автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему: Технология и физико-химические свойства пористых композиционных материалов на основе жидкого стекла и природных силикатов
Автореферат диссертации по теме "Технология и физико-химические свойства пористых композиционных материалов на основе жидкого стекла и природных силикатов"
На правах рукописи
Заболотская Анастасия Владимировна
ТЕХНОЛОГИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА И ПРИРОДНЫХ СИЛИКАТОВ
05.17.11 -технология силикатных итугоплавких неметаллических материалов 02.00.01 - неорганическая химия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Диссертация выполнена на кафедре неорганической химии и в отделе «Новые материалы» Томского государственного университета.
доктор технических наук, профессор Верещагин В.И.
кандидат химических наук, доцент Борило Л.П.
доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники
Российской Федерации Бердов Г.И.
кандидат химических наук, доцент Минакова Т.С.
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие НИИПП.
Защита диссертации состоится «18» декабря 2003 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.269.08 при Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 30, корп. 2, ауд. 117.
С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.
Автореферат разослан «14» ноября 2003 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в современной технике, и особенно в строительстве, резко возросла потребность в экологически чистых, высокоэффективных негорючих теплоизоляционных материалах. Этим требованиям отвечают неорганические композиционные материалы с развитой макроструктурой на основе микрогетерогенных силикатов и оксидов -пеносиликат, пеностекло, пенобетон, газобетон.
Все выпускаемые теплоизоляционные материалы с жесткой, ячеистой, зернистой и волокнистой структурой можно разделить на волокнистые и пористые. Высокотемпературные технологии получения неорганических теплоизоляционных материалов, главным образом минеральных волокон, достаточно хорошо развиты. В настоящее время целесообразно развивать низкотемпературные технологии объемных пористых материалов. По низкотемпературной технологии можно получать теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла с силикатными наполнителями. Хорошие теплоизоляционные свойства, достаточная механическая прочность, пожаробезопасность, экологическая безопасность открывают перспективы по применению материалов с развитой пористой структурой на основе жидкого стекла с силикатными наполнителями в различных областях народного хозяйства.
Для разработки и широкого применения таких материалов необходимо установить взаимосвязь между технологическими и целевыми свойствами, составом и условиями получения материалов, исследовать физико-химические процессы в композициях на основе жидкого стекла и процессы формирования пористой структуры материалов.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научным направлением кафедры неорганической химии и отдела «Новые материалы» Томского государственного университета «Химия полифункциональных материалов, объектов окружающей среды и химические технологии»; по госбюджетной теме Министерства образования РФ «Изучение физико-химических закономерностей целенаправленного синтеза и модифицирования полифункциональных материалов»; по программе Министерства образования РФ и Министерства промышленности науки и технологий. «Разработка новых строительных материалов на основе вспененного силикатного сырья и полимерных композиций с неорганическими наполнителями».
Цель работы: разработка составов и низкотемпературных технологий получения пористых теплоизоляционных материалов на основе жидкого стекла и природных силикатов.
Для достижения поставленной цели решались
БИБЛИОТЕКА С Петербург (
1. Разработка составов композиций на основе жидкого стекла с учетом целевых характеристик теплоизоляционных материалов.
2. Исследование физико-химических процессов, протекающих в растворах жидкого стекла и в его смесях с отвердителями и природными наполнителями.
3. Разработка схем получения и исследование закономерностей формирования микро- и макроструктуры теплоизоляционных материалов на основе композиций с жидким стеклом.
4. Исследование зависимости свойств полученных материалов от состава и условий получения.
5. Установление факторов, влияющих на порообразование и теплоизоляцию в материалах, определение оптимальных условий получения.
6. Разработка низкотемпературных технологий получения теплоизоляционных материалов, разработанных составов.
7. Исследование физико-химических и эксплутационных свойств материалов и разработка рекомендаций по их практическому использованию.
1. Установлено, что при низком значении силикатного модуля 1-3 (рН более 9) в растворе находятся полисиликат-ионы, из которых хорошо формируются пористые объемные структуры. При высоких значениях силикатного модуля 7-10 (рН раствора ниже 9,0) образуются золи кремниевой кислоты, стабилизированные щелочью, из таких растворов с добавлением этилового спирта при нанесении на поверхность образуются тонкопленочные наносистемы. Ионы щелочно-земельных металлов и алюминия способствуют коагуляции растворов жидкого стекла и образованию пленок на поверхности силикатных наполнителей.
2. Установлено, что основным источником газов при порообразовании в материалах на основе жидкого стекла и природных силикатов является адсорбционная и кристаллизационная вода жидкого стекла. Наиболее пористыми до 86,8% с размерами пор от 0,011 до 0,2 мм получаются композиционные материалы с добавками цеолита за счет участия «цеолитной» воды в процессе порообразования. Цеолит частично растворяется в жидком стекле, что приводит при термообработке к формированию нового слоя аморфной цеолитоподобной структуры теплоизоляционных материалов.
3. Установлено, что покрытие, сформированное на пористом композиционном материале из раствора жидкого стекла с силикатным модулем более 10, увеличивает химическую устойчивость материалов за счет образо-
вания защитной пленки, закрывающей микропоры и трещины цеолитопо-добной структуры.
4. Установлено, что пироксеновые и амфиболовые силикаты волласто-нит, диопсид, тремолит химически не взаимодействуют с жидким стеклом, сохраняют свою структуру в теплоизоляционных материалах и выполняют армирующую роль, что способствует увеличению их механической прочности. Оптимальное соотношение пористости и прочности достигается в композициях, где в качестве наполнителей используется цеолит совместно с пироксеновыми и амфиболовыми силикатами.
5. Установлено, что факторами, влияющими на пористость, структурно-механические свойства и химическую устойчивость композиционных материалов, являются: концентрация раствора жидкого стекла; содержание от-вердителей и наполнителей (10-20 мае. %); время отвердения (15 мин); температура и время вспенивания (350-400 °С, 40-45 мин); мощность СВЧ-вол-ны (540-720 Вт).
1. Разработаны составы и технология получения теплоизоляционных материалов и защитных покрытий на основе жидкого стекла, природных силикатов - цеолита, волластонита, диопсида и тремолита, обладающих высокой механической прочностью и химической устойчивостью.
2. Разработана СВЧ-технология получения теплоизоляционных материалов на основе композиций с жидким стеклом. Предложен способ повышения химической стойкости пористых теплоизоляционных материалов за счет создания тонкопленочного покрытия из раствора на основе жидкого стекла и этилового спирта. —
3. Предложены технологические схемы получения теплоизоляционных материалов СВЧ- и омическим нагревом.
Полученные пористые керамические материалы предложены в качестве теплоизоляционных строительных материалов, материалов технологической оснастки. Практическое апробирование прошли на опытном производстве в ОАО «Томскводпроект», ООО «ТИЭМ» как строительные материалы, а также материалы технологической оснастки, в ООО «ПИК» - как теплоизоляционные материалы для сушильных шкафов.
Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных, всероссийских и региональных конференциях, семинарах, в том числе: Науч-
но-практической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции» (Красноярск, 1999); Международном семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, ТГАСУ, 1999); Региональной научно-практической конференции «Полифункциональные химические материалы и технологии» (Томск, 2000); XXXVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2000); Слете «Студенты и аспиранты — малому наукоемкому бизнесу» (Барнаул, 2000); Российской научно-практической конференции «Химия редких и редкоземельных элементов и современные материалы» (Томск, 2001); Региональной научно-практической конференции «Получения и свойства новых неорганических веществ и материалов, диагностика, технологический менеджмент» (Томск, 2001, 2002); Российской молодежной научно-практической конференции «Получения и свойства веществ и полифункциональных материалов, диагностика, технологический менеджмент» (Томск, 2003).
Образцы разработанных материалов демонстрировались на выставках и удостоены диплома Комитета по науке, вузам и инновационной политике Администрации г. Томска; диплома лауреата конкурса Томкой области в сфере образования и науки; диплома и малой медали Минпромнауки.
Основные положения диссертации опубликованы в14 работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из шести глав и основных выводов, содержит 27 рисунков, 18 таблиц, список цитируемой литературы включает 134 источника.
Во введении дано обоснование выбора темы, определены цели и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость работы.
Первая глава включает аналитический обзор научных публикаций в области получения теплоизоляционных материалов. Рассмотрены общие закономерности формирования силикатных материалов ячеистой структуры, процессы порообразования. Предложена классификация теплоизоляционных материалов. Рассмотрены высокотемпературные и низкотемпературные технологии получения теплоизоляционных материалов и их сравнительные физико-химические и эксплуатационные свойства.
Предложен алгоритм целенаправленного синтеза пеносиликатных композиционных материалов. Обоснованы объекты исследования, цель и задачи работы.
Во второй главе рассмотрены методики получения теплоизоляционных материалов, методики изучения физико-химических и целевых свойств, дана характеристика исходных веществ и материалов.
Для получения композиционных материалов в качестве связующего материала использовали жидкое стекло с различным силикатным модулем; растворы СаС12, А1С13— в качестве отвердителей для получения гранул; в качестве наполнителей - группу магнезиальных силикатов: цеолитовую породу Сахаптинского месторождения М^АЮ^БЮД,- и>Н20, диопсидовую породу Са0М§0-28Ю2 Слюдянского месторождения, тремолитовую породу 2СаО-5Г^О-88Ю2 Алгуйского месторождения, волластонитовую породу СаОЗЮ2 Синюхинского месторождения.
Вязкость и электропроводность растворов измеряли с использованием вязкозиметра ВПЖ-2, ВПЖ-4 и установки для определения сопротивления раствора. Термический анализ проводили на дериватографе <3-1500 в интервале температур 17-800°С, энергию активации рассчитывали по методу Горовица-Метцгера. ИК-спектроскопический анализ для исходных материалов и полученных образцов снимали на спектрофотометре Брекогс!- 75 в диапазоне 4000-200 см"1, рентгенофазовый - на приборе ДРОН-ЗМ. Пористость определяли с использованием оптико-телевизионной измерительной системы, макро- и микроструктуру с помощью электронного сканирующего микроскопа БЕМ-130, снабженного рентгеновским микроанализатором, толщину пленок на лазерном эллипсометре ЛЭФ-ЗМ. Физико-химические и целевые свойства исследовали по стандартным методикам.
В третьей главе приведены результаты исследования физико-химических процессов, протекающих в жидком стекле при различном значении силикатного модуля (рН), плотности раствора и температуре.
В результате исследований вязкости, электропроводности и рН растворов с различным содержанием кремнезема в зависимости от времени, температуры растворов было установлено, что эти характеристики определяют устойчивость силикатных растворов, т. е. склонность их к гелеобразова-нию и коагуляции, зависимости вязкости и электропроводности от разбавления показаны на рис. 1. С увеличением концентрации жидкого стекла вязкость увеличивается, электропроводность уменьшается до тех пор, пока образующаяся сетка не станет захватывать воду во вновь сформировавшихся областях микрогеля. Процесс полимеризации происходит в результате протекания кислотно-основных реакций:
гвюн- + ОН- ¡5 +Н20; ^БЮН + =БЮ- 5=81-0-8Ь + ОНг
Реакция (1) - образование ионных форм кремнезема, реакция (2) - реакция полимеризации, которая приводит к образованию полисиликатов. Начальный этап формирования материала представляет собой агрегацию отдельных частиц кремнезема в короткие цепочки. Способность кремнезема к агрегации и полимеризации зависит от рН раствора. При рН больше 10,9, по Айлеру, в растворе образуется дисиликат-ион 812052
, до рН=9 наряду с дисиликат-ионом присутствуют полимерные ионы. Если рН раствора ниже 9,0, то в нем находятся частицы коллоидного кремнезема размерами до 100 нм, стабилизированные щелочью. При рН ниже 7 раствор из золя переходит в гель. Исследования рН растворов с различным сикат-ным модулем от 10 до 1 показали, что для получения объемных пористых композиционных материалов необходимо использовать растворы с низким содержанием силикатного модуля от 2 до 3 и значениями рН раствора 9-10. Растворы жидкого стекла с высоким содержанием силикатного модуля, больше 7, со значениями рН ниже 9 могут быть использованы для получения плотных, защитных нанострукгурных пленок.