разное

Влияние состава и режима термообработки на изменение сорбционных свойств пеностекла

Стабильность сорбционных свойств является одним из основных требований, предъявляемых к изоляционным мате­риалам. Особое внимание при этом уделяется паро - и газо­проницаемости материала, так как диффузия водяных паров в сторону более холодного участка (при использовании материа­ла для изоляции поверхностей с отрицательной температурой) может привести к их конденсации и поры в зоне конденсации заполнятся водой. Под влиянием влажности повышение тепло­проводности приводит к постепенному расширению зоны теп­лопроводности, в результате чего потери тепла возрастают.

Влагопроницаемость пеностекла зависит от степени разру­шения разделительных стенок ячеек. На их целостность при отсутствии внешних воздействий могут влиять остаточные на­пряжения, вызванные незавершенностью процесса снятия тер­мических напряжений во время отжига пеностекла, а также локальные напряжения, вызванные присутствием в раздели­тельных стенках инородных включений и кристаллов с другим по сравнению с исходным стеклом коэффициентом термиче­ского расширения. Метастабильное состояние некоторых кри­сталлических включений, присутствующих в форме высоко­температурных модификаций, и их последующие превращения в низкотемпературные формы также могут вызвать возникно­вение дополнительных напряжений в стенках ячеек и даже их разрушение.

Наиболее распространенным способом оценки влагозащит­ных свойств пеностекла является определение степени его водо­насыщения в воде. Поскольку изоляционные конструкции из пеностекла рассчитываются на длительную эксплуатацию в раз­личных температурных условиях, то миграция влаги в изоля­ционном материале будет зависеть от характера структурных изменений, происходящих как в результате взаимодействия влаги со стеклом, так и в связи с тепловым прошлым пено­стекла. Влага у поверхности пеностекла может присутствовать в виде пара или воды (конденсата). Проникновение ее в глубь материала и последующее накопление в нем может происхо­
дить по-разному. Поэтому наряду с водопоглощением следует учитывать способность пеностекла к влагонасыщению в при­сутствии паров воды, которое оценивается коэффициентом паропроницаемости и величиной сорбционной влажности (№').

Паропроницаемость. Диффузия водяного пара зависит от характера структуры пеностекла. Коэффициент паропроницае - мости образцов (р) с различной структурой повышается с увеличением открытой пористости и величины ячеек (рис. 6.12).

Пеностекло с незначительным водопоглощением {Wz^ 1%) и равномерной мелкопористой структурой паронепроницаемо. Повышение |л у образцов с отклонениями в развитии структу­ры (рис. 6.12, кривые 2—4) связано с наличием микродефектов в разделительных стенках ячеек, которые, однако, вследствие гидрофобности поверхности, покрытой частицами остаточного углерода, являются малопроницаемыми. ПЬэтому, несмотря на незначительное количество сообщающихся каналов в строи­тельном пеностекле, процесс проникновения пара внутрь испы­туемых образцов малоактивен и стабилизируется примерно через 120—130 сут.

Для пеностекла с открытой пористостью (W>70 об. %) проникновение влаги максимальное в начальный момент испы­таний (рис. 6.12, кривая 5). Затем оно равномерно повышается, однако через 150 сут равновесное состояние, как например для влагозащитного или строительного пеностекла, не насту­пает. Влага продолжает накапливаться и дальше, что свиде­тельствует о наличии в структуре такого пеностекла макро­дефектов, объединяющихся в соединительные ходы сложной

Системы. При непосредственном соприкосновении влаги с гид­рофильной поверхностью стекла возможна его гидратация, в результате чего в наиболее ослабленных участках могут раз­рушаться с течением времени структурные элементы, способ­ствующие в дальнейшем повышению паропроницаемости.

Таким образом, изменение паропроницаемости связано с характером структуры пеностекла. Эти особенности должны учитываться при проектировании изоляционных конструкций, поскольку в натурных условиях их эксплуатации в связи с ко­лебаниями температуры в них может накапливаться сорбцион - ная влага.

Сорбционная влажность. Это свойство пеностекла изуча­лось на тех же образцах, которые были отобраны для исследо­вания паропроницаемости. Скорость накопления влаги опреде­лялась при относительной влажности воздуха (ср), равной 60, 80 и 97%.

Влажность исследуемых образцов при различном значении Ф стабилизировалась в различное время (от 50 до 240 сут); при ф=60% равновесная влажность для всех видов пеностек­ла минимальная. По мере повышения водопоглощения пено­стекла время, необходимое для установления равновесной влажности, увеличивается. При максимальном значении <р рав­новесная влажность раньше наступает у образцов с меньшим исходным водопоглощением, самый длительный период накоп­ления влаги обнаружен у пеностекла на карбонатном газооб - разователе (240сут).

Динамика накопления влаги при максимальном значении Ф по характеру аналогична изменению паропроницаемости пеностекла и тесно взаимосвязана с ней, поскольку скорость конденсации водяных паров пропорциональна величине по­верхности контакта их с незащищенным стеклом. Поэтому можно предположить, что кинетика увлажнения пеностекла определяется гидролитической устойчивостью пеностекла и ха­рактером его структуры.

Для пеностекла на углеродистых газообразователях (ант­рацит, сажа) величина сорбционной влажности невелика (0,1 —1,8%), что указывает на преимущественно замкнутый характер структуры и наличие гидрофобного эффекта за счет локализации остаточного углерода на поверхности стекла (рис. 6.13, кривые 2,3). Следовательно, применение высоко - дисперсных газообразователей более эффективно (рис. 6.13, кривая 1), так как при меньшем количестве остаточного угле­рода достигается больший гидрофобизирующий эффект. Губ­чатая структура пеностекла на карбонатных газообразовате­лях способствует интенсивной сорбции влаги (рис. 6.13, кри­вая 5), а отсутствие гидрофобного эффекта не препятствует проникновению паров воды внутрь.

Полученные данные о сорбции пеностекла при различной концентрации влаги в воздухе указывают на его незначитель­ную способность влагонасыщения, что характерно для ограни­ченного числа неорганических изоляционных материалов. Исходя из этого, химическую устойчивость стекла, используе­мого в производстве пеностекла для эксплуатации в условиях положительных температур, можно считать второстепенным свойством.

В условиях отрицательных или знакопеременных темпера­тур активизируется миграция влаги внутрь материала, в свя­зи с чем в пеностекле постепен­но накапливаются водяные ла­ры и конденсируются на по­верхности разделительных сте­нок, которые в наиболее ослаб - ^ ленных участках в результате |

I

Рис. 6.13. Сорбционная влажность не­которых видов пеностекла при <р = = 97%. Обозначения те же, что н на. рис. 6.12

Взаимодействия воды со стеклом могут разрушаться. В дан­ном случае химическая устойчивость — одно из главных свойств, предъявляемых к исходному стеклу.

Поскольку наиболее однородная структура формируется из некристаллизующихся в области температур вспенивания пе­ностекла стекол, имеющих в то же время минимальный гра­диент изменения вязкости, то можно заключить, что кристал­лизационная способность стекол и их вязкость взаимосвязаны с сорбционными свойствами пеностекла.

Установленные нами зависимости процесса влагонасыще­ния пеностекла в различных паровоздушных средах могут быть полезны при проектировании изоляционных конструкций, а также при выборе состава стекла, предназначенного для производства того или иного вида пеностекла.

Водопоглощение. Выше подробно было рассмотрено влия­ние влажности на эффективность тепловой изоляции. Показа­но, что водопоглощение следует рассматривать как одно из важнейших свойств изоляционных материалов.

Здесь мы рассмотрим динамику водопоглощения во взаимо­связи со скоростью отжига. Для оценки роли гидролитической устойчивости пеностекла, которая, согласно [3, 403, 415], пред­определяет характер водонасыщения, необходимо определить влияние состава пеностекла и его структуры на скорость раз­
рушения при длительном нахождении в воде. Результаты бу­дут более достоверными при длительных испытаниях.

Для определения влияния состава пеностекла и технологи­ческих факторов на целостность его структурных элементов была изучена способность к насыщению водой ячеек, сообща­ющихся тем или иным образом с поверхностью образца.

Водопоглощение определялось для пеностекла различного состава, полученного по одинаковому режиму отжига (ско­рость охлаждения 0,2 °С/мин) с использованием в качестве газообразователей антрацита, газовой сажи и известняка.

Применение газообразователей, содержащих различное ко­личество отличающихся по минералогическому составу оста­точных включений и по-разному вызывающих появление кри­сталлической фазы в процессе вспенивания, показывает, что водопоглощение пеностекла возрастает при переходе от сажи к антрациту и особенно при использовании известняка (рис. 6.14) Л Сравнительно небольшое водопоглощение пено­стекла на углеродистых газообразователях при различных ме­тодах испытаний объясняется незначительным размером де­фектов и капилляров в стенках ячеек, в результате чего за­труднено заполнение их водой даже при длительном нахожде­нии пеностекла в холодной воде или при кипячении. Скорость водопоглощения максимальная в начальный период (120 сут), затем она стабилизируется, что указывает на завершенность структурных изменений в пеностекле, происходящих в резуль­тате компенсации остаточных напряжений в стекле.

В работах [1, 50, 115] приводятся данные о водопоглоще - нии пеностекла и за более длительный период (до 1200 сут). V качественного пеностекла на углеродистых газообразовате - лях в промежутке между 830—1100 сут резко повышается водо­поглощение (от 5 до 71 об. %), для менее качественного — повышение водопоглощения (от 3—4 до 60%) обнаружено между 260 и 420 сут. Объясняется это [1] активизацией про­цесса гидролитического разрушения разделительных стенок сразу по всему объему испытуемого образца. По нашему мне­нию, такое объяснение является маловероятным, так как ми­грация влаги внутрь образца, несмотря на разрежение в ячей­ках, ограничена вследствие их замкнутости. Поэтому гидроли­тическое разрушение разделительных стенок внутри образца может наступить лишь тогда, когда будут разрушены его на­ружные слои.

Ввиду того что в начале испытаний вода контактируется с открытой поверхностью пеностекла, водопоглощение повы­шается очень незначительно и почти линейно. При длительных испытаниях с началом послойного разрушения пеностекла водопоглощение повышается лишь с небольшим ускорением. Исследования, проведенные Н. П. Садченко [50], подтверж­дают вероятность такой схемы послойного разрушения влаго­защитного пеностекла при длительном (>3 лет) нахождении его в воде. Но если гидролитическое разрушение не является основной причиной повышения водопоглощения, то необходи­мо проследить за влиянием структурных изменений, происхо­дящих в пеностекле в связи с его тепловым прошлым.

Чтобы исключить влияние взаимодействия стекла с водой на получаемые результаты, определялось водопоглощение пе­ностекла после длительного (300 сут) хранения образцов в воздушно-сухом состоянии. Данные по методике кипячения (рис. 5.14, кривые 1"—3") показывают увеличение W в образ­цах пеностекла по сравнению с данными, получаемыми для образцов, испытанных непосредственно после отжига (U—30), и сходство их с результатами, полученными после длительного нахождения образцов в холодной воде и дополнительного ки­пячения (/'—3').

Водопоглощение «старых» образцов при длительной вы­держке в холодной воде (рис. 6.14, кривые 1—3) близко к зна­чению водопоглощения «свежих» образцов, полученному по методике кипячения (/0—30). При дополнительном кипячении образцов после хранения и испытаний в холодной воде их водопоглощение резко возрастает после первого кипячения (!'—3'), а при последующих определениях (1"—3" и 1"'—3'") остается неизменным, что, очевидно, свидетельствует о завер­шении процесса разрушения пеностекла под влиянием внут­ренних напряжений при хранении его в течение 300 сут. Кипя­чение «свежих» образцов после непродолжительного испыта­ния в холодной воде приводит к резкому увеличению водо­поглощения после первого и последующих испытаний, что свя­зано с незавершенностью процесса стабилизации структуры пеностекла. Незначительное увеличение водопоглощения при кипячении «свежих» образцов (1"—3") по сравнению с данны­ми Ґ—3', по-видимому, связано - с возникновением дополнитель­ных микротрещин при кипячении.

Анализируя полученные результаты, отметим, что повыше­ние водопоглощения строительного и влагозащитного пено­стекла (углеродистые газообразователи) является результа­том стабилизации структуры, вызванной незавершенностью процесса отжига.

Пеностекло, полученное с использованием карбонатных газообразователей (мел, известняк, мрамор), отличается высо­ким водопоглощением, которое быстро повышается в начале испытаний при погружении образцов в холодную воду (рис. 6.14, кривая 4) и сразу достигает максимального значе­ния (>70 об. %) при кипячении (рис. 6.14, 40). Характер кри­вых водопоглощения карбонатного пеностекла аналогичен, как и для пеностекла на основе кристаллизующихся стекол, что свидетельствует о наличии в нем большого количества откры­тых пор и капилляров, образующихся как при вспенивании, так и после завершения процесса отжига вследствие различия коэффициентов линейного расширения кристаллической и стекловидной фаз.

Изменение максимальной скорости охлаждения в процессе

Мельского стеклозавода) до 0,7 и 0,2 °С/мин вызывает сниже­ние скорости водонасыщения с течением времени и конечного прироста W (рис. 6.15). Результаты испытаний образцов пено­стекла 6НС на разрыв, отожженных при скорости охлаждения 0,7 °С/мин, непосредственно после отжига и хранения в тече­ние 6 месяцев и 1 года показали возможность разрушения структуры вследствие локальных напряжений, возникающих в связи с незавершенностью процесса отжига. Прочность пено­стекла при объемной массе 180 кг/м3 снижается соответственно с 4,4 до 3,0 кгс/см2 и далее до 2,5 кгс/см2.

Выполненные нами исследования показали, что сорбцион - кые свойства пеностекла (паропроницаемость, сорбционная влажность, водопоглощение) закладываются на стадии подго­товки пенообразующей смеси и формируются в процессе полу­чения пеностекла. Постоянство их зависит от стабильности хи­мического состава стекла и его свойств, важнейшими из кото­рых являются химическая устойчивость и кристаллизационная способность.