Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Анализ способов получения теплоизоляционных керамических материалов ячеистого строения 11
1.2. Роль фибры в формировании структуры ячеистых материалов 22
1.3. Теоретические основы получения ячеистых материалов с немедленной распалубкой.. 27
1.4. Выводы. Цели и задачи исследований 31
ГЛАВА 2. Сырьевые материалы, приборы и методы исследования
2.1. Характеристики используемых материалов.. 34
2.2. Методы исследования свойств сырьевых материалов 58
2.3. Планирование эксперимента и математическая обработка результатов исследований 65
ГЛАВА 3. Влияние компонентов шихты на процессы формирования ячеистой структуры пеномасс
3.1. Роль глинистого вещества в формировании реологических свойств пеномасс с различной концентрацией твердой фазы 68
3.2. Влияние состава и количества пенообразователя на свойства пеномасс 71
3.3. Регулирование водотвердого отношения глиняных суспензий за счет использования электролитов 79
3.4. Влияние наполнителей на вязкопластичные свойства пеномасс. 83
3.5. Влияние продолдеятельности перемешивания на свойства пеномасс 87
3.6. Влияние длины каолиновых волокон на свойства армированных ячеистых пеномасс 88
3.7. Выводы 91
ГЛАВА 4, Влияние состава и технологических режимов получения ячеистой керамики на ее эксплуатационные свойства
4.1. Математическое моделирование составов ячеистой керамики . 92
4.2. Изучение последовательности и продолжительности смешивания компонентов 109
4.3. Формование изделий 111
4.4. Исследования процесса сушки изделий 114
4.5. Изучение процесса обжига образцов 118
4.6. Структура и основные свойства ячеистых изделий на основе зольных микросфер и каолиновой ваты 125
4.7. Выводы 137
ГЛАВА 5. Опытно-производственная проверка результатов исследований
5.1. Опытно-промышленная апробация результатов исследований 139
5.2. Технико-экономический анализ эффективности производства ячеистых керамических изделий с зольными микросферами 143
5.3. Выводы . 145
Основные выводы 146
Список используемой литературы 150
Приложения 164
- Анализ способов получения теплоизоляционных керамических материалов ячеистого строения
- Методы исследования свойств сырьевых материалов
- Роль глинистого вещества в формировании реологических свойств пеномасс с различной концентрацией твердой фазы
- Математическое моделирование составов ячеистой керамики
Введение к работе
В последнее время особое внимание уделяется энерго- и ресурсосберегающим технологиям и материалам. В строительстве проблема экономного расходования топливно-энергетических ресурсов может быть решена за счет выпуска теплоизоляционных материалов и изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами. Применение таких материалов позволяет сократить-затраты на отопление зданий, кроме того, обеспечивает снижение стоимости и трудоемкости строительства, позволяет экономно расходовать сырье, топливо и электроэнергию, повышает надежность и долговечность конструкций, снизив тем самым затраты на их эксплуатацию.
Современное производство эффективных строительных материалов, предназначенных для тепловой изоляции ограждающих конструкций, а также различных промышленных установок, ориентировано на создание материалов высокой пористости, пониженной средней плотности и, следовательно, низкой теплопроводности. Традиционный подход к этому вопросу в технологии строительной керамики сводится к формированию высокой степени пустотности продукции или поризации керамического черепка за счет пено- и газообразова-телей с формированием микропористой структуры полнотелых изделий. Однако широкое использование таких приемов сдерживается не только низкими эксплуатационными характеристиками готовых изделий, но и не технологичностью, высокой энерго- и трудоемкостью производственного процесса.
Решить проблему повышения качественных характеристик керамических поризованных масс можно путем введения в состав глиняных пеномасс наполнителей. Улучшение характера пористости пенокерамических материалов достигается введением значительного количества тонкодисперсных сферических оболочек, насыпная плотность которых сопоставима с плотностью получаемого теплоизоляционного материала, а размер зерен - с размером ячеек, образованных вовлеченным в массу воздухом. При правильном выборе водоглиняиого отношения, за счет армирования формовочной массы
отношения, за счет армирования формовочной массы тонкодисперсными волокнами и дисперсного отощения зольными микросферами можно повысить ее структурную прочность до величин, достаточных для немедленной распалубки; изделий, а также значительно уменьшить усадочные деформации сырца при сушке.
Рабочая гипотеза;
Улучшение теплофизических свойств ячеистых пенокерамических изделий и повышение агрегативной устойчивости структуры формовочной массы для осуществления немедленной распалубки изделий при формовании возможно путем введения в состав волокон каолиновой: ваты и алюмосиликатного микросферического наполнителя с требуемыми геометрическими, гранулометрическими и физико-химическими характеристиками.
Целью диссертационной работы является разработка технологии получения ячеистых керамо-волокнистых материалов с улучшенными теплофизиче-скими свойствами при использовании немедленной распалубки отформованных изделий.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ существующих способов получения теплоизоляционных керамических материалов;
- установить общие рецептурно-технологические факторы, влияющие на эксплуатационные характеристики материала;
- установить роль глинистого сырья в формировании ячеистой структуры керамических пеномасс;
- изучить влияние современных пенообразователей на технологические свойства глиняных пеномасс;
- изучить влияние алюмосиликатного микросферического наполнителя на агрегативную устойчивость формовочных масс;
- исследовать влияние основных рецептурно-технологических факторов на свойства ячеистой керамики;
- разработать технологию изготовления ячеистой керамики, провести опытно-промышленную апробацию разработанной технологии и оценить технико-экономическую эффективность предложенной технбологии.
Научная новизна работы:
- разработаны научные основы получения ячеистых керамических масс, обладающих агрегативной устойчивостью структуры за счет их насыщения волокнами каолиновой ваты и алюмосиликатным микросферическим наполнителем, что позволяет осуществлять немедленную распалубку изделий после формования;
- выявлена зависимость агрегативной устойчивости глиняных пеномасс от вида, количества и формы введенных наполнителей - каолиновой ваты и алюмосиликатных микросфер, позволяющая регулировать величину предельного напряжения сдвига, необходимую для распалубки изделий и получать ячеистую керамику с заданными свойствами;
- установлено, что в глиняных пеномассах с водотвердым отношением от 1,0 до 2,0 максимальная кратность, а также устойчивость к расслоению определяются видом и оптимальным количеством вводимого пенообразователя;
- установлено, что получение армированных пенокерамических масс со средней плотностью 400- 600 кг/м3 и необходимой прочностью достигается при введении комплексного наполнителя - каолиновой ваты и алюмосиликатных микросфер.
Практическое значение работы:
- разработаны рациональные составы формовочных пеномасс и технология изготовления ячеистых пенокерамических изделий с использованием алюмосиликатных микросфер и тонкодисперсных волокон каолиновой ваты;
- получены эффективные пористые керамические изделия средней плотностью 420-600 кг/м , прочностью при сжатии 0,98-5,2 МПа и 1,3-2,5 МПа при изгибе. Величина общей усадки образцов составляет от 1 до 2,7 %, а величина общей пористости достигает 85 %, при этом доля закрытой пористости составляет 35%;
- установлен рациональный способ смешивания компонентов массы, который заключается в последовательном введении в глиняную суспензию, при непрерывном перемешивании в течение: 5-7 минут, пенообразователя, каолиновой ваты, а затем микросфер, что позволяет увеличивать структурную прочность формовочных масс, обеспечивать равномерное распределение связующего вещества на поверхности наполнителя и получать массы с минимальными значениями-средней плотности;
- установлен оптимальный способ формования изделий - метод экструзии, исходя из необходимости получения изделий с:низкой плотностью и достаточной прочностью;
- определены рациональные режимы сушки и обжига ячеистых керамических изделий, сушка составляет 6-7 часов при температуре сушильного агента 100 С и сокращается в 1,5 раза по сравнению с существующей литьевой технологией. Обжиг изделий осуществляется в течение 26 - 28 часов с двухчасовой выдержкой при максимальной температуре 1100 °С.
- проведена опытно-промышленная апробация результатов лабораторных исследований технологии производства ячеистой керамики в условиях ООО «Кесмо», которая подтвердила возможность промышленного изготовления ячеистых керамических изделий со средней плотностью 600 кг/мт, прочностью при сжатии 4,5 МПа и теплопроводностью 0,14 Вт/м }С.
- проведен технико-экономический анализ эффективности производства армированных пенокерамических изделий с зольными микросферами взамен керамо-волокнистых изделий. Экономический эффект составил 7,3 тыс. руб/м3;
- предложен вариант использования вторичных ресурсов в производстве пенокерамических изделий, который позволяет утилизировать отходы промышленности и улучшить экологическую обстановку в регионе.
Достоверность исследований обеспечена использованием действующих государственных стандартов, нормативных документов и поверенного оборудования, использованием комплекса современных физико-химических методов исследования (ДТА, РФА и оптической микроскопии), методов математического планирования экспериментов с обеспечением доверительной вероятности 0,95 при погрешности не более 10 %, обработкой экспериментальных данных с использованием вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения,
Автор защищает:
- установленные закономерности влияния алюмосиликатного микросферического наполнителя и армирующих каолиновых волокон на агрегативную устойчивость формовочных пеномасс, а также возможность использования в качестве способа формования изделий метода немедленной распалубки изделий (экструзии);
- результаты исследований влияния рецептурно-технологических факторов на основные физико-механические свойства ячеистой керамики;
- особенности структурообразования ячеистой пенокерамики, полученной с использованием пористых наполнителей;
- результаты практической реализации разработанной технологии изготовления ячеистых пенокерамических изделий и данные об их технико-экономической эффективности.
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на:
- ежегодных международных научно-практических конференциях "Строительство-200Г! ,,Строительство-2002", "Строительство-2003", "Строи- тельство-2004", "Строительство-2005" (г. Ростов-на-Дону);
- на международной научно-практической конференции - Белгород: изд- во БелГТАСМ, 2003,
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
1. Козлов А.В., Каклюгин А.В., Колдомасова И.В: К вопросу совершенствования технологии теплоизоляционных керамических материалов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф.: Тез.докл. - Ростов-н/Д, 2001. - С. 30-31.
2. Козлов А.В., Каклюгин А.В., Колдомасова И.В. К вопросу повышения структурной прочности формовочных масс в производстве керамических теплоизоляционных материалов // Материалы Междунар. науч.-практ. конф.: Тез.докл. - Ростов-н/Д, 2002. - С. 52-53.
3. Колдомасова И:В., Козлов А.В., Каклюгин А.В: Влияние электролитов на реологические свойства глиняных суспензий // Железобетон, строительные материалы и технологии в третьем тысячелетии // Межкафедральный сборник научных трудов. - Ростов-н/Д, 2003. - С. 26 .
4. Колдомасова И.В., Козлов А.В.,. Каклюгин А.В;, Мальцев ЕВ. К вопросу повышения эффективности ячеистых бетонов на обжиговой связке // Вестник БГТУ.- Белгород. - 2003. - №5.
5. Колдомасова И.В., Козлов А.В., Каклюгин А. В1, Мальцев Е.В., Козлов ГА. Использование золошлаковых отходов Новочеркасской ТЭС в производстве ячеистых бетонов // Вестник ПДАБтаА- Днепропетровск.- 2003. - №8- С. 19.
6. Колдомасова И.В., Козлов А.В., Каклюгин А.В. Влияние комплексного наполнителя на основные свойства пенокерамики // Материалы Междунар. на-уч.-практ. конф.: Тез.докл. - Ростов-н/Д, 2004,- С. 15
7. Колдомасова И.В., Козлов A.Bi, Каклюгин А.В. Крупноразмерные ячеистые керамические материалы с использованием алюмосиликатного микросферического наполнителя и минеральных волокон // «Строительство-2005»: Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Ростов-н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2005.-Є. 9-Ю,
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Включает 165 страниц, 67 рисунков; 39 таблиц и 163 наименования использованной литературы..
Анализ способов получения теплоизоляционных керамических материалов ячеистого строения
Современная технология получения керамических теплоизоляционных материалов предусматривает различные способы формирования ячеистого строения, среди которых можно выделить способ введения и последующего выжигания выгорающих добавок, введения в состав масс высокопористых наполнителей, способ газового вспучивания (газообразование) и пенообразова-ния. Каждый из указанных способов обладает своими преимуществами и недостатками. Выбор способа порообразования в основном зависит от требуемой пористости и заданной структуры материала.
Использование в составе масс выгорающих добавок весьма технологично и поэтому получило широкое применение при производстве грубой строительной керамики с пористым черепком; Сущность способа заключается во введении в керамические массы и последующем выжигании топливных добавок, оставляющих на своем месте поры. Этот способ применяют при получении пористого строительного кирпича, диатомитовых (трепельных) теплоизоляционных изделий, легковесных огнеупоров (алюмосиликатных, динасовых, корундовых, высокоглиноземистых, карборундовых и др.) [33,36,46,49,63,87,90,146].
В качестве выгорающих добавок в современной практике используют органические материалы: древесные опилки, древесную муку, лигнин, древесный уголь,,рубленую солому, молотую ветошь, бумажную и пробковую пыль, просяную и рисовую шелуху или топливосодержащие материалы: продукты коксования (кокс, нефтяной кокс), различные виды каменных углей (антрацит, термоантрацит и. бурый угли), горючие сланцы, графит, торф, сажу и др, [9,36,46,146,157].
Особенно широкое применение нашли опилки различных древесных пород. Ряд исследователей [36,46,157] указывают на предпочтительность использования опилок твердых пород древесины (дуба, ореха, каштана). Мягкие же породы древесины дают крупные опилки, ухудшающие формовочные свойства масс и их пористость. Использование опилок связано с рядом технологических трудностей. При изготовлении теплоизоляционных изделий пластическим способом введение в массу большого количества опилок, желательное для снижения плотности изделий, создает трудности при формовке вследствие малой связности масс. Возможность получения теплоизоляционных изделий с низкой плотностью из масс с выгорающими добавками может быть обеспечена способом литья. Однако, недостатком этого способа, особенно применительно к крупноразмерным изделиям, является продолжительная их сушка в формах, что удлиняет цикл производства и требует большого количества форм [37, 49]. Кроме того, опилки сильно впитывают влагу и набухают, что часто приводит к неравномерной усадке и короблению изделий при сушке [34]. Опилки отличаются непостоянством свойств, при большом их содержании в формовочных массах их трудно равномерно распределить в объеме материала; размер и форма их частиц не позволяют получать равномерно распределенную мелкую пористость. Изделия получаются с крупными, в большинстве случаев сообщающимися порами, что ухудшает тешюфизические показатели материала, и характеризуются низкой прочностью [49].
Использование топливос о держащих выгорающих добавок позволяет применять все существующие методы формования. Однако, образующаяся после выгорания углей зола сказывается на свойствах изделий, значительно снижая, их огнеупорность. По данным В.Д. Циглера [157] каждые 10 % введенного нефтяного кокса с зольностью не более 3,3 % снижают огнеупорность высокоглиноземистых изделий на 10-15 С, что объясняется содержанием в золе щелочных, щелочноземельных оксидов, являющихся активными плавнями.
Важнейшим этапом в технологии пористой керамики, получаемой способом выгорающих добавок, является обжиг. С целью полного выгорания добавки обжиг на первой стадии должен осуществляться в окислительной среде, так как неполное выгорание добавки приводит к получению изделий повышенной плотности, снижению их прочности и образованию трещин, т.е. к браку.
Ряд исследователей, посвятивших свои работы этой проблеме [130,157] отмечают, что высокое содержание выгорающих добавок и их легкая воспламеняемость затрудняют возможность проведения регулируемого режима обжига.
Важнейшими факторами, влияющими на процесс выгорания углеродсо-держащих добавок, являются: толщина обжигаемого изделия его пористость и газопроницаемость, состав и скорость движения печных газов, вид, содержание и размер зерен добавки, режим обжига. В огнеупорных материалах, где при температурах горения добавки спекание глин не наблюдается, с ростом температуры процесс выгорания углерода интенсифицируется вследствие увеличения скорости реакций, роста пористости черепка и ускорения диффузии газов. От содержания выгорающих добавок до известного предела зависит пористость, а от их формы и размеров - строение черепка.
Широко известна технология корундовых, шамотных, дистен-силиманитовых и других легковесных теплоизоляционных керамических материалов, основанная на использовании в качестве выгорающей добавки вспученных зерен полистирола фракции менее 0,5 мм [36,37,114]. При этом получаются материалы с пористостью до 80 %, с относительно высокой прочностью, не содержащие зольный остаток, так как после выгорания полистирол не оставляет золы. Известно, что полистирол не впитывает воду и не набухает. Это обстоятельство в значительной степени облегчило сушку изделий, исключило коробление сырца. Однако недостатками указанной технологий является высокая стоимость полистирола, при пластическом формовании изделий наблюдается упругое последействие крупных гранул, кроме того, получаемые изделия отличаются крупнопористой структурой с большим количеством открытых пор, что негативно сказывается на теплотехнических характеристиках материала. Как показывает анализ многочисленных источников, применение традиционных видов выгорающих добавок в силу ряда причин (снижения прочности, трудности выжигания, высокой зольности, неправильной формы зерен и т.п.) не позволяет создавать пористость в керамических изделиях более 60%. При этом изделия характеризуются повышенной средней плотностью и невысокой механической прочностью.
Широко известен способ введения в состав формовочных масс пористых: наполнителей. Известны технологии изготовления керамических перлитовых теплоизоляционных изделий, применяемых для тепловой изоляции в области температур до 800-900 С и выше, вспученный перлитовый песок используют в качестве стойкого порообразователя, а пластичную легкоплавкую глину - в качестве связующего. Для изготовления изделий, работающих при более высоких температурах до 1300-1500 С, в составе шихты используют огнеупорные глины и дополнительно вводят огнеупорные компоненты - шамот, дистенсилли-манитовый концентрат и др. [27,55,124,130,131,139,141,146,152]. Недостатком данной технологии является высокая стоимость и дефицитность перлитового песка, и поэтому ограничено ее широкое использование.
Методы исследования свойств сырьевых материалов
Основной объем экспериментальных исследований реализован в лаборатории кафедры СМ РГСУ. При проведении научно-исследовательской работы были использованы стандартные и общепринятые методы исследований, а также приборы и испытательные машины, прошедшие госповерку и удовлетворяющие требованиям действующих стандартов. Обеспечение стабильности составов, дозирование исходных компонентов производили взвешиванием на весах соответствующего класса;
Глинистое сырье испытывалось в соответствии с ГОСТ 21216.1-93 "Сырье глинистое. Метод определения пластичности". Метод основан на определении разности влажности глинистой массы, соответствующей нижней границе текучести и границе раскатывания. Тонкость помола определялась в соответствии с ГОСТ 21216.2-93 "Сырье глинистое. Метод определения тонко дисперсных фракций". Метод основан на количественном распределении частиц материала по крупности в зависимости от времени их оседания в жидкой среде и последующем весовом определении полученных фракций по крупности, вычислении их выхода в процентах от массы навески, взятой для седиментационного анализа: Спекаемость глинистого сырья определялось в соответствии с ГОСТ 21216.9-93 "Сырье глинистое. Метод определения спекаемости глин", который связан с определением водопоглощения и средней плотности образцов, обожженных при заданной температуре. Определение крупнозернистых включений глинистого сырья проводилось в соответствии с ГОСТ 21216.4-93 "Сырье глинистое. Метод определения крупнозернистых включений". Метод основан на количественном определении распределения зерен по крупности путем рассева на ситах с последующей дифференциацией по их размерам. Определение минералогического состава глинистого сырья проводилось в соответствии с ГОСТ 21216.10-93 "Сырье глинистое. Метод определения минералогического состава". Метод основан на комплексном определении качественного минералогического состава путем рентгеновского, термографического и микроскопического анализов. Огнеупорность глинистого сырья определялась в соответствии с ГОСТ 21216.11-93 " Сырье глинистое. Метод определения огнеупорности легкоплавких глин". Метод основан на определении температуры падения пироскопов, изготовленных из испытуемого материала. Определение химического состава зольных микросфер определялись в соответствии с ГОСТ 10538-87 "Топливо твердое. Методы определения химического состава золы". Плотность и коэффициент заполнения объема микросфер по ТУ 6-05-221-258-87. Удельная поверхность зольных микросфер определялась с помощью прибора ПСХ-2 в соответствии с инструкцией к прибору. Определение свойств каолиновой ваты осуществлялось в соответствии с ГОСТ 23619-79 "Материалы и изделия огнеупорные теплоизоляционные мул-литокремнеземистые стекловолокнистые. Технические условия". Пенообразователи применяли в соответствии с их паспортными данными и нормативными документами. Глинистое сырье высушивали до воздушно-сухого состояния, затем измельчали в щековой дробилке, после чего просеивали через сито с размером ячеек 3 мм. Просеянное сырье хранили до использования в герметичной таре. Каолиновую вату измельчали на дезинтеграторе с плавающими ножами на куски с размером 3-5 мм, диаметром 1-2 мм и хранили в мешках Алюмосиликатные микросферы, получаемые в результате водной сепарации золошлаковых отходов и их сушки, хранили в таких же условиях. Пенообразователь доставляли непосредственно с места производства и использовали без всякой специальной подготовки. Для проведения опытов был применен мокрый способ подготовки масс, при котором глинистое сырье увлажнялось водой с различным водоглиняным отношением 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 выдерживалось в течение 48 часов в эксикаторе. Приготовление пеномасс производили по одностадийной схеме в лабораторном турбулентном смесителе со скоростью вращения ротора 10,3 с"1 (620 об/мин). В глиняный шликер добавляли отдозированный пенообразователь в количестве 0,5-2%, полученную суспензию вспенивали в смесителе в течение 3 мин. После перемешивания шликера определяли вязкость пеномассы, среднюю плотность, кратность пеномассы, стабильность пены. Среднюю плотность пеномассы определяли по методике ГОСТ 5802-86 «Растворы строительные. Методы испытаний». Кратность пеномассы определяли как отношение объема вспененного шликера к первоначальному объему шликера. Вязкопластические свойства приготовленных пеномасс оценивали значением их вязкости, определяемой приборе Суттарда. Оценку стабильности пеносмесей проводили по общепринятой методике по величине их осадки в статическом состоянии. Осадка смеси в статическом состоянии оценивалась как отношение величины оседания смеси, в мм, к общей высоте (мм). Отобранную пробу пеномассы заливали в прозрачный мерный цилиндр на 300 мм и оставляли в покое на 1 час. Затем проводили замер оседания, в мм. Чтобы избежать испарения воды с поверхности смеси, цилиндры закрывали пластмассовыми крышками. Подбор вида и оптимального количества электролита-определяли по изменению влажности шликера, которую фиксировали по текучести шликера (методика ВНИИстрома). Однородность формовочной массы определяли визуально в процессе при готовления (смешивания). Из приготовленной массы.через определенные про межутки времени (3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 мин) отбирали пробы массой 100 г и на носили их ровным слоем на стеклянные пластинки размером 10 х5 см. Затем поверхность проб выравнивали и высушивали до постоянной массы с после дующим визуальным исследованием однородности массы.
Роль глинистого вещества в формировании реологических свойств пеномасс с различной концентрацией твердой фазы
Полученные зависимости показывают, что при одном виде и количестве пенообразователя основными факторами, влияющими на кратность пеномасс, являются вещественный состав глинистого сырья и водотвердое отношение пеномасс. Как видно из рис. 3.1 увеличение водотвердого отношения глиняных суспензий приводит к повышению кратности пеномасс. Причем, существуют оптимальные значения водотвердого отношения для глинистого сырья; различного состава, при которых кратность пеномасс имеет максимальные значения. С дальнейшим повышением водосодержания структура становится неустойчивой во времени, и происходит осадка и расслоение пеномасс. Кроме того, большое значение имеет вещественный состав глинистого сырья. С увеличением содержания глинистых частиц в сырье кратность пеномасс значительно растет. Так, при увеличении содержания глинистых частиц в гранулометрическом составе глин от 50 до 90% кратность пеномасс возрастает в 1,5-1,7 раза. Лучшей кратностью обладает пеномасса, в составе которой преобладает до 90% частиц размером менее 0,005 мм - глина Часовярского месторождения. Пеномасса из Новошахтинского глинистого сырья, с содержанием глинистых частиц 51%, имеет самую низкую кратность и отличается неустойчивой во времени ячеистой структурой.
Удовлетворительные результаты и доступность глинистого сырья Владимировского месторождения явились основанием для проведения дальнейших исследований.
Анализ многочисленных исследований показывает, что получение пены и процесс воздухововлечения происходят при выполнении двух условий: понижении поверхностного натяжения на границе «раствор-воздух» и механического вовлечения воздуха в объем, раствора. Первое осуществляется введением ПАВ, при растворении которого в воде дифильные молекулы ориентированно адсорбируются на границе раздела фаз, повышая вязкость и механическую прочность поверхностных слоев и пленок. В результате адсорбции ПАВ снижается поверхностное натяжение жидкости, улучшается смачивание. G повышением концентрации ПАВ поверхностное натяжение1 уменьшается по сравнению с водой, за счет замещения на поверхности, молекул воды менее полярными молекулами.
Механизм образования технической пеньт можно представить следующим образом; При: перемешивании воздуха с раствором ПАВ на поверхности пузырьков воздуха создается адсорбционный слой, гидрофобная часть которого направлена к воздуху, а гидрофильная часть..- в водную фазу. Пузырьки воздуха, поднимаясь из раствора и проходя через его массу, покрываются двойным , слоем молекул ПАВ [1,72,75,95,106,121,133,148], Пленка пузырька пены состоит из двух адсорбционных слоев и:средней части, заполненной раствором ПАВ (рис. 33.)
Молекулы ПАВ, адсорбируясь на межфазных поверхностях раздела, образуют мономолекулярные, а при определенной концентрации полимолекулярные, слои ориентированных молекул (ионов), резко изменяя природу поверхности [133,148].
Для производства ячеистых материалов широкое распространение получили пенообразователи на основе природных органических продуктов: клееканифольный - продукт многоступенчатой переработки канифоли и столярного клея; смолосапониновыи - продукт экстрагирования сапонина из растений. Перечисленные пенообразователи незначительно снилсаіот поверхностное натяжение воды (с 73,9 до 50-60 103 Н/м) [72,105], поэтому необходимым условием для получения стабильной технической пены является применение стабилизаторов. Широкое распространение пенной технологии сдерживалось, в частности, определенными недостатками, присущими этим пенообразователям: получение их из естественных дорогостоящих продуктов, ограниченность сырьевой базы, сложность технологии приготовления, нестабильный состав, короткие сроки хранения.
Развитие нефтехимической промышленности привело к созданию новых синтетических продуктов, пригодных для получения технических пен и повышения воздухововлечения при их использовании в ячеистых материалах. Современные синтетические пенообразующие ПАВ обладают рядом преимуществ: при незначительной концентрации они существенно снижают поверхностное натяжение на межфазных поверхностях (до 30-40 Н/м), сохраняют стойкость пены. К таким веществам относят сульфанолы - смесь натриевых солей алкилбензосульфокислот: «Прогресс»; ПО-ЗНП, ПО-6НП -смесь натриевых солей сернокислых эфиров вторичных спиртов с различными стабилизирующими добавками; ПО-1 и др. модификации -нейтрализованный контакт Петрова на основе сульфокислот. Рассмотренные синтетические пенообразователи относятся по способности к электролитической диссоциации к группе ионогенных (диссоциирующих в водной среде); анионных, образующих в растворе поверхностно-активные анионы (отрицательно заряженные ионы) и гидратированные катионы. Указанные синтетические пенообразователи нашли широкое применение в технологии ячеистых материалов на основе гидравлических вяжущих. Однако возможность использования современных синтетических пенообразователей в технологии ячеистой керамики изучена недостаточно. Поэтому актуальным представляется получение пенокерамических масс с их использованием в присутствии глинистых минералов. Поведение пенообразователей в таких системах определяется их видом и концентрацией, а также реологическими свойствами глиняных суспензий, которые позволяют регулировать следующие характеристики пеномасс: - объем пены (кратность), т.е. ее предельное количество, которое может быть получено из раствора пенообразователя при данных условиях; - устойчивость пены, характеризующая скорость вытекания жидкости из пленок пены. - реологические характеристики пеномассы - вязкость. Определение вида и оптимального количества пенообразователя, а таклсе рациональной области водотвердого отношения глиняного шликера проводили на глинистом сырье Владимировского месторождения. Критерием при выборе вида и количества пенообразователя являлось получение из глинистых суспензий устойчивых во времени пеномасс с максимальной кратностью и высокой вязкостью.
Математическое моделирование составов ячеистой керамики
В процессе работы выявлено влияние последовательности введения компонентов и длительности их смешивания на свойства формовочной массы и готовых изделий. Это вызвало необходимость проведения исследований по установлению последовательности введения каолиновой ваты и микросфер в пено-массу, а также оптимального времени приготовления формовочных масс.
В работе были рассмотрены два наиболее приемлемых для производства способа смешивания компонентов формовочной массы. В первом случае приготовление формовочных масс проводили следующим образом: в глиняную суспензию при непрерывном перемешивании в турбулентном смесителе последовательно вводили пенообразователь, каолиновую вату, а затем микросферу.
Во втором способе последовательность загрузки изменяли: в глиняную суспензию при непрерывном перемешивании в турбулентном смесителе последовательно вводили пенообразователь, микросферу, а затем каолиновую вату. После окончания смешивания определяли среднюю плотность массы.
Рецептурный состав при проведении исследований был принят по результатам п.4Л главы 4 и включает: водоглиняное отношение формовочной массы, равное 1,25 при соотношении: каолиновой ваты 40%, микросфер 60%. Реологические свойства и однородность (гомогенность) и время перемешивания формовочных масс определяли по методикам п.2.2.5-2.2.8, приведенным в главе 2.
Проведенные исследования показывают, что при первом способе загрузки компонентов наблюдается равномерное распределение волокон в составе пено-массы и равномерное обволакивание их глиняным связующим. Дальнейшее введение микросфер, при непрерывном перемешивании, приводит к дополнительному взбиванию пены (увеличению кратности), что приводит к уменьшению размеров пузырьков пены, вследствие уменьшения толщины пленок между пузырьками, и позволяет увеличивать структурную прочность пены, повышая однородность системы.
При втором способе загрузки компонентов, введение в пеномассьт микросфер приводит к некоторому «отсасыванию» жидкой фазы. Так как, обладая высокой удельной поверхностью микросферы, требуют большого количества воды для смачивания ее поверхности. После этого в пеномассе остается недостаточное количество жидкой фазы, для: полного обволакивания вводимого объема каолиновой ваты и ее распределения; от продолжительности перемешивания
Результаты исследований по определению времени перемешивания формовочных масс, приведенные на рис. 4.25-4.26, показывают, что кривая изменения предельного напряжения сдвига сначала резко возрастает до максимального значения 6000 Па, так как увеличивается механическая стойкость пузырьков пены. При дальнейшем перемешивании более 7 мин. происходит,.как установлено, разжижение массы, при этом пластическая прочность массы падает и происходит увеличение средней плотности формовочных масс. Это связано с разрушением воздушных пузырьков иены, истечением из них жидкости, что приводит к утяжелению масс, уплотнению волокон каолиновой ваты в гранулы, В работе оптимальным принято время перемешивания 5-7 мин, т.к. средняя плотность формовочной массы достигает наименьших значений.
Формование как технологический передел производства изделий заключается в придании формы, плотности и достаточной прочности для проведения последующих технологических процессов сушки и обжига.
Одним из главных требований к отформованному изделию является достаточная и постоянная степень его уплотнения, характеризуемая показателем относительной плотности или пористости, который в значительной степени определяет поведение изделий при сушке и обжиге.
Выбор способа формования в значительной степени определятся начальной влажностью формовочной массы. В традиционном «мокром» способе изготовления волокнисто-керамических изделий масса, подлежащая формованию, представляет собой шликер, влажность которого составляет не менее 350% [149,155]. Поэтому для получения формованных изделий, в частности плит, такую массу подвергают вакуумированию, в процессе которого производят сначала прессование плиточных заготовок требуемых размеров и удаление при этом максимально возможного количества воды, после чего избыток влаги удаляют вакуумированием. При этом влажность отформованных заготовок составляет не менее 180% (по массе); количество отжимных вод при формовании достигает 170% ( от массы сухих компонентов). При таком количестве отжимных вод имеют место значительные потери связующего вещества - глины, что, в свою очередь, приводит к заметному перерасходу его при изготовлении изделий требуемой прочности.
Исследуемая формовочная масса имеет консистенцию, характерную для пластических масс, т. е. способную изменять форму под действием внешних сил без разрыва сплошности и сохранять ее после снятия этих усилий. Пластичность формовочных масс обуславливается наличием прослоек жидкости между твердыми частицами, позволяющих деформировать массу без разрушения и сохранять приобретенную форму после того, как воздействие внешних сил кончается;
На основании вышеизложенного при формовании изделий в исследованиях применяли методьь виброформования, виброформования с пригрузом и способ пластического формования (метод экструзии).
Виброформование и виброформование с пригрузом осуществляли следующим образом: форму, заполненную массой, крепили на виброплощадке, сверху на нее накладывали пригруз. Параметры виброуплотнения принимали следующие: частота - 50 Гц, амплитуда - 0,4...0,5 мм, продолжительность - 180 с, величина нагружения не превышала 0,03 МПа. Проводилась иодпрессовка массы и придание ей необходимой формы и размеров. По окончании виброформования, извлекали изделие снятием формы.
При пластическом формовании изделия получали методом; экструзии или выдавливанием.
Для оценки эффективности указанных способов экспериментально определяли среднюю плотность и прочность при сжатии обожженных образцов, полученных из формовочных масс при различных способах формования.
