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.
145 |
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.
Н, см Рис. 5.8. Изменение объемной массы пеностекла и положения индикаторных пластинок по сечению блока при вспенивании в форме: а—при равномерном распределении пенообразующей смеси по ее днищу; б — при вспенивании заготовки пенообразующей смеси, расположенной в центре днища формы; в — при вспенивании заготовки пенообразующей смеси, расположенной у края днища формы (1 — область структуры пеностекла с остаточной деформацией; II — область структуры пеностекла с выраженной остаточной деформацией) |
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
О |
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.
* - г |
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.