материала: определение температуры обработки
шихты при получении гранулята; определение кристаллической фазы в
стеклокристаллическом материале при выборе оптимального состава и
режима термообработки шихты с учетом количественного содержания
остаточной кристаллической фазы; определение температурного интервала
размягчения гранулята и вязкости композиции.

Реализация результатов работы

Разработанная технология получения стеклогранулята на основе исходной шихты с использованием кремнеземистого и алюмосиликатного сырья для производства пеностеклокристаллических материалов прошла опробование в условиях опытно - промышленной электрической печи типа ПЭК - 8 в Сибирском Силикатном центре (г. Томск).

Технология производства пеностеклокристаллического материала способом непрерывной ленты предложена в качестве рабочей документации для проекта цеха пеностекла, организация которого планируется на базе тонко дисперсных кварцевых песков, добываемых ГОК «Ильменит», в проекте строящегося завода флоат - стекла (ОАО «ТЗПЛ», г. Томск).

Разработаны и предложены рекомендации по технологии получения гранулированного пеностеклокристаллического материала на основе перлитовой породы (перлит Хасынского месторождения), промышленное опробование на предприятии ООО «Мамонт» (г. Магадан).

Определены и предложены технологические параметры получения стеклогранулята на основе диатомита, опоки (г. Инза, «Инзинский комбинат»), золошлаковых отходов ТЭЦ (г. Томск) и маршаллита (г. Новосибирск) для производства пеностеклокристаллических материалов.

Апробация работы

Материалы диссертации представлены на конференциях регионального, всероссийского и международного уровня: Международная научно-техническая конференция по современным проблемам строительного материаловедения (Самара, 1995); Научно-практическая конференция, посвященной 100 летию ТПУ (Томск, 1996); Международная конференция по проблемам использования вторичного сырья и производства строительных материалов, (Новосибирск, 1996); Международная научно-практическая конференция «Технические науки, технологии и экономика» (Чита, 2001); Региональная научно-практическая конференция «Получение и свойства новых неорганических веществ и материалов, диагностика, технологический менеджмент» (Томск, 2002); Научно-практическая конференция «Строительство и образование» (Екатеринбург, 2003); Международная научно-практическая конференция «Наука, технология и производство силикатных материалов» (Москва, 2003); Всероссийская конференция «Химия твердого тела и функциональные материалы» (Екатеринбург, 2004); Международная научная конференция «Химия, химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2004, 2006); Международная научная конференция «Химия, химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008, 2010); международная научно-практическая конференция «Современные техника и технологии» (Томск 2006, 2007, 2008, 2010); Всероссийская научно-практической конференция «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Белокуриха, 2007, 2008, 2009, 2010); Международная научно-практическая конференция «Высокотемпературные материалы и технологии в 21 веке» (Москва, 2008); Международный научный симпозиум им ак. Усова П.Е. «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); Applied Particle Technology Proceedings of an International Seminar (Karlsruhe, Германия, 2009); 2010 Annual UK Review Meeting on Outdoor and Indoor Air Pollution Research (Cranfield University, Англия, 2010); Российско-Германский Форум «Nanophotonics and Nanomaterials»(ToMCK, 2010).

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 50 работ, в том числе 26 статей в рецензируемых журналах, 11 патентов.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 350 страницах машинописного текста, иллюстрирована 116 рисунками и 58 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 267 ссылок. Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net