Теплоізоляційні матеріали на основі модифікованих лужних алюмосилікатних композицій, здатних до спучування

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи.Наявність енергетичної кризи в Україні, зростання ціни на енергію та паливо, а також їх дефіцитність обумовлюють необхідність підвищення якості теплової ізоляції огороджувальних конструкцій і теплових агрегатів. Одним із напрямків вирішення цього питання є використання спеціальних високоефективних теплоізоляційних матеріалів, які здатні забезпечити задані значення теплового опору конструкцій.

Сучасні тенденції розвитку матеріалознавства передбачають максимально можливе обмеження використання органічних речовин у життєдіяльності людини, тому розробку теплоізоляційних матеріалів на мінеральній основі, що характеризуються низькою спалимістю, є нетоксичними як на стадії виготовлення, так і на стадії експлуатації, можна вважати пріоритетною.

Існуючі на будівельному ринку неорганічні теплоізоляційні матеріали при їх безумовних перевагах перед органічними мають певні недоліки. Піно- та газобетони, які характеризуються невисокою міцністю при відносно великій середній густині та недостатній теплопровідності, а також високим водопоглинанням і низькою волого- та морозостійкістю, мають обмежені галузі використання, чим поступаються перед іншими відомими аналогами. Газоскло потребує застосування достатньо тривалого та енергоємного процесу виробництва, що обумовлює його високу вартість. Мінеральна вата та вироби на її основі характеризується виділенням високотоксичного вільного формальдегіду, канцерогенністю мінеральних волокон товщиною менше 3 мкм і довжиною більше 5 мкм, а також, за даними німецьких дослідників, переходом волокон через 7…9 років у пиловидний стан, що призводить до втрати огороджувальною конструкцією необхідного теплового опору.

Отже, враховуючи все вищезазначене, особливої актуальності набуває питання щодо розробки принципово нових видів теплоізоляційних матеріалів на основі модифікованих лужних алюмосилікатних композицій, здатних до спучування, які можуть бути виготовлені з використанням недорогої та недефіцитної сировини за екологічно безпечними та енергоощадними технологіями. Введення до складу алюмосилікатних композицій різноманітних пористих заповнювачів та наповнювачів дозволить отримувати на їх основі матеріали з наперед заданими властивостями та розширить галузі їх використання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у Науково-дослідному інституті в’яжучих речовин і матеріалів Київського національного університету будівництва і архітектури у відповідності до держбюджетної теми Міністерства освіти, науки, молоді та спорту України 4ДБ-2009 «Дослідження фізико-хімічних закономірностей створення теплоізоляційних матеріалів на основі модифікованих алюмосилікатних композицій» (2009-2011 рр., № державної реєстрації 0106U000642). В зазначеній роботі автор виконувала обов’язки виконавця.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є отримання за низькоенергоємними, екологічно безпечними технологіями ефективних теплоізоляційних матеріалів на основі модифікованих сполуками феруму та магнію лужних алюмосилікатних композицій, здатних до спучування.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

  • визначити вплив модифікуючих добавок на особливості процесів спучування та структуроутворення лужних алюмосилікатних композицій, а також ідентифікувати новоутворення, що забезпечують максимальне спучення композицій в системі «Na2O-RO-R2O3-SiO2-H2O» (де RO– FeO, MgO; R2O3– Fe2O3, Al2O3) та утворення оптимальної пористої структури спученого шару;
  • дослідити фізико-хімічні особливості процесів структуроутворення та спучування при дії температурного фактора алюмосилікатних композицій, отриманих за різними технологіями приготування вихідних сумішей;
  • розробити склади теплоізоляційних матеріалів на основі штучних пористих заповнювачів і алюмосилікатних композицій, здатних до спучування в заданих інтервалах температур, та дослідити їхні властивості;
  • встановити технологічні параметри отримання теплоізоляційних матеріалів із покращеними фізико-механічними та теплофізичними характеристиками на основі композицій оптимального складу;
  • провести в промислових умовах виготовлення розроблених теплоізоляційних матеріалів і дослідити їхні основні властивості.

Об’єктом дослідженьє направлене регулювання процесів структуроутворення та спучування при дії температурного фактора лужних алюмосилікатних композицій в системі «Na2O-RO-R2O3-SiO2-H2O» (де RO– FeO, MgO; R2O3– Fe2O3, Al2O3).

Предметом дослідженьє лужні алюмосилікатні композиції, модифіковані сполуками магнію та феруму.

Методи досліджень.Експериментальні дослідження виконані з застосуванням сучасних методів фізико-хімічного аналізу: рентгенофазового, диференціально-термічного, електронної растрової мікроскопії з використанням зондового аналізу. Визначення фізичних (середня густина, пористість), фізико-механічних (міцність при стиску) та теплофізичних властивостей проведено за традиційними методиками згідно діючих нормативних документів. Розрахунки та оптимізацію складів лужних алюмосилікатних композицій проведено з застосуванням експериментально-статистичних методів планування експерименту з використанням програмного забезпечення «Statistica».

Наукова новизна одержаних результатів:

  • встановлено залежність процесів спучування та структуроутворення лужних алюмосилікатних композицій від технологічних особливостей приготування реакційних сумішей. Показано, що більш інтенсивне перемішування вихідних сумішей (швидкість перемішування 950 об/хв) змінює їхню реакційну здатність, що підвищує коефіцієнт спучення композицій при випалюванні в інтервалі температур 400…800°С в середньому в 1,1…1,7 рази та сприяє утворенню в складі продуктів дегідратації зародків гідрослюд шаруватої будови;
  • доведено, що модифікація лужної алюмосилікатної композиції сполуками феруму та магнію сприяє підвищенню коефіцієнта спучення в середньому в 1,3…1,8 рази порівняно з немодифікованими композиціями за рахунок направленого синтезу в складі новоутворень аналогів природних гідрослюд, причому тип синтезованої гідрослюди залежить від виду використаної добавки-модифікатора;
  • визначено вплив відповідного виду модифікуючої добавки на експлуатаційні властивості розроблених матеріалів, причому використання сполук феруму дозволяє отримувати матеріали з найменшою середньою густиною, максимальне спучення яких відбувається при відносно низьких температурах (200…400ºС), а введення сполук магнію підвищує міцність матеріалу в 1,5…2 рази порівняно з немодифікованою системою та сприяє розширенню інтервалу температур використання отриманих матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів:

  • запропоновано склади теплоізоляційних матеріалів на основі модифікованих алюмосилікатних композицій та штучних пористих заповнювачів, що здатні до спучування в заданих інтервалах температур та характеризуються середньою густиною в межах 200…500 кг/м3, теплопровідністю 0,04…0,16 Вт/(м·К), міцністю 1,0…4,75 МПа, коефіцієнтом розм’якшення 0,67…0,97 та коефіцієнтом конструктивної якості 15…32 МПа;
  • розроблено основи низькоенергоємної технології отримання теплоізоляційних матеріалів із заданими експлуатаційними властивостями та доведено, що регулювання властивостей матеріалу здійснюється шляхом зміни типу та кількості модифікуючої добавки, швидкості перемішування та часу попереднього витримування алюмосилікатної композиції, виду та кількості використаного заповнювача, розчино-твердого відношення реакційних сумішей, температури випалювання виробів;
  • проведено промислове впровадження випуску партії теплоізоляційних плит на основімодифікованої алюмосилікатної композиції та штучного пористого заповнювача сіопору. Економічний ефект від застосування отриманих теплоізоляційних виробів становить 1274,96 грн. на 1 м3 готової продукції та досягається як за рахунок зниження енергоємності процесу виробництва розробленого матеріалу, так і за рахунок використання відносно недорогих та недефіцитних сировинних матеріалів.

Особистий внесок здобувачаполягає у виконанні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів та впровадженні розроблених матеріалів у виробництво. Особистий внесок здобувача в опублікованих роботах:

  • показано позитивний вплив добавки оксиду феруму на здатність до спучування лужної алюмосилікатної композиції за рахунок формування серед пр