разное

Исследование структуры пеностекла в связи с ее развитием

На начальных стадиях развития пеностекло по своей струк­туре приближается к шаровой пене [55], для которой харак­терны незначительное насыщение газами и большая толщина разделительных стенок (рис. 5.6, а). Устойчивость этого вида пены, пузырьки которой могут самостоятельно растягиваться или смещаться, зависит от величины их и вязкости дисперсион­ной среды. Каждый пузырек шаровой пены имеет свойственное ему капиллярное давление кривизны, пропорциональное обрат­ному значению его радиуса. При введении в такую систему мелких частиц твердого вещества можно повысить ее устой­чивость [317, 318].

Для стабилизированных шаровых пен характерна высокая прочность, так как при большой толщине разделительных сте­
нок снижается вероятность их повреждения, а в случае по­верхностных царапин благодаря наличию избыточной жидко­сти, ее подвижности и высокому поверхностному натяжению возможно «самозалечивание».

Однако с точки зрения изоляционных свойств пеностекла шаровая пена не представляет интереса, поскольку для нее свойственны большая объемная масса (500—1400 кг/м3) и вы­сокий коэффициент теплопроводпосги (0,3—0,65 ккал/(м-ч - •°С)), и поэтому ее можно рассматривать лишь как промежу­точную форму состояния пеностекла в процессе его развития.

По мере дальнейшего насыщения шаровой пены газами она

Постепенно переходит в многогранную, с ячейками преимуще­ственно полиэдрической формы (рис. 5.6,6). При условии по­стоянства реологических свойств расплава и равновеликих зародышевых пузырей структура многогранной пены, очевидно, соответствовала бы рис. 5.6, в. Однако в действительности про­цесс формирования структурных элементов ячейки пеностекла' осложнен взаимосвязанными и налагающимися друг на друга явлениями: накоплением жидкой фазы в гетерогенной пиропла - стической системе, взаимодействием стекла с газообразовате - лем, формированием твердой кристаллической фазы и другими, которые затрудняют развитие «идеальной» структуры.

В достаточно развитой пене, полученной из некристалли - зующихся стекол (например, рис.. 5.7, 1, 2), разделитель­ная стенка ячейки имеет форму пластинки с двумя вогну­тыми меинсками. Толщина ее в наиболее тонком месте (обыч­но в центре) достигает всего лишь нескольких микрон, что в 1,5—2 раза меньше среднего диаметра частицы стекла пено­образующей смеси. В одной и той же ячейке можно наблюдать

Пластинки с большей толщиной стенок, намного превышающей величину элементарной частицы стекла. Причем для серии ячеек эти утолщения стенок не ориентированы. Поэтому мож­но предположить, что ячейки в процессе своего развития не только увеличиваются в объеме, но и совершают некоторое движение. В таком случае в двойной разделительной стенке также происходит движение жидкости, и чем свободнее она движется, тем равномернее происходит развитие структуры в целом.

Встречающиеся сравнительно редко в таком пеностекле ло­кальные утолщения стенок, как правило, не содержат инород­ных включений, что указывает на возможность образования их в присутствии более крупных частиц стекла в смеси либо в ре­зультате протекания реакций с поглощением тепла. Редкие кри­сталлы различной природы обнаружены главным образом на поверхности пластинок, что, по-видимому, является результа­том поверхностной кристаллизации стекла в присутствии газо - образователя.

В спеках на основе стекла, склонного к поверхностной крис­таллизации, формируются стенки ячеек с попеременными одно - или двусторонними утолщениями (рис. 5.7, 5). На поверх­ности их и в массе часто обнаруживаются кристаллы или другие инородные включения, которые, очевидно, и являются причиной деформации разделительных стенок. В местах наибо­лее крупных включений прослеживаются небольшие трещины, количество которых тем больше, чем выше степень закристал­лизованное™ стекла.

Аналогичные дефекты структуры, но в значительно боль­шей мере наблюдаются в пеностекле, полученном при вспе­нивании горных пород без предварительной варки (рис. 5.7, 6). Причиной их является присутствие первичной кристаллической фазы исходного сырья, которая остается в спеке пенообра­зующей смеси к моменту начала его вспенивания {50, 52, 138]. Структура пеностекла на основе кристаллизующихся стекол весьма разнородна, а изделия из него имеют большую объемную массу (400—800 кг/м3).

Замечено, что по мере повышения кристаллизационной опо: собности стекол или при наличии в пенообразующей смеси первичной кристаллической фазы (непосредственное вспени­вание горных пород) в пенообразующую смесь требуется вво­дить большее количество газообразователя, очевидно, для то­го, чтобы компенсировать увеличение работы вспенивания, вызванное повышением вязкости расплава в присутствии твер­дых частиц. Снижение подвижности расплава внутри элемен­тарной пластинки способствует повышению ее жесткости и соответственно устойчивости всей системы, что на стадии вспе­нивания тормозит развитие структуры пеностекла, понижая при этом его наиболее важные свойства: объемную массу, те­плопроводность и водопоглощение. Именно этим можно объяс­нить то, что пеноситаллы являются тяжелыми по отношению к высококачественному пеностеклу [318—327], а наиболее лег­кие из них [319—325] не отличаются высокой прочностью, свойственной закристаллизованному стеклу.

Развитию структуры пеностекла препятствуют также части­цы железа, хрома, шамота и другие, которые находятся в спе - ке в твердом состоянии. Эти включения (или новообразования) характеризуются другими по сравнению со стеклом коэффи­циентами термического расширения, а также анизотропным характером теплопроводности, что вызывает возникновение на­пряжений в стенках ячеек, в результате которых образуются трещины в отдельных структурных элементах, снижающие прочность пеностекла.

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 стекла до максимума вспени­вания пеностекла, также является причиной формирования де­формированных ячеек. Поэтому для повышения ее рекомен­дуется перед вспениванием уплотнять пенообразующую смесь любым из известных способов [3, 247] или процесс нагрева опеков вести с малой скоростью.

Значительно уменьшают однородность почти всех элемен­тов структуры пеностекла макропузырьки, появляющиеся в большом количестве в пиропластическом спеке в момент обра­зования разделительных стенок между ячейками. Простран­ственное размещение микропузырьков в стенках многогранни­ков может быть следующих типов:

Очень малых размеров внутри стенки;

Расположенных по всей длине стенки, частично рядом с ее ребром (гранью) и главным образом внутри стенки;

Рассеяны с малыми интервалами по всей длине стенки, а также вдоль ее ребер и на поверхности;

Размещены вдоль ребра внутри и снаружи многоугольника, разделяющего многогранники.

Пузырьки с меньшими (относительно средних) размерами, частично выступающие внутри многогранников, а также боль­шие пузыри, образующиеся как дополнительные выросты, уменьшают прочность разделительных стенок и в целом струк­туру пеностекла. Многоугольники, разделяющие многогранни­ки, часто содержат пузыри средних размеров, которые частич­но их деформируют и снижают жесткость их конструкции. Этот тип пузыря довольно сильно влияет на ослабление тех много­гранников, для которых многоугольники создают как бы углы, соединяющие весь скелет пеностекла.

Исследование структуры пеностекла, полученного на осно­ве различных стекол, позволяет сделать следующие обобщаю­щие выводы о причинах возникновения дефектов в ее струк­турных элементах.

В начальных стадиях развития структура пеностекла близ­ка к шаровой пене. Такое пеностекло представляет интерес лишь в случае получения пеноситаллов, когда важнейшим свойством его является прочность, а не теплофизические ха­рактеристики.

Даже в наиболее благоприятных для вспенивания условиях (фазовая и термическая однородность, применение некристал - лизующихся стекол и чистого углерода) легкое пеностекло (у = 200 кг/ж3) содержит значительное количество дефектов, ослабляющих общутд прочность его структурного каркаса. Наиболее вероятными причинами возникновения их являются микронеоднородность стекол, протекание окислительно-вос­становительны х реакций с поглощением или выделением те­пла, вызывающих локальное изменение вязкости. Количество дефектов обратно пропорционально объемной массе пено­стекла, что указывает на наличие взаимосвязи между линей­ными размерами этих дефектов и толщиной разделительных стенок. Для пеностекла на основе некристаллизующихся сте­кол характерно наличие лишь отклонений в геометрии струк­турных элементов и отсутствие пор в виде капилляров, что способствует снижению водопоглощения и сорбционной спо­собности пеностекла в условиях знакопеременных температур и высокой влажности окружающей среды.

Наиболее часто встречающиеся дефекты структуры возни­кают в результате фазовой неоднородности расплава на ста­дии развития пеностекла. Количество формирующихся дефек­тов пропорционально содержанию в жидкой фазе инородных включений, главным образом кристаллической фазы, образую­щейся в результате кристаллизации исходного стекла, и частиц металлического железа. Локализация этих включений влияет на водопоглощение пеностекла, капиллярный подсос влаги и объемную массу. В случае образования их в самой раздели­тельной стенке повышаются все перечисленные свойства, при поверхностной кристаллизации — лишь объемная масса.

Инородные включения в связи с различием их термических свойств способствуют формированию микротрещин и капил­ляров, особенно на стадии отжига и в процессе эксплуатации пеностекла, понижая тем самым его прочность и повышая во­допоглощение.

Можно предположить, что пеномасса с большим количест­вом дефектов структуры обладает пониженными деформацион­но-упругими характеристиками. Очевидно, это связано с нали­чием открытых пор в ячейках соединительных каналов между ними, исключающих восстановление временно деформирован­ных элементов в связи с повышением давления газов в случае замкнутой ячейки. Сами же твердые частицы, локализируясь в вершинах многогранников, также повышают общую жест­кость пеномасс, что с точки зрения восстановления структуры является нежелательным. Исходя из данного положения, для выбора и обоснования принципов формования пеностекла не­обходимо более детальное исследование его деформационно - упругих характеристик в области температур формования и отжига.