разное

Физико-химические закономерности формирования структуры пеностекла и формования пеномасс

Для научно обоснованного объяснения явлений, происхо­дящих в пеностекле на различных этапах его получения, необ­ходимо рассмотреть особенности возникновения и формирова­ния ячеистой структуры, а также закономерности изменения свойств пиропластического пеностекла при термообработке.

Согласно представлениям М. А. Леонтовича [347], в си­стемах с повышенной плотностью, например силикатных спе­ках, для образования элементарного пузырька должно про­изойти некоторое местное разрежение, имеющее характер флуктуации. В зависимости от состава и структуры среды, ее реологических свойств и внешних условий вероятность флук - туаций будет различной. По мнению П. П. Будникова и Ф. Я. Харитонова [348], микроскопические пузырьки в сили­катных расплавах могут возникать только при условии, если

РСО>Р0, где Poo —упругость паров над плоской поверхностью. Это означает, что жидкая фаза может вспениться только в тех случаях, когда упругость ее пара выше внешнего давления (Ро), при этом мета, стабильном состоянии происходит рост критических пузырьков за счет докритических.

Такая схема возникновения пузырьков чаще всего встре­чается при высокотемпературном вспенивании жидкости, когда фактор вязкости не является препятствием для возник­новения пузырьков хотя бы с докритическим размером. По­этому можно предположить, что в спеках смеси стекла и газо­образователя ячейки могут лишь частично образовываться по рассматриваемой схеме. Основное количество их, на наш взгляд, возникает на границе раздела фаз как за счет хими­ческого взаимодействия расплава с газообразователей, так и за счет поризации вследствие повышения давления газов в пузырьках внутри расплава, внесенных ранее механически при диспергировании. пенообразующей смеси.

Л. С. Эйгенеоном [26, 28] высказано предположение о том, что к моменту завершения процесса спекания пенообразую­щей смеси газообразные продукты вкраплены в размягченное стекло в виде дискретных включений (пузырьков), которые испытывают со стороны стекла давление, обусловленное по­верхностным натяжением. Это означает, что уже при самом своем возникновении газовые пузырьки отделены друг от дру­га очень тонкими перегородками. С увеличением радиуса пу­зырька толщина. перегородки будет уменьшаться, в связи с чем возможно ее разрушение, приводящее к образованию яче­ек больших размеров. Однако экспериментально подтвержде - . но наличие в готовом пеностекле видимых невооруженным гла­зом газовых пор существенно больших размеров. Поэтому нельзя согласиться с автором, что при вспенивании увеличе­ние объема происходит только в результате разрушения пере­городок между отдельными газовыми пузырями и ассоциации их в более крупные газовые включения. Анализ газовой фазы пеностекла также указывает на наличие в ней продуктов вза­имодействия углерода с сульфатами, водяными парами, водо­родом и другими промежуточными продуктами этих реакций (NaaS, СО, S), что свидетельствует о другом характере про­цесса газообразования, вызывающем вспенивание пеностекла.

Для низкотемпературных спеков пенообразующих смесей характерна выраженная микронеоднородность, являющаяся результатом незавершенности процесса спекания смеси. Со­гласно Ф. Шиллу [14], такие системы даже при идеальных условиях термостатирования не бывают двухфазными (газ-- жидкость). В них всегда присутствует некоторое количество твердой фазы, которая, с одной стороны, тормозит вспенива­ние, с другой, стабилизирует сформировавшуюся пену. В свя­зи с этим Л. С. Пиоро [349] вспенивание силикатных распла - бов рекомендует вести при бысокой температуре путем меха­нического диспергирования газообразной фазы в конверторе. Высокая активность такого способа вспенивания позволяет получить пену с минимальной толщиной разделительных сте­нок, близкой к толщине бимолекулярного слоя. X. Вагнер и К. Фишер [350] также указывают на возможность взбивания «сухой» пены, обладающей наибольшей устойчивостью, ко­торую авторы объясняют структурным эффектом, возникаю­щим вследствие ослабления сил, вызываемых поверхностным натяжением.

Согласно работам [349, 351], получение предельно насы­щенной пены при высокой температуре расплава возможно. Однако по мере насыщения расплава газами теплопровод­ность новой дисперсной системы снижается в 15—18 раз, что затрудняет ее стабилизацию в большом массиве [352]. Поэто­му такой способ вспенивания применяется в основном для по­лучения кускового пеноматериала из дешевых силикатных рас­плавов [353—379].

Таким образом, качественное пеностекло с упорядоченной структурой многогранной пены из-за сложности процесса ее стабилизации легче получить путем вспенивания высокобяз - кнх пнропластических спеков из порошкообразных смесей стекла и химически активного газообразователя в области тем­ператур, близких к самосохранению сформировавшейся си­стемы. При этом процесс коалесценции, вызываемый высоким значением поверхностного натяжения расплава и неодинако­вым давлением газов в ячейках различных размеров, будет заторможен повышенной вязкостью расплава.

Анализируя причины отклонений в развитии структуры пе­ностекла, И. И. Китайгородский и Л. М. Бутт [47] пришли к выводам, которые, однако, противоречат данным X. Вагнера и К. Фишера [350], изучавших подвижность других пен. Так, согласно работе [350], увеличение поверхности жидкости при образовании пены повышает общую энергию системы, кото­рая прямо пропорциональна поверхностному натяжению жидкости и величине пограничной поверхности между жидкой и газообразной фазами. Отсюда следует, что чем больше сво­бодная энергия системы, тем менее устойчивой является пена, и поэтому жидкости с большим поверхностным натяжением либо вообще не образуют пену, либо образуют ее с незначи­тельной устойчивостью. Все это верно лишь для некоторого частного состояния жидкости, когда ее вязкость при вспени­вании может оставаться постоянной.

Согласно взглядам П. А. Ребиндера [380] и Э. Манеголь - да [55], структурный фактор вносит существенные поправки в наши представления об устойчивости дисперсных систем ти­на жидкость — газ. В частности, указывается на значительное влияние вязкости, которая повышается одновременно с увели­чением поверхности раздела фаз и, следовательно, с уменьше­нием толщины разделительных стенок ячеек. Это подтвержда­ется также повышением устойчивости элементарной пластинки жидкости, продолжительность «жизни» которой увеличивается с приближением толщины ее к бимолекулярно­му слою данной жидкости [264]. Поэтому выводы, к которым пришли И. И. Китайгородский и Л. М. Бутт [47], справедли­вы лишь для случая высокотемпературного вспенивания, на­пример, методом механического взбивания пены, когда стрем­ление поверхностной энергии жидкости к минимальной пло­щади не тормозят противодействующие силы, вызываемые повышением ее вязкости. Поскольку, по данным В. Харди [381], воздушные пузырьки имеют наибольшую продолжи­тельность «жизни» в области крутого падения поверхностного натяжения, то, очевидно, для силикатных расплавов следует рекомендовать низкотемпературное вспенивание, где прояв­ление сил, вызываемых поверхностным натяжением, будет ми­нимальным.

Получению равномерной ячеистой структуры способствуют наличие в начальный момент вспенивания закрытых пор и присутствие в них веществ, вступающих в химическое взаимо­действие, сопровождающееся выделением газов (см. гл. IV). В связи с этим однородность пенообразующей смесн (стекла и газообразователя) имеет большое значение, поскольку фор­мирование спека, удовлетворяющего требованиям, невозмож­но без соблюдения этих условий. Однако структура спекшей­ся «идеальной» по однородности пенообразующей смеси на протяжении всего периода вспенивания представляет собой гетерогенную систему, в которой обычно присутствуют все три фазы: твердая — газообразователь и нерасплавившиеся частицы стекла и примесей, жидкая — расплав и газообраз­ная — пузырьки воздуха или других газов. По мере повышения температуры в системе происходит сдвиг в сторону уменьше­ния твердой фазы и накопления жидкой и газообразной фаз. Исходя из данной зависимости, можно заключить, что мень­шее количество дефектов формирующейся структуры будет в том случае, когда значение fmax вспенивания будет соответст­вовать такой вязкости расплава, при которой возможно «са­мозалечивание» образующихся при вспенивании пеностекла де­фектов.

И. Катлер [382] и Д. Кучинский [383] установили зави­симость скорости накопления жидкой фазы в спеках от харак­тера кривых вязкости и поверхности натяжения стекол. По их мнению, процесс спекания происходит за счет диффузии в вязком состоянии, скорость которой, согласно уравнению

Я. И. Френкеля [384], пропорциональна вязкости и среднему радиусу спекаемых частиц. И. К. Матвеев [385] отмечает вза­имосвязь скорости спекания частиц и формирования структу­ры спека. Более однородное спекание, по его мнению, дости­гается при незначительной скорости усадки, что легче достичь при низком значении поверхностного натяжения.

Выполненное нами исследование процесса формирования спеков из смесей с различной исходной плотностью при нагре­вании их в атмосфере азота, воздуха и водяных даров позво­лило увеличить количество факторов, влияющих на скорость спекания и однородность формирующейся новой системы (спе­ка). Так, скорость спекания повышается с увеличением плот­ности образцов, очевидно, в результате уменьшения рас­стояния между частицами стекла и повышения концентрации водяных паров в самом спеке. Согласно уравнению (5.1), фор­ма образца является более выгодной в том случае, когда ее поверхность является максимальной, что обеспечивает наи­большее тепловосприятие нагреваемого образца.

В недостаточно уплотненных образцах наряду со сниже­нием скорости спекания происходит образование пустот, сни­жающих на последующих стадиях однородность структуры пе­ностекла. Необходимо также отметить, что скорость реакций газообразования и объемы образующихся газообразных про­дуктов будут различными при изменяющейся плотности спеков (см. рис. 5.4 и 5.5). Поэтому приведенные нами в параграфе 5.2 дефекты структуры являются результатом термической и фазовой неоднородности спеков, образующихся на различных этапах термообработки.

По мнению В. И. Шелюбского и Т. М. Моисеевой [386], из двух факторов, определяющих спекание (вязкость и поверх­ностное натяжение), главным является вязкость, так как она изменяется в интервале температуры спекания на несколько порядков, в то время как поверхностное натяжение в том же интервале температуры остается прежним. X. Оел [387] так­же отмечает, что движущей силой процесса спекания является сокращение поверхности, определяемое поверхностным натя­жением, а деформация, которая сопровождается переносом вещества, определяется вязкостью. Поэтому ускорению спека­ния стеклянных порошков способствует проведение процесса в среде с повышенным парциальным давлением водяных па­ров, что подтверждено экспериментально и согласуется с ре­зультатами исследований И. Катлера |388] и М. А. Безборо - дова [389].

Введение примесных анионов S", F' и ОН' в стекло вместо кислорода вызывает уменьшение поверхностного натяжения, так как при этом снижается энергия связи между анионами и катионами [390—394]. Поэтому сульфиды можно рассматри­вать как «смачивающие средства», когда они скапливаются на поверхности стекломассы, подобно легкополяризующимся ка­тионам. Г. Тамман и X. Рабе [393] также отмечают, что по­верхностное натяжение стекломассы в атмосфере водяного па­ра снижается из-за скопления Н20 на поверхности.

Снижение температуры спекания и соответственно расши­рение интервала вспенивания должно способствовать получе­нию структуры пеностекла с замкнутыми ячейками (структу­ра первого типа). И наоборот, сужение интервала спекания пенообразующей смеси приводит к формированию конгломе­ратов, состоящих из различных по величине ячеек, изредка соединенных между собой сообщающимися каналами — струк­тура второго типа. Она может также образовываться в резуль­тате отклонений гранулометрического состава стекла и газо - образователя, несвоевременной стабилизации пеностекла, а также в случае применения «коротких» стекол.

В процессе формирования структуры пеностекла действи­тельно происходит взаимное объединение отдельных ячеек. В таком случае начальное давление в элементарной ячейке будет больше, чем давление поверхностного натяжения, рав­ное Ра=2в/г, и, следовательно, в дальнейшем она должна бу­дет неизбежно расширяться либо перфорировать в наиболее ослабленном месте. Этот процесс объединения ячеек наибо­лее активен в начальной стадии формирования пеностекла. В ходе дальнейшего вспенивания ячейки взаимно объединя­ются в замедляющемся темпе, так как их размер и дав­ление газов внутри выравниваются. Если при этом вязкость стекла низкая, а выделение газов достаточное, то посте­пенно будет увеличиваться объем ячеек за счет расширения их газами. При большой скорости течения процесса вспенивания, например, в присутствии нейтральных газообразователей или развившейся кристаллизации стекла будет формироваться наиболее неоднородная структура (третьего типа), представ­ляющая с точки зрения изоляционных свойств наименьший ин­терес.

Комплексное исследование процесса формирования и раз­вития структуры в пиропластических силикатных средах по­казывает, что структура первого типа свойственна пеностеклу, полученному с применением активных углеродистых газооб­разователей с высокой степенью дисперсности при макси­мальной исходной плотности пенообразующей смеси. Струк­тура второго типа характерна для пенообразующих смесей с менее активными углеродистыми газообразователями (антра­цит, кокс) и третьего — для смесей с нейтральными газооб­разователями или на основе «коротких» стекол.

Термическая неоднородность спеков пенообразующей сме­си, возникающая как в результате недостаточного ее усредне­ния, так и при ускоренном течении процесса нагрева в области температур от начала спекания сгекла до tmax вспенивания пе­ностекла, также является причиной образования деформиро­ванных ячеек. Поэтому для повышения структурной однород­ности пеностекла можно рекомендовать уплотнение пенообра­зующей смеси, что также способствует упрощению температурной кривой и облегчает ведение процесса.

Подводя итог нашим рассуждениям о формировании раз­личных типов структур пеностекла, необходимо на основании установленных закономерностей и их обобщения сформули­ровать критерии, которые могли бы быть положены в основу оценки стекол с точки зрения получения пеностекла того или иного вида.

Процесс формирования и развития структуры пеностекла любого типа определяется закономерностями проявления реологических свойств спеков пенообразующей смеси в обла­сти температур of начала спекания стекла (Tf) до максиму­ма вспенивания. Если поверхностное натяжение большинства стекол в этой области температур изменяется незначительно, то основная роль должна отводиться их вязкости, на измене­ние которой влияют фазовый состав спеков в области темпера­тур собственно вспенивания и склонность стекла к кристалли­зации. В связи с этим одним из критериев при оценке стекла может служить его кристаллизационная способность.

Но коэффициент объемного вспенивания (выход пеностек­ла) зависит от реакционной способности пенообразующей сме­си, которая определяется активностью газообразователя и со­держанием в стекле окисляющих компонентов. Поэтому следующим критерием для оценки стекла может быть содержа­ние в нем окислителей (SO3, AS2O3, ЭЬгОз и др.).

Оптимальная величина tmax вспенивания должна выбирать­ся исходя из технических возможностей эксплуатации тун­нельных печей и с учетом экономической целесообразности ве­дения всех процессов, относящихся к рассматриваемой тех­нологии, в том числе и варки исходных стекол.

Поскольку пеностекло может эксплуатироваться и в усло­виях повышенной влажности окружающей среды, то стекло для его получения должно характеризоваться некоторой хими­ческой устойчивостью.

Таким образом, пригодность стекла для получения того или иного вида пеностекла определяется комплексом его физи­ко-химических свойств, которые в области температур форми­рования и развития структуры пеностекла должны регламен­тироваться закономерностями протекания данного процесса.

разное

Дизайнерские радиаторы из чугуна от radimaxua.com

Интернет-магазин radimaxua.com предлагает широкий ассортимент дизайнерских радиаторов из чугуна, выпускаемых под брендом RETROstyle. Изготовлением декоративных радиаторов занимаются европейские заводы.

Солнечные коллекторы для отопления

Домашние отопительные системы обычно работают за счет энергии электричества, природного газа или масел, за которые необходимо платить. К тому эти способы отопления вредят окружающей среде. Альтернативой им является солнечная батарея или коллектор.

Как раскрутить свой Instagram с помощью сервиса Like Social ?

Популярность социальных сетей сделала возможной организацию бизнеса в Интернете. Чтобы убедиться в том, что интернет-дело может быть прибыльным, достаточно обратить внимание на количество пользователей популярной сети «Инстаграм», которое на сегодняшний …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.