разное

Кинетика вынужденной деформации структуры пеностекла [5]

При вспенивании на несмачиваемой подложке небольшой пробы пенообразующей смеси с различной геометрической фор­мой (куб, цилиндр, конус) прослеживается стремление ее к минимальному объему (шару). В связи с этим в пиропластиче - ском пеностекле возможна деформация как отдельных струк­турных элементов, так и в целом ячеек. Если в начальной ста­дии вспенивания стремление с поверхности в объем невелико, то по мере снижения вязкости расплава проявление сил по­верхностного натяжения настолько активное, что в результате формируется шарик вспененного пеностекла. Это говорит о том, что в процессе развития ячейки совершают не только по­ступательное, но и вращательное движение, вызываемое про­цессами перемещения пеномассы в форме и изменением цен­тра тяжести ячеек вследствие неравномерных перемещений внутрипластинчатой жидкости (расплава) и вихревых движе­ний заключенных в них газов.

Исследование структуры пеностекла на различных стадиях ее развития показало, что остаточная деформация ячеек на­блюдается лишь в тех случаях, когда они вырастают до срав­нительно больших размеров (2—3 мм). В мелкопористом пе­ностекле деформация ячеек практически не наблюдается, что связано главным образом с повышением внутри их давле­ния (р):

Где г— радиус ячейки; о — коэффициент поверхностного натя­жения. В связи с повышенной структурно-механической проч­ностью мелкопористого пеностекла [50, 306], обусловленной более высокими давлением газов внутри ячеек и упругостью самих разделительных стенок, возможно также восстановление частично деформированных ячеек. Скорость восстановления тем больше, чем выше давление внутри их, меньше толщина разделительных стенок и вязкость расплава.

Так как движение внутрипластинчатой жидкости к нижне­му полюсу пластинки нарушается вследствие вращения ее или деформации и в связи с этим выравниваются локальные оттоки жидкости в пластинке, то следует ожидать, что при про­чих равных условиях движущийся пузырь (ячейка) будет су­ществовать дольше, чем неподвижный. В связи с этим форми­рование ячеистой структуры в движущейся грануле [3, 52] бу­дет протекать в более благоприятных условиях, чем, например, у пеностекла, вспениваемого в неподвижной форме.

Согласно работе [55], перемещение внутрипластинчатой жидкости в силикатной пене происходит лишь внутри разде­лительной стенки, так как в ней отсутствуют каналы Гиббса. Поэтому по мере развития пены движение в пластинке будет тормозиться уменьшением ее толщины. Последняя в началь­ных стадиях вспенивания может регулироваться дисперсностью пенообразующей смеси и ее исходной плотностью. В данном случае применение высокодисперсных газообразователей, на­пример газовой сажи, будет способствовать повышению устой­чивости пиропластической пены и склонности к формованию изделий без остаточных деформаций в структуре.

Для выбора наиболее благоприятных условий формования пеностекла изучалась его структура при различных условиях вспенивания проб пенообразующей смеси состава стекло — газовая сажа (0,3%). Заготовки из смеси (уплотнение при р = = 15 кгс/см2 до размеров 10X10X4 см) вспенивались в непод­вижных прямоугольных формах. Для фиксации сдвигов пеномассы при вспенивании и определения направлений ее движения применялись индикаторы (пластинки из цветного пеностекла 2X2X0,5 см), которые соответствующим образом располагались в смеси перед ее прессованием. Оценка влияния этих факторов при постоянном темиературно-временном режи­ме вспенивания проводилась по объемной массе и структуре пеностекла.

При равномерном распределении пенообразующей смеси в форме (рис. 5.8, а) индикаторные пластинки перемещаются вертикально вверх без существенных изменений положения от­носительно горизонтальной плоскости, что свидетельствует о равномерном вертикально направленном вспенивании блока по всей плоскости формы. Объемная масса пеностекла по высоте формы незначительно изменяется, несколько снижаясь к верху блока, что по-видимому, связано с влиянием гидростатическо­го давления столбика пеномассы. Такой характер вспенивания пеностекла указывает на отсутствие явлений, вызывающих деформацию структурных элементов ячеек, что подтверждает-
ся анализом структуры пеностекла, для которой характерны равновеликие ячейки преимущественно полиэдрической формы.

Согласно рис. 5.8, а, вспенивание блока в любой точке дол­жно быть почти одинаковым и направленным только вверх. Поэтому при проектировании установок, в которых предусмо­трена такая схема размещения пенообразующей смеси, особое внимание должно уделяться изотермии по сечению канала печи вспенивания.

Характер изолиний для объемной массы пеностекла при вспенивании равновеликих заготовок пенообразующей смеси, расположенных в центре днища формы, свидетельствует о не­равномерном вспенивании пеностекла в различных точках го­ризонтальной плоскости (рис. 5.8, б, кривые 1—3). Кроме то­го, изменение положения индикаторов в плоскости сечения блока указывает на наличие структурных сдвигов пеномассы в процесс вспенивания. Смещение пластинок относительно своей оси подтверждает тот факт, что элементарные ячейки также совершают не только поступательное движение, но и враща­тельное. Анализ структуры пеностекла показывает, что, несмо­тря на более сложный путь движения пеномассы, форма ячеек существенно не нарушается. Размер их увеличивается но мере отдаления от места расположения исходной заготовки пено­образующей смеси, что подтверждается снижением объемной массы пеностекла.

10. Зак. 1463

Аналогичная, но еще более выраженная зависимость изме­нения объемной массы пеностекла прослеживается и в случае расположения заготовки пенообразующей смеси у края днища формы (рис. 5.8, в, кривые 1—5). При этом в наиболее отда­ленных точках обнаружена значительная остаточная деформа­ция элементарных ячеек; они в два-три раза больше, чем те, которые расположены в месте исходного положения заготовки пенообразующей смеси. Однако наличие деформированных структурных элементов ячеек и даже больших комплексов не вызывает разрушения пены, что, по-видимому, можно объяс­нить высокой устойчивостью пластинок, образующихся из жид­костей с большим поверхностным натяжением.

Таким образом, направление развития структуры пеностек­ла в большей мере определяется условиями синтеза, хотя по­тенциальная возможность получения этого или иного ее вида закладывается еще при подготовке пенообразующей смеси (см. гл. III). Величина остаточной деформации пропорциональ­на длине пути, который должна совершить пеномасса в про­цессе своего развития при заполнении формы. Длина этого пути в 3—4 раза больше высоты вспениваемой заготовки сме­си при вертикально направленном движении пеномассы и в 5— 6 раз — при горизонтальном. Отсюда вытекает, что деформа­ция структуры пеностекла ослабляется при сложном движении пеномассы, сочетающем поступательное и вращательное дви­жение ячеек.

Рассмотрим развитие структуры и кинетику деформацион­ных явлений, происходящих в формирующемся пеностекле при некоторых внешних воздействиях.

Данные для составления графиков кинетических и дефор­мационных линий, определяющих скорость процесса формиро­вания структуры пеностекла в пробах с различным исходным гранулометрическим составом газообразователя и его концен­трацией в смеси, получены с помощью установки (см. рис. 3.11), предназначенной для исследования кинетико-струк - турных особенностей вспениваемого материала на различных стадиях хода процесса. В первой серии опытов для исследова­ний использованы пробы (по 50 е) предварительно уплотнен­ной (15 кес/см2) пенообразующей смеси, содержащие 0,2 — и 0,4% газовой сажи, 1,7% антрацита и 2% углекислого каль­ция. Вспененное при 825 °С по одинаковому температурно-вре - менному режиму пеностекло подвергалось давлению измери­тельной плиты (F = 3 см2) с изменяющейся нагрузкой (10, 20, 30 и 40 г). Измерялась глубина погружения плиты в течение 1 мин при температуре 825 °С (рис. 5.9).

Во второй серии опытов на аналогичных образцах опреде­лялась глубина погружения плитки (30 е) при понижении тем­пературы "с 825 до 725 °С через каждые 25 °С. Аналогичные за­
меры были произведены на образцах пеностекла, полученного с применением антрацита (1,7%) и углекислого кальция (2%).

Полученные данные позволили рассчитать скорость погру­жения измерительной плитки в пиропластическом пеностекле при различной степени насыщения его газами. Установлено, что с повышением степени насыщения пеностекла газами глу­бина погружения измерительной плитки уменьшается (рис. 5.9, кривые 1, 2), объясняется это более высоким давлением газов внутри ячеек. Здесь следует отметить, что при применении са-

Рис. 5.9. Пластично-упругая деформация пеностекла при (max вспенивания и раз­личных количествах и видах газообразо - вателя: 1, 2—сажа, соответственно 0,4 и 0,2%; 3—1,7 антрацита; 4—2% СаС03 (Н — глубина погружения измеритель­ной плитки, мм)

Жи (0,2 и 0,4%) величина ячеек пеностекла примерно одина­кова (0,5—1 мм), а применение антрацита способствует росту размера ячеек до 1,5—2,5 мм и увеличению глубины погруже­ния измерительной плитки при нагрузке 40 г (рис. 5.9, кри­вая 3). С уменьшением нагрузки глубина погружения пропор­ционально снижается, приближаясь к величине деформации образцов с минимальным насыщением газами (рис. 5.9, кри­вая 2). Для карбонатного пеностекла, характеризующегося рыхлой структурой с перфорированными разделительными стенками (размер ячеек 2—3 мм), величина погружения плит­ки максимальная (рис. 5.9, кривая 4), что указывает на низкую прочность и малую упругость данной структуры.

Такая же зависимость изменения пластично-упругих свойств пеностекла при вспенивания прослеживается и при изме­няющейся температуре (рис. 5.10), причем расширение темпе­ратурной области, где проявляются эти свойства, пропорцио-

Н, мм
нально степени насыщения пеностекла газами и обратно про­порционально средней величине ячеек. Наиболее широкий ин­тервал проявления реологических свойств соответствует пено­стеклу с минимальным размером ячеек (0,5—1 мм), которое со­держит также большее количество газов (рис. 5.10, кривая 1). Таким образом, помимо давления внутри ячеек, на изменение пластично-упругих свойств 'положительно влияет структурно - механический фактор. Из двух отмеченных выше факторов в

Процессе формования пеностекла большее значение, очевидно, имеет давление газов внутри ячеек, поскольку оно препят­ствует деформации элементов структуры сформировавшейся пены, а в случае ее нарушения способствует их восстановле­нию.

Для определения допустимой скорости формования пено­стекла готовились брикеты (/7=15 кгс/см2) из пенообразую­щей смеси с применением различных газообразователей, кото­рые затем вспенивались при 825 °С в электрической печи и подвергались прессованию при различной температуре в метал­лической форме. Полученные пластинки толщиной 10—20 мм отжигались, а затем распиливались по вертикали, и на образ­цах изучалась структура пеностекла при увеличении 15. К ячейкам с остаточной деформацией относились те, у кото­рых наибольший размер по горизонтали превышал высоту ее на 10%.

Ход кривой (рис. 5.11), выражающей зависимость ин. д= = f(d), указывает на возможность повышения скорости прес­сования пеностекла с уменьшением размера его ячеек. Следо­вательно, мелкопористое пеностекло проявляет большую пла­стичность, которая, очевидно, благодаря повышенным упругости разделительных стенок и давлению внутри ячеек способствует восстановлению временно деформированных структурных элементов или их комплексов. Для крупнопори­стого пеностекла, у которого более тонкие разделительные стенки, такое восстановление затруднено как вследствие более
низкой упругости самих стенок, так и снижения скорости дви­жения внутри их расплава. Поэтому такое пеностекло выдер­живает относительно легкое и медленное горячее прессование. Таким образом, с точки зрения практического применения прессования более выгодно использовать мелкопористое пено­стекло.

Скорость прессования при падении температуры пеностекла снижается. Это связано с нарастанием вязкости расплава и в

Рис. 5.12. Зависимость скорости прессо­вания пеностекла с различной структу­рой (рис. 5.13, 1—4) от температуры. Точки пересечения линий 1—4 с абсцис­сой на уровне v=Q соответствуют tKp для рассматриваемого вида пеностекла; ід</щн вспенивания

Целом дисперсной системы, в результате чего восстановление деформировавшихся при прессовании элементов структуры за­медляется и при некотором ее значении прекращается. Поэто­му прессование за пределами допустимой температуры (tKp) будет происходить за счет деформации структуры независимо от величины ячеек. Разумеется, что в первую очередь будут деформироваться крупные ячейки, затем при достаточном дав­лении сожмутся и более мелкие.

Критическая температура прессования, т. е. соответствую­щее ее значение при и = 0, повышается с увеличением размера ячеек (рис. 5.12 и 5.13). Таким образом, интервал температур, в котором возможно прессование пеностекла, расширяется с уменьшением диаметра ячеек, и для мелкопористого пеностек­ла (0,1 — 1 мм) составляет около 75 °С, для крупнопористого (>1 мм) ~30°С (см. рис. 5.12).

Итак, по результатам исследований кинетики вынужденной деформации пеностекла сформулируем некоторые общие за­кономерности, характеризующие процесс формования пено­стекла.

Закономерности изменения деформационно-упругих свойств пеномасс различной структуры (рис. 5.9—5.12) указывают на возможность их формования методом прессования или непре­рывного проката бесконечной ленты. Область температуры, в которой возможно формование пеномасс, находится между tiпах вспенивания и (критическая температура деформации структуры).

Деформация структуры пеностекла при развитии ее в зам­кнутом объеме (закрытых формах) определяется соотношени­ем линейных размеров вспененного изделия к заготовке пено­образующей смеси. Минимальное значение ее обнаружено при сложном движении пеномассы. Скорость формования может возрастать при повышении давления внутри элементарных ячеек, а также с уменьшением их диаметра. Одновременное влияние этих факторов расширяет интервал температур, в ко­тором возможно формование пеностекла. Данная зависимость сохраняется и в случае прессования штучных изделий. Поэто­му граничные значения параметров процесса формования пено­стекла должны определяться на основании данных о характере кинетических и деформационных липни для того или иного ви­да пеностекла. Из рассмотренных нами свойств наиболее важ­ными являются пластичность и упругость пеномассы, а также температурный интервал проявления этих свойств.

Таким образом, область температуры формования пено­стекла определяется рядом показателей, среди которых важ­
нейшими являются деформационно-упругие характеристики пеномасс, обусловленные их структурой и уровнем энергетиче­ской напряженности.