XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка параметров синтеза пеностекла
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Пеностекло - пористый тепло- и звукоизоляционный материал с истинной пористостью до 95 и более % [4]. Благодаря высоким техническим характеристикам пеностекло, несмотря на высокую стоимость материала, получило широкий спектр применения в строительстве. Важная составляющая применения этого материала — экологическая безопасность. Современный строительный рынок предлагает большой выбор теплоизоляционных материалов, но в некоторых сферах использование пеностекла более эффективно и целесообразно:
возведение высотных конструкций. Обусловлено высокой прочностью и огнеустойчивостью;
теплоизоляция больших площадей;
строительство конструкций, эксплуатация которых связана с высокой влажностью (бани, сауны, бассейны, SPA-салоны и аквапарки);
реставрация старых строений;
теплоизоляция подземных сооружений различного типа;
экологически чистый теплоизоляционный материал при строительстве зданий для медицинской, фармакологической и пищевой промышленности;
за счёт способности противостоять перепадам температур в широком диапазоне используется для теплоизоляции трубопроводов;
в химической и нефтяной промышленности, особенно в северных районах;
благодаря высоким противопожарным характеристикам используется в атомной промышленности.
На данный момент пеностекло изготавливают из стекловидных горных пород. Возможные газообразователи в пеностекле: графит, уголь, сажа, мел, карбид.
В результате стекольного производства на заводах остаются отходы, которые на данный момент утилизируются или захараниваются. Эти способы экономически затратны и экологически не выгодны. Отходы стекольного производства разлагаются более 1000 лет [6]. Вынесено предположение, что стеклоотходы возможно отправить на вторичное производство по изготовлению пеностекла.
Актуальность данной работы заключается в получении безотходного производства пеностекла.
Цель: получение теплоизоляционного пенного стекла из отходов стеклопроизводства и определение его технических параметров.
Задачи:
Определить возможность получения пеностекла из смешанных бытовых отходов стекла (бутылки и прочее) и газообразователя-сажи
Установить оптимальную концентрацию газообразователя в пеностекле
Определить свойства полученного материала
Глава 1.
С физической точки зрения пеностекло представляет собой гетерогенную систему, состоящую из газообразной и твердой фаз.
Твердая фаза представляет собой тонкие стеклянные стенки отдельных ячеек. Их толщина составляет несколько микрон.
Ячейки заполнены газовой фазой, общее давление этих газов при 20оС составляет примерно 0,3-0,4атм.
Порошковый метод получения пеностекла – единственный метод, нашедший промышленную реализацию. Его предложили в середине прошлого века профессора Китайгородский И.И. и Кешищан Т.Н. в нашей стране и Б.Лонг во Франции. Суть метода в спекании смеси порошков стекла и специальных добавок, способствующих образованию газовой фазы при нагревании. Эти добавки, вводимые в пеностекольную шихту в малых количествах, называют иногда газообразователями, иногда порообразователями, а иногда пенообразователями. Все эти три термина равнозначны и могут использоваться для обозначения добавки [2].
|
1 стадия (tкомн – tg). 2 стадия (tg – tвсп). 3 стадия (достижение tвсп). 4 стадия (выдержка при tвсп). 5 стадия (выдержка при tвсп). 6 стадия (выдержка при tвсп). |
Пеностекольная шихта представляет собой конгломерат несвязанных друг с другом частиц тонкомолотого стекла и порообразователя. Вязкая масса спекшегося стекла, содержит воздушные поры и частицы порообразователя (V2< Vисх). Вязкая тестообразная стекломасса, внутри нее частицы порообразователя начинают выделять газы (V3< Vисх). Возникает поровая структура с округлыми сферообразными полостями (V4 >Vисх). Форма пор в структуре пеномассы становится подобной неправильным многогранникам (V5> V4> Vисх). Стенки между порами начинают прорываться. У пеномассы образуется структура с сообщающимися порами (V5> V6>Vисх). |
Механизм образования пеномассы:
Газообразователь - вещество, вводимое в пеностекольную шихту с целью образования газовой фазы внутри спекаемого образца [5]. Обычно газообразователи принято разделять на два типа нейтрализационные и окислительно-восстановительные.
Нейтрализационные – это карбонаты и в основном CaCO3 (известняк, мел). При температурах порядка 750оС он начинает разлагаться:
CaCO3 = CaO + CO2
При 800оС эта реакция протекает интенсивно
CO2 выделяется в виде газа, раздувая поры
CaO оседает на поверхности стекловидных перегородок
CaCO3 используют, как правило, для получения звукоизоляционного пеностекла – это пеностекло с сообщающимися порами. Реакция разложения протекает интенсивно и начинается при относительно низких температурах. Резкое газовыделение, происходящее, когда стекло еще недостаточно спечено, способствует образованию лабиринтообразной пористой структуры.
Окислительно-восстановительные. Их используют для получения теплоизоляционного пеностекла – материала преимущественно с замкнутыми порами, изолированными друг от друга тонкими стеклянными стенками.
В этом качестве выступают углерод содержащие вещества (кокс, антрацит, сажа, графит, реже карбид кремния). Причина газовыделения – реакция окисления пенообразователя газами, растворенными в стекле. В первую очередь это SO3 и O2
C + SO2 → CO2 + CO + S2-
SiC + SO2 → SiO2 + CO2 + CO + S2-
CO2 и CO газы, вспенивающие размягченную массу. S2- частично остается в поре, а частично выделяется в виде газообразногоH2S. SiO2 оседает на стенках пор. Всего в порах обнаружено наличие следующих газов: CO2, CO, H2S и N2.
Газовыделение тут более медленное и начинается оно, когда стекломасса достаточно размягчена для окисления газообразователя, поэтому с помощью таких газообразователей можно получать материал с изолированными порами, обладающего высокой теплоизоляцией. Остатки не прореагировавшего углерода оседают на стенках пор. В данном исследовании использован окислительно-восстановительный газообразователь - сажа.
Свойства пеностекла.
Пеностекло является одним из наиболее перспективных теплоизоляционных материалов, обладающих целым рядом преимуществ перед другими теплоизоляционными материалами [1]. Пеностекло благодаря развитой ячеистой структуре и физико-химическим свойствам стекла, составляющего стенки отдельных ячеек, обладает уникальными эксплуатационными характеристиками, ставящим его значительно выше прочих теплоизоляционных материалов, применяемых в настоящее время.
В отличие от подавляющего большинства теплоизоляционных материалов пеностекло не теряет значений своих свойств с течением времени. Обследование пеностекла, использовавшегося в качестве теплоизоляции в течение 50 лет, показали, что его физико-химические показатели практически не изменились. Пеностекло не дало усадки. Его геометрические размеры остались неизменны, что имеет очень существенное значение, как для всей строительной конструкции в целом, так и для сохранения эксплуатационных свойств теплоизоляционного слоя. Наличие данного фактора весьма важно, т.к. материалы, размеры которых нестабильны, и, которые могут дать усадку в процессе эксплуатации, способны образовывать «мостики холода», что резко ухудшает теплозащиту здания.
Теплоизоляция, выполненная из пеностекла, не разрушается при химическом воздействии ни пресной, ни соленой (морской) воды, а также не является питательной средой для грибка, плесени и микроорганизмов, не повреждается корнями растений. Благодаря высокой абразивной способности мелких осколков пеностекла, этот материал представляет собой прекрасную защиту, «непроходимую» для любых насекомых и грызунов.
Пеностекло является совершенно негорючим материалом. Оно не содержит органических компонентов и, поэтому при высоких температурах может лишь плавиться, как обычное стекло, не выделяя при этом ядовитых газов.
Пеностекло легко обрабатывается механическими инструментами под любые формы и размеры, легко пилится и сверлится. Оно связывается и склеивается любыми строительными растворами и клеями. Все это позволяет легко осуществить монтаж блоков пеностекла с использованием различных вариантов крепления.
Высокие физико-химические свойства пеностекла и их стабильность во времени обеспечивает то, что срок эксплуатации блоков этого материала равен сроку эксплуатации всего здания.
Практическая часть.
Ход эксперимента:
Приготовление смеси;
Прессование;
Выпекание образцов;
Исследовать полученные образцы на прочность, пористость и водопоглощение;
Сравнить полученные образцы с образцами ГОСТ.
Приготовление смеси для получения пеностекла из отходов стеклопроизводства и пенообразователя сажи С.
Табл.1 «Приготовление смеси»
-
Образец
1
2
3
4
Стекло
99%
9,9г
98%
9,8 г
97%
9,7г
95%
9,5г
Сажа
1%
0,1г
2%
0,2г
3%
0,3г
5%
0,5г
Прессование производилось на ручном прессе.
Смеси помещались в форму для прессования и под давлением уплотнялись до нужной формы. Полученные образцы были измерены. Данные занесены в таблицу 2. Объем рассчитан по формуле: Vобр.=a*b*c , где a-длина, b –ширина, c- высота образца
Табл.2 «Измерение образцов после прессования»
-
Образец
1
2
3
4
Высота (а)
17 мм
17 мм
17 мм
17 мм
Ширина (b), длина(c)
20 мм
20 мм
20 мм
20 мм
Объем
6800 мм3
6800 мм3
6800 мм3
6800 мм3
Выпекание в печи при температуре 900 °C на 30 минут.
В результате спекания образцов образовывались поры
С+O2=CO2+CO
Полученные образцы были измерены, данные занесены в таблицу 3.
Табл. 3 «Данные образцов после выпекания»
-
Образец
1
2
3
4
Высота (a)
15 мм
20 мм
20 мм
21 мм
Ширина (b), длина (c)
25 мм
30 мм
40 мм
35 мм
Объем
9375 мм3
18000 мм3
32000 мм3
25725 мм3
До выпекания образцы были одинаковых размеров. Разное содержание газообразователя, после выпекания, привело к разным объемам каждого образца. Самым объемным стал образец №3, содержащий 3% сажи. Большее процентное содержание сажи в образец №4 привело к уменьшению объема образца после выпекания.
Исследование свойств полученных образцов.
Коэффициент вспенивания - это величина, определяемая отношением объема вспененного раствора к объему исходного раствора. Квсп.=Vвсп./Vисх.
Табл. 4 «Коэффициент вспенивания»
-
Образец
1
2
3
4
К всп.
1,4
2,7
4,7
3,8
Коэффициент вспенивания увеличивается от образца №1 до образца №3. А содержание сажи 4% в образце №4 показало снижение коэффициента вспенивания.
После измерения коэффициента вспенивания все образцы были обрезаны. Плотность рассчитана по формуле: P=m/V
Табл.5 «Измерение образцов после обрезания»
-
Образец
1
2
3
4
Ширина
20 мм
23 мм
22 мм
21 мм
Высота
17 мм
16 мм
16 мм
20 мм
Масса
3,69 г
3,97
2,11
5,15
Объем
6,8 мм3
8,5 мм3
7,7 мм3
9 мм3
Плотность
0,54 г/мм3
0,46 г/мм3
0,27 г/мм3
0,57 г/мм3
Минимальную плотность имеет образец №3 и среднее значение объема. Самую высокую плотность показали образцы №1 и №4.
С помощью линейки были измерены диаметры пор на всех обрезанных образцах.
Табл. 6 «Диаметр пор»
-
Образец
1
2
3
4
Диаметр пор
0,5 мм
1 мм
1,5 мм
2-5 мм
Образцы № 2 и №3 имеют среднее значение диаметра пор. У образца №1 поры достаточно малы, а образец №4 имеет большой и разнообразный диаметр пор.
Посчитана пористость каждого образца по формуле: 1-(mобр./pcт.*vобр.)* 100%
Табл. 7 «Пористость»
-
Образец
1
2
3
4
Порист.
79%
81%
90%
78%
Самое высокое значение пористости показали образцы №2 и №3
Заключение.
Цель работы достигнута Получены образцы теплоизоляционного пенного стекла из отходов стеклопроизводства, с пенообразователем-сажей и определены их технические параметры.
Все образцы исследованы на пористость и коэффициент вспенивания, измерен диаметр пор.
Образец 1. Имеет самые маленькие показатели коэффициента вспенивания, диаметра пор и относительно малую пористость.
Образцы 2 и 3. Хорошие показатели коэффициента вспенивания, средние диаметры пор и высокая пористость.
Образец 4. Имеет очень большой диаметр пор. Из-за большого количества пенообразователя поры становятся большими и начинают соединятся друг с другом. Следовательно, К всп. меньше, но поры больше.
Установлена оптимальная концентраця газообразователя в пеностекле: образец 2 (содержание стеклоотходов 98% и 2% сажи) и образец 3 (содержание стеклоотходов 97% и 3% сажи) имеют наилучшие характеристики и могут быть рекомендованы для производства.
Список литературы.
Бобкова Н.М. Баранцева С.Е. Трусова Е.Е. Пеностекло на основе отходов промышленного производства// Стекло мира, 2011, №1, с.60-61.
Минько Н.И. Пучка О.В. Кузьменко А.А. Степанова М.Н. Перспективы развития технологии производства и применения пеностекла// Стекло мира, 2011, №1, с.61-62.
Демидович Б.К. Пеностекло. Минск, «Наука и техника», 1975, 151с.
https://studfile.net/preview/8984532/page:9/
https://bibliotekar.ru/spravochnik-94-stroymaterialy/index.htm
Газообразователи, Свойства пеностекла - Технология производства пеностекла. Айрапетов Г.А., Безродный О.К. , Жолобов А.Л. Строительные материалы/ учебно-справочное пособие.
https://studbooks.net/1760128/pedagogika/othody_vybrosy_stekolnogo_proizvodstva
«Успехи в химии и химической технологии». Министерство образования и науки Российской Федерации Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева.. Том XXXI № 3 Москва 2017.
Теплоизоляционные материалы и конструкции: учебник / Ю.Л. Бобров, Е.Г. Овчаренко, Б.М. Шойхет, Е.Ю. Петухова. М.: Инфра-М, 2003. 268 с.
Жигулина А.Ю. Перспективы применения силикатнатриевых композиций в производстве теплоизяционных материалов для промышленного и гражданского строительства. М.: Гос. Комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу, ВНИИНТПИ, 2006. Вып. 3. С. 48–51.
Приложение.
Рисунок 1 и 2 «Приготовление смеси»
Рис. 1 Рис. 2
Рисунок 3 и 4 «Прессование»
Рис. 3 Рис.4
Рисунок 5 и 6 «Выпекание образцов»
Рис.5 Рис.6
Рисунок 7 и 8 «Обрезание образцов»
Рис. 7 Рис. 8